CN106477036A - 一种矩形组合涵道飞行器及其飞行控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矩形组合涵道飞行器，包括矩形涵道体(1)，矩形涵道体(1)对称设置有两排相同数目的涵道(7)，涵道(7)内从下往上依次设置有反扭矩栅格舵(6)、动力装置及动力装置支撑件(2)，所述矩形涵道体(1)位于两排涵道(7)之间还设置有飞控设备箱(8)；同时还提供了上述飞行器的飞行控制系统和控制方法；本发明的矩形组合涵道飞行器结构简单，装卸方便，能够减少空气阻力和噪声，飞行安全稳定，能够快速响应操作，并且省略了平衡反扭装置，使用了全新结构的反扭矩栅格舵实现反扭矩的平衡，从而平衡更快捷准确，且减少了平衡需要的能耗，保证飞行器满足垂直起降、平稳飞行的要求。

Description

一种矩形组合涵道飞行器及其飞行控制系统和方法
技术领域
本发明涉及飞行器，属于飞行器技术领域，更具体地说，本发明涉及一种矩形组合涵道飞行器，同时还涉及该组合涵道飞行器的飞行控制系统和方法。
背景技术
无人飞行器按功能可分为固定翼类、旋翼类和涵道类，涵道飞行器是目前较前沿的飞行器。
涵道类飞行器目前常见多为单体涵道，仅适用于低空低速飞行，且受限于单台发动机功率及转动惯量等问题，单体涵道载重能力无法有较大的提升，且结构较为复杂。
涵道飞行器采用的都是涵道内安装螺旋桨推进器(简称螺旋桨)，通过发动机提供动力使螺旋桨旋转，产生推力使飞行器脱离地面，若采用单组螺旋桨，则螺旋桨高速旋转时会产生一个反向扭矩，必须在涵道内安装平衡反扭装置抵消反扭矩，这就增加了系统复杂程度且降低了涵道内气动效率。若使用双组螺旋桨推进器对转相互抵消自身反扭矩，则螺旋桨推进效率会有所降低，且需增加涵道深度尺寸满足双螺旋桨安装空间。
当前市面上涵道飞行器多为单涵道结构，多为针对某个特定需求研制，任务载荷、使用环境等较为单一，不能实现多用途，同时现有涵道飞行器很多结构设计都不符合流体设计，其飞行时不仅空气阻力较大，能耗高，且由于空气的阻挡摩擦，噪声较大，而且外部长久使用后极易损坏。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提供了一种矩形组合涵道飞行器，从而解决了以往涵道飞行器结构复杂、能耗高的技术问题；同时，本发明还提供了矩形组合涵道飞行器的飞行控制系统和方法。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种矩形组合涵道飞行器，包括矩形涵道体，矩形涵道体对称设置有两排相同数目的涵道，涵道内从下往上依次设置有反扭矩栅格舵、动力装置及动力装置支撑件，所述矩形涵道体位于两排涵道之间还设置有飞控设备箱。
优选的，所述反扭矩栅格舵包括多个依次排列的栅格滑流舵，多个所述栅格滑流舵通过栅格滑流舵连杆连为一体并实现同步联动，任意一个所述栅格滑流舵还连接有驱动伺服舵机。
优选的，所述多个所述栅格滑流舵两端均设置有舵面转轴，所述驱动伺服舵机连接在任意一个所述栅格滑流舵一端的舵面转轴上。
优选的，所述栅格滑流舵共设有奇数个，所述驱动伺服舵机连接在中间的栅格滑流舵一端。
优选的，所述动力装置包括螺旋桨推进器及与螺旋桨推进器连接的电机或油机。
优选的，所述支撑件包括圆筒座和多个支脚，圆筒座内部设有动力装置调速开关组件，所述动力装置设置在圆筒座下端，所述多个支脚均匀分布且卡在涵道上端开口侧面。
优选的，所述涵道共设置有八个，两排涵道均分别对称设置有四个；所述任意一排的四个涵道中，位于中间的两个涵道内的反扭矩栅格舵横向设置，位于两端的两个涵道内的反扭矩栅格舵纵向设置。
本发明的矩形组合涵道飞行器结构简单，装卸方便，能够减少空气阻力和噪声，飞行安全稳定，能够快速响应操作，并且省略了平衡反扭装置，使用了全新结构的反扭矩栅格舵实现反扭矩的平衡，从而平衡更快捷准确，且减少了平衡需要的能耗，保证飞行器满足垂直起降、平稳飞行的要求。
同时，本发明还公开了上述矩形组合涵道飞行器的飞行控制系统，该系统包括通过数据链连接的地面控制系统和飞行器内部的飞控系统，
