CN106516098A - 无人驾驶飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人驾驶飞行器，其特征在于，由翘后缘翼型组成的低展弦比的固定式机翼，位于机翼后缘内侧附近的一个升降舵或两个升降副翼，一个或多个位于飞机对称面上并向机翼上下两侧延伸的垂直稳定器，一个或多个附加于垂直稳定器后面的方向舵，一对位于飞机对称面上并在机翼上游的由马达驱动的同轴反转螺旋桨，翼根截面弦线的中点在翼尖截面弦线中点的下游，带有接收器以及电池。本发明能够执行各种传统固定翼或旋翼机型都无法执行的高技巧复杂任务。它可以垂直起降，以固定翼姿势水平飞行，可随时转换为旋翼姿势采集图像和视频，不仅小巧、灵活、稳定，而且最大速度、续航能力和节能效果都比等同大小和重量的旋翼机型高得多。

Description

无人驾驶飞行器
技术领域
本发明涉及无人机和无线电/远程遥控飞行器领域。
背景技术
无人机有许多私人和商业应用作为空中传感器平台（即，视频采集）、递送系统、环境感测和通信中继。它们也可以用于与国防相关的各种用途，譬如ISR（情报监控侦察）、作为武器平台、和作为电子战平台。它们按尺寸可以分为微型、小型、战术（中）、或战略（大），并且基于其气动升力产生的方法可以被进一步分类为：固定翼、旋转翼、混合翼、或扑翼。根据美国-中国经济安全与审查委员会的报告，现有的中国无人机缺乏微、小、混合能力、扑翼类，更缺乏各种非常需要的私人和商业应用机型和政府职能部门应用机型如：搜索和救援、边境安全、执法与环境监测。
混合型无人机结合固定翼和旋转翼无人机的优势，使他们能够成功地执行固定翼和旋转翼单独都不能完成的任务。最有前途的混合型无人机是垂直起飞和着陆（VTOL）固定翼无人机。这种无人机能够像一个传统的固定翼飞机一样快速、高效地飞向遥远的位置，然后过渡到低空慢飞、悬停等，目的达到后无人机能够再次快速、高效地飞回使用者。本质上，该无人机执行任务时象一个旋转翼机型，但从起始位置到达目的地则象一个固定翼机型，大大改善了飞行范围、耐力、和最高速度。本发明混合翼无人机的小型/微型版本可以放入背包，携带传感器穿过街道钻进楼房并返回，或沿小路穿过几公里以外嶙峋的山地环境。
现有混合无人机使用许多不同的设计和配置。本配置是一个尾坐式垂直起落飞机，是罕见的机型。这是国内市场的不幸，因为这种机型在许多许多方面优于其它机型。本设计的机型，与中国的VD-200有重要的本质不同。首先，VD-200的两个反向旋转螺旋桨和马达均远离飞机的中心线，增加了不必要的复杂性。如果一台马达出现故障，飞机就会崩溃。不过，两个远距分离的马达和螺旋桨有助于提高滚惯性滚动稳定性。其组件按传统的方式位于中央机身状的隔室之内，是一种混合翼身设计。本发明使用位于飞机中心线的两个同轴螺旋桨，允许当一个螺旋桨失效后飞机仍能够安全飞行。本设计的另一个优点是能抵消螺旋桨产生的滑流，避免了因滑流撞击垂直稳定器而产生的偏航，从而避免了偏转方向舵补偿而带来的额外空气阻力。本发明的其他各组成部分以远离车辆中心线分布，以实现恰如其分的滚动惯性和稳定性。其他使本发明独特的重要点和新颖之处在于：在VD-200具有两个分开的滑流和两组垂直稳定的偏航稳定性（而不是一个），它可以使用差分推进力控制偏航，而本发明设计采用了偏航控制单舵。另外，VD-200具有分别控制俯仰和滚转的副翼和升降翼。本发明则以升降副翼取代了传统分离的副翼和升降翼，从而能同时控制侧倾和俯仰。设计上VD-200体积大，造价昂贵，只能在军事领域应用。本发明的设计可以由个人使用（即探险家，爱好者，背包客/开拓者），商业利益（拍摄，摄影等），以及较小的公共部门实体（即地方执法，边境安全，环境监测等 ），用途灵活广泛。它是各种不同的用户能负担得起的，并且能做得足够小，能在体积较大的混合动力飞机不能安全飞行的嶙峋山区、市区和室内环境中使用。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一个相对简单、经济、实用、多功能、以及普及于不同客户和市场的无人驾驶飞机。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种无人驾驶飞行器，其特征在于，由翘后缘翼型组成的低展弦比的固定式机翼，位于机翼后缘内侧附近的一个升降舵或两个升降副翼，一个或多个位于飞机对称面上并向机翼上下两侧延伸的垂直稳定器，一个或多个附加于垂直稳定器后面的方向舵，一对位于飞机对称面上并在机翼上游的由马达驱动的同轴反转螺旋桨，翼根截面弦线的中点在翼尖截面弦线的中点下游，带有接收器以及电池。
所述的展弦比为1-3.5。
所述的马达采用带有速度控制器的电动马达。
所述的马达也可采用内燃机，并配备有燃料箱和点火装置。
配备有发射机，用于给用户发送信息。
配备有陀螺仪和/或加速度计。
装载有基于卫星的跟踪系统，包括但不限于GPS。
装载有自动驾驶系统。
包括一个或多个接收器和电池的附件位于机翼内部，而不是都装在中央机舱室里。
所述的机翼的结构设计是利用有承载能力的薄型表皮，其材质包括复合材料，并带有或不带有内部受力结构或软核，软核包括泡沫。
