CN110271663A - 两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机，包括：无人机机身，其为飞翼式固定翼结构；旋翼，设置有两对，并分别设置于所述固定翼两侧端部；所述旋翼的转轴轴线朝向飞行方向；副翼，包括分别设置于所述固定翼尾部、且俯仰角度可调的左侧副翼和右侧副翼；飞行控制系统，所述飞行控制系统通过传感器采集无人机的飞行位置、飞行高度和飞行姿态，并控制所述旋翼和副翼动作；本发明的能够满足在地面环境受限情况下的起降需求，以及复合型无人机高效率、高速度、高负载的巡航飞行与定高悬停工作的功能需求。

Description

两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械零部件表面强化领域，特别涉及一种两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机。

背景技术

现有无人机，根据机翼的结构特点，可分为固定翼式和旋翼式。固定翼无人机具有飞行半径大、负载能力强和持续飞行时间长等特点；但由于机翼固定不动，导致其机动性和灵活性差，无法实现空中悬停，难以应用到对动作要求较高的场合。而旋翼无人机的飞行动力来源于机身上方的旋翼，当其旋转速度改变时，飞行升力随之改变，从而实现无人机飞行姿态的变化；其具有在空中悬停以及能够在狭窄空间进行起飞与降落的特性；但由于四旋翼无人机通常采用电机驱动，其能量主要来源于锂电池，导致其航时和航程较短。

因此，现有技术中出现了一些同时具有固定翼与四旋翼无人机的优点的复合型无人机结构，从而大大提升现有无人机的机动性能及续航能力。然而这些现有的旋翼与固定翼结合的复合型倾转无人机产品中，飞机的气动布局多采用常规布局，其阻力较大，飞行效率及负载能力较低；且旋翼结构为两旋翼，难以实现四旋翼无人机的定高悬停及移动，从而很大程度限制了无人机的飞行性能；另外，此类无人机的动力执行机构安装在倾转机构上，倾转过程中极易造成引入振动等不利影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种能够满足无人机在地面环境受限情况下的起降需求，以及复合型无人机高效率、高速度、高负载的巡航飞行与定高悬停工作的功能需求的两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机，其包括：

无人机机身，其为飞翼式固定翼结构；

旋翼，设置有两对，并分别设置于所述固定翼两侧端部；所述旋翼的转轴轴线朝向飞行方向；

副翼，包括分别设置于所述固定翼尾部、且俯仰角度可调的左侧副翼和右侧副翼；

飞行控制系统，所述飞行控制系统通过传感器采集无人机的飞行位置、飞行高度和飞行姿态，并控制所述旋翼和副翼动作。

进一步的，每一对所述旋翼均包括位于机身上侧的背部旋翼和位于机身下侧的腹部旋翼；所述背部旋翼和腹部旋翼通过翼稍支撑腿连接于固定翼两侧端部。

进一步的，所述固定翼单侧的背部旋翼和腹部旋翼的间距小于固定翼的翼展。

进一步的，所述机身的底部可设有用于起降的滑行轮。

本发明还公开了一种无人机的飞行控制方法，包括以下步骤：

s1.竖直起飞:将无人机机身竖直放置；控制四副旋翼以相同转速转动，同时控制相邻旋翼以相反转向转动，进而带动机身竖直起飞至设定的高度与速度；起飞过程中，飞行控制系统通过机身姿态信息控制副翼动作，使无人机保持竖直姿态；

s2.水平飞行：通过提高无人机的两副背部旋翼的转速，同时控制副翼向下偏转使无人机由竖直飞行转换为水平飞行；水平飞行过程中，四副旋翼保持同步转速，通过飞行控制系统控制旋翼的转速和副翼角度达到所需航速和飞行高度；

s3.竖直降落：通过提高无人机的两副腹部旋翼的转速，同时控制副翼向上偏转实现使无人机由水平飞行转换为竖直飞行；降低旋翼的转速并调节副翼角度使无人机机身竖直下降至着陆。

