CN106184738A - 一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，机翼与机身之间可拆卸组装。机翼与机身形成两种布局。X型布局：机身上安装两对机翼，两对机翼左右对称，每对机翼上下对称，每对机翼的夹角是120度，四个机翼成X型。Y型布局：机身上安装三个机翼，相邻两个机翼之间的夹角为120度，三个机翼成Y型。X型布局的无人机适用于无风情况下长距离飞行的情况，Y型布局的垂直起降无人机适用于有侧向风情况下相对短距离飞行的情况。本发明结构简单、控制简单，机翼与机体之间是可拆卸的连接方式，适用于不同的场合，避免了过渡模式下的奇异问题，可实现长航时、长航程。

Description

一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机

技术领域

本发明属于飞行器结构设计领域，涉及飞行器外形设计、气动分析以及控制器的设计。

背景技术

垂直起降飞行器(VTOL)的准确定义是：能够以零速度起飞/着陆，具备悬停能力，并能以固定翼飞机的方式水平飞行。与传统飞机相比，垂直起降飞行器对跑道无依赖，且具有可悬停的优势。与传统直升机相比，垂直起降飞行器具有高得多的前飞速度，并具有更大的航程。正因为具备这些优点，垂直起降飞行器尤其适用于需要悬停或对起降场地有特殊要求的场合。

垂直起降无人机大致能分为三种类型，一类是倾转式旋翼机，另一类是尾座式无人机，还有一类是矢量推进式。倾转机身式和倾转旋翼式飞行器需要复杂的旋转机构，而矢量推进式飞行器的发动机结构过于复杂；相对而言，尾座式飞行器的构形简单，其结构与固定翼飞行器类似，可在其基础上通过加装尾部起落支架，更换大推力发动机，增大控制舵面等一系列改造而来。尾座式飞行器在起飞时机尾坐地机头朝上，在发动机的推动下垂直起飞，到达一定高度和速度时拉低机头转为水平飞行；降落时首先拉高机头爬升使机头朝上，然后减小发动机推力缓慢降落在指定位置。

尾座式无人机融合了旋翼无人机和固定翼无人机的优点。一方面尾座式无人机具有垂直起降功能，因此不需要起降跑道，或者弹射和回收等附属装置，部署时间短，可以部署在地形复杂的丘陵山地和城市街道，甚至是小型水面舰艇和潜艇上。另一方面，尾座式无人机拥有高速水平巡航功能，这种飞行状态下无人机的效率高，这对于电池和燃油有限的无人机具有很大优势。尾座式无人机这些独特的优越性使其在民用、军事和科研领域得到广泛应用。

综合当前的垂直起降无人机来看，其设计难点有以下三个。

一是外形结构的设计。良好的外形结构设计以及气动布局设计能够使得无人机性能充分发挥出来，并且为控制系统的设计带来方便。

二是过渡模态的设计。垂直起降无人机的飞行模式包括三种，一种是垂直起降模式，一种是平飞模式，另一种是所谓的过渡模式。很显然对前两种模式的设计可以类似多旋翼以及固定翼的控制设计。而过渡模态涉及到俯仰角变化超过90度，传统的欧拉角运动会带来奇异问题，而且过渡过程并不是唯一的，二是速度与姿态角的多变量组合问题，这涉及到过渡飞行过程中的优化问题。

三是过渡模态的姿态描述以及这个飞行过程中的控制律的设计。首先，过渡模态涉及到俯仰角变化超过90度，会带来奇异问题，除此在过渡飞行过程中无人机的气动模型发生剧烈的变化，这对整个飞行过程中的控制器设计带来一定的困难。

发明内容

本发明采用了将旋翼与固定翼结合的方式，提供了一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，并设计了在过渡模式下的控制率，以避免过渡模式下的奇异问题。

本发明提供的可拆卸的尾座式垂直起降无人机，机翼与机身之间可拆卸组装，机翼与机身形成两种布局，一种是X型布局，一种是Y型布局。

X型布局是：机身上安装两对机翼，两对机翼左右对称，每对机翼上下对称，每对机翼的夹角是120度，四个机翼成X型。机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上固定连接有一个电机，每个电机上安装有一个螺旋桨。机身上部的左右两个机翼上，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵。

Y型布局是：机身上安装三个机翼，相邻两个机翼之间的夹角为120度，三个机翼成Y型。机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上固定连接有一个电机，每个电机上安装有一对正反螺旋桨。机身上部的两个机翼，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵。机身下部的机翼，通过铰链固定安装有一个偏航操纵舵。