机翼带有二面角或反角（dihedral）。
机翼从翼根到翼尖逐渐变窄的变化形式不仅包括线性变化，而且包括其他任何形式。
带有拍照和/或摄影设备。
带有为安装摄影摄像设备的转向节。
带有叶尖小翼。
装有防碰撞系统和各种探测传感器。
带有液体存储罐和管道，管道连接存储罐和将液体排放到周围环境中的喷嘴。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明结合了固定翼和旋转翼无人机的优点，使其能够执行单独固定翼和旋转翼无人机均不能完成的任务和技巧。 足够小而不需汽车或任何重/昂贵的设备来运输，只需一人即可。 它可以在混乱的城市环境、甚至在室内捕获并传输视频到地面站。
本发明的复杂实施例具有该尺寸机型的高度复杂的功能，包括：
1)在 “悬停”和“保持高度”模式中使用基于加速度计的稳定系统，使得本发明能够“盯”住物体，而获得稳定的高品质视频。
2)使用GPS坐标，按照规定的路线智能飞行。
3)控制信号受干扰时能按照包含GPS信号的程序返航。
4)可扩展性 - 一个用户可以部署多个单元，每个飞行不同的路线，而在
一个小地面站接收来自各单位的同步实况转播。
5)热视距探测。
6)现场位置、航向、飞行高度、速度和加速度数据传输。
7)定制携带各种不同的传感器，包括：化学、热学和听觉传感器。
8)能够携带较小的有效负载到指定位置。
9)带有防碰撞系统。
本发明具有安全、强壮、低成本、相对容易使用的、维护简单、和抗冲击的特点。
附图说明
图1是本发明的一个简单实施例的透视图。
附图标记说明：1-机翼; 2-翼型; 3升降副翼; 4-垂直稳定器; 5-方向舵; 6-螺旋桨; 7-翼根截面弦线的中点；8-翼尖截面弦线的中点；9-马达; 10-接收器;11-电池。
具体实施方式 简单的实施方案：本发明的最简单的实施例如图1，具体构造包括：由翘后缘翼型2组成的低展弦比的固定式机翼1，位于机翼1后缘内侧附近的一个升降舵或两个升降副翼3，一个或多个位于飞机对称面上并向机翼1上下两侧延伸的垂直稳定器4，一个或多个附加于垂直稳定器4后面的方向舵5，一对位于飞机对称面上并在机翼1上游的由马达9驱动的同轴反转螺旋桨6，翼根截面弦线的中点7在翼尖截面弦线的中点8下游，带有接收器10以及电池11。该实施例不包括任何复杂的功能，它没有传感器、数据存储和数据传输能力，主要用于航空模型爱好者的有趣而独特的模型飞机。它可能会带有叶尖小翼，也可能不带。
本发明还可带有液体存储罐、管道和喷嘴，管道连接存储罐和将液体排放到周围环境中的喷嘴，喷嘴沿着管道间隔设置在机翼1的下面（未图示），一般在储罐与喷嘴之间装有液压泵。所述的存储罐、液压泵和管道位于机翼内部，以保持机翼的流线型和空气动力效率。管道位于机翼的后缘附近以提高农药施用效果。机翼的低展弦比导致了更强的翼尖涡流，强大的空气涡流极大提高了农药的充分分散。为了在飞行期间保持机身的俯仰稳定性，存储罐被设计在飞机的质量中心上，这样存储罐内液体体积的明显变化不会导致飞机质量中心位置的明显变化，这对于保持恰当的相对位置的质量中心和飞机的空气动力学中心非常重要。因为机翼的性能对其上表面的障碍物和缺陷最敏感，其中不利的压力梯度可能导致流分离，所以喷嘴通过机翼下表面的小孔指向下方。为了把下表面的流动障碍和可能产生的湍流最小化，喷嘴端口与下表面齐平。存储罐用于注入液体（如农药），使用时将存储罐内的液体经过管道从喷嘴喷洒出去，主要用于农林业生产中。
机身包括具有复合材料外皮和柔软低密度的内核。各部件按嵌入式份分布于整个机身，使侧翻惯性最大化，同时保持质量中心在机身对称面上，并且位于距机翼1前缘约25％根弦长的位置。机翼1带有一定的二面角或反角(dihedral）以改善侧倾稳定性。有两个嵌入式伺服马达（未图示）驱动升降副翼3，还有一个嵌入式伺服马达（未图示）驱动方向舵。同轴反转螺旋桨6产生的滑流几乎不带漩涡。这股非常强劲的滑流经过升降副翼3和方向舵5，即使在非常低的飞行速度和悬停时，或几乎没有风速时，也能对机身产生有效的控制力，保障了飞行的安全和复杂动作等功能。升降副翼3的对称偏转角产生一个非零俯仰力矩，而升降副翼3的差动偏转角产生一个非零滚转力矩。机翼1的翼型较厚，使得机翼1中可以嵌入各种部件；翼型2的反翘性增加了俯仰动作的稳定性（通用于所有机翼设计）。特定情况下机翼1也可以使用薄翼型。双反转电动机组件（即马达9，带有电子速度控制器）被用来驱动螺旋桨6。其中的电子速度控制器用于限制马达9油门以控制其产生的推力。电池11用于向螺旋桨马达9和各伺服马达供电。
本发明为把翼尖涡流相关的能量损失降到最低，其机翼1的平面形状是从翼根到翼尖线性过渡的近似Zimmerman（齐默尔曼）平面的独特设计。该设计对低展弦比机翼特别重要。翼尖截面弦线的中点位于翼根截面弦线的中点的上游，不仅能增加机翼内部的贮藏空间、减小翼尖涡对机翼的冲击，更能增强俯仰力矩对阵风的抵抗力。翼型2的选择确保随着方向和控制输入的变化，其空气动力性能是逐渐变化的（即“软”失速），并且确保空气动力效率最大化的同时实现可接受的高升力系数。机翼1的大部分被浸没在推进滑流中，因此机翼1的空气动力学性能（最大升力系数，失速攻角等）强烈依赖于螺旋桨6的推进比和许多其他因素（攻角，雷诺数，无量纲俯仰率等）。 为了得到如此空气动力学复杂的飞机的稳健控制算法，大量的空气动力学实验是必要的。
