CN107499513A - 微小型可悬停固定翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型可悬停固定翼飞行器，包括机身、以及对称于机身中轴线设置的两个水平舵面、两个立尾、偶数套电机和螺旋桨；所述电机连接所述螺旋桨后，安装在所述机身的头部，所述两个水平舵面通过铰链与所述机身尾部铰接，所述两个立尾竖直安装在所述机身的尾部两侧，且相对于所述机身上下表面突出，所述机身内部设置有飞行控制系统。本发明的飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段的三维空间方向都是可控的，在飞行控制系统辅助增稳的控制下，可以实现飞行器在三维空间中的飞行运动。本发明的翼身一体结构以及薄壁机身能实现飞行器机体尺寸的大幅缩小，本发明的飞行器方便携带，使用便捷，结构小巧，节省制造材料。

Description

微小型可悬停固定翼飞行器

技术领域

本发明涉及航空飞行器领域，尤其是一种应用于无人驾驶飞行器技术的微小型可悬停固定翼飞行器。

背景技术

近年来，随着电子技术的飞速发展，无人机在通信中继、环境监测、森林防火、地质勘探、航空拍摄、电力巡线、遥感测器等领域中扮演着越来越重要的角色。现有的无人机可以大致分为两类，即多旋翼飞行器和固定翼飞行器两种。多旋翼飞行器由于需要多台电机同时工作给飞行器提供足够的动力实现悬停、平飞等机动动作，存在能耗大、飞行时间短、飞行速度慢的缺点；而固定翼飞行器虽然具有良好的气动特性、飞行时间长、飞行速度快的优点，但是现有的大部分固定翼飞行器尺寸较大，不便于携带。

虽然目前已经出现了一些微小型固定翼飞行器的解决方案，但是也存在一定缺点。现有技术中一种微型飞行器在机体后缘设置了两个升降副翼作为飞行器的舵面，以便控制飞行中的三维运动。当两个升降副翼同向偏转时，产生俯仰力矩，控制飞行器俯仰方向运动，当两个升降副翼反向差动偏转时，产生滚转力矩，控制飞行器的滚转运动。但这种技术并没有提供沿微型飞行器飞行方向的偏转运动，只能实现三维空间的二维运动。所以这种微小型固定翼飞行器起飞时需要通过人手抛起飞，如果起飞时抛飞机姿势不正确容易造成飞机起飞失败导致触地损毁，而在降落时，由于微小型的体积与重量限制，不能安装可靠的起落架，降落擦地时若地面不平整，同样容易造成飞行器的损坏；此外，此类微小型固定翼飞行器在飞行过程中，必须要具有一定的飞行速度以提供飞行所必须的升力，因此，此类微小型固定翼飞行器不可能保持空速（相对空气速度）为零悬停，这不便于飞行器相对静止地使用摄像头对静止目标进行观察。

发明内容

本申请人针对上述现有技术中飞行器起降难、无法实现三维运动、不便于携带等缺点，提供一种翼身一体的微小型可悬停固定翼飞行器，能垂直起降、使用方便、飞行速度快、能进行悬停和平飞、实现三维自由运动。

本发明所采用的技术方案如下：

一种微小型可悬停固定翼飞行器，包括机身、以及对称于机身中轴线设置的两个水平舵面、两个立尾、偶数套电机和螺旋桨；所述电机连接所述螺旋桨后，安装在所述机身的头部，所述两个水平舵面通过铰链与所述机身尾部铰接，所述两个立尾竖直安装在所述机身的尾部两侧，且相对于所述机身上下表面突出，所述机身内部设置有飞行控制系统。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述机身在对称面位置的剖面采用上下对称流线型。

所述微小型可悬停固定翼飞行器的机翼与所述机身采用一体式成形结构。

所述偶数个螺旋桨的转动方向是一侧为顺时针一侧为逆时针。

所述微小型可悬停固定翼飞行器的宽度为20-30cm，长度为15-25cm。

所述两个水平舵面俯视总面积占所述微小型可悬停固定翼飞行器俯视总面积的20%-28%。

所述单个立尾侧视面积占所述微小型可悬停固定翼飞行器俯视总面积的4%-6%。

所述立尾前缘具有后掠角，所述后掠角为35°-50°。

所述螺旋桨的直径为2-4英寸。

还包括GPS，所述GPS与所述飞行控制系统连接。

本发明的有益效果如下：

本发明能实现垂直起降、使用方便、飞行速度快、能进行悬停和平飞、实现三维自由运动的技术效果。本发明同时使用到两个电机和两个水平舵面对飞行器的姿态进行控制。两个水平舵面既能够同向偏转产生使飞行器能够抬头或低头的力矩，使得飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段俯仰方向是可控的；同时两个水平舵面又能够差动偏转，产生使飞行器绕飞行器机体轴线转动的力矩，使得飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段绕飞行器机体轴线旋转的方向是可控的。具有两个电机的飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段，不仅可以依靠电机自身动力直接克服飞行器重力，实现飞行器的动力满足能垂直起飞的基本要求，同时还可以进行差动旋转产生一个能够使飞行器绕垂直于机体平面的轴旋转的力矩，因此，飞行器在该方向上也是可控的。所以，本发明的飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段的三维空间方向都是可控的，在飞行控制系统辅助增稳的控制下，可以实现飞行器在三维空间中的飞行运动。

