CN108820203A - 一种倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统。所述倾转式垂直起降固定翼的无人机包括机身、机翼和尾翼，所述机身和所述机翼为固定翼飞机布局，无人机还包括两个支撑臂及四个旋翼结构，两个所述支撑臂沿平行于所述机身延伸方向安装于所述机身或所述机翼，使得每一所述支撑臂形成有分布于所述机翼前后两侧的前端和后端；每一所述支撑臂的前端和后端分别安装一个所述旋翼结构，四个所述旋翼结构的几何中心与整个无人机的重心重合，且均能够调整自身的倾转角度，从而构成无人机的倾转动力装置。本发明还提供一种基于所述倾转式垂直起降固定翼的无人机的飞行控制系统。

Description

一种倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统。
背景技术
随着近年来无人机技术发展，无人机在很多领域取得了可观的应用成果。但是，由于应用需求的增长和应用范围的扩张，多旋翼结构无人机逐渐暴露出续航时间短的缺陷。在迫切的应用需求下，人们开始研究续航时间更长、飞行距离更远的无人飞行器—固定翼无人机。固定翼无人机飞行时间和飞行距离相较于一般的多旋翼结构无人机有很大的提高，但是其起飞、降落过程受限于跑道，在机动性和对环境的适应性也远比多旋翼结构无人机要低。
目前，该种构型的无人机控制系统主要针对一些重量较小的(20kg以下)飞机，主要原因在于由多旋翼结构模式向固定翼模式进行模态转换过程中，随着飞机总重增加会出现存在姿态失稳、高度损失和加速时间过长的问题，从而导致模态转换失败。
同时，为了保证多旋翼结构和固定翼进行模式转换时前端两个动力电机倾转的同步性，目前使用的方法是：前后两端的旋翼结构电机安装轴与机身纵轴垂直，前方两个电机一起倾转，这种方式在飞机向前加速过程中增加了气动阻力。
目前，旋翼结构电机倾转的驱动装置都是采用舵机驱动，由于舵机只在供电的情况下才能完成位置的锁定，所以在飞行过程中不论是旋翼结构模式还是固定翼模式，舵机一直是通电工作的，这种方式会降低续航时间。
发明内容
为了解决上述无人机存在的技术问题，本发明提供一种倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统。
本发明提供的倾转式垂直起降固定翼的无人机，包括机身、机翼和尾翼，所述机身和所述机翼为固定翼飞机布局，无人机还包括两个支撑臂及四个旋翼结构，两个所述支撑臂沿平行于所述机身延伸方向安装于所述机身或所述机翼，使得每一所述支撑臂形成有分布于所述机翼前后两侧的前端和后端；每一所述支撑臂的前端和后端分别安装一个所述旋翼结构，四个所述旋翼结构的几何中心与整个无人机的重心重合，且均能够调整自身的倾转角度，从而构成无人机的倾转动力装置。
优选地，四个所述旋翼结构构成H型旋翼布局结构，位于对角连线的其中两个所述旋翼结构内的旋翼同步顺时针旋转，其他两个所述旋翼结构内的旋翼同步逆时针旋转。
优选地，所述旋翼结构包括倾转机构、旋翼电机和多个螺旋桨，所述多个螺旋桨安装于所述旋翼电机，且构成所述旋翼结构的旋翼；所述倾转机构包括安装座及与所述安装座铰接的倾转轴，所述安装座固定于所述支撑臂，所述倾转轴固定于所述旋翼电机；所述倾转轴绕所述安装座旋转，从而带动所述旋翼电机转动，进而实现所述旋翼结构的旋翼的倾转。
一种根据上述任一所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机的飞行控制系统，包括：飞行控制单元、数据传输单元和倾转控制单元，所述飞行控制单元用于控制飞机的飞行姿态，所述倾转控制单元用于调节所述旋翼结构的倾转角度，所述数据传输单元用于通信连接所述飞行控制单元和所述倾转控制单元。
优选地，所述数据传输单元为通信控制板，并采用RS232接口。
优选地，所述倾转控制单元包括分别与所述数据传输单元通信连接的四个倾转控制板，四个所述倾转控制板分别用于控制四个所述旋翼结构的倾转角度。
优选地，位于机身前面的两个倾转控制板会把各自的当前倾转角度反馈给所述数据传输单元，所述数据传输单元再把收到的实时角度信息反馈给另一个倾转控制板。
