CN108706099A - 一种倾转三轴复合翼无人机及其控制方法 - Google Patents

一种倾转三轴复合翼无人机及其控制方法 Download PDF

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赵国梁
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杨小梅
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Abstract

本发明公开了一种倾转三轴复合翼无人机及其控制方法,该无人机包括机体、固定翼机构、旋转翼动力机构和控制模块,以及地面站监控终端,所述固定翼机构包括主翼和尾翼,所述旋转翼动力机构包括两个前倾转动力机构和后旋转翼动力机构;该方法包括以下步骤:一、无人机飞行参数的设置;二、倾转三轴复合翼无人机的垂直上升;三、前倾转动力机构的转动及倾转三轴复合翼无人机的水平飞行;四、倾转三轴复合翼无人机的返航及盘旋下降;五、倾转三轴复合翼无人机的垂直下降。本发明设计合理且体积小,通过设置前倾转动力机构,既能实现垂直上升,又能实现平飞,自身载荷小,能耗小,飞行稳定,实用性强。

Description

一种倾转三轴复合翼无人机及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于无人机技术领域,具体涉及一种倾转三轴复合翼无人机及其控制方 法。
背景技术
[0002]无人机简称UAV,是一种具有自主导航或遥控或两者兼备的航空器。其诞生于20世 纪初第一次世界大战期间,研制目的是为了减少飞机的失事和飞行员的牺牲,进而可以实 现远程无人攻击。进入21世纪随着科学技术的进步,无人机技术和产业得到快速发展,已经 广泛应用于多种行业,车事任务可以完美的替代有人机执彳丁4D (Dull,Dirty,Dangerous, Deep)任务;民用无人机更是为广泛应用于工业、农业、服务业等各领域。目前,民用无人机 领域主流机型可分为以下几种:纯固定翼无人机、纯旋翼无人机、混合翼无人机等类型,几 种无人机均存在一些缺点,纯固定翼无人机要求净空范围大、起降场地严格、起降安全存在 问题;纯旋翼无人机功耗大、效率低;混合翼无人机体积大、飞行姿态不稳、自身荷载大的缺 陷。
[0003]由上述内容可知,目前市场主流机型均存在一定的缺点,设计一款兼具主流机型 优点和弱化缺点的机型,成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种倾转三轴 复合翼无人机,其结构简单、设计合理且体积小,通过设置前倾转动力机构,既能实现垂直 上升,又能实现平飞,自身载荷小,能耗小,飞行稳定,实用性强。
[0005]为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种倾转三轴复合翼无人机,其 特征在于:包括机体、安装在机体上的固定翼机构、设置在所述固定翼机构上的旋转翼动力 机构和对所述固定翼机构与所述旋转翼动力机构进行控制的控制模块,以及与所述控制模 块无线通信的地面站监控终端;
[0006] 所述固定翼机构包括安装在机体前部且沿机体长度方向对称布设的主翼和对称 安装在机体尾部的尾翼,所述主翼上设置有第一副翼,所述主翼内设置有驱动第一副翼转 动的第一舵机,所述尾翼上设置有第二副翼,所述尾翼内设置有驱动第二副翼转动的第二 舵机,所述机体的重心位置设置有惯性导航单元和气压传感器;
[0007] 所述旋转翼动力机构包括两个对称设置在两个主翼上的前倾转动力机构和安装 在机体上且位于主翼与尾翼之间的后旋转翼动力机构,两个所述前倾转动力机构与所述后 旋转翼动力机构呈等腰三角形分布;
[0008] 所述控制模块包括主控器以及与主控器相接的第一 2.4GHZ无线通信模块和第一 数传电台模块,所述地面站监控终端包括手持遥控器、笔记本电脑以及与笔记本电脑相接 的第二数传电台模块,所述手持遥控器内设置有第二2.4GHZ无线通信模块,所述第一 2 • 4GHZ无线通信模块与第二2 • 4GHZ无线通信模块无线连接,所述第一数传电台模块与第二 数传电台模块无线连接,所述第一舵机和第二舵机均由主控器进行控制,所述惯性导航单 元和气压传感器的输出端均与主控器的输入端相接。