本发明的翼身一体结构以及薄壁机身能实现飞行器机体尺寸的大幅缩小，本发明的飞行器的宽度为20-30cm，长度为15-25cm，可以方便携带，使用便捷，结构小巧，节省制造材料。

附图说明

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的主视图；

图3是图2的仰视图；

图4是图2的后视图；

图5是图2的右视图；

图6是图2中飞行器机身沿A-A面的剖面图。

图中：1、机身；2、水平舵面；3、立尾；4、电机；5、螺旋桨；6、铰链。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-4所示，本发明的微小型可悬停固定翼飞行器包括：机身1、以及对称于机身1中轴线设置的两个水平舵面2、两个立尾3、两套电机4和螺旋桨5；所述两个电机4连接所述螺旋桨5后，安装在所述机身1的头部，所述两个水平舵面2通过铰链6与所述机身1尾部铰接，所述两个立尾3竖直安装在所述机身1的尾部两侧，且相对于所述机身上下表面突出，所述机身1内部设置有飞行控制系统。所述飞行控制系统对所述两个水平舵面2、两个电机4进行控制，实现各个机构的运动。

本发明的飞行器整体左右对称，机翼与所述机身1采用一体式成形结构，参见图2，机身1大致呈一个矩形形状，两侧采用流线型曲率变化的曲面收边处理，以改善飞行器的气动特性。参照图6，机身1在对称面位置的剖面为上下对称流线型，通过流线型的弧形结构，可以产生飞行器飞行所需的绝大部分升力。机身1的壁厚为0.5-2mm，其内部为空腔，空腔结构在保证飞行器基本强度的条件下，给飞行器动力、控制、摄像等设备提供了足够的容纳空间。

本发明具有两个水平舵面2，位于机身1后缘，在飞行控制系统的辅助下能够进行同向偏转和差动偏转，能够同时实现副翼和升降舵的功能。同时为了让飞行器能够实现悬停和垂直起降功能，两个水平舵面2的相对面积较一般固定翼飞行器更大，两个水平舵面2总面积占所述整个飞行器俯视总面积的20%-28%，增加控制量，辅助飞行控制系统完成悬停和垂直起降。

参照图5，本发明的立尾3竖直安装在机身1的尾部两侧，且突出于所述机身上下表面，在飞行器的上下位置进行风力调节，为飞行器提供稳定的航向。单个立尾3的侧视面积占所述整个飞行器俯视总面积的4%-6%。立尾3前缘的后掠角范围为35°-50°之间，提高了飞行器的航向稳定性以及飞行速度。

参照图1、图3，本发明的机头上安装两个电机4，两个电机4中轴线距离占机身1宽度的45%-65%，电机4直径为9-13mm，电机4重量为4-10g。所述螺旋桨5选用两个直径2-4英寸的螺旋桨，正常飞行时所述两个螺旋桨5一个顺时针旋转一个逆时针旋转。所述电机4与螺旋桨5配合后单个螺旋桨最大拉力在140g以上，为飞行器提供足够的动力。值得说明的是，本发明采用两个电机及两个螺旋桨仅为一种实施例，当采用三个或奇数个时，其中一个电机和螺旋桨设置在机头中心位置，其余的对称式设置在机头位置，用于提供动力和改变飞行器飞行偏转方向，也是可取的。当采用四个或偶数个时，均对称式设置在机头位置，用于提供动力和改变飞行器飞行偏转方向，也是可取的。

本发明的飞行器还包括GPS（Global Positioning System，全球定位系统），所述GPS与所述飞行控制系统连接。在飞行器上安装GPS等设备后，通过飞行控制系统的帮助，可以完成规划的飞行航线，由飞行器自主判断完成飞行的全过程。

下面详细说明本发明所述飞行器的工作原理。

1、垂直起飞、降落及悬停的工作原理：

本发明的飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段，机体轴线均与地面垂直，飞行器处于机头朝天的状态。在这几个阶段，需要使用到两个电机4和两个水平舵面2对飞行器的姿态进行控制。

两个水平舵面2既能够同向偏转产生使飞行器抬头或低头的力矩，使得飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段俯仰方向是可控的；同时两个水平舵面2又能够差动偏转，产生使飞行器绕飞行器机体轴线转动的力矩，使得飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段绕飞行器机体轴线旋转的方向是可控的。

具有两个电机4的飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段，不仅可以依靠电机4自身动力直接克服飞行器重力，实现飞行器的动力满足能垂直起飞的基本要求，同时两个电机还可以进行差动旋转，飞行器的左右两端受到牵引力不同而发生扭转，能够产生使飞行器绕垂直于机体平面的轴旋转的力矩，因此，飞行器在该方向上也是可控的。

