CN108394556A - 一种高效倾转旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效倾转旋翼无人机，该无人机布局具有更高的气动效率和控制可靠性，在保证垂直起降的前提下，能够实现高速高效平飞。该无人机包括：倾转旋翼、尾旋翼、机翼、尾翼、机身和起落架。无人机从起飞到平飞需经历垂飞状态、过渡状态和平飞状态。倾转旋翼可绕平行翼展方向的转轴倾转，在垂飞状态时同尾旋翼一起为无人机提供升力和姿态控制力，在平飞时提供向前的拉力；倾转旋翼可变距，兼顾垂飞状态和平飞状态的旋翼效率，可驱动无人机高速飞行；倾转旋翼安装在机翼的左右翼梢，可有效减少垂飞状态时机翼对旋翼下洗气流的遮挡，提高飞行效率；倾转旋翼与左右两侧副翼共同偏转，提高了平飞状态的滚转操纵效率。

Description

一种高效倾转旋翼无人机

技术领域

本发明涉及一种倾转旋翼无人机，属于航空产品技术领域。

背景技术

倾转旋翼无人无人机兼具多旋翼的垂直起降能力和螺旋桨固定翼飞机的高速飞行性能，属于垂直起降无人机。倾转旋翼无人机动力作用力方向可倾转，具有广泛的应用前景，主要应用包括物流、巡线、森林防火、环境监测等。虽然倾转旋翼无人机能够满足一些特殊场景的应用需求，但实际应用中还存在垂飞旋翼效率低、平飞速度慢、垂飞航向控制性能差等问题。例如：1.现有倾转旋翼无人机垂飞与平飞采用同一套动力系统，且多为定距螺旋桨，而实际上，多旋翼与固定翼无人机旋翼无论从形态尺寸上还是机械机构上都存在显著差异，这是由不同飞行状态下螺旋桨的气动条件不同所决定的，因此现有倾转旋翼无人机动力系统很难同时高效兼容垂飞和平飞状态，且平飞速度较低；2.现有倾转旋翼无人机方案多采用多旋翼方式垂直起降，通过旋翼转速或桨距控制实现无人机航向控制，但在实际应用中机身机翼结构迎风面积大，旋翼反扭矩航向控制的控制力明显不足，这导致该类无人机垂飞时的抗风性较差。

发明内容

本发明提供了一种高效倾转旋翼无人机，该无人机布局具有更高的气动效率和控制可靠性，在保证垂直起降的前提下，能够实现高速高效飞行。

一种高效倾转旋翼无人机包括：倾转旋翼、尾旋翼、机翼、尾翼、机身和起落架，且至少包括2个倾转旋翼和1个尾旋翼。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转旋翼可绕平行于翼展方向的旋转轴倾转。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转旋翼与机翼的副翼部分相连接，当旋翼倾转时，副翼随之一同倾转。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述机翼上安装有倾转机构，倾转机构与副翼相连，同时带动副翼和倾转旋翼转动。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述副翼和倾转旋翼的偏转角度为M°～N°，其中N>90，M<0，其大小可根据无人机控制需求进行调整。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述偏转角度以倾转旋翼平行水平面时为0°，其在90°时，倾转旋翼和副翼均垂直于地面，无人机为垂飞状态；当其在0度时，倾转旋翼和副翼均平行于地面，无人机为平飞状态。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转旋翼可兼顾无人机垂飞与平飞旋翼效率。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转旋翼包括动力短舱、变距桨叶、变距机构。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述变距机构可以通过机械传动的方式改变桨叶的桨距。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转旋翼垂飞时为无人机提供垂飞升力，前飞时为无人机提供前飞拉力，垂飞与前飞采用同一套旋翼动力系统。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，其机身上还安装有起落架、机翼、尾翼；

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述尾旋翼安装在机翼后缘和尾翼前缘之间。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，其尾旋翼具有锁死功能，在无人机进入平飞状态后，尾旋翼锁死，不干扰平飞状态下的控制。

根据上述技术方案之一所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，其倾转旋翼和尾旋翼的驱动方式为电力驱动、燃油驱动和油电混合中的一种。

在一个更为具体的技术方案中，为了达到上述目的的本发明采用一种倾转旋翼无人机，包括倾转旋翼、机翼、尾旋翼、尾翼、机身和起落架。从起飞到平飞需经历垂直飞行状态(垂飞状态)、垂直转平飞的过渡飞行状态(过渡状态)和转平飞后的平直飞行状态(平飞状态)。采用的控制方法如下：在垂飞状态时，倾转旋翼和尾旋翼为无人机提供升力，通过改变左右旋翼桨距和尾旋翼转速，实现无人机俯仰和滚转控制，通过倾转旋翼偏转，实现无人机航向控制。在过渡状态时，倾转旋翼倾转，此时倾转旋翼升力在前飞方向上的分量会驱动无人机前飞，在垂直于前飞方向上的分量与机翼翼面上产生的升力共同为无人机提供维持其飞行的升力，俯仰控制通过改变倾转旋翼和尾旋翼升力差实现，滚转控制通过改变两端倾转旋翼升力差实现，航向控制通过改变两端倾转旋翼的偏转角来实现。在平飞状态时，倾转旋翼完全倾转至与飞行方向平行，尾旋翼完全停止，此时翼面提供主要升力，倾转旋翼拉力驱动无人机前飞，通过改变倾转旋翼的偏角和尾翼上的舵面偏角实现对无人机的姿态控制。

