CN107512394A - 一种尾坐式垂直起降无人机及飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尾坐式垂直起降无人机及飞行控制方法。包括翼形机身、机翼、机身上下两侧的四个涵道螺旋桨和机翼端部上方的垂尾和下方的翼尖起落架，涵道螺旋桨由机身内部的电池或发动机提供驱动力。本尾坐式垂直起降无人机飞行控制方法分为起飞段、起飞过渡段、平飞段、着陆过渡段以及着陆段。本发明兼具四旋翼和固定翼两种飞行模式，能提升垂直起降飞机的载荷能力；独特的起降方式和布局，使飞行更加平稳；平飞速度快；较好的解决了起降段过渡段、平飞段过渡段失速难题。

Description

一种尾坐式垂直起降无人机及飞行控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种尾坐式垂直起降无人机及飞行控制方法。

背景技术

直升机平台复杂，操控难度大，飞行速度慢；多旋翼机平台简单，操控方便，多旋翼机的出现解决了直升机复杂的超控问题，但与直升机一样，缺点同样是速度慢。

而目前的旋翼或固定翼飞机在一定程度上解决速度问题，以没有鱼鹰倾转旋翼飞机为例，其速度接近400公里或小时。但技术比较复杂，在垂直起降段到平飞段由于受到平飞失速速度的限制，起飞过渡段和着陆过渡段要保证有足够大的动能，这样就要保证飞机具有足够大的发动机动力，事实上，尽管付出很多努力，起飞过渡段和着陆过渡段仍然是造成飞机失事最危险的飞行阶段。同时很难做到较高的拉力或载荷比。

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人飞行器具有体积小、重量轻、费用低、操作灵活和安全性高的特点，可广泛应用于航拍、检测、搜救、资源勘查等领域。目前，市面上的垂直起降无人机普遍为多旋翼、飞翼等布局，飞行速度低、效率较低；固定翼布局无人机虽然飞行速度快、效率高，但其对起飞和降落过程对环境要求特别的高，需要比较平缓、长距离的起降跑道，在一些环境较为苛刻的场地无法正常起降。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种兼具旋翼与固定翼飞行模式的飞行器，通过四旋翼方式起飞和着陆，固定翼方式平飞，既具有不依赖机场的垂直起降性能，也具有固定翼飞机高速飞行的优势，同时能很好的解决上述旋翼、固定翼飞机的过渡段难题。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种尾坐式垂直起降无人机，包括翼形机身1、机身1两侧的机翼2、机身1上下两侧的四个涵道螺旋桨3和机翼2端部上方的垂尾5和下方的翼尖起落架4，涵道螺旋桨3由机身1内部的电池或发动机提供驱动力。

进一步，机身1为仿梭形，机翼2与机身1连接处端部宽度与机身1一致。

进一步，还包括航电设备6，所述航电设备6包括GPS或北斗多模定位导航61、超声波或光流测距仪62、数传电台63、图传设备64及架设在云台上的摄像头65,摄像头65通过图传设备64与显示装置7无线信号传输连接，GPS或北斗多模定位导航61、超声波或光流测距仪62通过数传电台63与显示装置7无线信号传输连接。

本发明所述的任意一种尾坐式垂直起降无人机的控制方法，其特征在于，本尾坐式垂直起降无人机飞行分为起飞段、起飞过渡段、平飞段、着陆过渡段以及着陆段；

起飞段：无人机设于四旋翼飞行模式，通过四个涵道螺旋桨3按四旋翼方式平稳起飞，此时，根据无人机载荷确定四个涵道螺旋桨3的标准输出功率，起飞段末端不需要建立速度优势，起飞到设定高度H时悬停，转入起飞过渡段；所述发动机的标准输出功率为发动机拉力等于无人机载荷时的功率；

起飞过渡段：无人机设于起飞过渡段飞行模式，控制无人机由悬停状态转入俯冲状态；所述俯冲状态为通过控制同侧的一对发动机减速，实现翻转力矩，使无人机姿态改变，无人机的翻转飞行，使无人机达到俯冲状态；然后恢复减速后的同侧发动机到标准输出功率，保持力矩平衡，控制俯冲角稳定；此时发动机在标准输出功率状态，无人机加速俯冲；当无人机速度超过失速速度时，无人机气动舵面产生足够的气动力矩，控制飞机飞行，此时控制律转入固定翼控制律，通过舵面控制飞机完成俯冲拉起并转入平飞；当到达设定高度H进入平飞后，减小发动电机输出功率，控制无人机平飞；起飞过渡段结束；

