CN108557081A - 一种太阳能联翼无人机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能联翼无人机及其控制方法，所述联翼无人机包括：尾撑杆、机翼和吊舱组件，所述机翼包括前翼、后翼、垂尾，前翼由左前翼、翼身和右前翼一体融合而成，左前翼和右前翼对称设置在翼身两侧，翼身与尾撑杆固连，后翼由对称设置的左后翼和右后翼一体形成，后翼位于尾撑杆的上方，左后翼和右后翼的连接处通过垂尾连接至尾撑杆的尾部，左后翼和右后翼的外侧端分别通过流线型垂直端板搭接在左前翼和右前翼的中部形成联翼，吊舱组件有四个，分别位于前翼和后翼的下部。本发明能够解决现有超大展弦比无人机结构强度差、设计困难和现有无人机是单纯的电动机控制，不能配合舵机实现综合控制的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种太阳能联翼无人机及其控制方法。
背景技术
太阳能无人机是以太阳能为能量来源、飞行高度20000m以上的电动无人飞行器，太阳能无人机具有飞行高度高、留空时间长、可重复使用、效费比高、作业使用灵活、生存能力强等优点。且目前太阳能无人机领域已经取得了相当的技术成果，积累了一定的经验，但总的来说，技术成熟度不够高，离真正实用化还有较大的距离，一些重大关键技术问题有待进一步突破与验证。
目前设计者们为了尽可能提高飞机升阻比和增大机翼面积布置更多太阳能电池片，太阳能飞机多采用超大展弦比布局，如瑞士阳光动力、Aquila无人机、太阳神无人机，但使用超大展弦比机翼增加了材料选择和结构上的设计难度，且超大展弦比机翼结构强度和抗风能力很差，使无人机起飞和降落存在很高的风险。目前太阳能无人机的太阳能电池效率、储能系统效率有待进一步提高，无人机的动力控制采用一个总电机控制，使电机的负载过大，容易发生损坏，且超大展弦比机翼气动弹性与飞行控制等技术问题尚未彻底解决。
本发明提供一种太阳能联翼无人机及其控制方法，无人机整体采取联翼布局，在结构重量较小的情况下有利于提高机翼的结构强度和承受更大的翼载荷，防止机翼颤振，联翼无人机的诱导阻力系数较小，升阻比较大，气动特性方面具有较大的优势，且采用电动机、方向舵和升降舵综合控制的分布式动力综合控制方法，能够实现很好的飞行控制。联翼无人机在较小的翼展下具有较大的机翼面积，可以使升力面上铺贴更多太阳能电池片用于获得更多的太阳能，提高续航能力，且本发明的太阳能无人机采用无起落架设计，有效的减轻结构重量并降低结构强度设计的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能联翼无人机及其控制方法，用以解决现有超大展弦比无人机结构强度差和现有无人机是单纯的电动机控制、不能配合舵机实现综合控制的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种太阳能联翼无人机，所述联翼无人机包括：尾撑杆、机翼和吊舱组件，所述机翼包括前翼、后翼、垂尾，所述前翼由左前翼、翼身和右前翼一体融合而成，左前翼和右前翼对称设置在翼身两侧，翼身与尾撑杆固连，所述后翼由对称设置的左后翼和右后翼一体形成，后翼位于尾撑杆的上方，左后翼和右后翼的连接处通过垂尾连接至尾撑杆的尾部，左后翼和右后翼的外侧端分别通过流线型垂直端板搭接在左前翼和右前翼的中部形成联翼，所述吊舱组件有四个，四个吊舱组件分别设置于左前翼、右前翼、左后翼和右后翼的下方中间位置。
作为优选的技术方案，所述尾撑杆为圆柱体。
作为优选的技术方案，所述前翼为左前翼和右前翼向后倾斜的飞翼，前翼的上翼面铺贴太阳能电池片。
作为优选的技术方案，所述后翼为中等展弦比前掠翼，后翼的后缘左右对称布置第一升降舵和第二升降舵，后翼的上翼面铺贴有太阳能电池片。
