CN108557075A - 新型多驱动垂直起降固定翼无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型多驱动垂直起降固定翼无人机，涉及飞行器技术领域。所述无人机包括内段机翼，所述内段机翼的上端对称的设置有两个内段机翼风扇；内段机翼的左右两侧各设有一个外段机翼，每个所述外段机翼设置一个外段机翼涵道风扇，所述内段机翼与外段机翼之间设置有一个支撑架；所述内段机翼内设置有供油系统和控制系统，所述控制系统用于控制所述供油系统为所述发动机提供动力并根据控制策略通过控制所述发动机的转速、涵道盖板的状态以及外段机翼涵道风扇之间的螺距改变所述无人机的姿态。所述无人机可实时、精确地调整无人机的飞行姿态，减小机翼的迎风面积，以适应恶劣的气流环境，提高系统飞行的鲁棒性和稳定性，推进其实用化的进程。

Description

新型多驱动垂直起降固定翼无人机
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种新型多驱动垂直起降固定翼无人机。
背景技术
无人机在现代战争中发挥着越来越重要的作用,但我军无人机在部队的作战训练中仍然存在着一些急需解决的问题：
(1)无人机发射、回收过程复杂，事故多发
目前，陆军装备的无人机和舰载无人机大多采用火箭助推的发射方式，发射程序复杂、繁琐，耗时长，可靠性较低，容易发生事故；降落时多采用伞降回收或撞网回收，前者对降落场地的要求较高，降落过程可控性差，后者对回收控制的精度要求高，两种方式都容易造成飞机的损伤。
(2)特殊环境中执行任务的能力差，使用受限
在山地、城市、舰艇等空间狭小的特殊环境中执行飞行作战任务时，固定翼无人机受起降场地影响较大，使用受限；而无人直升机虽然可垂直起降，但其飞行速度较慢，快速反应能力较弱，续航时间短，作战半径相对较小。因此，两者都不能满足无人机在特殊环境中执行作战任务的需求，需要设计一种既可以垂直起降又具有较大飞行速度的无人机。
以上存在的问题限制了无人机系统的作战使用范围，在很大程度上抑制了我军无人机系统作战效能的发挥。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型多驱动垂直起降固定翼无人机，所述无人机可实时、精确地调整无人机的飞行姿态，减小机翼的迎风面积，以适应恶劣的气流环境，提高系统飞行的鲁棒性和稳定性，推进其实用化的进程。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种新型多驱动垂直起降固定翼无人机，其特征在于：包括内段机翼，所述内段机翼的上端对称的设置有两个发动机舱，每个所述发动机舱内设置有一个内段机翼发动机，所述内段机翼发动机竖直设置，所述内段机翼发动机的动力输出端设置一个内段机翼风扇；所述内段机翼的左右两侧各设有一个外段机翼，每个所述外段机翼上设有一个水平涵道，所述水平涵道内设置有涵道盖板，每个所述水平涵道内设置有一个外段机翼发动机，所述外段机翼发动机水平设置，每个所述外段机翼发动机上设置一个外段机翼涵道风扇，所述内段机翼与外段机翼之间设置有一个支撑架；所述内段机翼内设置有供油系统和控制系统，所述控制系统用于控制所述供油系统为所述发动机提供动力并根据控制策略通过控制所述发动机的转速、涵道盖板的状态以及外段机翼涵道风扇之间的螺距改变所述无人机的姿态。
进一步的技术方案在于，所述内段机翼以及外段机翼的下侧设置有升降副翼。
进一步的技术方案在于，在垂直飞行模式下：
无人机的滚转运动通过两台内段机翼发动机的差速进行控制；
