CN108945394A - 一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器及其控制方法 - Google Patents
一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器及其控制方法。飞行器机身上具有多个旋翼，并设置有固定翼面，固定翼面包括能够绕飞行器的垂直轴线旋转且能够调节迎角的内段机翼，以及设置在内段机翼两侧，能够180度向内折叠的外段机翼，机身尾部具有一个水平推进器。飞行器具有多旋翼模式和水平巡航模式两个工作模式，飞行器在执行任务时处在多旋翼模式，由旋翼提供全部升力；水平巡航模式中由水平推进器产生推力，推动飞行器产生前向速度，进而利用固定翼面提供部分升力，余下升力仍由旋翼提供；本发明还设计了相适应的控制方和重力分配方法。本发明飞行器具有总体能耗低、续航能力强、可行性高、低成本的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合飞行器，尤其涉及一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器及其控制方法。
背景技术
增加多旋翼续航具有很大的应用价值。由于多旋翼飞行器采用多个小直径螺旋桨提供升力，其的能量利用效率较低，加之电池技术近些年难有实用性突破，其续航和搭载能力远远不如固定翼和直升机。在日常运用中，因为多旋翼续航能力的短板，使用者往往需要携带大量的电池以便于更换，加大了使用的时间与经济成本。在行业运用中，航程意味着飞行器单次作业的覆盖面积，也意味着飞行器地面站与任务区之间的远近，航程的大小直接决定这架飞行器能否完成任务，以及影响完成任务所需的成本，故其在要求苛刻的军事领域还未获得广泛应用。因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是多旋翼飞行器的关键。例如，在森林防火中，飞行器需要具备一定的航程，从而能对大面积的林区进行搜索，当抵达目标上空时，需要对该地进行详细的观测，需要飞行器具备低速或是悬停飞行能力。常规的多旋翼在航程上有短板，而固定翼飞行器由于飞行速度较快难以实现对一个目标实现精确、稳定的观测，同时对起降场地有较高的要求。
目前，为了提高多旋翼的续航能力，主要从两个技术方向着手：其一是增加多旋翼能够携带的能源，包括搭载能量密度更高电池、利用内燃机等形式，具有技术不成熟或机构复杂、振动大等缺点；其二是降低多旋翼飞行过程的能耗，包括倾转旋翼机、飞艇-多旋翼复合飞行器等形式，具有飞行模态转换困难、故障率高或是阻力大的缺点。
复合飞行器是指同时具备两种或多种飞行器(如多旋翼、固定翼、直升机、飞艇等)特点的飞行器。因为许多类型的飞行器，产生相同升力消耗的功率都较多旋翼小，所以本发明关注的是利用这些类型飞行器的优点，降低多旋翼的能耗。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器及其控制方法
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器，包括具有多个旋翼的机身，所述机身上设置固定翼面，固定翼面包括能够绕飞行器的垂直轴线旋转且能够调节迎角的内段机翼，以及设置在内段机翼两侧，能够180度向内折叠的外段机翼，机身尾部具有一个水平推进器。
进一步地，所述固定翼面的内段机翼通过连杆机构连接在一个可水平旋转的平台上，该平台与机身连接，伺服电机通过齿轮机构驱动该平台实现固定翼面的旋转。
进一步地，所述固定翼面的外段机翼与内段机翼铰接，伺服电机通过齿轮齿条机构驱动外段机翼180度向内折叠。
进一步地，所述旋翼为飞行器提供升力，所述水平推进器为飞行器提供水平推力，所述固定翼面在完全展开时，为飞行器提供升力。
一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器的控制方法，该方法具体为：
飞行器具备两种飞行模式：多旋翼模式和水平巡航模式；