优选地，所述飞行控制单元包括分别与所述数据传输单元通信连接的固定翼姿态控制器和多旋翼姿态控制器，所述固定翼姿态控制器用于控制所述机翼的姿态；所述多旋翼姿态控制器用于控制四个所述旋翼结构的姿态。
优选地，所述飞行控制单元包括分别与所述数据传输单元通信连接的固定翼位置控制器和四旋翼位置控制器，所述固定翼位置控制包括横向控制模块和纵向控制模块，横向控制模块使无人机按照指定轨迹飞行，纵向控制模块使无人机保持飞行高度和飞行空速；所述四旋翼位置控制器包括水平控制模块和高度控制模块，所述水平控制模块用于保证旋翼的定点功能，所述高度控制模块用于保证旋翼的高度控制功能。
相较于现有技术，本发明提供的倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统具有以下有益效果：
一、无人机还包括两个支撑臂及四个旋翼结构，两个所述支撑臂沿平行于所述机身延伸方向安装于所述机身或所述机翼，使得每一所述支撑臂形成有分布于所述机翼前后两侧的前端和后端，所述支撑臂的安装方向可以减小气动阻力；
二、四个所述旋翼结构构成H型旋翼布局结构，位于对角连线的其中两个所述旋翼结构内的旋翼同步顺时针旋转，其他两个所述旋翼结构内的旋翼同步逆时针旋转，当倾转角度倾转一定角度后，拉力形成的转矩对航向的控制作用与旋翼模式下扭力形成的转矩对航向的控制作用相同；因此，在无人机倾转加速过程中，无人机的航向稳定，加速过程较快
三、所述倾转轴绕所述安装座旋转，从而带动所述旋翼电机转动，进而实现所述旋翼结构的旋翼的倾转，结构简单，且稳定好；
四、机身前面的两个倾转控制板会把各自的当前倾转角度反馈给所述数据传输单元，所述数据传输单元再把收到的实时角度信息反馈给另一个倾转控制板，从而保证了两个倾转控制板对倾转角度控制的同步性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，如下图：
图1是本发明实施例提供的倾转式垂直起降固定翼的无人机的结构示意图。
图2是图1所示倾转式垂直起降固定翼的无人机中旋翼结构的布局示意图；
图3是图1所示倾转式垂直起降固定翼的无人机中旋翼结构位于90度的结构示意图；
图4是图1所示倾转式垂直起降固定翼的无人机中旋翼结构位于0度的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的飞行控制系统的数据传输示意图；
图6是飞行控制系统系统框架图。
具体实施方式
下面将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详尽描述，本发明实施中的相关用户操作等都属于本专利保护范围内。
请参阅图1，本发明提供的倾转式垂直起降固定翼的无人机包括机身10、机翼11、尾翼12、两个支撑臂13和四个旋翼结构14。
需要说明的是，所述机身10和所述机翼11为固定翼飞机布局。而且，两个所述支撑臂13沿平行于所述机身10延伸方向安装于所述机身10或所述机翼11，使得每一所述支撑臂13形成有分布于所述机翼11前后两侧的前端和后端。相较于如图2a所示的传统的前后安装方式，本实施例提供的所述支撑臂13的安装方向可以减小气动阻力。
每一所述支撑臂13的前端和后端分别安装一个所述旋翼结构14，四个所述旋翼结构14的几何中心与整个无人机的重心重合，且均能够调整自身的倾转角度，从而构成无人机的倾转动力装置。
在本实施例中，如图2b所示，四个所述旋翼结构14构成H型旋翼布局结构，位于对角连线的其中两个所述旋翼结构14内的旋翼顺时针旋转，其他两个所述旋翼结构14内的旋翼逆时针旋转。
需要说明的是，在倾转加速过程中，目前常规方式是采用“X”型的旋翼布局；如此，倾转加速过程中，当倾转机构倾转一定角度后，前面2个螺旋桨的拉力差会形成对航向的转矩，这个转矩的控制作用与旋翼模式下螺旋桨扭力形成的航向转矩的控制作用相反。因此，采用这种布局的倾转式无人机在倾转加速过程中需要用舵面去配合控制无人机的航向。在无人机重量大于20KG时，“X”型布局的无人机加速过程缓慢，无人机速度较慢，舵面效应不明显。而且采用方向舵对方向进行控制时，飞机机身会有侧滑，影响飞行效果。
但是，在本实施例中，由于采用所述H型旋翼布局结构，当倾转角度倾转一定角度后，拉力形成的转矩对航向的控制作用与旋翼模式下扭力形成的转矩对航向的控制作用相同；因此，在无人机倾转加速过程中，无人机的航向稳定，加速过程较快。
