CN110127051A - 一种固定翼无人机 - Google Patents
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Abstract
一种固定翼无人机，包括：机头、机身、机翼、机尾翼、发动机、螺旋桨和飞行控制器，以及与飞行控制器连接的信号接收机、摄像头、图像传输模块、模式开发模块、GPS模块、方向舵和升降舵。本发明的固定翼无人机基于固定翼的轻量化技术和整体优化，进行全流程、全系统设计，实现飞行作用的长航时目标，按照安全可靠、单位成本最低、便于携带、快速组装，确保基本载荷的要求，通过选用轻量化材料，整体优化气动布局、动力搭配和飞行控制的硬件和软件，实现可靠性、安全性的提高。
Description
技术领域
本发明涉及无人飞行器领域，具体涉及一种固定翼无人机。
背景技术
现有无人机类别分为固定翼和旋翼(直升机、多轴)两大类，具有自主飞行、规划完成作业的基本能力，可广泛应用于军事侦查打击、地理遥感、航拍，石油电力巡线、高速路巡查，植保喷洒、森林消防监查、反恐防爆、海洋维权等专业领域，通过遥控器、无线电台或者地面站方式实现人工控制。
现有技术中存在的问题集中体现在同等起飞重量级别飞行器的续航时间太短，造成飞行器载荷不足，实用性有限。比如：四轴飞行器采用锂电池动力，通过大容量电池携带和能源管理，也仅仅能将平均飞行时间7-10分钟，提高到最大20分钟续航时间，根本原因是无法解决大容量增重与能源消耗同比增加的矛盾。
究其原因主要是在飞行器的设计时单一性思考，而全方位、全状态、全过程的整体系统技术思考和实施欠缺，造成飞机留空时间短，实用性、可用性一定程度受到影响。
本发明的无人机基于固定翼的轻量化技术和整体优化，进行全流程、全系统设计，实现飞行作用的长航时目标，按照安全可靠、单位成本最低、便于携带、快速组装，确保基本载荷的要求，通过选用轻量化材料，整体优化气动布局、动力搭配和飞行控制的硬件和软件，实现可靠性和安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞行时间长、安全可靠、低成本、便于携带、快速组装，确保基本载荷的要求的固定翼无人机。
为达到上述目的，本发明提供了一种固定翼无人机，包括：机头、机身、机翼、机尾翼、发动机、螺旋桨和飞行控制器；
所述机翼包括中段翼和两个外侧翼，两个外侧翼上分别设置有副翼；
所述发动机有两个，分别位于所述中段翼的前端两侧；两个螺旋桨分别位于所述发动机的前端；
所述两个发动机通过电子调速器连接到所述飞行控制器；
所述固定翼无人机还包括信号接收机、摄像头、图像传输模块、模式开发模块、GPS模块、方向舵和升降舵；
所述信号接收机通过编码器连接到飞行控制器；所述摄像头、图像传输模块、模式开发模块、GPS模块、方向舵和升降舵也分别连接到飞行控制器。
进一步地，所述机翼为平缓型并且上反角延展；机翼剖面呈大致水滴型；翼尖和靠近机头的机翼前端呈弧面设计。
进一步地，所述机翼的上表面弧度大于下表面弧度。
进一步地，所述机翼采用EPO材料制成，左右机翼内部设置有空心碳纤管。
进一步地，所述空心碳纤管直径为8MM；所述机翼的翼展达到约2100MM。
进一步地，所述机头、机翼、机尾翼和机身表面设置有碳纤维覆膜。
进一步地，所述机身中空部分为机舱，容纳有大容量电池。
进一步地，所述飞行控制器的飞行控制板设置在机舱内。
进一步地，所述无人机空重1.9KG；所述大容量电池容量为26000MAH-39000MAH，起飞重量5KG-6KG，航时达到3小时。
进一步地，所述电子调速器选用好盈电子调速器，所述飞行控制器的飞行控制板选用开源飞控板PIXHAWK4.0，所述GPS模块选用高精度定位UBLOX6M焊接组合。
综上所述，本发明的无人机基于固定翼的轻量化技术和整体优化，进行全流程、全系统设计，实现飞行作用的长航时目标，按照安全可靠、单位成本最低、便于携带、快速组装，确保基本载荷的要求，通过选用轻量化材料，整体优化气动布局、动力搭配和飞行控制的硬件和软件，实现可靠性、安全性。
附图说明
图1是本发明的固定翼无人机的整体结构示意图；
图2是本发明的机翼的侧面图；
图3是本发明的机翼的剖面图；
图4是本发明的中段翼的增长尺寸示意图；