在多旋翼模式下，固定翼面的外段机翼向内折叠180度后，内段机翼随后旋转90度与机身轴线平行，此时固定翼面与机身成为一个整体，可减少气流对飞行器悬停时的干扰，获得较好的悬停性能，此时旋翼的驱动电机为飞行器提供升力，飞行器可在此状态下实现垂直起飞与降落，以及悬停；在该模式下，控制方法与普通多旋翼相同；
飞行器达到一定高度后，可以转换为水平巡航模式，此时固定翼面的内段机翼和外段机翼展开，水平推进器的推进电机启动，使得飞行器不需要前倾机身即可获得向前的推力；固定翼面迎角的变化会导致固定翼面升力的变化，通过控制迎角和水平推进器的推进电机转速，共同实现对飞行器高度的控制，使得旋翼的驱动电机工作在设定的最佳工作点。
进一步地，对旋翼和固定翼面二者所承担的重力进行分配，从而实现续航能力的提升：
根据实际工程经验，在垂直起飞时，旋翼需要承担起全机重量；
在零姿态角悬停配平时，旋翼所提供的升力不超过其最大升力输出的80％，余下20％的功率用于姿态控制，此时最大姿态角可达20°；
在水平飞行时，旋翼所提供的升力不小于全机重量的40％，否则其对飞行器姿态的调节能力将过于薄弱。
进一步地，在水平巡航模式下的控制方法如下：
对于姿态控制，飞行器水平飞行时所必须的俯仰、滚转及偏航稳定性由多个旋翼保持；多个旋翼采用转速差带来的力矩差与升力差，可以高速地对飞行器的姿态进行调节；
对于高度控制，由于飞行器水平速度的变化将引起固定翼面升力的变化，若通过调节多个旋翼的转速来保持升力的稳定，则旋翼驱动电机将偏离其设定的最佳工作点，效率下降，因此通过控制机翼迎角实现飞行器水平速度与旋翼驱动电机转速的解耦，并且和水平推进电机共同实现对飞行器高度的控制；
对于水平速度控制，通过调节水平推进器的转速，实现对飞行器水平加速度的控制，而不是通过控制飞行器的俯仰姿态角实现，从而减小飞行器的迎风截面积，最终减小前飞阻力。
进一步地，飞行器两种飞行模式的切换具体为：在起飞指令下达后，飞行器触发多旋翼模式，到达设定高度后，若根据航点信息判定两航点之间的距离大于设定值时，进入水平巡航模式，否则，将直接在多旋翼模式下飞往任务区；抵达任务区后在多旋翼模式下执行任务；返航时再次进行以上判断；抵达降落点后，若不具备降落条件，继续以水平巡航模式待机，获得降落指令后以多旋翼模式降落；在水平巡航模式下利用固定翼面提供部分升力，以降低总体能耗，增加续航能力。
本发明的有益效果是：
1、本发明能够提升多旋翼飞行器的续航能力。与传统多旋翼形成对比，本发明所述飞行器在水平巡航模式下由固定翼面提供部分升力，并且随着水平速度的增加而增加，可得旋翼驱动电机所承载的飞行器重力变小，电机绕组电流减小，发热量减小，从而效率提升。通过合理分配旋翼驱动电机和固定翼面所承担的重力，可使得控制效率和能量效率得到兼顾。同时，飞行器的前进推力来自水平推进器的推动，而非向前倾斜机身而得到的升力分立，可以减小飞行器在水平飞行时的迎风阻力。
2、本发明飞行器具备良好悬停稳定性。本发明飞行器在悬停模式下通过折叠固定翼面，以及取消垂直和水平安定面的设计，减小了气流对飞行器的干扰，具有与传统多旋翼可比的悬停稳定性，可以完成需要较高悬停精度的任务，例如搭载光电设备时可以获得稳定、持续的图像信息。
3、本发明飞行器具有良好的可行性和适应性。本发明飞行器可以在没有跑道的恶劣环境下起飞，由于两种工作模式下的俯仰、滚转与偏航稳定性主要均由旋翼保持，在工作模式切换上难度降低，可行性强。
附图说明
图1是本发明飞行器的立体图；
图2是本发明飞行器的俯视图；
图3为本发明执行任务的飞行模式切换流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供的一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器，如图1、2所示，以四旋翼为例，飞行器主要包含机体结构、动力装置、控制系统和任务载荷四个模块；其中机体结构包含机身1-1、起落架1-2、第一外段机翼2-2、第二外段机翼2-3、内段机翼2-1，机身1-1是各个部件的搭载平台，起落架1-2用于起降过程中提供可靠的支持，机翼提供升力，迎角可以控制，第一外段机翼2-2和第二外段机翼2-3可以向内折叠，内段机翼2-1可以旋转后和机身1-1纵向轴线重合，减小气动干扰；动力装置包含四个(或多个)提供升力的电机：1号电机3-2、2号电机3-4、3号电机3-6、4号电机3-8和其相对的四个螺旋桨：1号螺旋桨3-1、2号螺旋桨3-3、3号螺旋桨3-5、4号螺旋桨3-7，电机为无刷交流电机，转速高，螺旋桨直径较大，效率高；动力装置还包括一个提供水平推力的水平推进器3-9；控制系统包含飞行控制器、舵机、传感器等。飞行控制器可以采用开源的飞行控制器PX4，舵机实现对固定翼面迎角的控制，可选用KST DS215MG V3实现，传感器包括GPS等，为飞行器飞行控制提供必要的环境数据；任务载荷，可为光电载荷、图像传输设备等。