综上所述，本发明的飞行器在垂直起飞、降落及悬停阶段的三维空间方向都是可控的，在飞行控制系统辅助增稳的控制下，可以实现飞行器在三维空间中的飞行运动。

2、飞行器平飞的工作原理：

一个飞行器能够进行稳定的飞行必须满足以下3个条件：1、足够的升力以克服飞行器自身的重力；2、足够的动力以克服飞行器前进的阻力；3、良好的操纵性和稳定性。根据空气动力学的相关知识，当一个物体具有特定的剖面形状和平面形状并相对空气运动时，空气将在垂直于物体运动方向上产生升力，同时产生与物体运动方向相反的阻力。本发明中的飞行器在机头部分安装两个电机4，通过对电机4和螺旋桨5的优化选型，以保证飞行器在平飞时，能够同时保证飞行器具有一定程度的空速（相对空气速度），提供足够的升力，以及在该速度下有足够的动力克服空气阻力。

与垂直起飞、降落及悬停阶段类似，飞行器在平飞阶段依靠两个水平舵面2实现飞行器对平飞姿态的控制。当两个水平舵面2同时朝一侧偏转时，飞行器上将产生一个抬头或低头力矩，使得飞行器进行抬头或低头运动。当两个水平舵面2差动运动时，飞行器上将产生一个滚转力矩，使得飞行器进行滚转运动。在飞行控制系统的辅助下，可以提升飞行器的操纵性能和稳定性，使得飞行器能够在平飞阶段完成爬升、下滑、转弯等机动动作。

下面详细说明本发明所述飞行器的工作过程。

①垂直起飞

飞行器垂直起飞前由人手持，并使得飞行器机体轴线与水平地面垂直，完成准备工作后，由地面人员给予指令，当两个电机4动力大于飞行器自身总重以后，飞行器在飞行控制系统对飞行姿态的控制下，能够实现垂直起飞。

②垂直起飞到平飞的过渡

当飞行器接收到由垂直起飞状态到平飞状态的转换信号后，两个水平舵面2上转，飞行器不断低头，直到飞行器机体轴线由垂直变为接近水平，进入平飞阶段。在此过程中，飞行器高度会有所下降，这时由于飞行器的重力势能转化为飞行器运动的动能，提供维持飞行器平飞所需的飞行空速，使得进入平飞过程更为圆滑。

③平飞阶段

当飞行器进入平飞阶段以后，飞行器与普通固定翼飞行器工作类似，可以根据任务要求，快速飞向任务点。

④平飞阶段到垂直降落或悬停阶段的过渡

当飞行器接受平飞阶段到垂直降落或悬停阶段的过渡的指令后，两个水平舵面2下转，飞行器不断抬头，同时向上爬升，当飞行器轴线从与水平面几乎平行变化到与水平面垂直时，转换过渡完成，同时由于飞行器抬头过程中向上爬升，飞行器的动能转化为重力势能，飞行器空速逐渐下降到接近为零。

⑤悬停阶段

飞行器完成平飞到悬停的过渡以后，维持电机4总动力大小与飞行器自身总重大致相等，飞行器在飞行控制系统对飞行姿态的控制下，可以实现飞行器的悬停。

⑥垂直下降阶段

飞行器完成平飞到悬停的过渡以后，飞行器在飞行控制系统对飞行姿态的辅助增稳的控制下，适当降低电机4动力，就可以使得飞行器缓缓下降，并在地面上着陆。

⑦自主飞行

在飞行器上安装GPS等设备后，通过飞行控制系统的帮助，可以完成在地面站上规划的飞行航线，由飞行器自主判断完成上述①到⑥的全过程。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，包括机身（1）、以及对称于机身（1）中轴线设置的两个水平舵面（2）、两个立尾（3）、偶数套电机（4）和螺旋桨（5）；所述电机（4）连接所述螺旋桨（5）后，安装在所述机身（1）的头部，所述两个水平舵面（2）通过铰链（6）与所述机身（1）尾部铰接，所述两个立尾（3）竖直安装在所述机身（1）的尾部两侧，且相对于所述机身（1）上下表面突出，所述机身（1）内部设置有飞行控制系统。

2.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，所述机身（1）在对称面位置的剖面采用上下对称流线型。

3.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，所述微小型可悬停固定翼飞行器的机翼与所述机身（1）采用一体式成形结构。

4.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，所述偶数个螺旋桨（5）的转动方向是一侧为顺时针一侧为逆时针。

5.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，所述微小型可悬停固定翼飞行器的宽度为20-30cm，长度为15-25cm。

6.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，所述两个水平舵面（2）俯视总面积占所述微小型可悬停固定翼飞行器俯视总面积的20%-28%。

7.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，所述单个立尾（3）侧视面积占所述微小型可悬停固定翼飞行器俯视总面积的4%-6%。

8.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，所述立尾（3）前缘具有后掠角，所述后掠角为35°-50°。

9.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，所述螺旋桨（5）的直径为2-4英寸。

10.根据权利要求1所述的微小型可悬停固定翼飞行器，其特征在于，还包括GPS，所述GPS与所述飞行控制系统连接。