进一步的，当无人机需要水平转向时，可通过提高固定翼单侧的两副旋翼的转速，同时降低同侧副翼角度实现。

进一步的，当无人机需要竖直转向时，可通过提高对应对角旋翼的转速实现。

进一步的，当无人机在水平飞行阶段需要进行高度切换时，通过控制左侧副翼和右侧副翼的角度，配合巡航速度实现。

进一步的，当无人机需要窄巷起停时，无人机按竖直起飞与竖直降落的方式进行起降，飞行过程中将不切换至水平飞行状态，而采用提高单侧两副旋翼转速的方式实现水平移动。

进一步的，当无人机需要实现侧翻姿态时，可通过提高对应旋转方向的两副旋翼转速，或者将左侧副翼和右侧副翼按相反方向偏转实现。

本发明的有益效果是：

1.结构强度好，系统可靠性高，制作成本低。

本发明的无人机除四个用于推进的旋翼推进子系统和两个用于调整航向的副翼子系统外，无人机无其它可动部件。系统构成简单、一体化程度高、结构强度佳，无其它复杂结构件可能带来的不利影响。由于实现姿态切换只需要四副螺旋桨和两块副翼，无其它常见倾转机构运动时可能带来的故障影响。相较于常规倾转旋翼无人机，由于部件少，可通过模具制造且模具数量少，制作方便，减少因模具造成的累积尺寸误差，提高了制作效率以及精度，降低了制作成本，便于批量生产。

2.升阻比大，载重能力强，续航时间久，有效航程远。

本发明的无人机固定翼采用飞翼结构，使得整个机体截面均为机翼形式，在水平飞行过程中，其升阻比大，可以获得较大的升力，为无人机提供了更大的载重能力。由于需要克服的飞行阻力相对较小，在搭载相同电能情况下，四副螺旋桨为无人机提供相同航速时，所需要消耗的电能更少，可续航时间更久，有效航程更远。四副螺旋桨的配置，保证了无人机大载重、高航速和长续航的使用需求，相较于现有小型无人机有了较大的改进。

3.可以实现各种复杂飞行姿态。

由于本发明的无人机配置了四副螺旋桨和飞翼布局的机身，同时具备了四旋翼无人机和飞翼式固定翼无人机的飞行特点和能力；由四副螺旋桨和两块副翼提供的六路控制输入可实现上百种飞行控制行为。而两侧分离式四旋翼与大翼面飞翼布局的结构设计，可有效减小机翼两侧涡流，提高无人机飞行稳定性。竖直飞行状态时，无人机相当于搭载了重物的四旋翼无人机，航向切换灵活，载重能力大；而且单侧背部与腹部螺旋桨的间距相较左右两侧的距离更近，可实现超窄空间飞行。水平飞行状态时，四副螺旋桨和两块副翼均可提供无人机姿态切换所需的扭矩，通过协同控制螺旋桨转速和副翼角度，可实现无人机多种方式的复杂旋转运动，与常规四旋翼无人机和两副螺旋桨的固定翼无人机相比，飞行姿态多样化高且实现相对简单；在进行竖直飞行状态与水平飞行状态间的切换时，基于背部与腹部旋翼差动和副翼提供的扭矩，可最大化保证无人机在重载荷下的姿态切换，与现有的复合翼设计结构相比，具有实用优势。

4.飞行控制简单可靠。

由于本发明的无人机仅具有六路控制输入，面向上百种飞行控制行为，可建立无人机姿态与执行机构协同控制组合的对应约束关系表，结合关系表和目标航行姿态数据即可解算出六路控制输入。由于无常规倾转无人机的复杂倾转机构，不会引入因动力机构倾转而造成的振动影响，相较而言，面向四副螺旋桨和两块副翼的控制算法更简单高效，可采取PID与自适应相结合的控制方式，而控制效果更佳。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的无人机的结构示意图；

图2为本发明的无人机一次完整飞行示意图；

图3为本发明的无人机竖直飞行状态示意图；

图4为本发明的无人机进行状态转换阶段示意图；

图5为本发明的无人机水平飞行姿态示意图；

图6为本发明的无人机主视图；

图7为本发明的无人机左视图；

图8为本发明的无人机俯视图；

图9为本发明的无人机仰视图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开了一种两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机，包括：

无人机机身，其为飞翼式固定翼5结构；固定翼5无人机常见的空气动力布局方式有：常规、鸭式、三翼面、变后掠、无尾、飞翼、前掠翼。飞翼布局是空气动力效率最高的布局，因为所有机身结构都是机翼，都是用于产生升力，而且最大程度低降低了阻力；

旋翼，设置有两对，并分别设置于所述固定翼5左右两侧端部；所述旋翼的转轴轴线朝向飞行方向；因此，本无人机具有现有四旋翼无人机的特点，其飞行动力来源于机身上方的四个旋翼，其结构简单、操作方便、机动性好，控制方法相对简单，仅通过改变四个执行电机的转速来平衡螺旋桨的升力和扭矩即可实现对空中六自由度姿态的控制；

副翼，包括分别设置于所述固定翼5尾部、且俯仰角度可调的左侧副翼4 和右侧副翼3；操纵人员可以通过控制左右副翼差动偏转所产生的滚转力矩使飞机做横滚机动；

飞行控制系统，所述飞行控制系统通过传感器采集无人机的飞行位置、飞行高度和飞行姿态，并控制所述旋翼和副翼动作；可利用现有信息处理单元，如单片机等接收并处理传感器和遥控器的信号，从而控制旋翼旋转和副翼摆动；

本实施例的无人机结合飞翼气动布局固定翼5无人机飞行效率高、阻力小、高速性能好，及四旋翼无人机操控灵活，易于实现飞行姿态控制的特点，实现复合型无人机高效率、高速度、高负载的巡航飞行，及其定高悬停和飞行作业的功能。

优选实施方式中，每一对所述旋翼均包括位于机身上侧的背部旋翼1和位于机身下侧的腹部旋翼2；所述背部旋翼1和腹部旋翼2通过翼稍支撑腿6连接于固定翼5两侧端部，因此可避免旋翼转动过程中产生的紊乱气流影响机身和机翼周围气流的稳定性，如图1所示，翼稍支撑腿6为Y型结构，其固定安装在固定翼5的端部，翼稍支撑腿6的两个支腿分别安装背部旋翼1和腹部旋翼2，这种布局方式既实现了四旋翼与固定翼5的结合，又提供了翼梢与支撑腿6相结合的飞行稳定机构，有利于减小长距离飞行时的翼梢旋涡气流。

优选实施方式中，所述固定翼5单侧的背部旋翼1和腹部旋翼2的间距小于固定翼5的翼展，这种布局方式使单侧背部与腹部旋翼2的间距相较固定翼 5左右两侧的距离更近，可实现超窄空间飞行。

优选实施方式中，所述机身的底部可设有用于起降的滑行轮，处于开放空间时，无人机可进行常规固定翼5无人机的起飞与降落飞行。

本发明还公开了一种无人机的飞行控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

s1.竖直起飞:狭窄空间的无人机在静止与飞行状态间切换时通常需要保持如图3所示的竖直姿态，四副螺旋桨保持相同的旋转速度，相邻螺旋桨转向相反，飞控系统基于姿态传感器数据调整尾部两块独立副翼，使得无人机保持姿态的竖直。起飞过程中，飞行控制系统通过机身姿态信息控制副翼动作，使无人机保持竖直姿态；

s2.水平飞行：通过提高无人机的两副背部旋翼1的转速，同时控制副翼向下偏转使无人机由竖直飞行转换为水平飞行，如图5所示，水平飞行过程中，四副旋翼保持同步转速，通过飞行控制系统控制旋翼的转速和副翼角度达到所需航速和飞行高度，在姿态转换阶段，如图4所示，旋翼的转速和副翼的偏转角度由飞控算法自适应调整；

s3.竖直降落：通过提高无人机的两副腹部旋翼2的转速，同时控制副翼向上偏转实现使无人机由水平飞行转换为竖直飞行；降低旋翼的转速并调节副翼角度使无人机机身竖直下降至着陆。

在步骤s2中，当无人机在水平飞行过程中需要水平转向时，可通过提高固定翼5单侧的两副旋翼的转速，同时降低同侧副翼角度实现。

在步骤s1或s3中，为了尽快适应航向需求或降落点位姿需求，无人机通过提高对应对角旋翼的转速实现方向的快速切换，与常规四旋翼无人机相同。

在步骤s2中，当无人机在水平飞行阶段需要进行高度切换时，通过控制左侧副翼4和右侧副翼3的角度，配合巡航速度实现。

当然，当无人机需要窄巷起停时，无人机按竖直起飞与竖直降落的方式进行起降，飞行过程中将不切换至水平飞行状态，而采用提高单侧两副旋翼转速的方式实现水平移动。

在步骤s2中，当无人机需要实现侧翻姿态时，可通过提高对应旋转方向的两副旋翼转速，或者将左侧副翼4和右侧副翼3按相反方向偏转实现，相对而言后者实现难度更低。对于其它姿态，可结合常规四旋翼无人机和固定翼5无人机的控制方式开展。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机，其特征在于，包括：

无人机机身，其为飞翼式固定翼结构；

旋翼，设置有两对，并分别设置于所述固定翼两侧端部；所述旋翼的转轴轴线朝向飞行方向；

副翼，包括分别设置于所述固定翼尾部、且俯仰角度可调的左侧副翼和右侧副翼；

飞行控制系统，所述飞行控制系统通过传感器采集无人机的飞行位置、飞行高度和飞行姿态，并控制所述旋翼和副翼动作。

2.根据权利要求1所述的一种两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机，其特征在于：每一对所述旋翼均包括位于机身上侧的背部旋翼和位于机身下侧的腹部旋翼；所述背部旋翼和腹部旋翼通过翼稍支撑腿连接于固定翼两侧端部。

3.根据权利要求1所述的一种两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机，其特征在于：所述固定翼单侧的背部旋翼和腹部旋翼的间距小于固定翼的翼展。

4.根据权利要求1所述的一种两侧分离式四旋翼与飞翼布局复合型无人机，其特征在于：所述机身的底部可设有用于起降的滑行轮。

5.根据权利要求1-4任一项所述的无人机的飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1.竖直起飞:将无人机机身竖直放置；控制四副旋翼以相同转速转动，同时控制相邻旋翼以相反转向转动，进而带动机身竖直起飞至设定的高度与速度；起飞过程中，飞行控制系统通过机身姿态信息控制副翼动作，使无人机保持竖直姿态；

s2.水平飞行：通过提高无人机的两副背部旋翼的转速，同时控制副翼向下偏转使无人机由竖直飞行转换为水平飞行；水平飞行过程中，四副旋翼保持同步转速，通过飞行控制系统控制旋翼的转速和副翼角度达到所需航速和飞行高度；

s3.竖直降落：通过提高无人机的两副腹部旋翼的转速，同时控制副翼向上偏转实现使无人机由水平飞行转换为竖直飞行；降低旋翼的转速并调节副翼角度使无人机机身竖直下降至着陆。

6.根据权利要求5所述的无人机的飞行控制方法，其特征在于：当无人机需要水平转向时，可通过提高固定翼单侧的两副旋翼的转速，同时降低同侧副翼角度实现。

7.根据权利要求5所述的无人机的飞行控制方法，其特征在于：当无人机需要竖直转向时，可通过提高对应对角旋翼的转速实现。

8.根据权利要求5所述的无人机的飞行控制方法，其特征在于：当无人机在水平飞行阶段需要进行高度切换时，通过控制左侧副翼和右侧副翼的角度，配合巡航速度实现。

9.根据权利要求5所述的无人机的飞行控制方法，其特征在于：当无人机需要窄巷起停时，无人机按竖直起飞与竖直降落的方式进行起降，飞行过程中将不切换至水平飞行状态，而采用提高单侧两副旋翼转速的方式实现水平移动。

10.根据权利要求5所述的无人机的飞行控制方法，其特征在于：当无人机需要实现侧翻姿态时，可通过提高对应旋转方向的两副旋翼转速，或者将左侧副翼和右侧副翼按相反方向偏转实现。