本发明可拆卸的尾座式垂直起降无人机，其模态转换控制方式如下：

(一)垂直起飞后向平飞模式过渡；

垂直起飞达到预定高度以及预定速度时，通过俯仰通道的控制，包括电机差动旋转以及俯仰操纵舵的控制，给定姿态角控制指令，使得无人机俯仰角由90度过渡到0度附近，并且进行配平，实现平飞巡航；

t时刻的俯仰角其中，T_f是过渡过程时间，θ₀是平飞模式下的配平俯仰角。

(二)平飞向垂直降落模式过渡；

在降落的时候，无人机垂直拉起，给定姿态角控制指令，使得无人机姿态角由配平角度过渡到90度，t时刻的俯仰角变成垂直模式时俯仰角通过减小电机的转速，并且保持姿态的稳定，使得无人机降落。

本发明一种适用于快递的垂直起降无人机，其相对现有技术，优点与积极效果在于：

(1)结构简单，由于机翼与机体之间是拆卸/固定连接，因此相对于倾转旋翼机来说，过渡模态过程中机翼与机体之间无需相对转动，不需要相应控制部件。

(2)控制简单。垂直飞行状态下，机体质量主要分布在竖直方向，整机相当于X型旋翼，具有良好的对称性，控制简单。水平飞行状态下，以普通固定翼方式飞行，飞行速度高，节省能源，控制简单。过渡飞行状态下，推力相对于机体同步换向，转换过程简化为固定翼飞机的机动动作。由于控制输入有8个，分别是4个电机转速和2个俯仰操纵舵以及2个鸭翼，使得整个无人机系统是一个完整可控系统，因此控制操作简单，便于实现。

(3)机翼可拆卸/组装，功能丰富。机翼与机体之间是可拆卸的连接方式，适用于不同的场合。

(4)在机体前部设计两个鸭翼，一方面鸭翼布局能够提升无人机在大迎角性能，另一方面鸭翼布局还能在俯仰方向上提供一定的配平力矩，增加控制量，对于系统的稳定操纵性有一定的提高。

(5)航时长、航程长。水平飞行模式下通过机翼增加巡航时所需升力，减少能量消耗，从而实现大载荷下长航时、长航程飞行和垂直起降。

附图说明

图1是本发明的可拆卸的尾座式垂直起降无人机的X型布局示意图；

图2是本发明的X型布局无人机的平面示意图；其中，a为右视图，b为俯视图，c为后视图；

图3是本发明的可拆卸的尾座式垂直起降无人机的Y型布局示意图；

图4是本发明的Y型布局无人机的平面示意图；其中，a为俯视图，b为右视图，c为后视图；

图5是本发明所使用的IMU的结构示意图；

图6是本发明的X型布局无人机的一个仿真示意图；(A)为升力系数和攻角的关系示意图；(B)为阻力系数和攻角的关系示意图；(C)为俯仰力矩系数和攻角的关系示意图；(D)为升阻比和攻角的关系示意图。

图中：1-电机；2-鸭翼；3-俯仰操纵舵；4-电机与机体固定装置；5-机翼；6-偏航操纵舵。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的新型可拆卸尾座式垂直起降无人机，包括电机1、鸭翼2、俯仰操纵舵3、电机与机体固定装置4、机翼5以及机身。其中机体内部装有电子调速器、自动驾驶仪、数据传输模块以及电池等。

无人机上安装有超声波传感器、摄像头、红外传感器等。超声波传感器用于测量无人机与外界物体的距离，避免撞上其它物体。摄像头用于采集图像，通过图像识别软件，实现辨识物体的功能和降落过程中的导航与定位功能。红外传感器用来探测温度，解决具有一定温度的问题，可用来实现避免碰触动物或人体的功能。

本发明的可拆卸的尾座式垂直起降无人机，机翼与机身之间可拆卸组装，通过不同的机翼与机体的组合方式，机翼与机身可形成两种布局，一种是X型布局，一种是Y型布局。这两种布局能够用于不同的场合。X型布局的垂直起降无人机适用于无风情况下长距离飞行的情况，因为其等效翼面积大，升力大，耗能少，飞行距离远，但是他有一个缺点，就是方向控制不灵敏，需要采用螺旋桨的差动偏航，效率低下。因此，这就要产生了Y型结构的布局。Y型布局的垂直起降无人机适用于有侧向风情况下相对短距离飞行的情况，下边的翼面可以有效的提供航向阻尼，控制舵面可以提供方向操纵输入。

X型布局即无人机的机身上可安装两对共四个机翼5，每对机翼上下对称，两对机翼左右对称，每对机翼的夹角是120度，左右相邻两个机翼的夹角为60度，四个机翼成X型。如图1和图2所示，机翼对称分布，并且带有反弯翼型，其前部有正弯度，零俯仰力矩对应的攻角为正值。在翼展有限的情况下，能有效的增加机翼面积，进而增加升力。采用这种X型布局，这样做的好处是增大了机翼面积，升力增大，而且这种夹角能使得气动效果最佳。对称轴为机身中轴线所在垂直或水平平面。