如图3和图4所示，所述旋翼结构14包括倾转机构141、旋翼电机142和多个螺旋桨143，所述多个螺旋桨143安装于所述旋翼电机142，且构成所述旋翼结构14的旋翼。
所述倾转机构141包括安装座1411及与所述安装座1411铰接的倾转轴1412，所述安装座1411固定于所述支撑臂13，所述倾转轴1412固定于所述旋翼电机142，所述倾转轴1412绕所述安装座1411旋转，从而带动所述旋翼电机142转动，进而实现所述旋翼结构14的旋翼的倾转。
具体地，图3为倾转式垂直起降固定翼无人机处于固定翼模式下，此时倾转机构141位于90度；图4为倾转式垂直起降固定翼无人机位于旋翼模式下，此时倾转机构141位于0度。在本实施例中，所述无人机在固定翼模型和多旋翼模型条件下均能够复用一对动力电机，当动力倾转机构141倾转角度为0度时，处于四旋翼模式；当动力倾转机构141位于90度时，处于固定翼模式。
在本实施例中，所述倾转机构141采用直流电机驱动，为了增加扭力，为直流电机配备了减速箱。而且，直流电机通过滑块和螺杆螺接配合带动所述倾转结构调节倾转角度。应当理解，所述倾转结构可以通过所述滑块和螺杆的螺接配合实现位置自锁功能，从而保证在旋翼模式和固定翼模式下，所述倾转机构141在断电状态下能够实现角度锁定功能。
此外，所述倾转机构141通过角度传感器进行角度检测，而且，所述角度传感器使用电位器实现。例如，所述角度传感器安装在旋翼电机142底座与倾转机构141的连接轴上，通过电位器上测得的电压的变化来感知角度变化。具体地，使用10位的ADC对所述角度传感器输出的电压信号进行采样，采样后的数据交给mcu进行角度计算。
如图5和图6所示，一种根据图1和图3所示的倾转式垂直起降固定翼的无人机的飞行控制系统包括：飞行控制单元110、数据传输单元120和倾转控制单元130。其中，所述飞行控制单元110用于控制飞机的飞行姿态，所述倾转控制单元用于调节所述旋翼结构14的倾转角度，所述数据传输单元120用于通信连接所述飞行控制单元110和所述倾转控制单元130。优选地，所述数据传输单元120为通信控制板，并采用RS232接口。
具体地，所述飞行控制单元110包括分别与所述数据传输单元120通信连接的固定翼姿态控制器、多旋翼姿态控制器、固定翼位置控制器和四旋翼位置控制器。
所述固定翼姿态控制器用于控制所述机翼11的姿态；所述多旋翼姿态控制器用于控制四个所述旋翼结构14的姿态；
所述固定翼位置控制包括横向控制模块和纵向控制模块，横向控制模块使无人机按照指定轨迹飞行，纵向控制模块使无人机保持飞行高度和飞行空速；所述四旋翼位置控制器包括水平控制模块和高度控制模块，所述水平控制模块用于保证旋翼的定点功能，所述高度控制模块用于保证旋翼的高度控制功能。
所述倾转控制单元130包括四个倾转控制板131，用于分别控制四个所述旋翼结构14的倾转角度。
所述倾转控制板131接收数据传输单元120发送给它的目标倾转角度，利用角度传感器收集到的信息计算当前倾转角度，利用实际倾转角度与设定倾转角度的差形成控制率，然后将该控制律映射到mcu的pwm发生器上生成pwm信号去控制直流电机，从而调节倾转结构的倾转角度。
在本实施例中，所述数据传输单元120将所述飞行控制单元110的转角设定指令分别转发给所述倾转控制单元130的倾转控制板131；而且，所述倾转控制板131将当前转角和当前电流信息发给数据传输单元120后，所述数据传输单元120对数据进行合并后再反馈给所述飞行控制单元110。
此外，如图6所示，所述飞行控制系统还包括导航单元，所述导航单元包括加速度计、陀螺仪、磁力计和GPS，并用于经过算法处理获取飞机的实时位置信息和实时姿态。
而且，地面站给定目标位置后，经过位置控制器，计算出目标姿态，飞机开始运动到目标姿态，从而使飞机运动到指定的位置。
具体地，所述飞行控制系统的控制过程如下：
一、无人机处于旋翼模式
无人机以旋翼模式起飞到一定高度，所述飞行控制单元110通过当前空速数据计算目标倾转角度，然后将该数据以帧形式发送到所述数据传输单元120，所述数据传输单元120收到目标倾转角度后，将该数据转发给前方的所述倾转控制单元130的两个倾转控制板131，所述倾转控制板131控制所述倾转机构141转到期望的目标转角；
二、无人机处于倾转过程
