CN105366037A - 一种飞行模态可转换的无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机飞机制造技术领域，具体涉及一种飞行模态可转换的无人机，尤其涉及一种飞行模态可转换的无人机，系统组成包括：飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组、发动机控制装置、滑翔伞、左动力发动机、右动力发动机、飞行控制计算机、发动机控制装置和开切伞系统，所述飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组和发动机控制装置信号相连，所述滑翔伞、左动力发动机、右动力发动机、飞行控制计算机、发动机控制装置和开切伞系统机械相连。

Description

一种飞行模态可转换的无人机
技术领域
本发明涉及无人机飞机制造技术领域，具体涉及一种飞行模态可转换的无人机，尤其涉及一种飞行模态可转换的无人机。
背景技术
无人飞行器在技术领域中常见的分类有：固定翼无人机、旋翼无人飞行器等。固定翼无人机相较其他类型的无人机在飞行速度、飞行高度等技术指标上具备固有优势。旋翼无人飞行器的优势则在于能够执行低速监视任务以及定点着陆。
近年来军用及民用无人机市场对固定翼无人机在不同任务环境和起降环境的适应能力提出了更高的要求。在某些特定任务条件下固定翼无人机暴露出两个缺点，一是其最低飞行速度限制了一些需要滞空才能完成的特殊任务，二是它对起降环境的要求高，难以实现定点着陆。
因此本发明考虑设计一种模态可转换的无人机，通过操作无人机在固定翼飞行和伞翼飞行之间切换飞行模态，既保留固定翼无人机在飞行速度和飞行高度的优势，又能够在特定环境下利用滑翔伞升力比高的特点实现低速滑翔。
发明内容
为了解决现有的技术中的不足，达到针对传统固定翼无人机存在的局限性，提供一种可通过飞行模态的转换实现低速滑翔、定点着陆的固定翼无人机。
一种飞行模态可转换的无人机，系统组成包括：飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组、发动机控制装置、滑翔伞、左动力发动机、右动力发动机、飞行控制计算机、发动机控制装置和开切伞系统，所述飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组和发动机控制装置信号相连，所述滑翔伞、左动力发动机、右动力发动机、飞行控制计算机、发动机控制装置和开切伞系统机械相连。
所述飞行控制计算机是在固定翼飞行模态下根据高度传感器和速度传感器提供的无人机高度和速度信息控制发动机和舵面维持无人机的正常飞行状态，或根据接收到的地面指令，结合无人机当前飞行高度及飞行速度，控制开切伞系统打开滑翔伞；在伞翼飞行模态下通过发动机控制装置控制左右发动机转速使无人机爬升或转向，或根据接收到的地面指令，结合无人机当前飞行高度及飞行速度，控制开切伞系统切断滑翔伞。
所述伞系统由滑翔伞舱、滑翔伞、连接机构和开切伞装置组成，可根据飞行控制计算机发出的开切伞指令打开或切断滑翔伞。
所述高度传感器采用GPS或无线电测高系统，采集飞机的当前飞行高度，向飞行控制计算机提供飞机的高度信息。
所述速度传感器采用GPS或空速管，采集飞机的当前飞行速度，向飞行控制计算机提供飞机的速度信息。
所述测控链路由机载天线、机载无线电收发机、地面天线和地面无线电收发机组成，除通常给无人机发送飞行和任务指令外，还可将地面操作员发出的飞行模态转换指令从地面发送至无人机上的飞行控制计算机；
所述发动机组由至少一组对称分布于无人机左右两侧的发动机组成，发动机可采用电机或汽油机。
所述发动机控制装置根据飞行控制计算机发出的功率调节信号分别控制左右两组发动机的转速，能够在伞翼飞行模态下调节左右两组发动机产生转速差，在无人机左右两侧形成转向力矩，控制无人机转向。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
（1）空中转换飞行模态。目前固定翼无人机由于要求具备最低飞行速度，限制了它执行定点监视、定点通信中继等任务的能力。
本发明提出用滑翔伞装备于固定翼无人机。开伞后完成从高速飞行到低速滑翔的飞行模态转换，通过飞行模态的转换，可以消除最低飞行速度的限制，同时减少无人机滑翔过程中的燃料消耗，显著延长飞行航时。
如需使无人机回到高速飞行状态，则通过切伞实现从伞翼到固定翼飞行模态之间的转换。
（2）伞翼飞行模态下的滑翔控制。在伞翼飞行模态下，由于飞行速度低和无人机气动特性的改变，舵面将丧失对无人机飞行姿态的控制能力，需要一套适合伞翼飞行模态的滑翔控制系统。传统的滑翔伞控制方式是通过拉拽和释放伞衣后缘的操纵绳以改变伞翼的气动外形，从而改变滑翔伞所承受的气动力，调整滑翔伞滑行方向。这样的控制方式难度高、不确定性强，如果应用于要求自动控制的无人机系统，既增加系统的复杂程度，又增加控制难度。