作为优选的技术方案，所述垂尾的后缘布置有方向舵。
作为优选的技术方案，所述吊舱组件包括：吊舱体、充电电池、电动机和螺旋桨，所述吊舱体固定安装在前翼或后翼的下方，太阳能电池片和充电电池为电动机提供动力，电动机安装于吊舱体的前段与螺旋桨相连，所述螺旋桨位于吊舱体的最前端，且吊舱体与螺旋桨的旋转面垂直。
作为优选的技术方案，所述翼身的正下方安装有任务载荷，所述翼身的内部安装有飞行控制系统和能源管理系统。
提供一种太阳能联翼无人机的控制方法，所述控制方法包括：将无人机安放在专用起降无人车上；无人车负载无人机达到无人机起飞速度后，夹持机构松开；无人机与无人车分离，无人机开始向高空爬升；无人机飞行到设定的高度和任务区域；地面站通过无线数据链控制无人机打开任务载荷执行任务；任务完成后进行着陆动作，无人机沿下滑线下滑，在接近地面时拉起飘落，到达设定高度后进入跑道；差分GPS设备引导无人车与无人机同步运行，保持无人车在无人机正下方；无人机降至对接高度后由视觉设备引导无人车与无人机自动对接。其中，飞行过程中，所述无人机通过第一升降舵和第二升降舵来进行俯仰操作，通过左前翼和右前翼下方的两个电动机的转速差产生不对称拉力，利用不对称拉力和方向舵来操纵偏航，通过偏航产生的侧滑进而产生滚转力矩，利用滚转力矩实现联翼无人机的滚转操纵。
作为优选的技术方案，白天，所述无人机以太阳能电池片产生的电能为动力源进行高度的爬升，且将一部分电能储存在充电电池中；夜晚，所述无人机以充电电池的电能为动力源并通过滑翔降低高度来持续飞行
本发明方法具有如下优点：
(1)联翼无人机的机翼采取联翼布局，在同等结构重量的情况下有利于提高机翼的结构强度和承受更大的翼载荷，防止机翼颤振；
(2)联翼无人机在较小的翼展下具有较大的机翼面积，可以使升力面上铺贴更多太阳能电池片用于获得更多的太阳能；
(3)联翼无人机的诱导阻力系数较小，升阻比较大，气动特性方面具有较大的优势；
(4)本发明提供的太阳能联翼无人机采用无起落架设计，有效的减轻结构重量并降低结构强度设计的复杂性。
(5)本发明采用电动机、方向舵和升降舵综合控制的分布式动力综合控制方法，能够实现很好的飞行控制。
附图说明
图1为本发明提供的一种太阳能联翼无人机的俯视图。
图2为本发明提供的一种太阳能联翼无人机的主视图。
图3为本发明提供的一种太阳能联翼无人机的侧视图。
图中：尾撑杆01、前翼02、左前翼21、翼身22和右前翼23、后翼03、左后翼31、右后翼32、垂尾04、流线型垂直端板05、充电电池06、太阳能电池片07、第一升降舵08、第二升降舵09、方向舵10、吊舱体11、电动机12、螺旋桨13、任务载荷14、飞行控制系统15、能源管理系统16。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参考图1至3，本发明提供一种太阳能联翼无人机，其特征在于，所述联翼无人机包括：尾撑杆01、机翼和吊舱组件，所述机翼包括飞翼布局的前翼02、前掠翼布局的后翼03、垂尾04，所述前翼02由左前翼21、翼身22和右前翼23一体融合而成，左前翼21和右前翼23关于翼身22对称设置，翼身22与尾撑杆01固连，所述后翼03由对称设置的左后翼31和右后翼32一体形成，后翼03位于尾撑杆01的上方，左后翼31和右后翼32的连接处通过垂尾04连接至尾撑杆01的尾部，左后翼31和右后翼32的两端分别通过流线型垂直端板05搭接在左前翼21和右前翼22的中部与前翼02形成联翼布局，联翼布局在结构重量较小的情况下有利于提高机翼的结构强度和承受更大的翼载荷，防止机翼颤振，联翼无人机的诱导阻力系数较小，升阻比较大，气动特性方面具有较大的优势。所述吊舱组件有四个，分别设置于左前翼21、右前翼23、左后翼31和右后翼32的下方中间位置。