在倾转过程中，位于机身10前面的两个倾转控制板131会把各自的当前倾转角度反馈给所述数据传输单元120，所述数据传输单元120再把收到的实时角度信息反馈给另一个倾转控制板131；
通过自身的当前倾转角度和对方的当前角度之差，形成一个新的控制率，将该控制率加到之前的控制率上，形成最终的控制率，从而实现两边倾转角度的同步。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种倾转式垂直起降固定翼的无人机，包括机身、机翼和尾翼，所述机身和所述机翼为固定翼飞机布局，其特征在于，
无人机还包括两个支撑臂及四个旋翼结构，两个所述支撑臂沿平行于所述机身延伸方向安装于所述机身或所述机翼，使得每一所述支撑臂形成有分布于所述机翼前后两侧的前端和后端；
每一所述支撑臂的前端和后端分别安装一个所述旋翼结构，四个所述旋翼结构的几何中心与整个无人机的重心重合，且均能够调整自身的倾转角度，从而构成无人机的倾转动力装置。
2.根据权利要求1所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统，其特征在于，四个所述旋翼结构构成H型旋翼布局结构，位于对角连线的其中两个所述旋翼结构的旋翼同步顺时针旋转，其他两个所述旋翼结构的旋翼同步逆时针旋转。
3.根据权利要求1所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统，其特征在于，所述旋翼结构包括倾转机构、旋翼电机和多个螺旋桨，所述多个螺旋桨安装于所述旋翼电机，且构成所述旋翼结构的旋翼；
所述倾转机构包括安装座及与所述安装座铰接的倾转轴，所述安装座固定于所述支撑臂，所述倾转轴固定于所述旋翼电机；
所述倾转轴绕所述安装座旋转，从而带动所述旋翼电机转动，进而实现所述旋翼结构的旋翼的倾转。
4.一种根据权利要求1-3任一所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机的飞行控制系统，其特征在于，包括：飞行控制单元、数据传输单元和倾转控制单元，
所述飞行控制单元用于控制飞机的飞行姿态，所述倾转控制单元用于调节所述旋翼结构的倾转角度，所述数据传输单元用于通信连接所述飞行控制单元和所述倾转控制单元。
5.根据权利要求4所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统，其特征在于，所述数据传输单元为通信控制板，并采用RS232接口。
6.根据权利要求4所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统，其特征在于，所述倾转控制单元包括分别与所述数据传输单元通信连接的四个倾转控制板，四个所述倾转控制板分别用于控制四个所述旋翼结构的倾转角度。
7.根据权利要求6所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统，其特征在于，位于机身前面的两个倾转控制板会把各自的当前倾转角度反馈给所述数据传输单元，所述数据传输单元再把收到的实时角度信息反馈给另一个倾转控制板。
8.根据权利要求4所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制单元包括分别与所述数据传输单元通信连接的固定翼姿态控制器和多旋翼姿态控制器，所述固定翼姿态控制器用于控制所述机翼的姿态；所述多旋翼姿态控制器用于控制四个所述旋翼结构的姿态。
9.根据权利要求4所述的倾转式垂直起降固定翼的无人机及飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制单元包括分别与所述数据传输单元通信连接的固定翼位置控制器和四旋翼位置控制器，所述固定翼位置控制包括横向控制模块和纵向控制模块，所述横向控制模块使无人机按照指定轨迹飞行，所述纵向控制模块使无人机保持飞行高度和飞行空速；所述四旋翼位置控制器包括水平控制模块和高度控制模块，所述水平控制模块用于保证旋翼的定点功能，所述高度控制模块用于保证旋翼的高度控制功能。
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