平飞段：无人机工作在固定翼飞行模式，根据需求控制发动机输出功率，进行定高、定速飞行。在正常平飞和机动飞行时，四个涵道螺旋桨发动机不做差速，保持同功率输出；进行特殊模态飞行时，气动舵面和发动机混合控制飞机机动。

着陆过渡段：无人机首先设于固定翼飞行模式，保持无人机在H着陆高度上平飞；然后控制气动舵面进行平飞拉起，当俯仰角达到85～90度时，发动机减速，无人机在阻力下加快减速，当速度减小到失速速度时，无人机由固定翼飞行模式转换为四旋翼飞行模式，控制发动机功率为标准输出功率，使无人机悬停；着陆过渡段结束。

着陆段：无人机按照四旋翼模式着陆飞行。

与现有技术相比，本发明的优点为：

一种尾坐式垂直起降无人机：

(1)兼具四旋翼和固定翼两种飞行模式，能提升垂直起降飞机的载荷能力；

(2)独特的起降方式和布局，充分利用势能与动能转化，实现平飞，使过渡段飞行更加安全；

(3)平飞速度快；

(4)较好的解决了起飞过渡段、着陆过渡段失速难题。

一种尾坐式垂直起降无人机的控制方法：

(1)本尾坐式垂直起降无人机发明充分的最大限度的利用四旋翼的拉力，不需要像目前的技术方案在起飞段建立速度优势后转入平飞。这样就极大地增加了飞机的载荷，同时由于没有起飞段的失速隐忧，飞机更加安全。

(2)本尾坐式垂直起降无人机设计在飞行速度上超越鱼鹰，在飞行高度上也超越鱼鹰，在机动飞行、大攻角、过失速飞行等一系列性能上超越鱼鹰飞机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种尾坐式垂直起降无人机主视图；

图2为本发明一种尾坐式垂直起降无人机侧视图；

图3为本发明一种尾坐式垂直起降无人机俯视图；

图4为所述航电设备各组件连接方式图；

图5一种尾坐式垂直起降无人机起飞段的飞行模式图；

图6为一种尾坐式垂直起降无人机起飞过渡段的飞行模式图；

图7为一种尾坐式垂直起降无人机平飞段的飞行模式图；

图8为一种尾坐式垂直起降无人机着陆过渡段的飞行模式图；

图9为一种尾坐式垂直起降无人机着陆段的飞行模式图；

附图标记说明：翼形机身-1、机翼-2、涵道螺旋桨-3、翼尖起落架-4、垂尾-5、航电设备-6、GPS或北斗多模定位导航-61、超声波或光流测距仪-62、数传电台-63、图传设备-64、摄像头-65、显示装置-7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

具体实施例一：

参阅说明书附图1至图3所示，本发明提供一种尾坐式垂直起降无人机，包括翼形机身1、机身1两侧的机翼2、机身1上下两侧的四个涵道螺旋桨3和机翼2端部上方的垂尾5和下方的翼尖起落架4，涵道螺旋桨3由机身1内部的电池或发动机提供驱动力。

进一步，机身1为仿梭形，机翼2与机身1连接处端部宽度与机身1一致。本结构具有升阻比大、气动力特性优、操控稳定等特点。

参阅说明书附图4所示，进一步，航电设备6，所述航电设备6包括GPS或北斗多模定位导航61、超声波或光流测距仪62、数传电台63、图传设备64及架设在云台上的摄像头65,摄像头65通过图传设备64与显示装置7无线信号传输连接，GPS或北斗多模定位导航61、超声波或光流测距仪62通过数传电台63与显示装置7无线信号传输连接。本结构便于对无人机飞行状态、高度、位置进行精准控制和定位，并便于接收所拍摄的图像。

本发明所采用四旋翼可以适当布置成三个发动机或者四个以上发动机也可实现本发明的技术特点。

具体实施例二：

本发明所述的任意一种尾坐式垂直起降无人机的控制方法，本尾坐式垂直起降无人机飞行分为起飞段、起飞过渡段、平飞段、着陆过渡段以及着陆段；

起飞段：参阅说明书附图5所示，无人机设于四旋翼飞行模式，通过4个涵道螺旋桨3按四旋翼方式平稳起飞，此时，根据无人机载荷确定四个涵道螺旋桨3的标准输出功率，起飞段末端不需要建立速度优势，起飞到设定高度H时悬停，转入起飞过渡段；所述发动机的标准输出功率为发动机拉力等于无人机载荷时的功率；