进一步地，尾撑杆01为圆柱体，尾撑杆01的前部连接有前翼02的翼身22，翼身22的内部为具有一定空间的腔体，翼身22内部安装有充电电池06，尾撑杆01后部与垂尾04垂直连接。
进一步地，前翼02是无人机的主升力面，采用左前翼21和右前翼23向后倾斜的飞翼布局，左前翼21和右前翼23的下方左右对称布置两个吊舱组件，且与连接左前翼21和右前翼23的流线型垂直端板的位置相对应，因为此位置能很好的平衡太阳能联翼无人机的自重与受力，前翼02的上翼面铺贴太阳能电池片07用于提供飞行动力。
进一步地，后翼03是无人机的副升力面，采用中等展弦比前掠翼形式，起纵向配平作用，后翼03的下方左右对称布置两个吊舱组件，后翼03的两个吊舱组件分别位于左后翼31和右后翼32的下方中间位置，后翼03的后缘左右对称设置第一升降舵08和第二升降舵09，且后翼03的两端通过流线型垂直端板05与前翼02的两端相连接，后翼03的上翼面铺贴有太阳能电池片07用于提供飞行动力，联翼设计的机翼具有最大面积的太阳能电池板铺设面，使储能更多，提高无人机的续航能力。
更进一步地，垂尾04为平行四边形，垂尾04的后缘安装有方向舵10，垂尾04上端固定连接在左后翼31和右后翼32的连接处。
具体地，吊舱组件包括：吊舱体11、充电电池06、电动机12和螺旋桨13，吊舱体11固定安装在前翼02和后翼03的下方，充电电池06为电动机12提供能源，电动机12安装于吊舱体11的前段与螺旋桨13相连为螺旋桨13的旋转提供动力，螺旋桨13位于吊舱体11的最前端，且吊舱体11与螺旋桨13的旋转面垂直，每个螺旋桨设置单独的电动机构成分布式动力综合控制系统能够实现很好的动力控制，避免一个总电机的负载过大，而导致损坏。
联翼无人机包括任务载荷14、飞行控制系统15和能源管理系统16，任务载荷14安装于翼身22的正下方，飞行控制系统15和能源管理系统16均位于翼身22中，飞行控制系统15与吊舱体11内的电动机12电连接，飞行控制系统15用于控制无人机的航向以及控制无人机的飞行速度，能源管理系统16与前翼02和后翼03上的太阳能电池片07以及各充电电池06相连，能源管理系统16用于对无人机的能源进行管理。使联翼无人机在白天飞行时，以太阳能电池片07产生的电能为动力源进行高度的爬升，且将一部分电能储存在充电电池06中；夜晚，联翼无人机以充电电池06的电能为动力源并通过滑翔降低高度来持续飞行。
本发明提供一种太阳能联翼无人机的控制方法，在飞行过程中，无人机通过第一升降舵08和第二升降舵09来进行俯仰操作；通过左前翼21和右前翼22下方的两个电动机12的转速差产生不对称拉力，用不对称拉力和方向舵10来操纵偏航；通过偏航产生的侧滑来产生滚转力矩，利用滚转力矩实现无人机的滚转操纵，通过采用电动机和第一升降舵08和第二升降舵09以及方向舵10的配合控制来控制无人机的飞行状态，能够更方便稳定地实现无人机的分布式综合动力飞行控制。
控制无人机的具体流程包括：通过夹持机构将无人机夹紧安放在专用起降无人车上；无人车负载无人机沿跑道加速，同时无人机的螺旋桨13开始转动；当无人车达到无人机起飞速度后，夹持机构松开；无人机与无人车分离，无人机开始向高空爬升；无人车减速掉头回到出发点。无人机飞行到设定的高度和任务区域；地面站通过无线数据链控制无人机打开任务载荷14执行任务；任务完成后进行着陆动作，无人机沿下滑线下滑，在接近地面时拉起飘落，到达设定高度后进入跑道；差分GPS设备引导无人车与无人机同步运行，保持无人车在无人机正下方；无人机降至对接高度后由视觉设备引导无人车与无人机自动对接。