[0009] 上述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:两个所述前倾转动力机构的结 构相同,所述前倾转动力机构包括倾转安装座、安装在倾转安装座内的伺服电机、安装在伺 服电机上的前无刷电机和安装在前无刷电机输出轴上的前螺旋桨,所述倾转安装座通过连 接杆安装在主翼上,所述后旋转翼动力机构包括安装在机体上的后无刷电机和安装在后无 刷电机输出轴上的后螺旋桨,所述伺服电机、前无刷电机和后无刷电机均由主控器进行控 制。
[0010] 上述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:所述惯性导航单元包括GPS导航 模块和IMU惯性测量模块,所述GPS导航模块和IMU惯性测量模块的输出端均与主控器的输 入端相接。
[0011] 上述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:所述机体为苯乙烯聚合物机身, 所述主翼翼展为1.8m,所述机体的机头设置有用于测量无人机空速的空速管,所述空速管 的输出端与主控器的输入端相接。
[0012] 上述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:所述手持遥控器内设置有从控 制器,所述第二2.4GHZ无线通信模块与所述从控制器相接,所述主控器为单片机、FPGA微控 制器、DSP微控制器或者ARM微控制器,所述从控制器为单片机、FPGA微控制器、DSP微控制器 或者ARM微控制器。
[0013] 上述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:所述机体内设置有锂金属电池, 且所述锂金属电池为lOOOOmAh聚合物锂离子电池。
[0014]同时,本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且操作方便、使用效果好的倾 转三轴复合翼无人机控制方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
[0015] 步骤一、无人机飞行参数的设置:通过笔记本电脑输入无人机飞行模式转换高度、 无人机飞行空速、无人机盘旋上升半径、无人机飞行高度、无人机盘旋点、无人机降落盘旋 下降半径和无人机盘旋降落目标高度,并通过第二数传电台模块和第一数传电台模块发送 至主控器;
[0016] 步骤二、倾转三轴复合翼无人机的垂直上升:
[0017]步骤2〇1、通过手持式遥控器发送无人机解锁命令至主控器,主控器控制发动机工 作,实现发动机的解锁;
[0018]步骤2〇2、通过手持式遥控器发送垂直上升命令至主控器,主控器控制前无刷电机 和后无刷电机转动,前无刷电机和后无刷电机转动分别带动前螺旋桨和后螺旋桨旋转,前 螺旋桨和后螺旋桨旋转,使前螺旋桨和后螺旋桨产生的向上升力大于倾转三轴复合翼无人 机的重量,使倾转三轴复合翼无人机垂直上升;
[0019]步骤2〇3、在倾转三轴复合翼无人机垂直上升的过程中,气压传感器对倾转三轴复 合翼无人机的高度进行检测,并将检测到的无人机高度发送至主控器,主控器并将接收到 的无人机高度和步骤一中预先设定的无人机飞行模式转换高度通过第一 2.4GHZ无线通信 模块与第二2 • 4GHZ无线通信模块发送至手持式遥控器;
[0020]步骤2〇4、手持式遥控器将接收到的无人机高度与步骤一中预先设定的无人机飞 行模式转换高度进行比较,当手持式遥控器接收到的无人机高度不满足所述无人机飞行模 式转换高度时,重复步骤201,倾转三轴复合翼无人机继续垂直上升;否则,执行步骤三; [0021]步骤三、前倾转动力机构的转动及倾转三轴复合翼无人机的水平飞行:
[0022]步骤301、当手持式遥控器接收到的无人机高度满足所述无人机飞行模式转换高 度时,手持式遥控器发送前倾转动力机构转动命令至主控器,主控器控制伺服电机转动,伺 服电机转动带动前无刷电机和前螺旋桨由与水平方向夹角90°转动为与水平方向夹角0°, 即前螺旋桨的中心线与水平方向平行;
[0023]步骤3〇2、前螺旋桨和后螺旋桨旋转,使倾转三轴复合翼无人机按照步骤一中预先 设定的无人机盘旋上升半径盘旋上升,直至达到步骤一中预先设定的无人机飞行高度时, 主控器控制后无刷电机停止转动,后螺旋桨停止旋转,使倾转三轴复合翼无人机在所述无 人机飞行高度按照步骤一中预先设定的无人机飞行空速水平飞行;