图5是本发明的翼展长度示意图；
图6是本发明的机翼尖端弧面处理示意图；
图7是本发明的全机体设置碳纤维覆膜的结构示意图；
图8是本发明的螺旋桨马达电机示意图；
图9是本发明的机身中机舱结构示意图；
图10是本发明的飞行控制板的结构示意图；
图11是本发明的GPS模块结构和安装区域示意图。
透视图，分解立体图，截面图，示意图，流程图
附图标记：
1：机头；2：机身；3：外侧翼(副翼)；4：中段翼；5：机尾翼；6：螺旋桨；8：发动机；9：模式开发模块；10：摄像头；11：图像传输模块；12：编码器；13：信号接收机；14：电子调速器；15：GPS模块；16：方向舵；17：升降舵。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供了一种固定翼无人机，其整体结构如图1所示，包括：机头1、机身2、机翼3、4、机尾翼5、发动机8、螺旋桨6和飞行控制器7；所述机翼包括中段翼4和两个外侧翼3，两个外侧翼3上分别设置有副翼3；所述发动机8有两个，分别位于所述中段翼4的前端两侧；两个螺旋桨6分别位于所述发动机8的前端；所述两个发动机8通过电子调速器14连接到所述飞行控制器7；所述固定翼无人机还包括信号接收机13、摄像头10、图像传输模块11、模式开发模块9、GPS模块15、方向舵16和升降舵17；所述信号接收机13通过编码器12连接到飞行控制器7；所述摄像头10、图像传输模块11、模式开发模块9、GPS模块15、方向舵16和升降舵17也分别连接到飞行控制器7。
本发明采用优化气动布局，优化翼型设计，在常规布局上采用平缓型略上反机翼延展设计和大翼面、水滴型翼型设计，所述机翼的上表面弧度大于下表面弧度，如图2和3所示，既可稳定快速飞行，抗6级大风，又有效抬升升力，保持必要机动性。具体改进点为：一是机翼中段经反复飞行实验验证，左右对称增加长20CM中段翼面，如图4所示，使翼展达到2100MM，如图5所示，实现减小阻力与加大升力的平衡。二是翼尖和靠近机头的机翼前端进行弧面处理，如图5和6所示，有效减小了高速和巡航过程中的翼尖激波阻力。三是在工艺材料选配上，选用高密度EPO材料加碳纤覆膜。EPO材料保证强度、韧性基础上，左右机翼内置两组8MM直径空心碳纤管加强，如图3所示，中间圆孔即插有空心碳纤管。全机体——机头、机翼、机尾翼和机身表面设置有碳纤覆膜，如图7所示，在加强飞机机身、机翼的同时，对空气流速的改善显著增强，经实验对比，在同地速条件下，比未加碳纤覆膜空气翼面流速增加10KM/H，显著提升升力，同时正面机翼、机身阻力减小10％。
本发明采用高效率的动力组合：螺旋桨选用定制高效率的无刷马达电机和一线品牌电子调速器(ESC)——好盈电子调速器，如图8所示。从油门线性、能源指标均达到最优。实际飞行测试，飞行最大的能耗源——动力输出满足2-5KG拉力要求，而风力3-4级条件下迎风巡航下电流仅有12.1MA，功耗50MW，是同级别飞行器中能源消耗最小的。
本发明采用大机舱设计，如图9所示，可满足大容量电池配备空间。全机空重仅1.9KG，内蒙古实测携带26000MAH容量锂电池，起飞重量5.2KG，飞行距离200KM，共计3小时。设计机体机舱体积达到了10800立方厘米，机体结构笼型包裹式，可承受最大6.5KG的全重起飞。可携带最大39000MAH容量电池，预计增加60-100KM的续航里程和1.5-2小时留空时间。超负载飞行最大7.3KG，此时机翼微小变型，影响飞机性能和飞行状态，能耗急速增加，效率明显降低。建议起飞重量不超过6KG，在5KG级别无人机中达到最优。
本发明采用高稳定、高可靠性的飞行控制板和简洁高效的总线布局技术，如图10所示。线束内芯铜缆选用18#硅胶线，轻量抗高温，满足短时大电流过载冲击，信号线走线集中管理分模块接驳，确保以最少的线束和最轻的重量，满足动力供应和信号控制的要求。飞行控制板是开源飞控板PIXHAWK4.0,刷Fireware固件3.8.1版本，GPS模块选用高精度定位UBLOX 6M焊接组合，设置在机尾翼附近，如图11所示，同时从软件上优化了PIXHAWAK的参数设置。通过飞控版软硬件优化，实现了对飞机的高可靠性、高稳定性、高安全性控制，能够消解5-6级风对飞机飞行平衡性的干扰。通过不同气候条件下的测试，均能实现手抛自动起飞、航路飞行、定点盘旋、失控自动返航等必备功能，从2016年3月研发至今的70余次测试飞行，未发生一起飞行事故，未曾发生过一次大故障。