本发明带来的有益效果：

(1)本发明无人机的倾转旋翼采用了变距螺旋桨，兼顾垂飞状态和平飞状态的旋翼效率，可实现高速飞行，同时提高了无人机续航时间。

(2)无人机倾转旋翼和副翼直接相连，在平飞状态下可以通过倾转旋翼的差动来提高横滚的控制效率。

(3)将无人机的倾转旋翼放在翼梢，有效减少了垂直起降阶段，由于机翼对于旋翼下洗气流的遮挡而造成的旋翼效率损失。

附图说明

图1是本发明倾转机翼无人机平飞状态示意图；

图2是本发明倾转机翼无人机垂飞状态示意图；

图3是本发明倾转机翼无人机倾转机构示意图；

图4是本发明倾转机翼无人机变距机构示意图；

图5是本发明倾转机翼无人机变距桨叶示意图；

图1中：1.倾转旋翼；2.机翼；21副翼；3.尾旋翼；4.尾翼；41.尾翼控制舵面；5.起落架；6.机身。

图3中：1.倾转旋翼；21.副翼；22.倾转机构；

图4中：11.动力短舱；12.变距桨叶；13.变距机构；

具体实施方式

以下结合具体实施方式进一步详细说明本发明的技术方案。应当理解，此处描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

由图1～图5所示的实施例中，本发明的倾转旋翼无人机包括：倾转旋翼(1)、尾旋翼(3)、机翼(2)、尾翼(4)、机身(6)和起落架(5)，且至少包括2个倾转旋翼(1)和1个尾旋翼(3)。本实施例中2个倾转旋翼和1个尾旋翼的布局不应限制本发明内容，无人机也可包含多个分布式倾转旋翼或多个尾旋翼，倾转旋翼和尾旋翼的数量与布置应根据本发明所述内容视具体总体设计方案而定；

所述倾转旋翼(1)包括动力短舱(11)、变距桨叶(12)、变距机构(13)；

所述机翼(2)上安装有副翼(21)、倾转机构(22)；

所述尾翼(4)上安装有尾翼操作舵面(41)；

所述尾旋翼(3)安装在机身(6)上，所述尾旋翼(3)的安装位置在机翼后缘和尾翼前缘之间；

所述尾旋翼具有锁死功能，在无人机进入平飞状态后，尾旋翼锁死，不干扰平飞状态下的控制。

所述机身(6)上还安装有起落架(5)、机翼(2)、尾翼(4)；

所述副翼(21)和倾转旋翼(1)之间为固定连接，倾转机构(22)可以通过驱动副翼(21)偏转来同时控制倾转旋翼(1)的倾转；

所述副翼(21)和倾转旋翼(1)的偏转角度为M°～N°，其中N>90，M<0，其大小可根据无人机控制需求进行调整；

所述偏转角度，以倾转旋翼(1)平行水平面时为0°，其在90°时，倾转旋翼(1)和副翼(21)均垂直于地面，无人机为垂飞状态；当其在0度时，倾转旋翼(1)和副翼(21)均平行于地面，无人机为平飞状态；

所述变距机构(13)可以通过机械传动改变每个变距桨叶(12)相对桨叶自身轴线X的倾角，可进一步提高倾转旋翼(1)的推进效率和飞行控制效率；

所述倾转旋翼无人机分为3个飞行状态：垂飞状态、过渡状态和平飞状态；

所述倾转旋翼无人机在垂飞状态时，其机翼(2)两端的倾转旋翼(1)处于-90度状态，垂直于地面，与其尾旋翼(3)形成一个多旋翼布局的无人机，此时其控制方法与多旋翼无人机相似，通过改变两端倾转旋翼(1)和尾旋翼(3)的转速来实现无人机的滚转控制和俯仰控制，通过改变两端倾转旋翼(1)的偏转角来实现无人机的航向控制。垂飞状态的姿态控制方法要基于多旋翼控制方法针对具体布局形式进行设计，此实施例的控制方法不应限制本发明内容；

所述倾转旋翼无人机在过渡状态时，倾转机构(22)控制副翼(21)与倾转旋翼(1)共同倾转，此时倾转旋翼(1)拉力在前飞方向上的分量会驱动无人机前飞，在竖直方向上的分量与倾转翼面(2)气动力的合力，为无人机提供维持飞行的升力和姿态控制力。俯仰控制通过改变倾转旋翼(1)和尾旋翼(3)升力差实现，滚转控制通过改变两端倾转旋翼(1)升力差实现，航向控制通过改变两端倾转旋翼(1)的偏转角来实现，过渡状态的姿态控制方法要基于多旋翼控制方法针对具体布局形式进行设计，此实施例的控制方法不应限制本发明内容；