[0024]步骤四、倾转三轴复合翼无人机的返航及盘旋下降:
[0025]步骤401、当倾转三轴复合翼无人机执行任务完成后,通过手持式遥控器发送返航 命令至主控器,主控器控制倾转三轴复合翼无人机改变航向,使倾转三轴复合翼无人机在 所述无人机飞行高度返航飞行;
[0026] 步骤402、直至倾转三轴复合翼无人机返航飞行至步骤一中预先设定的无人机盘 旋点时,使倾转三轴复合翼无人机按照盘旋下降速度和步骤一中预先设定的无人机降落盘 旋下降半径进行盘旋下降,直至气压传感器检测到的无人机高度满足步骤一中预先设定的 无人机盘旋降落目标高度;
[0027]步骤五、倾转三轴复合翼无人机的垂直下降:
[0028]步骤501、手持式遥控器发送垂直下降命令至主控器,主控器控制伺服电机反向转 动,伺服电机反向转动带动前无刷电机和前螺旋桨由与水平方向夹角〇°转动为与水平方向 夹角90°,即前螺旋桨的中心线与水平方向垂直;
[0029]步骤5〇2、主控器控制前无刷电机和后无刷电机按照预先设定的垂直下降速度转 动,前螺旋桨和后螺旋桨旋转,使前螺旋桨和后螺旋桨产生的向上升力小于倾转三轴复合 翼无人机的重量,使倾转三轴复合翼无人机垂直下降,直至倾转三轴复合翼无人机平稳着 地。
[0030]上述的方法,其特征在于:步骤一中所述无人机飞行模式转换高度的取值范围为 40m〜60m,所述无人机飞行空速的取值范围为18m/s〜20m/s,所述无人机盘旋上升半径的 取值范围为100m〜500m,所述无人机飞行高度的取值范围为l〇〇m〜5〇〇m,所述无人机盘旋 点为无人机起飞点圆周100m内的任一点,所述无人机降落盘旋下降半径的取值范围为100m 〜500m,所述无人机盘旋降落目标高度的取值范围为60m〜100m。
[0031]上述的方法,其特征在于:步骤402中所述盘旋下降速度的取值范围为10m/s〜 12m/s;
[0032] 步骤502中所述垂直下降速度的取值范围为2m/s〜3m/s。
[0033]上述的方法,其特征在于:步骤401中主控器控制倾转三轴复合翼无人机改变航向 的具体过程为:
[0034]主控器控制第一舵机和第二舵机转动,第一舵机和第二舵机转动分别带动第一副 翼和第二副翼转动,第一副翼和第二副翼转动改变倾转三轴复合翼无人机的航向。
[0035]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0036] 1、本发明倾转三轴复合翼无人机结构简单、设计合理且体积小,投入成本较低。
[0037] 2、本发明倾转三轴复合翼无人机所采用的前倾转动力机构,能由与水平方向夹角 9(T^换为与水平方向夹角〇°,从而既能实现垂直上升的动力,又能提供水平飞行的动力, 提高无人机的灵活性操作,并且可以降低无人机整体功率损耗。
[0038] 3、本发明倾转三轴复合翼无人机所采用第一舵机和第二舵机,是为了带动第一副 翼和第二副翼转动,从而改变倾转三轴复合翼无人机的航向。
[0039] 4:本发明倾转三轴复合翼无人机所采用惯性导航单元,是为了对倾转三轴复合翼 无人机飞行瞬时位置三维坐标和无人机飞行瞬时三轴姿态角,惯性导航单元通过无线信号 与手持遥控器连接,手持遥控器依据获得三维坐标和三轴姿态角,能及时调整飞机飞行状 〇
[0040]_ 5、^发明倾转三轴复合翼无人机所采用的气压传感器,是为了对三轴复合翼无人 机飞行的飞行高度进行检测,从而使三轴复合翼无人机能在准确在无人机飞行模式转换高 度进入平飞,能按照预先无人机飞行高度进行飞行,能在无人机盘旋点进行盘旋,还能准确 地在无人机盘旋降落目标高度进行垂直下降,实现对无人机的准确控制。
[0041] 6、本发明倾转三轴复合翼无人机控制方法步骤简单、实现方便且操作简便,首先 是对无人机飞行参数进行设置,之后,控制倾转三轴复合翼无人机的垂直上升,直至倾转三 轴复合翼无人机垂直上升至无人机飞行模式转换高度时,调节前倾转动力机构转动,控制 倾转三轴复合翼无人机水平飞行,当倾转三轴复合翼无人机执行任务完成后,控制倾转三 轴复合翼无人机返航及盘旋下降,直至盘旋至无人机盘旋降落目标高度时,控制前倾转动 力机构转动,并控制倾转三轴复合翼无人机垂直下降,至倾转三轴复合翼无人机平稳着地, 保证无人机安全飞降。
[0042]综上所述,本发明设计合理且体积小,通过设置前倾转动力机构,既能实现垂直上 升,又能实现平飞,自身载荷小,能耗小,飞行稳定,实用性强。