其中，
所述地面控制系统包括航线规划系统、任务策划系统及实时监控系统，航线规划系统、任务策划系统及实时监控系统均连接有地面无线数据链终端；
所述飞控系统包括反扭矩栅格舵伺服系统、动力装置伺服系统及设置在飞控设备箱内的主控系统，主控系统包括气压高度传感器、姿态传感器、GPS定位装置、无线数据链终端、飞行控制器及驱动电源，所述气压高度传感器、姿态传感器、GPS定位装置、无线数据链终端、驱动电源均与飞行控制器连接。
本发明的飞行控制系统能够精确测定和控制飞行器飞行高度、速度、经纬度及飞行姿态等，可很好的实时监控飞行器飞行状态，并且可以精确控制和调节飞行器飞行参数，实现飞行器的精准定位，操作响应快速。
最后，本发明还提供了上述矩形组合涵道飞行器的飞行控制方法，包括同时进行的地面控制方法和飞行控制方法，
其中，
飞行控制方法：GPS定位装置定位飞行器的经纬度坐标和海拔高度，并在飞行器飞行时测定其飞行速度；姿态传感器则测定飞行器飞行时姿态，使其满足飞行时的平衡要求；气压高度传感器则可测定飞行器飞行的气压和飞行高度，测定的飞行高度与海拔高度可通过飞行控制器相互校准；
GPS定位装置、姿态传感器及气压高度传感器将所监测的数据传输给飞行控制器，飞行控制器接收数据后则输出相应信号至反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统，通过反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统控制反扭矩栅格舵和动力装置的动作，实现飞行器的稳定飞行；
地面控制方法：飞行控制器将接收到的数据通过无线数据链终端和数据链下发至地面无线数据链终端，地面无线数据链终端则将数据传输给实时监控系统，实现飞行器姿态、速度、高度、气压、经纬度的数据监控；
同时航线规划系统可以规划航线，并将航线数据通过数据链传输给飞行控制器，通过飞行器控制反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统改变飞行航线，并可调节飞行器速度、高度及飞行姿态；任务策划系统则可以预先制定飞行器任务，并制定具体飞行任务，实现飞行器的灵活飞行。
通过以上方法，本发明能够实现任意方向的移动，且移动时运行平稳，控制精准，能够随时监测飞行数据并改变飞行航线，且由于控制的持续进行，使得飞行器在飞行时或改变飞行状态时不会出现倾斜和颠簸，平衡更快捷准确，保证飞行器的安全稳定和使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是图1中A处的结构放大图；
图3是本发明的主视图；
图4是本发明的侧视图；
图5是本发明的俯视图；
图6是本发明的飞行控制系统结构简图；
图7是具体实施例的结构示意图；
图中的标号分别表示为：1、矩形涵道体；2、动力装置支撑件；3、起落架；4、电机或油机；5、螺旋桨推进器；6、反扭矩栅格舵；7、涵道；8、飞控设备箱；9、圆筒座；10、支脚；11、栅格滑流舵；12、舵面转轴；13、栅格滑流舵连杆；14、驱动伺服舵机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1-图5所示，一种矩形组合涵道飞行器，包括矩形涵道体1，矩形涵道体1对称设置有两排相同数目的涵道7，涵道7内从下往上依次设置有反扭矩栅格舵6、动力装置及动力装置支撑件2，所述矩形涵道体1位于两排涵道7之间还设置有飞控设备箱8。
本发明的矩形涵道体1设置相对称的涵道，并在涵道内设置反扭矩栅格舵6、动力装置及动力装置支撑件2，从而可以保证在飞行时飞行平稳，便于飞行姿态调节，规则的外形结构也符合流线型设计，能够减少空气阻力和噪声，飞行安全稳定，同时反扭矩栅格舵6用于平衡飞行器的反扭矩，保持飞行器平衡，其结构简单，简化了飞行器结构，使得能耗更低，结构更为简单。
本发明的矩形涵道体1下端还可设置起落架3，用于飞行器安全起落。