在机身1前部，布置有两个鸭翼2，鸭翼的布局能够提升无人机在大迎角性能，还能在俯仰方向上提供一定的配平力矩，增加控制量，对于系统的稳定操纵性有一定的提高。

机翼5与机身连接一体，机翼为中空结构，内部布置有梁结构，其中自动驾驶仪、电池与电机之间的连线从机翼的空间穿过。

机身也为中空结构，内部有强度加强梁，内部装有电子调速器，自动驾驶仪，数据传输模块以及电池。其中这些部件放于在舱内靠前位置，保证整个系统的重心在压心之前。

电机1为无刷直流电机，通过电机与机体固定装置4与机翼5固定连接在一起。每个电机1上安装有一个螺旋桨，其中对角的一对螺旋桨为正桨，另一对螺旋桨为反桨。

在位于机身上部的左右两个机翼5上，通过铰链各固定有一个俯仰操纵舵3，俯仰操纵舵3通过舵机进行控制。X型布局的无人机采用四个螺旋桨提供动力，通过两个可操纵舵面实现操纵，通过机翼增加巡航时所需升力，减少能量消耗，从而实现大载荷下长航时飞行和垂直起降。

本发明的X型布局的无人机的控制策略如表1所示。

表1：X型垂直起降无人机控制策略

表中给出了无人机在垂直起降模式和平飞模式下，在各种状态下的控制方式。例如在垂直起降模式下，实现俯仰状态，首先控制机身自动倾斜，然后控制俯仰操纵舵面联动，最后进行电机转速调节。

如图3和图4所示，为本发明的无人机形成上反翼布局的Y型示意图。Y型布局的无人机的机身安装三个机翼，三个机翼对称布局，成Y型，相邻两个机翼之间的夹角为120度。采用这种Y型布局的好处是上边两个机翼起到上反角的作用，下边的机翼起到方向舵的作用，增加了偏航通道的稳定性与可控性。

在机身1前部，布置有两个鸭翼2，鸭翼的布局能够提升无人机在大迎角性能，还能在俯仰方向上提供一定的配平力矩，增加控制量，对于系统的稳定操纵性有一定的提高。

机翼5与机身固定连接一体，机翼5为中空结构，内部布置有梁结构，其中自动驾驶仪、电池与电机之间的连线从机翼5的空间穿过。

机身也为中空结构，内部有强度加强梁，内部装有电子调速器，自动驾驶仪，数据传输模块以及电池。其中这些部件放于在舱内靠前位置，保证整个系统的重心在压心之前。

电机1为无刷直流电机，其中每个电机1上都装有一对正反螺旋桨来抵消力矩，这是与X型布局所不一样的。

在Y型布局的无人机的机身上，位于机身上部的两个机翼5，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵3。位于机身下部的机翼5，通过铰链固定安装有一个偏航操纵舵6。俯仰操纵舵3和偏航操纵舵6通过舵机进行控制。Y型布局的无人机采用三对螺旋桨提供动力，通过三个可操纵舵面实现俯仰、偏航通道的操纵。

本发明的Y型布局的无人机的控制策略如表2所示。

表2：Y型垂直起降无人机控制策略

无人机上机载设备的连接关系是：电机连接电子调速器，电子调速器与舵机的引线与自动驾驶仪连接。机载传感器与自动驾驶仪连接，自动驾驶仪与数据通信模块连接，电池为自动驾驶仪以及电机以及舵机供电。

本发明考虑到过渡模态下俯仰角变化超过90度，会带来奇异问题，对姿态结算奇异的惯性姿态测量模块(IMU)进行设计。由于IMU俯仰角测量范围为[0°,±90°)，但是在±90°的时候，会出现欧拉姿态角结算奇异，所以本发明提供了一种新型的IMU，物理结构如图5所示，两块IMU垂直放置并固定。图5中，Ox1、Ox2分别为IMU1、IMU2的测量轴，OX为无人机质心指向机头的轴。两块IMU测量的俯仰角分别是θ₁和θ₂，其中偏航角、滚转角由IMU1测量。

则俯仰角：

$\mathrm{\θ}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\θ}}_1& 0\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{4}\\ \frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_2& \frac{\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right.$

可以看出，利用本发明设计的IMU，俯仰角测量范围在[0°,±90°]，因此可以避免奇异的问题。

无人机的模态转换控制律的设计如下：根据上述两种控制策略可以分别得出“Y”型与“X”型垂直起降无人机的模态转换控制规律。

垂直起飞，达到预定高度H_d以及预定速度V_d，通过俯仰通道的控制，包括电机差动旋转以及俯仰操纵舵的控制，此时给定姿态角控制指令，使得无人机俯仰角由90度过渡到0度附近，并且进行配平，实现平飞巡航。