[0043]下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0044]图1为本发明倾转三轴复合翼无人机的结构示意图。
[0045]图2为本发明倾转三轴复合翼无人机(平飞时)的结构示意图。
[0046]图3为本发明倾转三轴复合翼无人机的电路原理框图。
[0047]图4为本发明倾转三轴复合翼无人机控制方法的流程框图。
[0048] 附图标记说明:
[0049] 1—机体;2—主翼;3—尾翼;
[0050] 4—第一副翼;5—第一航机;6—第二副翼;
[0051] 7—第二舵机;8—倾转安装座;9—伺服电机;
[0052] 10—前无刷电机;11 一前螺旋桨;12—连接杆;
[0053] 13—后无刷电机;i4—后螺旋桨;i 5一主控器; _4] I6—第一 2 • 4GHZ无线通信模块;17—GPS导航模块;
[0055] I8 — IMU惯性测量模块;ig—手持遥控器;2〇一第一数传电台模块;
[0056] 21—笔记本电脑;22—第二数传电台模块;
[0057] 23—第二2 • 4GHZ无线通信模块;24—空速管;
[0058] 25一气压传感器;26—锂金属电池;27—发动机;
[0059] 28—惯性导航单元。
具体实施方式
[0060]如图1、图2和图3所示的一种倾转三轴复合翼无人机,包括机体1、安装在机体1上 的固定翼机构、设置在所述固定翼机构上的旋转翼动力机构和对所述固定翼机构与所述旋 转翼动力机构进行控制的控制模块,以及与所述控制模块无线通信的地面站监控终端; [0061]所述固定翼机构包括安装在机体1前部且沿机体1长度方向对称布设的主翼2和对 称安装在机体1尾部的尾翼3,所述主翼2上设置有第一副翼4,所述主翼2内设置有驱动第一 副翼4转动的第一舵机5,所述尾翼3上设置有第二副翼6,所述尾翼3内设置有驱动第二副翼 6转动的第二舵机7,所述机体1的重心位置设置有惯性导航单元28和气压传感器25;
[0062]所述旋转翼动力机构包括两个对称设置在两个主翼2上的前倾转动力机构和安装 在机体1上且位于主翼2与尾翼3之间的后旋转翼动力机构,两个所述前倾转动力机构与所 述后旋转翼动力机构呈等腰三角形分布;
[0063] 所述控制模块包括主控器15以及与主控器15相接的第一 2.4GHZ无线通信模块16 和第一数传电台模块20,所述地面站监控终端包括手持遥控器19、笔记本电脑21以及与笔 记本电脑21相接的第二数传电台模块22,所述手持遥控器19内设置有第二2.4GHZ无线通信 模块23,所述第一 2 • 4GHZ无线通信模块16与第二2.4GHZ无线通信模块23无线连接,所述第 一数传电台模块20与第二数传电台模块22无线连接,所述第一舵机5和第二舵机7均由主控 器15进行控制,所述惯性导航单元28和气压传感器25的输出端均与主控器15的输入端相 接。
[0064] 如图1和图2所示,本实施例中,两个所述前倾转动力机构的结构相同,所述前倾转 动力机构包括倾转安装座8、安装在倾转安装座8内的伺服电机9、安装在伺服电机9上的前 无刷电机10和安装在前无刷电机10输出轴上的前螺旋桨11,所述倾转安装座8通过连接杆 12安装在主翼2上,所述后旋转翼动力机构包括安装在机体1上的后无刷电机13和安装在后 无刷电机13输出轴上的后螺旋桨14,所述伺服电机9、前无刷电机10和后无刷电机13均由主 控器15进行控制。
[0065]如图3所示,本实施例中,所述惯性导航单元28包括GPS导航模块17和頂U惯性测量 模块18,所述GPS导航模块17和IMU惯性测量模块18的输出端均与主控器15的输入端相接。 [0066] 本实施例中,所述机体1为苯乙烯聚合物机身,所述主翼2翼展为1.8m,所述机体1 的机头设置有用于测量无人机空速的空速管24,所述空速管24的输出端与主控器15的输入 相接。
[0067] 本实施例中,所述手持遥控器19内设置有从控制器,所述第二2.4GHZ无线通信模 块23与所述从控制器相接,所述主控器15为单片机、FPGA微控制器、DSP微控制器或者ARM微 控制器,所述从控制器为单片机、FPGA微控制器、DSP微控制器或者ARM微控制器。
[0068] 本实施例中,所述机体1内设置有锂金属电池26,且所述锂金属电池26为lOOOOmAh 聚合物锂离子电池。
[0069] 本实施例中,锂金属电池26在无人机飞行过程中提供足够的飞行动能,并且能够 承受瞬间的大功率需求。