所述倾转旋翼无人机在平飞状态时，倾转旋翼(1)完全倾转至与飞行方向平行，此时倾转旋翼(1)的拉力驱动无人机前飞，倾转旋翼自动改变桨距以高效适应平飞高速来流。俯仰和航向控制通过尾翼(4)控制舵面偏转实现，滚转控制通过机翼(2)的倾转旋翼(1)和副翼(21)差动实现。平飞状态的姿态控制方法要基于固定翼无人机控制方法针对具体布局形式进行设计，此实施例的控制方法不应限制本发明内容。

基于本发明的技术方案，发明人从无人机的初始方案设计到后期验证试飞开展了大量的创造性工作，在试飞过程中，发明人发现对于倾转旋翼无人机，采用不同的螺旋桨和不同的旋翼位置，会对其在不同飞行状态下的飞行效率产生明显影响。为了进一步明确这种差异，发明人使用与本发明技术方案具有相同气动布局的无人机，在相同的飞行条件下分别改变倾转旋翼的安装位置和采用不同的螺旋桨进行了垂飞状态和平飞状态这两种状态的试飞，并对各个情况下无人机处于稳定状态时所需的动力装置最小油门进行了记录，记录结果如下表所示：

从上表可以看出，相比将倾转旋翼安装在机翼中部的技术方案，将其安装在机翼的翼梢的技术方案能够有效降低无人机在垂飞状态下的最小油门开度，进而降低了无人机在垂飞状态下的能耗。而在另一种技术方案中，将倾转旋翼的螺旋桨形式变为可变距推进螺旋桨，其相比定距高速推进螺旋桨，无人机在垂飞状态下和平飞状态下的最小油门开度都有所降低，无人机整体能耗得到了降低，提高了飞行效率。所以，在试飞过程中，采用本发明技术方案的无人机，其油门能够维持在一个较为合理的区间，能够有效地提高无人机在各个飞行状态下的飞行效率，具有更好的实用性。

综上所述，本发明的核心在于倾转旋翼(1)为变距旋翼，能高效适应旋翼垂飞和平飞时的不同工况；倾转旋翼(1)在机翼(2)的翼梢部位，垂飞状态时，机翼(2)对旋翼的下洗气流遮挡较少，旋翼气动效率高；平飞状态时，滚转通过倾转旋翼(1)和副翼(1)一同差动来控制，控制效率较高。本发明不局限于上述具体实施方式，如果对本发明的各种改动和变形不脱离本发明范围，仍属于本发明的权利要求和同等技术范围之内。

Claims (10)

1.一种高效倾转旋翼无人机，其特征在于，该无人机包括：倾转旋翼(1)、机翼(2)、尾旋翼(3)、尾翼(4)、机身(6)和起落架(5)，无人机同时包含具有倾转功能的旋翼和能够提供垂直起降升力的尾旋翼。

2.根据权利要求1所述的一种高效倾转旋翼无人机，其特征在于，机体至少包含2个倾转旋翼和1个尾旋翼，尾旋翼固定在机身后部，其产生升力方向垂直向上，倾转旋翼可饶平行于翼展方向的转轴旋转。

3.根据权利要求1所述的倾转旋翼，其特征在于，能沿平行于翼展方向的倾转轴旋转，具有变距桨叶，可根据飞行状况随时调整桨叶的桨距，兼顾垂直起降和高速平飞时的旋翼效率。

4.根据权利要求1所述的倾转旋翼，其特征在于，安装在机翼两端的翼梢，减小旋翼下洗流遮挡面积，提高垂飞状态下旋翼的效率。

5.根据权利要求1所述的倾转旋翼，其特征在于，所述倾转旋翼与机翼的副翼部分相连接，当旋翼倾转时，副翼随之一同倾转，在平飞状态下其能为无人机提供高效的横滚控制力。

6.根据权利要求1所述的倾转旋翼，其特征在于，副翼和倾转旋翼的偏转角度为M°～N°，其中N>90，M<0，其大小可根据无人机控制需求进行调整。

7.根据权利要求6所述的偏转角度，其特征在于，所述偏转角度以倾转旋翼平行水平面时为0°，其在90°时，倾转旋翼和副翼均垂直于地面，无人机为垂飞状态；当其在0度时，倾转旋翼和副翼均平行于地面，无人机为平飞状态。

8.根据权利要求1所述的倾转旋翼，其特征在于，所述倾转旋翼垂飞时为无人机提供垂飞升力，前飞时为无人机提供前飞拉力，垂飞与前飞采用同一套旋翼动力系统。

9.根据权利要求1所述的倾转旋翼，其特征在于，其倾转旋翼和尾旋翼的驱动方式为电力驱动、燃油驱动和油电混合中的一种。

10.根据权利要求1所述的尾旋翼，其特征在于，其具有锁死功能，在无人机进入平飞状态后，尾旋翼锁死，不干扰平飞状态下的控制。