飞行器具备两种飞行模式：多旋翼模式和水平巡航模式；
在多旋翼模式下，固定翼面的外段机翼向内折叠180度后，内段机翼随后旋转90度与机身轴线平行，此时固定翼面与机身成为一个整体，可减少气流对飞行器悬停时的干扰，获得较好的悬停性能，此时旋翼的驱动电机为飞行器提供升力，飞行器可在此状态下实现垂直起飞与降落，以及悬停；在该模式下，控制方法与普通多旋翼相同；
飞行器达到一定高度后，可以转换为水平巡航模式，此时固定翼面的内段机翼和外段机翼展开，水平推进器的推进电机启动，使得飞行器不需要前倾机身即可获得向前的推力；固定翼面迎角的变化会导致固定翼面升力的变化，通过控制迎角和水平推进器的推进电机转速，共同实现对飞行器高度的控制，使得旋翼的驱动电机工作在设定的最佳工作点。
飞行器实现续航能力提升的方法在于，在水平巡航模式时，随着水平速度的增加，固定翼面提供的升力也会增加，使得升力电机所承载的重力变小，为了提升整体的续航能力，通过以下的原则对旋翼和固定翼面所承担的重力进行分配：
根据实际工程经验，在垂直起飞时，旋翼需要承担起全机重量；
在零姿态角悬停配平时，旋翼所提供的升力不超过其最大升力输出的80％，余下20％的功率用于姿态控制，此时最大姿态角可达20°；
在水平飞行时，旋翼所提供的升力不小于全机重量的40％，否则其对飞行器姿态的调节能力将过于薄弱。
飞行器的控制方法包括飞行器的稳定实现、控制逻辑，尤其是水平巡航模式时高度与速度控制方法，以及模式的切换控制：
飞行器稳定方法。本发明飞行器没有垂尾以及平尾，不采取特殊措施将无法保持俯仰以及航向的稳定性，其中俯仰稳定性若不足将带来致命性的危险。以往“飞翼”飞行器常采用翼尖负扭转、S型翼型来保证俯仰稳定性，同时采用后掠翼保证偏航稳定性，这将使得机翼总升力减小，故不采用。本发明飞行器水平飞行时所必须的俯仰、滚转及偏航稳定性由多个旋翼保持，多个旋翼采用转速差带来的力矩差与升力差，可以高速地对飞行器的姿态进行调节；故虽然无人机在俯仰、偏航上均是静不稳定的，但仍可以实现平稳飞行。
飞行器控制逻辑。表1描述了这型本发明飞行器在两种工作模式下，固定翼面的状态以及飞行器几个自由度的控制方法。悬停模式时的控制方法和传统多旋翼相同，水平巡航模式时，高度控制和速度控制方法和传统固定翼飞行器类似，滚转俯仰以及偏航则通过控制旋翼驱动电机的转速实现。
表1飞行器控制逻辑
飞行器水平巡航模式时高度与速度的控制方法。在此模式下，对于水平速度控制，通过调节水平推进器的转速，实现对飞行器水平加速度的控制，而不是通过控制飞行器的俯仰姿态角实现，从而减小飞行器的迎风截面积，最终减小前飞阻力。此时，俯仰姿态角的设定值为0。飞行器水平速度的变化将引起固定翼面升力的变化，若通过调节多个旋翼的转速来保持升力的稳定，则旋翼驱动电机将偏离其设定的最佳工作点，效率下降，因此通过控制机翼迎角实现飞行器水平速度与旋翼驱动电机转速的解耦，并且和水平推进电机共同实现对飞行器高度的控制，例如当飞行器速度增大导致机翼升力变大时，减小机翼迎角，使得总升力保持不变。
飞行器的状态切换控制。如图3所示，飞行器执行某任务的步骤如下：在起飞指令下达后，飞行器触发多旋翼模式，到达设定高度后，若根据航点信息判定两航点之间的距离大于设定值时，进入水平巡航模式，否则，将直接在多旋翼模式下飞往任务区；抵达任务区后在多旋翼模式下执行任务；返航时再次进行以上判断；抵达降落点后，若不具备降落条件，继续以水平巡航模式待机，获得降落指令后以多旋翼模式降落；在水平巡航模式下利用固定翼面提供部分升力，以降低总体能耗，增加续航能力。
本发明所设计的飞行器可以在没有跑道的恶劣环境下起飞，由于固定翼面提供部分升力，可以提升多旋翼的航程。在抵达目标区之后，可以获得和常规多旋翼等质的悬停效果，例如搭载光电设备时可以获得稳定、持续的图像信息。