起飞过渡段：参阅说明书附图6所示，无人机设于起飞过渡段飞行模式，控制无人机由悬停状态转入俯冲状态；所述俯冲状态为通过控制同侧的一对发动机减速，实现翻转力矩，使无人机姿态改变，无人机的翻转飞行，使无人机达到俯冲状态；然后恢复减速后的同侧发动机到标准输出功率，保持力矩平衡，控制俯冲角稳定；此时发动机在标准输出功率状态，无人机加速俯冲；当无人机速度超过失速速度时，无人机气动舵面产生足够的气动力矩，控制飞机飞行，此时控制律转入固定翼控制律，通过舵面控制飞机完成俯冲拉起并转入平飞；当到达设定高度H进入平飞后，减小发动电机输出功率，控制无人机平飞；起飞过渡段结束；

平飞段：参阅说明书附图7所示，无人机工作在固定翼飞行模式，根据需求控制发动机输出功率，进行定高、定速飞行。在正常平飞和机动飞行时，四个涵道螺浆发动机不做差速，保持同功率输出；进行特殊模态飞行时，气动舵面和发动机混合控制飞机机动。

着陆过渡段：参阅说明书附图8所示，无人机首先设于固定翼飞行模式，保持无人机在H着陆高度上平飞；然后控制气动舵面进行平飞拉起，当俯仰角达到85～90度时，发动机减速，无人机在阻力下加快减速，当速度减小到失速速度时，无人机由固定翼飞行模式转换为四旋翼飞行模式，控制发动机功率为标准输出功率，使无人机悬停；着陆过渡段结束。

着陆段：参阅说明书附图9所示，无人机按照四旋翼模式着陆飞行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述仅为本发明的优选例，本发明并不受上述优选例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还可有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种尾坐式垂直起降无人机，包括翼形机身(1)、机身(1)两侧的机翼(2)、机身(1)上下两侧的四个涵道螺旋桨(3)和机翼(2)端部上方的垂尾(5)和下方的翼尖起落架(4)，涵道螺旋桨(3)由机身1内部的电池或发动机提供驱动。

2.根据权利要求1所述的一种尾坐式垂直起降无人机，其特征在于，机身(1)为仿梭形，机翼(2)与机身(1)连接处端部宽度与机身(1)一致。

3.根据权利要求1所述的一种尾坐式垂直起降无人机，其特征在于，还包括航电设备(6)，所述航电设备(6)包括GPS或北斗多模定位导航(61)、超声波或光流测距仪(62)、数传电台(63)、图传设备(64)及架设在云台上的摄像头(65),摄像头(65)通过图传设备(64)与显示装置(7)无线信号传输连接，GPS或北斗多模定位导航(61)、超声波或光流测距仪(62)通过数传电台(63)与显示装置(7)无线信号传输连接。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种尾坐式垂直起降无人机的飞行控制方法，其特征在于，本尾坐式垂直起降无人机飞行分为起飞段、起飞过渡段、平飞段、着陆过渡段以及着陆段；

起飞段：无人机设于四旋翼飞行模式，通过四个涵道螺旋桨3按四旋翼方式平稳起飞，此时，根据无人机载荷确定四个涵道螺旋桨3的标准输出功率，起飞段末端不需要建立速度优势，起飞到设定高度H时悬停，转入起飞过渡段；所述发动机的标准输出功率为发动机拉力等于无人机载荷时的功率；

起飞过渡段：无人机设于起飞过渡段飞行模式，控制无人机由悬停状态转入俯冲状态；所述俯冲状态为通过控制同侧的一对发动机减速，实现翻转力矩，使无人机姿态改变，无人机的翻转飞行，使无人机达到俯冲状态；然后恢复减速后的同侧发动机到标准输出功率，保持力矩平衡，控制俯冲角稳定；此时发动机在标准输出功率状态，无人机加速俯冲；当无人机速度超过失速速度时，无人机气动舵面产生足够的气动力矩，控制飞机飞行，此时控制律转入固定翼控制律，通过舵面控制飞机完成俯冲拉起并转入平飞；当到达设定高度H进入平飞后，减小发动电机输出功率，控制无人机平飞；起飞过渡段结束；

平飞段：无人机工作在固定翼飞行模式，根据需求控制发动机输出功率，进行定高、定速飞行。在正常平飞和机动飞行时，四个涵道螺旋桨发动机不做差速，保持同功率输出；进行特殊模态飞行时，气动舵面和发动机混合控制飞机机动。

着陆过渡段：无人机首先设于固定翼飞行模式，保持无人机在H着陆高度上平飞；然后控制气动舵面进行平飞拉起，当俯仰角达到85～90度时，发动机减速，无人机在阻力下加快减速，当速度减小到失速速度时，无人机由固定翼飞行模式转换为四旋翼飞行模式，控制发动机功率为标准输出功率，使无人机悬停；着陆过渡段结束。

着陆段：无人机按照四旋翼模式着陆飞行。