[0070]本实施例中,需要说明的是,锂金属电池26为主控器15及其他用电模块供电。
[0071]本实施例中,两个所述前倾转动力机构与所述后旋转翼动力机构呈等腰三角形分 布,是因为这样两个所述前倾转动力机构与所述后旋转翼动力机构围成的等腰三角形的中 心与无人机的重心位置,一方面,有利于无人机的稳定性,并且在无人机垂直起降过程中有 助于提高无人机的灵活性操作,另一方面可以降低无人机整体功率损耗。
[0072]本实施例中,伺服电机9的设置,是为了将无人机的电信号转换为机械动作信号, 在无人机中发挥着至关重要的作用,调整垂直起降过程的姿态;且伺服电机9的转动带动前 无刷电机10和前螺旋桨11转动,从而使得前螺旋桨11从垂直起降状态转换为平飞状态,提 供整个倾转调节过程,并且在无人机平飞过程中也起着调节无人机平衡。
[0073]本实施例中,MU惯性测量模块18对倾转三轴复合翼无人机飞行瞬时三轴姿态角 即无人机的横滚角、俯仰角和航向角进行检测,并将检测到的无人机的横滚角、俯仰角和航 向角通过第一数传电台模块20和第二数传电台模块22发送至笔记本电脑21,以使操作者能 通过笔记本电脑21根据无人机尺寸和起飞重量对无人机的横滚角、俯仰角和航向角设定值 进行调节,满足无人机的姿态角限定范围-25°〜25°;
[0074] 本实施例中,GPS导航模块17对倾转三轴复合翼无人机飞行的瞬时位置三维坐标 进行检测,并将检测到瞬时位置三维坐标即纬度、经度和大地高通过第一数传电台模块20 和第二数传电台模块22发送至笔记本电脑21,以使操作者通过笔记本电脑21能查看无人机 是否达到执行任务目的地,另一方面,能查看无人机是否达到无人机盘旋点,确保无人机各 个飞行动作满足设定要求。
[0075] 本实施例中,第一舵机5和第二舵机7均为0T-3KG-02B舵机。
[0076] 本实施例中,气压传感器25为MS5611-01BA气压传感器。
[0077] 本实施例中,所述主控器15的输出端接有伺服电机驱动器9-1、前无刷电机驱动器 10-1和后无刷电机驱动器13-1,所述伺服电机驱动器9-1的输出端与伺服电机9的输入端相 接,所述前无刷电机驱动器10-1的输出端与前无刷电机10的输入端相接,所述后无刷电机 驱动器13-1的输出端与后无刷电机13的输入端相接。
[0078] 本实施例中,所述伺服电机9为MD215MG伺服电机,所述前无刷电机10和后无刷电 机13均为5008KV400无刷电机。
[0079] 本实施例中,所述伺服电机驱动器9-1为MG3128伺服电机驱动器,所述前无刷电机 驱动器10-1和后无刷电机驱动器13-1均为好盈乐天50A电子调速器。
[0080] 本实施例中,所述GPS导航模块17是型号为TR-G2的GPS导航模块,所述頂U惯性测 量模块18是型号为BMI088的IMU惯性测量模块,所述IMU惯性测量模块18包括三轴加速度传 感器和三轴陀螺仪。
[0081] 本实施例中,前螺旋桨11和后螺旋桨14设置,是因为前螺旋桨11和后螺旋桨14的 迎角在旋转的过程中不断地下压气流,使前螺旋桨11和后螺旋桨14具有向上的升力与无人 机的起飞重量相等,无人机起飞悬停在空中,前螺旋桨11和后螺旋桨14具有向上的升力大 于起飞重量无人垂直上升,前螺旋桨11和后螺旋桨14具有向上的升力小于起飞重量无人垂 直下降,从而实现无人机的垂直起飞和下降。
[0082] 如图4所示的一种倾转三轴复合翼无人机的控制方法,该控制方法包括以下步骤: 步骤一、无人机飞行参数的设置:通过笔记本电脑21输入无人机飞行模式转换高度、无人机 飞行空速、无人机盘旋上升半径、无人机飞行高度、无人机盘旋点、无人机降落盘旋下降半 径和无人机盘旋降落目标高度,并通过第二数传电台模块22和第一数传电台模块20发送至 主控器1;
[0083]步骤二、倾转三轴复合翼无人机的垂直上升:
[0084] 步骤201、通过手持式遥控器19发送无人机解锁命令至主控器15,主控器15控制发 动机27工作,实现发动机27的解锁;
[0085] 步骤202、通过手持式遥控器19发送垂直上升命令至主控器15,主控器15控制前无 刷电机10和后无刷电机13转动,前无刷电机10和后无刷电机13转动分别带动前螺旋桨11和 后螺旋桨14旋转,前螺旋桨11和后螺旋桨14旋转,使前螺旋桨11和后螺旋桨14产生的向上 升力大于倾转三轴复合翼无人机的重量,使倾转三轴复合翼无人机垂直上升;