为进一步说明本发明结构，所述反扭矩栅格舵6包括多个依次排列的栅格滑流舵11，多个所述栅格滑流舵11通过栅格滑流舵连杆13连为一体并实现同步联动，任意一个所述栅格滑流舵11还连接有驱动伺服舵机14。栅格滑流舵6可转动的设置在涵道7内，位于动力装置下端；多个所述栅格滑流舵11通过栅格滑流舵连杆13连为一体并实现同步联动，可以通过驱动伺服舵机14驱动任意一个栅格滑流舵11转动，实现所有栅格滑流舵11的同步转动，改变通过栅格滑流舵11的下洗气流方向，从而可以改变飞行器飞行状态，并通过栅格滑流舵11偏转角度调节其受到的反作用，进而平衡飞行器因动力装置转动而带来的反扭矩。本发明省略了现有平衡反扭装置，使用了全新结构的反扭矩栅格舵6实现反扭矩的平衡，从而简化了飞行器结构，平衡更快捷准确，且通过一个舵机实现整个装置的转动，减少了平衡需要的能耗，保证飞行器满足垂直起降、平稳飞行的要求，飞行状态改变快捷，并且气流流动顺畅，不会影响正常飞行。
在多个所述栅格滑流舵11两端均设置有舵面转轴12，所述驱动伺服舵机14连接在任意一个所述栅格滑流舵11一端的舵面转轴12上。通过设置舵面转轴12，从而可以将整个反扭矩栅格舵6可转动的插接在涵道飞行器上，并且，驱动伺服舵机14连接在任意一个所述栅格滑流舵11一端的舵面转轴12上，从而可以将驱动伺服舵机14设置在飞行器内部，避免舵机外露而影响平衡，利用舵面转轴12实现连接也方便了装卸，增加了栅格滑流舵11安装后的稳定性。
在上述基础上，所述栅格滑流舵11共设有奇数个，所述驱动伺服舵机14连接在中间的栅格滑流舵11一端。为了保证反扭矩栅格舵6在调节平衡反扭矩时，能更快更好的实现平衡，栅格滑流舵11设置成奇数个，且驱动伺服舵机14连接在中间的栅格滑流舵11一端，从而使得连接驱动伺服舵机14的栅格滑流舵11左右两端剩余的栅格滑流舵11数目相同，从而在调节反扭矩时，其作用力均匀，能更好的实现反扭矩平衡，减少调节时间和角度，降低能耗。
作为本发明的进一步说明，所述动力装置包括螺旋桨推进器5及与螺旋桨推进器5连接的电机或油机4。螺旋桨推进器5在电机或油机4的带动下旋转，产生向下的下洗气流，为飞行器提供动力。
作为本发明的进一步说明，所述支撑件2包括圆筒座9和多个支脚10，圆筒座9内部设有动力装置调速开关组件，所述动力装置设置在圆筒座9下端，所述多个支脚10均匀分布且卡在涵道7上端开口侧面。将圆筒座9设计成内部中空的结构，其内部空腔设置动力装置所需的动力装置调速开关组件，简化了结构，并通过多个支脚10均匀分布且卡在涵道7上端开口侧面将动力装置卡紧，使得其装卸方便，并且支脚10之间留有足够的空间，能增大动力装置所需的气流流动空间，使得飞行器飞行更加平稳，不会出现断流、进气不畅的问题。当动力装置中采用电机时，动力装置调速开关组件为电子调速器，用于开闭电机和调节电机转速；当采用油机时，动力装置调速开关组件包括CDI点火器和油门控制伺服舵机，CDI点火器用于油机点火，而油门控制伺服舵机则控制油机油门从而调节油机转速，为了保证油机的长久使用，动力装置调速开关组件还可设置为油机提供燃料的副油箱，保证油机燃料充足。
为更好的实施本发明，所述涵道7共设置有八个，两排涵道7均分别对称设置有四个；所述任意一排的四个涵道7中，位于中间的两个涵道7内的反扭矩栅格舵6横向设置，位于两端的两个涵道7内的反扭矩栅格舵6纵向设置。涵道7共设置八个，其中两排的中部四个涵道横向设置，而余下四个则纵向设置，从而通过中间四个涵道内的反扭矩栅格舵6控制飞行器沿横向移动，而余下四个涵道内的反扭矩栅格舵6控制飞行器沿纵向移动，结合实现飞行器在平面内的移动，从而控制飞行器的飞行，同时，纵向设置的四个涵道7内的反扭矩栅格舵6则交叉抵消动力装置产生的反扭矩。
为更好的实现本发明，如图6所示，本实施例还公开了矩形组合涵道飞行器飞行控制系统，包括通过数据链连接的地面控制系统和飞行器内部的飞控系统，
其中，
所述地面控制系统包括航线规划系统、任务策划系统及实时监控系统，航线规划系统、任务策划系统及实时监控系统均连接有地面无线数据链终端；