本发明提出的伞翼飞行模态下的滑翔控制方法，首先通过飞行控制计算机给发动机控制装置下达指令，再由发动机控制装置控制位于飞机两侧的两组发动机的转速，形成左、右推力差，通过控制力矩完成无人机动力滑翔的左转向或右转向，通过改变滑翔速度完成爬升或降落，从而实现滑翔控制。
这种滑翔控制方式系统结构简单，其所依赖的整套装置除滑翔伞相关装置外均可以借用原固有无人机系统，无需再增加诸如伞绳控制装置等冗余结构，比传统的控制方式更适合于无人机。
（3）操纵无人机定点着陆。过去的无人机伞降回收均采取发动机停车的无控自由落体方式，因此无人机在下降过程中会随风向飘摆，具体落点不定，因而需要一个面积够大的回收场地，同时无人机在着陆瞬间，由于无人机在侧风影响下，有一个平移速度，当侧风速度超过限制时，极易造成无人机着陆的损坏，成为无人机伞降回收方式不可避免的硬伤。
本发明提出的一种飞行模态可转换的无人机，用滑翔伞替代降落伞，通过带动力滑翔的方式，在一定程度上减少了定点着陆过程中风力对无人机姿态的影响。并且在伞翼飞行模态下的滑翔控制策略中，提出了一种通过飞行控制计算机对无人机开伞后的位置和姿态进行控制和校正的方法，可以达到精确引导无人机定点着陆的目的。既提高了定点着陆的精度，又降低了无人机对着陆环境要求，拓宽了使用范围，从而减小了着陆时对无人机的损害，延长了无人机使用寿命。
通过综合以上（1）、（2）、（3）三点，一种飞行模态可转换的无人机既能够保留传统固定翼无人机在飞行速度和飞行高度的优势，又能够在空中切换飞行模态并实现有效的滑翔控制，而且这一技术还可以应用于精确引导无人机定点着陆。
附图标记
1.滑翔伞、2.左动力发动机、3.右动力发动机、4.飞行控制计算机、5.发动机控制装置、6.开切伞系统。
附图说明
图1是本技术发明的结构图。
图2是本技术发明的主要系统交联图。
具体的实施方式：
实施例1：
一种飞行模态可转换的无人机，其系统组成包括：飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组、发动机控制装置、滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6，所述飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组和发动机控制装置信号相连，所述滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6机械相连。
所述飞行控制计算机是在固定翼飞行模态下根据高度传感器和速度传感器提供的无人机高度和速度信息控制发动机和舵面维持无人机的正常飞行状态，或根据接收到的地面指令，结合无人机当前飞行高度及飞行速度，控制开切伞系统打开滑翔伞；在伞翼飞行模态下通过发动机控制装置控制左右发动机转速使无人机爬升或转向，或根据接收到的地面指令，结合无人机当前飞行高度及飞行速度，控制开切伞系统切断滑翔伞。
所述伞系统由滑翔伞舱、滑翔伞、连接机构和开切伞装置组成，可根据飞行控制计算机发出的开切伞指令打开或切断滑翔伞。
所述高度传感器采用GPS或无线电测高系统，采集飞机的当前飞行高度，向飞行控制计算机提供飞机的高度信息。
所述速度传感器采用GPS或空速管，采集飞机的当前飞行速度，向飞行控制计算机提供飞机的速度信息。
所述测控链路由机载天线、机载无线电收发机、地面天线和地面无线电收发机组成，除通常给无人机发送飞行和任务指令外，还可将地面操作员发出的飞行模态转换指令从地面发送至无人机上的飞行控制计算机；
所述发动机组由至少一组对称分布于无人机左右两侧的发动机组成，发动机可采用电机或汽油机。
所述发动机控制装置根据飞行控制计算机发出的功率调节信号分别控制左右两组发动机的转速，能够在伞翼飞行模态下调节左右两组发动机产生转速差，在无人机左右两侧形成转向力矩，控制无人机转向。
实施例2：
一种飞行模态可转换的无人机，其系统组成包括：飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组、发动机控制装置、滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6，所述飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组和发动机控制装置信号相连，所述滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6机械相连。