[0086] 步骤203、在倾转三轴复合翼无人机垂直上升的过程中,气压传感器25对倾转三轴 复合翼无人机的高度进行检测,并将检测到的无人机高度发送至主控器15,主控器15并将 接收到的无人机高度和步骤一中预先设定的无人机飞行模式转换高度通过第一 2.4GHZ无 线通信模块16与第二2.4GHZ无线通信模块23发送至手持式遥控器19;
[0087]步骤204、手持式遥控器19将接收到的无人机高度与步骤一中预先设定的无人机 飞行模式转换高度进行比较,当手持式遥控器19接收到的无人机高度不满足所述无人机飞 行模式转换高度时,重复步骤201,倾转三轴复合翼无人机继续垂直上升;否则,执行步骤 —» • --,
[0088]步骤三、前倾转动力机构的转动及倾转三轴复合翼无人机的水平飞行:
[0089]步骤301、当手持式遥控器19接收到的无人机高度满足所述无人机飞行模式转换 高度时,手持式遥控器19发送前倾转动力机构转动命令至主控器15,主控器15控制伺服电 机9转动,伺服电机9转动带动前无刷电机10和前螺旋桨11由与水平方向夹角90°转动为与 水平方向夹角〇°,即前螺旋桨11的中心线与水平方向平行;
[0090] 步骤302、前螺旋桨11和后螺旋桨14旋转,使倾转三轴复合翼无人机按照步骤一中 预先设定的无人机盘旋上升半径盘旋上升,直至达到步骤一中预先设定的无人机飞行高度 时,主控器15控制后无刷电机13停止转动,后螺旋桨14停止旋转,使倾转三轴复合翼无人机 在所述无人机飞行高度按照步骤一中预先设定的无人机飞行空速水平飞行;
[0091]步骤四、倾转三轴复合翼无人机的返航及盘旋下降:
[0092] 步骤4〇1、当倾转三轴复合翼无人机执行任务完成后,通过手持式遥控器19发送返 航命令至主控器15,主控器15控制倾转三轴复合翼无人机改变航向,使倾转三轴复合翼无 人机在所述无人机飞行高度返航飞行;
[0093] 步骤4〇2、直至倾转三轴复合翼无人机返航飞行至步骤一中预先设定的无人机盘 旋点时,使倾转三轴复合翼无人机按照盘旋下降速度和步骤一中预先设定的无人机降落盘 旋下降半径进行盘旋下降,直至气压传感器25检测到的无人机高度满足步骤一中预先设定 的无人机盘旋降落目标高度;
[0094] 步骤五、倾转三轴复合翼无人机的垂直下降:
[0095] 步骤5〇1、手持式遥控器I9发送垂直下降命令至主控器15,主控器15控制伺服电机 9反向转动,伺服电机9反向转动带动前无刷电机10和前螺旋桨n由与水平方向夹角〇。转动 为与水平方向夹角90°,即前螺旋桨11的中心线与水平方向垂直;
[0096] 步骤502、主控器15控制前无刷电机10和后无刷电机13按照预先设定的垂直下降 速度转动,前螺旋桨11和后螺旋桨14旋转,使前螺旋桨11和后螺旋桨14产生的向上升力小 于倾转三轴复合翼无人机的重量,使倾转三轴复合翼无人机垂直下降,直至倾转三轴复合 翼无人机平稳着地。
[0097]本实施例中,步骤一中所述无人机飞行模式转换高度的取值范围为40in〜60m,所 述无人机飞行空速的取值范围为18m/s〜20m/s,所述无人机盘旋上升半径的取值范围为 100m〜500m,所述无人机飞行尚度的取值范围为l〇〇m〜500m,所述无人机盘旋点为无人机 起飞点圆周100m内的任一点,所述无人机降落盘旋下降半径的取值范围为l〇〇m〜500m,所 述无人机盘旋降落目标高度的取值范围为60m〜100m。
[0098] 本实施例中,步骤402中所述盘旋下降速度的取值范围为l〇m/s〜12m/s;
[0099] 步骤502中所述垂直下降速度的取值范围为2m/s〜3m/s。
[0100]本实施例中,步骤401中主控器15控制倾转三轴复合翼无人机改变航向的具体过 程为:
[0101]主控器15控制第一舵机5和第二舵机7转动,第一舵机5和第二舵机7转动分别带动 第一副翼4和第二副翼6转动,第一副翼4和第二副翼6转动改变倾转三轴复合翼无人机的航 向。
[0102]综上所述,本发明设计合理且体积小,通过设置前倾转动力机构,既能实现垂直上 升,又能实现平飞,自身载荷小,能耗小,飞行稳定,实用性强。
[0103]以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。

Claims (10)