本发明是一种将旋转翼和固定翼飞机优势结合的机型，能够执行各种传统固定或旋转翼机型都无法执行的高技巧复杂任务。例如，它可以垂直起降，包括从手中起飞（悬停能力）和从空中抓取（悬停时）。这使得它可以在几乎任何地方使用。此外，当转换到其水平飞行姿势后，它也可以快速有效地飞行，这大大超出了与其类似大小和重量的传统旋转翼机型的续航能力。到达目的地后，它可以转换到低空慢飞姿势，在空中精确上下左右移动，加上其小巧的尺寸，使得它在城市环境中迂回，绕过建筑物和障碍物，甚至在室内都适合飞行。其高稳定性的悬停模式使其便于采集高清晰度、近距离的图像和视频。
复杂的实施方案：
复杂的实施例包括部分或所有前述的复杂的功能和相关部件。额外增加的传感器和其他组件被添加后，本发明的续航力、耐力和最大有效载荷通常会减少（保持原有尺寸恒定），而本发明的成本会增加。
实验结果
本发明的实验模型已经创建、测试和迭代式细化。
声明：
所有上述实施例和讨论仅仅是为了说明本发明的技术概念和特征，以使本领域的普通技术人员能够理解和实施本发明，而不是限制本发明的范围的目的。按照本发明所作的等效物的任何变化或修改应属于本发明的范围之内。

Claims (17)

1.一种无人驾驶飞行器，其特征在于，由翘后缘翼型（2）组成的低展弦比的固定式机翼（1），位于机翼（1）后缘内侧附近的一个升降舵或两个升降副翼（3），一个或多个位于飞机对称面上并向机翼（1）上下两侧延伸的垂直稳定器（4），一个或多个附加于垂直稳定器（4）后面的方向舵（5），一对位于飞机对称面上并在机翼（1）上游的由马达（9）驱动的同轴反转螺旋桨（6），翼根截面弦线的中点（7）在翼尖截面弦线的中点（8）下游，带有接收器（10）以及电池（11）。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，所述的展弦比为1-3.5。
3.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，所述的马达（9）采用带有速度控制器的电动马达。
4.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，所述的马达（9）采用内燃机，并配备有燃料箱和点火装置。
5.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，配备有发射机，用于给用户发送信息。
6.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，配备有陀螺仪和/或加速度计。
7.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，装载有基于卫星的跟踪系统，包括但不限于GPS。
8.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，装载有自动驾驶系统。
9.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，包括一个或多个接收器（10）和电池（11）的附件位于机翼内部，而不是都装在中央机舱室里。
10.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，所述的机翼（1）的结构设计是利用有承载能力的薄型表皮，其材质包括复合材料，并带有或不带有内部受力结构或软核，软核包括泡沫。
11.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，机翼（1）带有二面角或反角。
12.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，机翼（1）从翼根到翼尖逐渐变窄的变化形式不仅包括线性变化，而且包括其他任何形式。
13.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，带有拍照和/或摄影设备。
14.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，带有为安装摄影摄像设备的转向节。
15.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，带有叶尖小翼。
16.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，装有防碰撞系统和各种探测传感器。
17.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于，带有液体存储罐和管道，管道连接存储罐和将液体排放到周围环境中的喷嘴。
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