无人机起飞后首先处于固定翼飞行模态，当地面操作员通过测控链路将飞行模态转换指令送至无人机上的飞行控制计算机4时，飞行控制计算机4首先判断无人机滑翔伞舱中有滑翔伞剩余，再判断当前的飞行高度和飞行速度，如果当前飞行高度大于最低安全高度且当前飞行速度在固定翼飞行模态下最低安全飞行速度的100%-150%范围内，则飞行控制计算机4先调节给发动机控制装置5的转速控制信号，调节左右动力发动机2和3转速为怠速工作，后向开切伞系统6发出开伞指令，控制滑翔伞1打开。同时飞行控制计算机将控制策略由固定翼飞行模态切换到伞翼飞行模态。如果转换飞行模态时无人机当前飞行高度和飞行速度不满足上述开伞要求，则飞行控制计算机4先控制无人机爬升至指定飞行高度，再调整飞行速度至指定范围，然后重复上述步骤。
实施例3：
一种飞行模态可转换的无人机，其系统组成包括：飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组、发动机控制装置、滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6，所述飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组和发动机控制装置信号相连，所述滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6机械相连。
当无人机处于伞翼飞行模态时，无人机在滑翔伞1提供的升力作用下保持低速度滑翔，此模态下飞行控制计算机4的控制策略遵循如下工作原理：
a)爬升,当飞行控制系统4命令发动机控制装置5控制左右动力发动机2和3提高转速，无人机滑翔速度增大，拖动滑翔伞，使滑翔伞1提供的纵向升力加大，产生向上的加速度，使无人机向上爬升；
b)降落：当飞行控制系统4命令发动机控制装置5控制左右动力发动机2和3降低转速后，滑翔伞1提供的升力减小，在重力作用下，无人机保持的较低的滑翔速度同时缓慢降落。
c)转向：当飞行控制系统4命令发动机控制装置5控制左动力发动机2加速，同时右发动机3减速，通过左、右发动机转速变化产生推力差，使无人机获得向右的转向力矩，力矩再通过连接装置传导至滑翔伞，从而控制无人机在前进过程中向右转向，反之也可以控制无人机向左转向。
实施例4：
一种飞行模态可转换的无人机，其系统组成包括：飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组、发动机控制装置、滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6，所述飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组和发动机控制装置信号相连，所述滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6机械相连。
当无人机处于伞翼飞行模态时，如果地面操作员再次通过测控链路将飞行模态转换指令发送至无人机上的飞行控制计算机4，飞行控制计算机4首先判断无人机当前的飞行高度和飞行速度，如果飞行当前飞行高度大于最低俯冲起始高度且当前飞行速度高于最低俯冲起始速度，则命令开切伞装置6切断滑翔伞1的伞绳，此时飞行控制计算机将控制策略由伞翼飞行模态切换回固定翼飞行模态,同时为获得足够的飞行速度，飞行控制计算机4同时命令发动机控制装置5控制左右动力发动机2和3提升转速，无人机借助发动机的推力进行俯冲加速，直到速度传感器回传的当前飞行速度大于无人机最低安全飞行速度后，无人机才完成到固定翼飞行模态的转换。如果转换飞行模态时无人机当前飞行高度和飞行速度不满足上述切伞要求，则飞行控制计算机4先控制无人机爬升至指定飞行高度，再调整飞行速度至指定范围，然后重复上述步骤。
实施例5：
一种飞行模态可转换的无人机，其系统组成包括：飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组、发动机控制装置、滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6，所述飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组和发动机控制装置信号相连，所述滑翔伞1、左动力发动机2、右动力发动机3、飞行控制计算机4、发动机控制装置5和开切伞系统6机械相连。
当无人机处于固定翼飞行模态时，如果地面操作员通过测控链路将定点着陆指令发送至无人机上的飞行控制计算机4，飞行控制计算机4先控制无人机按照实施例1中的步骤完成由固定翼飞行模态到伞翼飞行模态的转换，再照实施例2中的步骤持续调整无人机的滑翔姿态，直到无人机降落至指定地点，方完成无人机定点着陆。
工作原理：