俯仰运动通过控制升降副翼的同向偏转进行控制；
偏航运动通过调节两个外段机翼涵道风扇间螺距进行控制；
无人机的升降通过同时增大或减小两台内段机翼发动机的转速进行控制。
进一步的技术方案在于，水平飞行模式下：
滚动运动通过控制左右两侧升降副翼的反向偏转进行控制；
俯仰运动通过控制左右两侧升降副翼的同向偏转进行控制；
偏航运动通过控制左右两个内段机翼发动机的差速进行控制；
水平飞行拉力由左右两个内段机翼发动机共同提供。
进一步的技术方案在于，垂直模式避风方法如下：
在垂直飞行模式下，自动打开外段机翼中部的水平涵道风扇盖板；
利用风向、风速测量传感器实时感知飞行器周围气流的流向和大小；
当无人机内段机翼平面与风向不平行时，此时驱动两个外段机翼涵道风扇使之产生相同方向的转动力矩，调整无人机偏航姿态，减小无人机机翼平面与风向的夹角；
当无人机内段机翼平面与风向平行时，两个外段机翼涵洞风扇停止工作；
在水平飞行模式下，关闭内段机翼风扇盖板，减小内段机翼风扇对机翼升力的影响。
进一步的技术方案在于：所述供油系统包括油箱、控制模块和油泵，所述油箱包括位于上侧的水平油箱和位于下侧的垂直油箱，所述水平油箱上设置有水平设置的出油管，所述垂直油箱上设置有竖直设置的出油管，所述水平油箱和垂直油箱之间通过连通管道进行连通；所述油泵设置在所述连通管道上，所述控制模块的控制输出端与所述油泵的控制端连接，所述控制模块用于根据无人机的飞行状态控制所述油泵工作，将水平油箱内的油泵入垂直油箱或将垂直油箱中的油泵入水平油箱，通过改变水平油箱和垂直油箱内的油量改变无人机的重心。
进一步的技术方案在于，各种飞行模式下重心主动调整的方法如下：
所述无人机在起飞时只装满一个油箱燃料；
在垂直飞行模式下，油箱中的燃料受重力作用流向油箱垂直油箱，此时受油箱燃料移动的影响，无人机整机的重心下移；
水平飞行模式下，油箱中的燃料受重力作用流向水平油箱，此时受油箱燃料移动的影响，无人机整机的重心前移。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述无人机能够像直升机一样垂直起降，空中悬停，也能够像固定翼飞机一样快速水平飞行。通过多驱动姿态控制，减小了无人机各个姿态回路之间的耦合影响，提高了控制效率和无人机的稳定性；利用风向传感器和双涵道风扇控制技术，解决了无人机在垂直飞行模式下受外界气流干扰的问题，提高了无人机在水平气流干扰下位置和姿态的稳定性；通过采用变重心油箱，使无人机的重心跟随飞行模式的变化自主调整，提高了无人机在各种飞行模式下的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例所述无人机的结构示意图；
图2是本发明实施例所述无人机的内段机翼与风向不平行时的控制原理图；
图3是本发明实施例所述无人机的内段机翼与风向平行时的控制原理图；
图4是本发明实施例所述无人机中油箱的结构示意图；
其中：1、内段机翼 2、发动机舱 3、内段机翼风扇 4、外段机翼 5、外段机翼涵道风扇 6、支撑架 7、升降副翼 8、水平油箱 9、垂直油箱 10、出油管 11、连通管道。