设θ表示俯仰角，t时刻的俯仰角其中，T_f是过渡过程时间，θ₀是平飞模式下的配平俯仰角。

在降落的时候，无人机垂直拉起，此时给定姿态角控制指令，使得无人机姿态角由配平角度(0度附近)过渡到90度，t时刻的俯仰角变成垂直模式时俯仰角通过减小电机的转速，并且保持姿态的稳定，使得无人机降落。

下面对本发明提供的可拆卸的尾座式垂直起降无人机进行气动数据仿真。

计算状态是：海平面，飞行速度30m/s，半模计算，攻角-2°～16°。

如图6所示，其中，横坐标表示攻角(alpha)。(A)中的纵坐标表示升力系数Cl，(B)中的纵坐标表示阻力系数Cd，(C)中的纵坐标表示俯仰力矩系数mz，(D)中的纵坐标表示升阻比K。

取攻角3°～10°，升力系数俯仰力矩系数纵向静稳定度为12.05％，同时在攻角为7°时实现平飞，同时俯仰力矩为接近于0的正值，基本实现自配平。

Claims (5)

1.一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，其特征在于，机翼与机身之间可拆卸组装，机翼与机身形成两种布局，一种是X型布局，一种是Y型布局；

X型布局是：机身上安装两对机翼，两对机翼左右对称，每对机翼上下对称，每对机翼的夹角是120度，四个机翼成X型；机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上固定连接有一个电机，每个电机上安装有一个螺旋桨；机身上部的左右两个机翼上，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵；

Y型布局是：机身上安装三个机翼，相邻两个机翼之间的夹角为120度，三个机翼成Y型；机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上固定连接有一个电机，每个电机上安装有一对正反螺旋桨；机身上部的两个机翼，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵；机身下部的机翼，通过铰链固定安装有一个偏航操纵舵。

2.根据权利要求1所述的一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，其特征在于，所述的无人机，测量俯仰角方法是：将两个惯性姿态测量模块IMU垂直放置并固定，设两块IMU测量的俯仰角分别是θ₁和θ₂，则俯仰角

3.根据权利要求1所述的一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，其特征在于，所述的X型布局的无人机的控制策略如下：

(一)垂直起降模式下：

俯仰的控制策略为：1、自动倾斜，2、俯仰操纵舵面联动，3、电机转速调节；

偏航的控制策略为：1、俯仰操纵舵面差动，2、电机转速调节；

滚转的控制策略为：电机转速调节

垂直升降的控制策略为：电机转速；

前飞/后飞的控制策略为：产生俯仰后保持姿态，调节发动机功率和总矩；

侧向飞行的控制策略为：产生滚转后保持姿态，调节发动机功率和总矩；

(二)平飞模式下：

俯仰的控制策略为：1、俯仰操纵舵面联动，2、电机转速调节；

偏航的控制策略为：电机转速差调节；

滚转的控制策略为：1、电机转速调节，2、俯仰操纵舵面差动。

4.根据权利要求1所述的一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，其特征在于，所述的Y型布局的无人机的控制策略如下：

(一)垂直起降模式下：

俯仰的控制策略为：1、电机转速调节，2、俯仰操纵舵面联动；

偏航的控制策略为：偏航操纵舵面差动；

滚转的控制策略为：1、电机转速调节，2、俯仰操纵舵面联动；

垂直升降的控制策略为：电机转速增减；

(二)平飞模式下：

俯仰的控制策略为：1、俯仰操纵舵面联动，2、电机转速调节；

偏航的控制策略为：偏航操纵舵面联动；

滚转的控制策略为：俯仰操纵舵面差动。

5.根据权利要求1或2所述的一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，其特征在于，所述的无人机，其模态转换控制方式如下：

(一)垂直起飞后向平飞模式过渡；

垂直起飞达到预定高度以及预定速度时，通过俯仰通道的控制，包括电机差动旋转以及俯仰操纵舵的控制，给定姿态角控制指令，使得无人机俯仰角由90度过渡到0度附近，并且进行配平，实现平飞巡航；

t时刻的俯仰角其中，T_f是过渡过程时间，θ₀是平飞模式下的配平俯仰角；

(二)平飞向垂直降落模式过渡；

在降落的时候，无人机垂直拉起，给定姿态角控制指令，使得无人机姿态角由配平角度过渡到90度，t时刻的俯仰角变成垂直模式时俯仰角通过减小电机的转速，并且保持姿态的稳定，使得无人机降落。