Claims (8)
1.一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器，包括具有多个旋翼的机身，其特征在于，机身上设置固定翼面，固定翼面包括能够绕飞行器的垂直轴线旋转且能够调节迎角的内段机翼，以及设置在内段机翼两侧，能够180度向内折叠的外段机翼，机身尾部具有一个水平推进器。
2.根据权利要求1所述的一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器，其特征在于，所述固定翼面的内段机翼通过连杆机构连接在一个可水平旋转的平台上，该平台与机身连接，伺服电机通过齿轮机构驱动该平台实现固定翼面的旋转。
3.根据权利要求1所述的一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器，其特征在于，所述固定翼面的外段机翼与内段机翼铰接，伺服电机通过齿轮齿条机构驱动外段机翼180度向内折叠。
4.根据权利要求1所述的一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器，其特征在于，所述旋翼为飞行器提供升力，所述水平推进器为飞行器提供水平推力，所述固定翼面在完全展开时，为飞行器提供升力。
5.一种具备固定翼面与水平推进器的长续航多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，飞行器具备两种飞行模式：多旋翼模式和水平巡航模式；
在多旋翼模式下，固定翼面的外段机翼向内折叠180度后，内段机翼随后旋转90度与机身轴线平行，此时固定翼面与机身成为一个整体，旋翼的驱动电机为飞行器提供升力，飞行器可在此状态下实现垂直起飞与降落，以及悬停；
飞行器达到一定高度后，可以转换为水平巡航模式，此时固定翼面的内段机翼和外段机翼展开，水平推进器的推进电机启动，使得飞行器不需要前倾机身即可获得向前的推力；飞行器水平速度的变化会导致固定翼面升力的变化，通过控制迎角和水平推进器的推进电机转速，共同实现对飞行器高度的控制，使得旋翼的驱动电机工作在设定的最佳工作点。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，对旋翼和固定翼面二者所承担的重力进行分配，从而实现续航能力的提升：
根据实际工程经验，在垂直起飞时，旋翼需要承担起全机重量；
在零姿态角悬停配平时，旋翼所提供的升力不超过其最大升力输出的80％，余下20％的功率用于姿态控制，此时最大姿态角可达20°；
在水平飞行时，旋翼所提供的升力不小于全机重量的40％，否则其对飞行器姿态的调节能力将过于薄弱。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在水平巡航模式下的控制方法如下：
对于姿态控制，飞行器水平飞行时所必须的俯仰、滚转及偏航稳定性由多个旋翼保持；
对于高度控制，由于飞行器水平速度的变化将引起固定翼面升力的变化，若通过调节多个旋翼的转速来保持升力的稳定，则旋翼驱动电机将偏离其设定的最佳工作点，效率下降，因此通过控制机翼迎角实现飞行器水平速度与旋翼驱动电机转速的解耦，并且和水平推进电机共同实现对飞行器高度的控制；
对于水平速度控制，通过调节水平推进器的转速，实现对飞行器水平加速度的控制，而不是通过控制飞行器的俯仰姿态角实现，从而减小飞行器的迎风截面积，最终减小前飞阻力。
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，飞行器两种飞行模式的切换具体为：在起飞指令下达后，飞行器触发多旋翼模式，到达设定高度后，若根据航点信息判定两航点之间的距离大于设定值时，进入水平巡航模式，否则，将直接在多旋翼模式下飞往任务区；抵达任务区后在多旋翼模式下执行任务；返航时再次进行以上判断；抵达降落点后，若不具备降落条件，继续以水平巡航模式待机，获得降落指令后以多旋翼模式降落。
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