1. 一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:包括机体(1)、安装在机体(1)上的固定翼 机构、设置在所述固定翼机构上的旋转翼动力机构和对所述固定翼机构与所述旋转翼动力 机构进行控制的控制模块,以及与所述控制模块无线通信的地面站监控终端; 所述固定翼机构包括安装在机体(1)前部且沿机体(1)长度方向对称布设的主翼(2)和 对称安装在机体⑴尾部的尾翼(3),所述主翼⑵上设置有第一副翼⑷,所述主翼(2)内设 置有驱动第一副翼⑷转动的第一舵机(5),所述尾翼(3)上设置有第二副翼(6),所述尾翼 (3)内设置有驱动第二副翼⑹转动的第二舵机⑺,所述机体(1)的重心位置设置有惯性导 航单元(28)和气压传感器(25); 所述旋转翼动力机构包括两个对称设置在两个主翼(2)上的前倾转动力机构和安装在 机体⑴上且位于主翼⑵与尾翼(3)之间的后旋转翼动力机构,两个所述前倾转动力机构 与所述后旋转翼动力机构呈等腰三角形分布; 所述控制模块包括主控器(15)以及与主控器(15)相接的第一2.4GHZ无线通信模块 (16)和第一数传电台模块(20),所述地面站监控终端包括手持遥控器(19)、笔记本电脑 (21)以及与笔记本电脑(21)相接的第二数传电台模块(22),所述手持遥控器(19)内设置有 第二2 • 4GHZ无线通信模块(23),所述第一2 • 4GHZ无线通信模块(16)与第二2.4GHZ无线通信 模块(23)无线连接,所述第一数传电台模块(20)与第二数传电台模块(22)无线连接,所述 第一舵机和第二舵机C7)均由主控器(15)进行控制,所述惯性导航单元(28)和气压传感 器(25)的输出端均与主控器(15)的输入端相接。
2. 按照权利要求1所述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:两个所述前倾转动 力机构的结构相同,所述前倾转动力机构包括倾转安装座⑻、安装在倾转安装座(8)内的 伺服电机⑼、安装在伺服电机⑼上的前无刷电机(10)和安装在前无刷电机(10)输出轴上 的前螺旋桨(11),所述倾转安装座(8)通过连接杆(12)安装在主翼(2)上,所述后旋转翼动 力机构包括安装在机体(1)上的后无刷电机(13)和安装在后无刷电机(13)输出轴上的后螺 旋桨(14),所述伺服电机(9)、前无刷电机(10)和后无刷电机(13)均由主控器(15)进行控 制。
3. 按照权利要求1所述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:所述惯性导航单元 (28)包括GPS导航模块(17)和IMU惯性测量模块(18),所述GPS导航模块(17)和IMU惯性测量 模块(18)的输出端均与主控器(15)的输入端相接。
4. 按照权利要求1所述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:所述机体(1)为苯 乙烯聚合物机身,所述机体(1)的机头设置有用于测量无人机空速的空速管(24),所述空速 管(24)的输出端与主控器(15)的输入端相接。
5. 按照权利要求1所述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:所述手持遥控器 (19)内设置有从控制器,所述第二2.4GHZ无线通信模块(23)与所述从控制器相接,所述主 控器(15)为单片机、FPGA微控制器、DSP微控制器或者ARM微控制器,所述从控制器为单片 机、FPGA微控制器、DSP微控制器或者ARM微控制器。
6.按照权利要求1所述的一种倾转三轴复合翼无人机,其特征在于:所述机体(1)内设 置有锂金属电池(26),且所述锂金属电池(26)为lOOOOmAh聚合物锂离子电池。
7.—种对如权利要求2所述的倾转三轴复合翼无人机进行控制的方法,其特征在于,该 方法包括以下步骤: 步骤一、无人机飞行参数的设置:通过笔记本电脑(21)输入无人机飞行模式转换高度、 无人机飞行空速、无人机盘旋上升半径、无人机飞行高度、无人机盘旋点、无人机降落盘旋 下降半径和无人机盘旋降落目标高度,并通过第二数传电台模块(22)和第一数传电台模块 (20)发送至主控器(1); 步骤二、倾转三轴复合翼无人机的垂直上升: 步骤201、通过手持式遥控器(19)发送无人机解锁命令至主控器(15),主控器(15)控制 发动机(27)工作,实现发动机(27)的解锁; 步骤202、通过手持式遥控器(19)发送垂直上升命令至主控器(15),主控器(15)控制前 无刷电机(10)和后无刷电机(13)转动,前无刷电机(10)和后无刷电机(13)转动分别带动前 螺旋桨(11)和后螺旋桨(14)旋转,前螺旋桨(11)和后螺旋桨(14)旋转,使前螺旋桨(11)和 后螺旋桨(14)产生的向上升力大于倾转三轴复合翼无人机的重量,使倾转三轴复合翼无人 机垂直上升; 步骤203、在倾转三轴复合翼无人机垂直上升的过程中,气压传感器(25)对倾转三轴复 合翼无人机的高度进行检测,并将检测到的无人机高度发送至主控器(15),主控器(15)并 将接收到的无人机高度和步骤一中预先设定的无人机飞行模式转换高度通过第一 2.4GHZ 无线通信模块(16)与第二2.4GHZ无线通信模块(23)发送至手持式遥控器(19); 步骤204、手持式遥控器(19)将接收到的无人机高度与步骤一中预先设定的无人机飞 行模式转换高度进行比较,当手持式遥控器(19)接收到的无人机高度不满足所述无人机飞 行模式转换高度时,重复步骤201,倾转三轴复合翼无人机继续垂直上升;否则,执行步骤 —-• -•, 步骤三、前倾转动力机构的转动及倾转三轴复合翼无人机的水平飞行: 步骤3〇1、当手持式遥控器(19)接收到的无人机高度满足所述无人机飞行模式转换高 度时,手持式遥控器(19)发送前倾转动力机构转动命令至主控器(15),主控器(15)控制伺 服电机⑼转动,伺服电机(9)转动带动前无刷电机(10)和前螺旋桨(11)由与水平方向夹角 9〇°转动为与水平方向夹角0°,即前螺旋桨(11)的中心线与水平方向平行; 步骤3〇2、前螺旋桨(11)和后螺旋桨(14)旋转,使倾转三轴复合翼无人机按照步骤一中 预先设定的无人机盘旋上升半径盘旋上升,直至达到步骤一中预先设定的无人机飞行高度 时,主控器(15)控制后无刷电机(13)停止转动,后螺旋桨(14)停止旋转,使倾转三轴复合翼 无人机在所述无人机飞行高度按照步骤一中预先设定的无人机飞行空速水平飞行; 步骤四、倾转三轴复合翼无人机的返航及盘旋下降: 步骤401、当倾转三轴复合翼无人机执行任务完成后,通过手持式遥控器(19)发送返航 命令至主控器(lf5),主控器(lf5)控制倾转三轴复合翼无人机改变航向,使倾转三轴复合翼 无人机在所述无人机飞行高度返航飞行; 步骤402、直至倾转三轴复合翼无人机返航飞行至步骤一中预先设定的无人机盘旋点 时,使倾转三轴复合翼无人机按照盘旋下降速度和步骤一中预先设定的无人机降落盘旋下 降半径进行盘旋下降,直至气压传感器(25)检测到的无人机高度满足步骤一中预先设定的 无人机盘旋降落目标高度; 步骤五、倾转三轴复合翼无人机的垂直下降: 步骤5〇1、手持式遥控器(I9)发送垂直下降命令至主控器(15),主控器(15)控制伺服电 机⑼^向转动,伺服电机(9)反向转动带动前无刷电机(1〇)和前螺旋桨(n)由与水平方向 夹角〇转动为与水平方向夹角90。,即前螺旋桨(u)的中心线与水平方向垂直; 步骤502、主控器(15)控制前无刷电机(1〇)和后无刷电机(13)按照预先设定的垂直下 降速度转动,前螺旋桨(11)和后螺旋桨(14)旋转,使前螺旋桨(11)和后螺旋桨(14)产生的 向上升力小于倾转三轴复合翼无人机的重量,使倾转三轴复合翼无人机垂直下降,直至倾 转三轴复合翼无人机平稳着地。
8. 按照权利要求7所述的方法,其特征在于:步骤一中所述无人机飞行模式转换高度的 取值范围为40m〜60m,所述无人机飞行空速的取值范围为I8m/s〜20m/s,所述无人机盘旋 上升半径的取值范围为l〇〇m〜5〇Om,所述无人机飞行高度的取值范围为l〇〇m〜500m,所述 无人机盘旋点为无人机起飞点圆周100m内的任一点,所述无人机降落盘旋下降半径的取值 范围为100m〜500m,所述无人机盘旋降落目标高度的取值范围为60m〜100m。
9. 按照权利要求7所述的方法,其特征在于:步骤402中所述盘旋下降速度的取值范围 为10m/s〜12m/s; 步骤502中所述垂直下降速度的取值范围为2m/s〜3m/s。
10. 按照权利要求7所述的方法,其特征在于:步骤401中主控器(15)控制倾转三轴复合 翼无人机改变航向的具体过程为: 主控器(15)控制第一舵机⑸和第二舵机⑺转动,第一舵机⑸和第二舵机⑺转动分 别带动第一副翼⑷和第二副翼⑹转动,第一副翼⑷和第二副翼(6)转动改变倾转三轴复 合翼无人机的航向。
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