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种新型多驱动垂直起降固定翼无人机，包括内段机翼1，所述内段机翼1的上端对称的设置有两个发动机舱2，每个所述发动机舱内2设置有一个内段机翼发动机，所述内段机翼发动机竖直设置，所述内段机翼发动机的动力输出端设置一个内段机翼风扇3；所述内段机翼1的左右两侧各设有一个外段机翼4，每个所述外段机翼4上设有一个水平涵道，所述水平涵道内设置有涵道盖板，每个所述水平涵道内设置有一个外段机翼发动机，所述外段机翼发动机水平设置，每个所述外段机翼发动机上设置一个外段机翼涵道风扇5，所述内段机翼1与外段机翼4之间设置有一个支撑架6，所述内段机翼以及外段机翼的下侧设置有升降副翼7；所述内段机翼1内设置有供油系统和控制系统，所述控制系统用于控制所述供油系统为所述发动机提供动力并根据控制策略通过控制所述发动机的转速、涵道盖板的状态、外段机翼涵道风扇之间的螺距以及升降副翼的状态改变所述无人机的姿态。
两个所述涵道风扇中心的连线通过机体重心，用于垂直起降时调整飞机的状态，克服气流对飞机姿态的影响，保证飞机姿态的稳定，所述涵道风扇的进气口和出气口加装可滑动涵道盖板，垂直起降时打开用以，水平飞行时关闭。
如图4所示，所述供油系统包括油箱、控制模块12和油泵13。所述油箱包括位于上侧的水平油箱8和位于下侧的垂直油箱9，所述水平油箱8上设置有水平设置的出油管10，所述垂直油箱9上设置有竖直设置的出油管10，所述水平油箱8和垂直油箱9之间通过连通管道11进行连通；所述油泵13设置在所述连通管道11上，所述控制模块12的控制输出端与所述油泵13的控制端连接，所述控制模块12用于根据无人机的飞行状态控制所述油泵13工作，将水平油箱8内的油泵入垂直油箱9或将垂直油箱9中的油泵入水平油箱8，通过改变水平油箱8和垂直油箱9内的油量改变无人机的重心。
垂直飞行模式下无人机的姿态控制策略为：
滚转运动通过两台内段机翼发动机的差速进行控制；
俯仰运动通过控制升降副翼7的同向偏转进行控制；
偏航运动通过调节两个外段机翼涵道风扇5间螺距进行控制；
无人机的升降通过同时增大或减小两台内段机翼发动机的转速进行控制。
水平飞行模式下无人机的姿态控制策略为：
滚动运动通过控制左右两侧升降副翼7的反向偏转进行控制；
俯仰运动通过控制左右两侧升降副翼7的同向偏转进行控制；
偏航运动通过控制左右两个内段机翼发动机的差速进行控制；
水平飞行拉力由左右两个内段机翼发动机共同提供。
垂直模式避风方法如下：
在垂直飞行模式下，自动打开外段机翼4中部的水平涵道风扇盖板；
利用风向、风速测量传感器实时感知飞行器周围气流的流向和大小；
当无人机内段机翼平面与风向不平行时，此时驱动两个外段机翼涵道风扇6使之产生相同方向的转动力矩，调整无人机偏航姿态，减小无人机机翼平面与风向的夹角；
当无人机内段机翼1平面与风向平行时，两个外段机翼涵洞风扇6停止工作；
在水平飞行模式下，关闭内段机翼风扇盖板，减小内段机翼风扇对机翼升力的影响。
各种飞行模式下重心主动调整的方法如下：
所述无人机在起飞时只装满一个油箱燃料；
在垂直飞行模式下，油箱中的燃料受重力作用流向油箱垂直油箱9，此时受油箱燃料移动的影响，无人机整机的重心下移；
水平飞行模式下，油箱中的燃料受重力作用流向水平油箱8，此时受油箱燃料移动的影响，无人机整机的重心前移。
所述无人机通过多个驱动装置分别控制无人机的姿态，解除了各个姿态控制回路之间的耦合，提高了控制效率和无人机的稳定性；利用风向传感器和双涵道风扇驱动的垂直模式避风策略，可以提高无人机在垂直飞行模式下遇到水平气流干扰时的抗干扰能力，使无人机保持位置和姿态的稳定性；采用变重心油箱的各种飞行模式下重心主动调整策略，可以使无人机的重心跟随飞行模式的变化而自主调整，提高无人机在各种飞行模式下的稳定性。

Claims (6)