所述飞控系统包括反扭矩栅格舵伺服系统、动力装置伺服系统及设置在飞控设备箱内的主控系统，主控系统包括气压高度传感器、姿态传感器、GPS定位装置、无线数据链终端、飞行控制器及驱动电源，所述气压高度传感器、姿态传感器、GPS定位装置、无线数据链终端、驱动电源均与飞行控制器连接。
通过以上飞行控制系统，飞行器能够精确测定和控制飞行高度、速度、经纬度及飞行姿态等，可很好的实时监控飞行器飞行状态，并且可以精确控制和调节飞行器飞行参数，实现飞行器的精准定位，操作响应快速。
同时，本实施例还公开了上述矩形组合涵道飞行器的飞行控制方法，包括同时进行的地面控制方法和飞行控制方法，
其中，
飞行控制方法：GPS定位装置定位飞行器的经纬度坐标和海拔高度，并在飞行器飞行时测定其飞行速度；姿态传感器则测定飞行器飞行时姿态，使其满足飞行时的平衡要求；气压高度传感器则可测定飞行器飞行的气压和飞行高度，测定的飞行高度与海拔高度可通过飞行控制器相互校准；
GPS定位装置、姿态传感器及气压高度传感器将所监测的数据传输给飞行控制器，飞行控制器接收数据后则输出相应信号至反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统，通过反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统控制反扭矩栅格舵和动力装置的动作，实现飞行器的稳定飞行；
地面控制方法：飞行控制器将接收到的数据通过无线数据链终端和数据链下发至地面无线数据链终端，地面无线数据链终端则将数据传输给实时监控系统，实现飞行器姿态、速度、高度、气压、经纬度的数据监控；
同时航线规划系统用于规划航线，并将航线数据通过数据链传输给飞行控制器，通过飞行器控制反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统改变飞行航线，并调节飞行器速度、高度及飞行姿态；任务策划系统则用于预先制定飞行器任务，并制定具体飞行任务，实现飞行器的灵活飞行。
通过以上方法，本实施例的飞行器能够实现任意方向的移动，且移动时运行平稳，控制精准，能够随时监测飞行数据并改变飞行航线，且由于控制的持续进行，使得飞行器在飞行时或改变飞行状态时不会出现倾斜和颠簸，平衡更快捷准确，保证飞行器的安全稳定和使用。
具体实施例：
如图1-7所示，一种矩形组合涵道飞行器，包括矩形涵道体1，矩形涵道体1对称设置有两排相同数目的涵道7，涵道7内从下往上依次设置有反扭矩栅格舵6、动力装置及动力装置支撑件2，所述矩形涵道体1位于两排涵道7之间还设置有飞控设备箱8；所述反扭矩栅格舵6包括奇数个依次排列的栅格滑流舵11，奇数个所述栅格滑流舵11通过栅格滑流舵连杆13连为一体并实现同步联动，中间的栅格滑流舵11一端还连接有驱动伺服舵机14；所述多个所述栅格滑流舵11两端均设置有舵面转轴12；所述动力装置包括螺旋桨推进器5及与螺旋桨推进器5连接的电机；所述支撑件2包括圆筒座9和四个支脚10，圆筒座9内部设有动力装置调速开关组件，所述动力装置设置在圆筒座9下端，所述四个支脚10均匀分布且卡在涵道7上端开口侧面；所述涵道7共设置有八个，两排涵道7均分别对称设置有四个；任意一排的四个涵道7中，位于中间的两个涵道7内的反扭矩栅格舵6横向设置，位于两端的两个涵道7内的反扭矩栅格舵6纵向设置。
如图7所示，矩形组合涵道飞行器内的反扭矩栅格舵6共设置有八个，分别表示为1#、2#.....8#，且设定飞行器长度方向为X轴，宽度方向为Y轴；则1#/2#/3#/4#反扭矩栅格舵沿X轴向布置，5#/6#/7#/8#反扭矩栅格舵沿Y轴向布置，其中，1#～4#反扭矩栅格舵控制矩形组合涵道飞行器沿Y轴运动，5#～8#反扭矩栅格舵控制矩形组合涵道飞行器沿X轴运动，而控制螺旋桨推进器5和电机的开闭和动力装置调速开关组件调速，从而可以控制矩形组合涵道飞行器的升降，通过三者结合实现飞行器在三维面内的运动；而1#反扭矩栅格舵和4#反扭矩栅格舵相互抵消彼此螺旋桨推进器5产生的反扭矩，2#反扭矩栅格舵和3#反扭矩栅格舵相互抵消彼此螺旋桨推进器5产生的反扭矩。