无人机起飞后首先处于固定翼飞行模态，当地面操作员通过测控链路将飞行模态转换指令送至无人机上的飞行控制计算机4时，飞行控制计算机4首先判断无人机滑翔伞舱中有滑翔伞剩余，再判断当前的飞行高度和飞行速度，如果当前飞行高度大于最低安全高度且当前飞行速度在固定翼飞行模态下最低安全飞行速度的100%-150%范围内，则飞行控制计算机4先调节给发动机控制装置5的转速控制信号，调节左右动力发动机2和3转速为怠速工作，后向开切伞系统6发出开伞指令，控制滑翔伞1打开。同时飞行控制计算机将控制策略由固定翼飞行模态切换到伞翼飞行模态。如果转换飞行模态时无人机当前飞行高度和飞行速度不满足上述开伞要求，则飞行控制计算机4先控制无人机爬升至指定飞行高度，再调整飞行速度至指定范围，然后重复上述步骤。
当无人机处于伞翼飞行模态时，无人机在滑翔伞1提供的升力作用下保持低速度滑翔，此模态下飞行控制计算机4的控制策略遵循如下工作原理：
爬升,当飞行控制系统4命令发动机控制装置5控制左右动力发动机2和3提高转速，无人机滑翔速度增大，拖动滑翔伞，使滑翔伞1提供的纵向升力加大，产生向上的加速度，使无人机向上爬升；
降落：当飞行控制系统4命令发动机控制装置5控制左右动力发动机2和3降低转速后，滑翔伞1提供的升力减小，在重力作用下，无人机保持的较低的滑翔速度同时缓慢降落。
转向：当飞行控制系统4命令发动机控制装置5控制左动力发动机2加速，同时右发动机3减速，通过左、右发动机转速变化产生推力差，使无人机获得向右的转向力矩，力矩再通过连接装置传导至滑翔伞，从而控制无人机在前进过程中向右转向，反之也可以控制无人机向左转向。
当处于伞翼飞行模态时，如果地面操作员再次通过测控链路将飞行模态转换指令送至无人机上的飞行控制计算机4，飞行控制计算机4首先判断无人机当前的飞行高度和飞行速度，如果飞行当前飞行高度大于最低俯冲起始高度且当前飞行速度高于最低俯冲起始速度，则命令开切伞装置6切断滑翔伞1的伞绳，此时飞行控制计算机将控制策略由伞翼飞行模态切换回固定翼飞行模态,同时为获得足够的飞行速度，飞行控制计算机4同时命令发动机控制装置5控制左右动力发动机2和3提升转速，无人机借助发动机的推力进行俯冲加速，直到速度传感器回传的当前飞行速度大于无人机最低安全飞行速度后，无人机才完成到固定翼飞行模态的转换。如果转换飞行模态时无人机当前飞行高度和飞行速度不满足上述切伞要求，则飞行控制计算机4先控制无人机爬升至指定飞行高度，再调整飞行速度至指定范围，然后重复上述步骤。

Claims (7)

1.一种飞行模态可转换的无人机，其系统组成包括：飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组、发动机控制装置、滑翔伞（1）、左动力发动机（2）、右动力发动机（3）、飞行控制计算机（4）、发动机控制装置（5）和开切伞系统（6），所述飞行控制计算机、开切伞系统、高度传感器、发动机组和发动机控制装置信号相连，所述滑翔伞（1）、左动力发动机（2）、右动力发动机（3）、飞行控制计算机（4）、发动机控制装置（5）和开切伞系统（6）机械相连。
2.根据权利要求1所述一种飞行模态可转换的无人机，其特征在于：所述飞行控制计算机是在固定翼飞行模态下根据高度传感器和速度传感器提供的无人机高度和速度信息控制发动机和舵面维持无人机的正常飞行状态，或根据接收到的地面指令，结合无人机当前飞行高度及飞行速度，控制开切伞系统打开滑翔伞；在伞翼飞行模态下通过发动机控制装置控制左右发动机转速使无人机爬升或转向，或根据接收到的地面指令，结合无人机当前飞行高度及飞行速度，控制开切伞系统切断滑翔伞。
3.根据权利要求1所述一种飞行模态可转换的无人机，其特征在于：所述伞系统由滑翔伞舱、滑翔伞、连接机构和开切伞装置组成，可根据飞行控制计算机发出的开切伞指令打开或切断滑翔伞。
4.根据权利要求1所述一种飞行模态可转换的无人机，其特征在于：所述高度传感器采用GPS或无线电测高系统，采集飞机的当前飞行高度，向飞行控制计算机提供飞机的高度信息。
5.根据权利要求1所述一种飞行模态可转换的无人机，其特征在于：所述速度传感器采用GPS或空速管，采集飞机的当前飞行速度，向飞行控制计算机提供飞机的速度信息。
6.根据权利要求1所述一种飞行模态可转换的无人机，其特征在于：所述测控链路由机载天线、机载无线电收发机、地面天线和地面无线电收发机组成，除通常给无人机发送飞行和任务指令外，还可将地面操作员发出的飞行模态转换指令从地面发送至无人机上的飞行控制计算机。
7.根据权利要求1所述一种飞行模态可转换的无人机，其特征在于：所述发动机组由至少一组对称分布于无人机左右两侧的发动机组成，发动机可采用电机或汽油机。
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