1.一种新型多驱动垂直起降固定翼无人机，其特征在于：包括内段机翼(1)，所述内段机翼(1)的上端对称的设置有两个发动机舱(2)，每个所述发动机舱内(2)设置有一个内段机翼发动机，所述内段机翼发动机竖直设置，所述内段机翼发动机的动力输出端设置一个内段机翼风扇(3)；所述内段机翼(1)的左右两侧各设有一个外段机翼(4)，每个所述外段机翼(4)上设有一个水平涵道，所述水平涵道内设置有涵道盖板，每个所述水平涵道内设置有一个外段机翼发动机，所述外段机翼发动机水平设置，每个所述外段机翼发动机上设置一个外段机翼涵道风扇(5)，所述内段机翼(1)与外段机翼(4)之间设置有一个支撑架(6)，所述内段机翼以及外段机翼的下侧设置有升降副翼(7)；所述内段机翼(1)内设置有供油系统和控制系统，所述控制系统用于控制所述供油系统为所述发动机提供动力并根据控制策略通过控制所述发动机的转速、涵道盖板的状态、外段机翼涵道风扇之间的螺距以及升降副翼的状态改变所述无人机的姿态。
2.如权利要求1所述的新型多驱动垂直起降固定翼无人机，其特征在于，在垂直飞行模式下：
滚转运动通过两台内段机翼发动机的差速进行控制；
俯仰运动通过控制升降副翼(7)的同向偏转进行控制；
偏航运动通过调节两个外段机翼涵道风扇(5)间螺距进行控制；
无人机的升降通过同时增大或减小两台内段机翼发动机的转速进行控制。
3.如权利要求1所述的新型多驱动垂直起降固定翼无人机，其特征在于，水平飞行模式下：
滚动运动通过控制左右两侧升降副翼(7)的反向偏转进行控制；
俯仰运动通过控制左右两侧升降副翼(7)的同向偏转进行控制；
偏航运动通过控制左右两个内段机翼发动机的差速进行控制；
水平飞行拉力由左右两个内段机翼发动机共同提供。
4.如权利要求1所述的新型多驱动垂直起降固定翼无人机，其特征在于，垂直模式避风方法如下：
在垂直飞行模式下，自动打开外段机翼(4)中部的水平涵道风扇盖板；
利用风向、风速测量传感器实时感知飞行器周围气流的流向和大小；
当无人机内段机翼平面与风向不平行时，此时驱动两个外段机翼涵道风扇(6)使之产生相同方向的转动力矩，调整无人机偏航姿态，减小无人机机翼平面与风向的夹角；
当无人机内段机翼(1)平面与风向平行时，两个外段机翼涵洞风扇(6)停止工作；
在水平飞行模式下，关闭内段机翼风扇盖板，减小内段机翼风扇对机翼升力的影响。
5.如权利要求1所述的新型多驱动垂直起降固定翼无人机，其特征在于，所述供油系统包括油箱、控制模块(12)和油泵(13)，所述油箱包括位于上侧的水平油箱(8)和位于下侧的垂直油箱(9)，所述水平油箱(8)上设置有水平设置的出油管(10)，所述垂直油箱(9)上设置有竖直设置的出油管(10)，所述水平油箱(8)和垂直油箱(9)之间通过连通管道(11)进行连通；所述油泵(13)设置在所述连通管道(11)上，所述控制模块(12)的控制输出端与所述油泵(13)的控制端连接，所述控制模块(12)用于根据无人机的飞行状态控制所述油泵(13)工作，将水平油箱(8)内的油泵入垂直油箱(9)或将垂直油箱(9)中的油泵入水平油箱(8)，通过改变水平油箱(8)和垂直油箱(9)内的油量改变无人机的重心。
6.如权利要求5所述的新型多驱动垂直起降固定翼无人机，其特征在于，各种飞行模式下重心主动调整的方法如下：
所述无人机在起飞时只装满一个油箱燃料；
在垂直飞行模式下，油箱中的燃料受重力作用流向油箱垂直油箱(9)，此时受油箱燃料移动的影响，无人机整机的重心下移；
水平飞行模式下，油箱中的燃料受重力作用流向水平油箱(8)，此时受油箱燃料移动的影响，无人机整机的重心前移。
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