如上所述即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种矩形组合涵道飞行器，其特征在于，包括矩形涵道体(1)，矩形涵道体(1)对称设置有两排相同数目的涵道(7)，涵道(7)内从下往上依次设置有反扭矩栅格舵(6)、动力装置及动力装置支撑件(2)，所述矩形涵道体(1)位于两排涵道(7)之间还设置有飞控设备箱(8)。
2.根据权利要求1所述的一种矩形组合涵道飞行器，其特征在于，所述反扭矩栅格舵(6)包括多个依次排列的栅格滑流舵(11)，多个所述栅格滑流舵(11)通过栅格滑流舵连杆(13)连为一体并实现同步联动，任意一个所述栅格滑流舵(11)还连接有驱动伺服舵机(14)。
3.根据权利要求2所述的一种矩形组合涵道飞行器，其特征在于，所述多个所述栅格滑流舵(11)两端均设置有舵面转轴(12)，所述驱动伺服舵机(14)连接在任意一个所述栅格滑流舵(11)一端的舵面转轴(12)上。
4.根据权利要求2所述的一种矩形组合涵道飞行器，其特征在于，所述栅格滑流舵(11)共设有奇数个，所述驱动伺服舵机(14)连接在中间的栅格滑流舵(11)一端。
5.根据权利要求1所述的一种矩形组合涵道飞行器，其特征在于，所述动力装置包括螺旋桨推进器(5)及与螺旋桨推进器(5)连接的电机或油机(4)。
6.根据权利要求1所述的一种矩形组合涵道飞行器，其特征在于，所述支撑件(2)包括圆筒座(9)和多个支脚(10)，圆筒座(9)内部设有动力装置调速开关组件，所述动力装置设置在圆筒座(9)下端，所述多个支脚(10)均匀分布且卡在涵道(7)上端开口侧面。
7.根据权利要求1所述的一种矩形组合涵道飞行器，其特征在于，所述涵道(7)共设置有八个，两排涵道(7)均分别对称设置有四个；所述任意一排的四个涵道(7)中，位于中间的两个涵道(7)内的反扭矩栅格舵(6)横向设置，位于两端的两个涵道(7)内的反扭矩栅格舵(6)纵向设置。
8.一种矩形组合涵道飞行器飞行控制系统，其特征在于，包括通过数据链连接的地面控制系统和飞行器内部的飞控系统，
其中，
所述地面控制系统包括航线规划系统、任务策划系统及实时监控系统，航线规划系统、任务策划系统及实时监控系统均连接有地面无线数据链终端；
所述飞控系统包括反扭矩栅格舵伺服系统、动力装置伺服系统及设置在飞控设备箱内的主控系统，主控系统包括气压高度传感器、姿态传感器、GPS定位装置、无线数据链终端、飞行控制器及驱动电源，所述气压高度传感器、姿态传感器、GPS定位装置、无线数据链终端、驱动电源均与飞行控制器连接。
9.一种矩形组合涵道飞行器飞行控制方法，其特征在于，包括同时进行的地面控制方法和飞行控制方法，
其中，
飞行控制方法：GPS定位装置定位飞行器的经纬度坐标和海拔高度，并在飞行器飞行时测定其飞行速度；姿态传感器则测定飞行器飞行时姿态，使其满足飞行时的平衡要求；气压高度传感器则可测定飞行器飞行的气压和飞行高度，测定的飞行高度与海拔高度可通过飞行控制器相互校准；
GPS定位装置、姿态传感器及气压高度传感器将所监测的数据传输给飞行控制器，飞行控制器接收数据后则输出相应信号至反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统，通过反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统控制反扭矩栅格舵和动力装置的动作，实现飞行器的稳定飞行；
地面控制方法：飞行控制器将接收到的数据通过无线数据链终端和数据链下发至地面无线数据链终端，地面无线数据链终端则将数据传输给实时监控系统，实现飞行器姿态、速度、高度、气压、经纬度的数据监控；
同时航线规划系统用于规划航线，并将航线数据通过数据链传输给飞行控制器，通过飞行器控制反扭矩栅格舵伺服系统和动力装置伺服系统改变飞行航线，并调节飞行器速度、高度及飞行姿态；任务策划系统则用于预先制定飞行器任务，并制定具体飞行任务，实现飞行器的灵活飞行。
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