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种太阳能联翼无人机，其特征在于，所述联翼无人机包括：尾撑杆(01)、机翼和吊舱组件，所述机翼包括前翼(02)、后翼(03)、垂尾(04)，所述前翼(02)由左前翼(21)、翼身(22)和右前翼(23)一体融合而成，左前翼(21)和右前翼(23)对称设置在翼身(22)两侧，翼身(22)与尾撑杆(01)固连，所述后翼(03)由对称设置的左后翼(31)和右后翼(32)一体形成，后翼(03)位于尾撑杆(01)的上方，左后翼(31)和右后翼(32)的连接处通过垂尾(04)连接至尾撑杆(01)的尾部，左后翼(31)和右后翼(32)的外侧端分别通过流线型垂直端板(05)搭接在左前翼(21)和右前翼(22)的中部形成联翼，所述吊舱组件有四个，四个吊舱组件分别设置于左前翼(21)、右前翼(23)、左后翼(31)和右后翼(32)的下方中间位置。
2.如权利要求1所述的一种太阳能联翼无人机，其特征在于，所述尾撑杆(01)为圆柱体。
3.如权利要求1所述的一种太阳能联翼无人机，其特征在于，所述前翼(02)为左前翼(21)和右前翼(23)向后倾斜的飞翼，前翼(02)的上翼面铺贴太阳能电池片(07)。
4.如权利要求1所述的一种太阳能联翼无人机，其特征在于，所述后翼(03)为中等展弦比前掠翼，后翼(03)的后缘左右对称布置第一升降舵(08)和第二升降舵(09)，后翼(03)的上翼面铺贴有太阳能电池片(07)。
5.如权利要求1所述的一种太阳能联翼无人机，其特征在于，所述垂尾(04)的后缘布置有方向舵(10)。
6.如权利要求1所述的一种太阳能联翼无人机，其特征在于，所述吊舱组件包括：吊舱体(11)、充电电池(06)、电动机(12)和螺旋桨(13)，所述吊舱体(11)固定安装在前翼(02)或后翼(03)的下方，太阳能电池片(07)和充电电池(06)为电动机(12)提供动力，电动机(12)安装于吊舱体(11)的前段与螺旋桨(13)相连，所述螺旋桨(13)位于吊舱体(11)的最前端，且吊舱体(11)与螺旋桨(13)的旋转面垂直。
7.如权利要求1所述的一种太阳能联翼无人机，其特征在于，所述翼身(22)的正下方安装有任务载荷(14)，所述翼身(22)的内部安装有飞行控制系统(15)和能源管理系统(16)。
8.如权利要求1-7任一所述的一种太阳能联翼无人机的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
将无人机安放在专用起降无人车上；
无人车负载无人机达到无人机起飞速度后，夹持机构松开；
无人机与无人车分离，无人机开始向高空爬升；
无人机飞行到设定的高度和任务区域；
地面站通过无线数据链控制无人机打开任务载荷(14)执行任务；
任务完成后进行着陆动作，无人机沿下滑线下滑，在接近地面时拉起飘落，到达设定高度后进入跑道；
差分GPS设备引导无人车与无人机同步运行，保持无人车在无人机正下方；
无人机降至对接高度后由视觉设备引导无人车与无人机自动对接。
其中，在飞行过程中，所述无人机通过第一升降舵(08)和第二升降舵(09)来进行俯仰操作，通过左前翼(21)和右前翼(22)下方的两个电动机(12)的转速差产生不对称拉力，利用不对称拉力和方向舵(10)来操纵偏航，通过偏航产生的侧滑进而产生滚转力矩，利用滚转力矩实现联翼无人机的滚转操纵。
9.如权利要求8所述的一种太阳能联翼无人机的控制方法，其特征在于，白天，所述无人机以太阳能电池片(07)产生的电能为动力源进行高度的爬升，且将一部分电能储存在充电电池(06)中；夜晚，所述无人机以充电电池(06)的电能为动力源并通过滑翔降低高度来持续飞行。
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