经过长时间的参数修改和实验验证，最终形成的飞机具有以下优选地技术规格：
布局：双发前拉常规式布局
三维视角照片：
翼展：2100MM
机长：1230MM
起飞全重：5.3KG
空重(不含动力电池)：1.8KG
动力总成：2个LD POWER KV580高效定制电机+9X6英寸APC正反螺旋桨+30A电子调速器
动力能源：26000MAH 15C 6S格式锂电池
遥控系统：R-link V2 433MHZ调频遥控增程系统
飞控系统：Autopilot2.0(平衡、定高、失控返航、航线飞行四模式)
机舱容积：2.5升
材质工艺：复合材料+碳纤蒙皮+碳杆
摄录设备：光电吊舱、高清摄录模块、微单相机
图传设备：5.8G 1000MW图传系统
经济巡航速度：60KM/H公里/小时
最大平飞速度：150KM/H公里/小时
最大爬升率：5M/S
安全飞行时间：3.5小时
最大巡航里程：230公里
最长巡航时间：4小时
实测监控照片(飞行时间204.37分，飞行距离193.917公里)
高稳定性、高安全性、长航时、单兵作业
应用领域：军事侦查，警用、电力、农林、高速路巡查巡检，通信中继，航拍遥测等，作业时间可长达4小时，改装后可实现轻载荷、低烈度攻击任务。
综上所述，本发明旨在保护一种固定翼无人机，基于结构强度下的轻量化整机设计，整机优化方案，涵盖了气动结构设计、轻量化设计、总线布局、制造材料选型、飞控自动驾驶仪、电池能源管理等多个方面，提供了一种安全性高、可靠性高、飞行时间长的固定翼无人机。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种固定翼无人机，其特征在于，包括：机头、机身、机翼、机尾翼、发动机、螺旋桨和飞行控制器；
所述机翼包括中段翼和两个外侧翼，两个外侧翼上分别设置有副翼；
所述发动机有两个，分别位于所述中段翼的前端两侧；两个螺旋桨分别位于所述发动机的前端；
所述两个发动机通过电子调速器连接到所述飞行控制器；
所述固定翼无人机还包括信号接收机、摄像头、图像传输模块、模式开发模块、GPS模块、方向舵和升降舵；
所述信号接收机通过编码器连接到飞行控制器；所述摄像头、图像传输模块、模式开发模块、GPS模块、方向舵和升降舵也分别连接到飞行控制器。
2.根据权利要求1所述的固定翼无人机，其特征在于，所述机翼为平缓型并且上反角延展；机翼剖面呈大致水滴型；翼尖和靠近机头的机翼前端呈弧面设计。
3.根据权利要求2所述的固定翼无人机，其特征在于，所述机翼的上表面弧度大于下表面弧度。
4.根据权利要求2所述的固定翼无人机，其特征在于，所述机翼采用EPO材料制成，左右机翼内部设置有空心碳纤管。
5.根据权利要求4所述的固定翼无人机，其特征在于，所述空心碳纤管直径为8MM；所述机翼的翼展达到约2100MM。
6.根据权利要求1所述的固定翼无人机，其特征在于，所述机头、机翼、机尾翼和机身表面设置有碳纤维覆膜。
7.根据权利要求1所述的固定翼无人机，其特征在于，所述机身中空部分为机舱，容纳有大容量电池。
8.根据权利要求7所述的固定翼无人机，其特征在于，所述飞行控制器的飞行控制板设置在机舱内。
9.根据权利要求8所述的固定翼无人机，其特征在于，所述无人机空重1.9KG；所述大容量电池容量为26000MAH-39000MAH，起飞重量5KG-6KG，航时达到3小时。
10.根据权利要求1所述的固定翼无人机，其特征在于，所述电子调速器选用好盈电子调速器，所述飞行控制器的飞行控制板选用开源飞控板PIXHAWK4.0，所述GPS模块选用高精度定位UBLOX 6M焊接组合。
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2018
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190816 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |