CN108128453A - 一种海空两用太阳能无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海空两用太阳能无人机及其控制方法，属于飞行器领域。该无人机中：一对内机翼均为固定翼，分别固定在船身式机身的两侧，内机翼的外缘均通过折叠机构铰接一片外机翼，折叠机构用于控制外机翼绕内机翼翻转折叠；内机翼和/或外机翼上铺设有太阳能电池板，推进系统设置于内机翼上方；内机翼下吊有两个浮筒，水平尾翼固定于两片垂直尾翼之间，形成H型布局，两片垂直尾翼分别通过尾撑固定于内机翼上；无人机下部的前后分别固定有前水翼和后水翼。与传统无人机相比，该无人机具有水上起降、空中长时间巡航、采用太阳能驱动等特点，具有非常强的实用价值。

Description

一种海空两用太阳能无人机及其控制方法

技术领域

本发明属于飞行器领域，具体涉及一种海空两用可折叠太阳能无人机及其控制方法。

背景技术

水资源、水污染问题在江河、湖泊、海洋上的表现越来越重要，无人机与船舶一起成为研究、检测、控制污染和水生物的一种有效途径，同时，洪涝灾害、地质灾害、河流水质长期检测、渔业、反海盗、船运监测、临海权益等均对可靠可行的平台提出了新的需求，水上无人机结合船舶和无人机的优势，在以上方面均有重要应用价值，将成为未来重要研究方向。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，结合水翼技术、折叠翼技术以及太阳能等技术，提出了一款利用太阳能作为能源的、可折叠的、海空两用无人机。与传统无人机相比，该无人机具有水上起降、空中长时间巡航、采用太阳能驱动等特点，具有非常强的实用价值。

本发明所采用的具体技术方案如下：

海空两用太阳能无人机，其包括船身式机身、内机翼、外机翼、折叠机构、垂直尾翼、水平尾翼、浮筒、前水翼、后水翼、推进系统和太阳能电池板；两片内机翼均为固定翼，分别固定在船身式机身的两侧，每片内机翼的外缘均通过折叠机构铰接一片外机翼，折叠机构用于控制外机翼绕内机翼翻转折叠；内机翼和/或外机翼上铺设有太阳能电池板，推进系统设置于内机翼上方；内机翼下吊有两个浮筒，水平尾翼水平固定与两片垂直尾翼之间，形成H型布局，两片垂直尾翼分别通过尾撑固定于内机翼上；无人机下部的前后分别固定有前水翼和后水翼。

该无人机机翼采用翻转式折叠，机翼往机身中部收起；以单船身水上飞机为基础，增加翼中浮筒来提高滑行和停泊时稳定性，并保证离水高度；机翼部分进行折叠设计，减小在海面停泊时受风浪的影响；采用平尾上置及双尾撑布局，提高尾翼强度，避开机身飞溅的水流冲击；采用高置推进系统，避免系统进水失效，并有效利用太阳能；机身及尾翼下部各安装一个水翼，形成稳定长方体结构，大大提高整机强度，适应海面风浪，也减小无人机的水面起飞阻力。

作为优选，所述的前水翼固定于内机翼下方，所述的后水翼固定于垂直尾翼下方的尾撑上。

作为优选，所述的船身式机身下半部分采用船身设计，上部分采用飞机气动布局。

作为优选，所述的内机翼、外机翼采用上单翼布局。

作为优选，所述的外机翼折叠方式采用翻转式折叠，由与内机翼平行的角度开始向上方收起。

作为优选，所述的内机翼和外机翼采用平直机翼，太阳能电池板同时铺设于内机翼和外机翼的上表面。

作为优选，所述的内机翼和外机翼采用clark-Y翼型。

作为优选，所述的水平尾翼、垂直尾翼、前水翼和后水翼采用NACA0012翼型。

作为优选，所述的垂直尾翼上安装方向舵用于航向操纵，水平尾翼上安装升降舵用于俯仰操纵；所述的外机翼上安装有副翼。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述海空两用太阳能无人机的控制方法，具体如下：无人机行进过程中分为折叠状态与打开状态，无人机根据行进任务，通过折叠机构控制外机翼与内机翼之间的夹角在两种状态之间切换，其中：

当无人机处于打开状态时，外机翼平面与内机翼平面保持平行，利用高置的推进系统为无人机提供向前飞行的动力；

当无人机需要在水面上行进时，通过折叠机构控制外机翼绕内机翼翻转折叠，进入折叠状态，继续利用高置的推进系统为无人机提供前行的动力，并由前水翼和后水翼提供无人机在水面上的升力。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明提出的海空两用太阳能无人机，外机翼进行折叠收放设计，减小在海面停泊时受风浪的影响。其次，内机翼、外机翼上安装太阳能电池板，可以为无人机提供清洁、持续的能源；水翼设计，可以使无人机具有水面上起降、航行和停泊等功能；高置推进系统可以从而保证飞机在海面上航行、降落海面或者从海面上起飞状态下，推进系统能够系统安全可靠地工作。

附图说明

图1无人机处于打开状态的结构示意图；

图2无人机处于折叠状态的结构示意图；

图中：船身式机身1、内机翼2、外机翼3、折叠机构4、垂直尾翼5、水平尾翼6、浮筒7、前水翼8、后水翼9、推进系统10、太阳能电池板11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本实施例中的海空两用太阳能无人机具有分为折叠状态与打开状态两种模式，折叠状态用于水面航行，而打开状态用于空中高速飞行。

打开状态的无人机结构如图1所示，该无人机包括船身式机身1、内机翼2、外机翼3、折叠机构4、垂直尾翼5、水平尾翼6、浮筒7、前水翼8、后水翼9、推进系统10和太阳能电池板11。船身式机身1是无人机的主体部分，船身式机身1下半部分采用船身设计，能够提升飞行器在水中的浮力，上部分采用常规的飞机气动布局。

一对内机翼2均为固定翼，分别固定在船身式机身1的两侧，每片内机翼2的外缘均通过折叠机构4铰接一片外机翼3。折叠机构4可以采用液压控制系统等设备实现，其折叠方式采用翻转式折叠，用于控制外机翼3绕内机翼2翻转折叠。外机翼3可以由与内机翼2平行的角度开始，在折叠机构4的控制下向上方收起，折叠于内机翼2上方，由此进入如图2所示的折叠状态。本实施例中，内机翼2和外机翼3上均铺设有太阳能电池板11，为飞机提供能源。为了安装更多的太阳能电池板11和提高飞机的巡航时间同时，内机翼2和外机翼3采用大展弦比平直机翼；为了减轻飞机重量，并增加垂直尾翼5和水平尾翼6的操作性，采用双尾撑布局。内机翼2、外机翼3采用上单翼布局。上单翼布局能增加飞机的稳定性，并避免在靠近水面时机翼接触水面。本实施例中内机翼2和外机翼3采用clark-Y翼型，这种翼型对于超轻型飞机具有制造优势，同时也适合太阳能电池板11的排布和固定。为了推进系统10能够系统安全可靠地工作，采用高置的推进系统10，即将推进系统10设置于内机翼2上方，推进系统10可采用双电机动力系统，螺旋桨分别对称设置在船身式机身1上方两侧。

内机翼2下吊有两个浮筒7，浮筒为一密闭的复合材料结构，用于为全机提供浮于水面上的浮力。水平尾翼6水平固定与两片垂直尾翼5之间，形成H型布局，两片垂直尾翼5分别通过尾撑固定于内机翼2上。在无人机机身和尾翼的下侧安装两副水翼，前水翼8固定于内机翼2下方，所述的后水翼9固定于垂直尾翼5下方的尾撑上，从而实现无人机在水面上起降、航行和停泊等功能。水平尾翼6、垂直尾翼5、前水翼8和后水翼9采用NACA0012翼型。垂直尾翼5上安装方向舵用于航向操纵，水平尾翼6上安装升降舵用于俯仰操纵；所述的外机翼3上安装有副翼。

本发明中，船身式设计的机身，能够提升飞行器在水中的浮力，而太阳能驱动往往无法提供较大的瞬间动力，使得无人机在水上起飞时比较困难，本发明采用船身以及水翼设计，来减小无人机在水面起飞阶段的阻力，从而使太阳能无人机顺利起飞。

无人机采用高置推进系统，从而保证飞机在海面上航行、降落海面或者从海面上起飞状态下，推进系统能够系统安全可靠地工作，避免推进系统因为进水喷溅而不能正常工作。

大展弦比平直机翼，对整架飞机的性能起到重要作用。首先，大展弦比的平直机翼，有利于安装更多的太阳能电池板，提供足够的动力；另一方面，大的展弦比能提高飞机的巡航时间。上单翼布局能增加飞机的稳定性，并避免在靠近水面时机翼接触水面。

双尾撑布局用尾撑代替尾梁，能够减轻飞机的总重，并且增加垂直尾翼5与水平尾翼6的操纵性。双垂尾分别安装在两个尾撑上，水平尾翼6连接两垂直尾翼5，水翼安装在垂直尾翼5下部，封闭式的结构设计，从整体上提高机体的结构强度。

基于上述海空两用太阳能无人机的控制方法如下：无人机行进过程中分为折叠状态与打开状态，无人机根据行进任务，通过折叠机构4控制外机翼3与内机翼2之间的夹角在两种状态之间切换，其中：

当无人机处于打开状态时，外机翼3平面与内机翼2平面保持平行，利用高置的推进系统10为无人机提供向前飞行的动力；飞行过程中，外机翼3上的副翼用于控制滚转操纵，方向舵用于实现航向操纵，升降舵用于实现俯仰操纵。

当无人机需要在水面上行进时，通过折叠机构4控制外机翼3绕内机翼2翻转折叠，进入折叠状态，继续利用高置的推进系统10为无人机提供前行的动力，并由前水翼8和后水翼9提供无人机在水面上的升力。

但无人机需要从水面上起飞时，需要首先通过折叠机构4控制无人机进入打开状态，然后通过推进系统10推动飞机前进，继而通过机翼产生向上的升力，实现起飞过程。

该无人机采用太阳能作为动力，具有低成本，长航时，大机动、定点巡航能力强等优点，在侦查、监视、通讯中继、导航等领域都具有非常广阔的应用前景；可作为海面大气数据研究平台，用于探测环境变化和采集气象数据，跟踪台风、预报天气、监控污染；也可以用于对特定水域的科考平台，协助进行海洋水文观测、海流及气象观测、海洋生物与生态化学观测以及海洋资源探测；也可以应用于军用领域。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海空两用太阳能无人机，其特征在于，包括船身式机身(1)、内机翼(2)、外机翼(3)、折叠机构(4)、垂直尾翼(5)、水平尾翼(6)、浮筒(7)、前水翼(8)、后水翼(9)、推进系统(10)和太阳能电池板(11)；两片内机翼(2)均为固定翼，分别固定在船身式机身(1)的两侧，每片内机翼(2)的外缘均通过折叠机构(4)铰接一片外机翼(3)，折叠机构(4)用于控制外机翼(3)绕内机翼(2)翻转折叠；内机翼(2)和/或外机翼(3)上铺设有太阳能电池板(11)，推进系统(10)设置于内机翼(2)上方；内机翼(2)下吊有两个浮筒(7)，水平尾翼(6)固定于两片垂直尾翼(5)之间，形成H型布局，两片垂直尾翼(5)分别通过尾撑固定于内机翼(2)上；无人机下部的前后分别固定有前水翼(8)和后水翼(9)。

2.如权利要求1所述的海空两用太阳能无人机，其特征在于，所述的前水翼(8)固定于内机翼(2)下方，所述的后水翼(9)固定于垂直尾翼(5)下方的尾撑上。

3.如权利要求1所述的海空两用太阳能无人机，其特征在于，所述的船身式机身(1)下半部分采用船身设计，上部分采用飞机气动布局。

4.如权利要求1所述的海空两用太阳能无人机，其特征在于，所述的内机翼(2)、外机翼(3)采用上单翼布局。

5.如权利要求1所述的海空两用太阳能无人机，其特征在于，所述的外机翼(3)折叠方式采用翻转式折叠，由与内机翼(2)平行的角度开始向上方收起。

6.如权利要求1所述的海空两用太阳能无人机，其特征在于，所述的内机翼(2)和外机翼(3)采用平直机翼，太阳能电池板(11)同时铺设于内机翼(2)和外机翼(3)的上表面。

7.如权利要求1所述的海空两用太阳能无人机，其特征在于，所述的内机翼(2)和外机翼(3)采用clark-Y翼型。

8.如权利要求1所述的海空两用太阳能无人机，其特征在于，所述的水平尾翼(6)、垂直尾翼(5)、前水翼(8)和后水翼(9)采用NACA0012翼型。

9.如权利要求1所述的海空两用太阳能无人机，其特征在于，所述的垂直尾翼(5)上安装方向舵用于航向操纵，水平尾翼(6)上安装升降舵用于俯仰操纵；所述的外机翼(3)上安装有副翼。

10.一种如权利要求1所述海空两用太阳能无人机的控制方法，其特征在于，无人机工作过程中分为折叠状态与打开状态，无人机根据行进任务，通过折叠机构(4)控制外机翼(3)与内机翼(2)之间的夹角在两种状态之间切换，其中：当无人机处于打开状态时，外机翼(3)平面与内机翼(2)平面保持平行，利用高置的推进系统(10)为无人机提供向前飞行的动力；

当无人机需要在水面上行进时，通过折叠机构(4)控制外机翼(3)绕内机翼(2)翻转折叠，进入折叠状态，继续利用高置的推进系统(10)为无人机提供前行的动力，并由前水翼(8)和后水翼(9)提供无人机在水面上的升力。