CN111532429A - 一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，主要为一款可依靠仿生壁虎纳米吸附材料在壁面上吸附的微型固定翼无人机，飞机采用翼身融合的飞翼布局，主机翼采用矩形机翼，典型翼展为150‑350mm，典型机长150‑300mm，机翼前缘布置动力系统，电机安装架将电机加高，避免螺旋桨和墙壁干涉，电机安装架下表面布置仿生壁虎纳米吸附材料以及用于脱离墙壁的伺服机构。本发明无人机可以实现悬停，平飞以及工况转换过程，转换为垂直飞行模式后，面对墙壁，即可实现上墙吸附过程，之后即可关闭螺旋桨，进行侦察，完成任务后，飞机可以通过伺服系统脱离墙壁，之后转换为平飞模式。

Description

一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机

技术领域

本发明属于微型无人机技术领域，具体设计一款可以在平面上吸附的微型固定翼无人机，可以用于复杂战场上的侦察，打击等任务。

背景技术

近期随着无人机市场需求的不断扩大及无人机技术的不断发展，无人机的微型化已经成该领域的重要发展方向之一。微型飞行器(Micro Air Vehicle简称MAV)作为无人机的一个类别，微型飞行器的飞行速度约在5～20m/s，其机身最大设计长度尺寸在10～15cm之间，大约是一个成年人手掌大小的飞行器。随后随着科技的发展以及对实际使用情况的深入研究，对微型飞行器的尺寸限制再渐渐放宽，而更多的要追求无人机具有更多的功能以及实用性。微型飞行器主要分为三大类，分别是固定翼微型飞行器、旋翼微型飞行器和扑翼微型飞行器，其中固定翼的研究是目前微型飞行器中研发种类最多、应用最广的类型。

微型无人机体积小，重量轻，操作简单，便于携带，隐蔽性好，具有广阔的使用空间。因为体积小的天生优势，它可以承担特殊任务，甚至能探测到大型建筑物和大型设施的内部情况。

受到电池技术的限制，目前微型无人机续航时间难以产生重大突破，同时，飞行过程中将会有较大的噪音，侦察过程中容易暴露目标，因此本发明针对此问题提出了吸附式无人机的解决方案，以实现无噪声情况下对目标地点进行长时间的侦察任务

国内外针对吸附式无人机提出了各种吸附方案，根据爬墙机器人的吸附原理分类，常见的有磁吸附、负压吸附、推力吸附、静电吸附和胶质材料吸附。其中磁吸附只能在导磁面起作用，产生的吸附力大，但是噪声也偏大。负压吸附依靠真空泵吸取吸盘内气体实现吸附，对墙壁光滑度要求较高，而且噪声、功耗大。推力吸附依靠自身推进装置产生背离壁面的气体，对壁面适应性强，但是产生推力的装置体积大效率低，噪声也很明显。静电吸附利用静电产生的库仑力吸附墙面，它有功耗低、体积小、噪声小、对壁面无损伤、吸附力可控制等特点，但是静电吸附需要较大面积的静电吸附表面，且以极高的平行度贴在墙面上才可以有效产生吸附力。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，即长距离飞行到达目标地点后，飞机吸附在固壁表面，以低功耗施行长时间侦察任务，完成任务后脱离墙壁返航。

本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，通过无人机底部安装纳米吸附材料，实现无人机在壁面上的吸附，该无人机具有主机翼、动力系统、气动舵面、垂尾、吸附-脱离系统与机头设备仓。

所述动力系统为一对微型无刷电机带动的微型螺旋桨，安装于主机翼前缘两侧设计的安装座上。气动舵面为两个，左右对称安装于主机翼后方，用于控制无人机的俯仰和滚转运动；同时在翼尖上安装有双垂尾，用于飞机的航向增稳。

所述吸附-脱离系统为两套，左右对称安装于两个安装座上；吸附-脱离系统包括纳米吸附材料、脱离伺服机构。其中，纳米吸附材料沿主机翼前后方向铺设，用于与壁面间的吸附；脱离伺服机构用于实现纳米吸附材料脱离壁面，包括脱壁伺服舵机与脱壁摇臂。其中，脱壁伺服舵机固定安装于安装座上；每个脱壁伺服舵机的输出轴上固定安装脱壁摇臂，脱壁摇臂末端固定于脱壁伺服舵机的输出轴上。

机头设备仓设置于主机翼前缘中部机头设备仓末端为安装面，安装面为内凹弧面，与主机翼前缘弧形匹配，两者通过卡扣连接固定；机头设备仓内部用于设置侦察设备等任务载荷，加长飞机机头力臂，便于飞机纵向重心的调整，保证飞机的纵向操稳特性。

本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，吸附过程为，无人机高速平飞至预定目标壁附近，此时控制无人机自动切换为垂直模式，进一步控制无人机缓缓贴近墙壁，使纳米吸附材料与壁面贴合，完成无人机在壁面上的吸附固定，完成吸附任务。

无人机脱离壁面的过程为，通过控制脱壁伺服舵机带动脱壁摇臂摆动，使脱壁摇臂的前端向壁面施加推力，进一步通过反作用力实现无人机与壁面间脱离。

完成脱离后飞机缓缓离开墙壁，转为背对墙壁，之后即可转换为平飞模式，高速返航或飞往下一个目标执行之后的任务。

本发明的优点在于：

1、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，体积小重量轻，隐蔽性好，成本低廉，提出了一种全新的察打一体作战方式，即吸附等待时机，完成打击或者返航。

2、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，使用简单可靠的纳米吸附材料，吸附能力更强，需要的尺寸小重量轻，只有静电吸附材料面积的2.6％。

3、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，降低螺旋桨尺寸限制，提高效率，因为较小的吸附面积，使得纳米吸附材料可以固定在电机安装座底部，与脱离伺服系统一起从底部突出，使得可以使用更大的螺旋桨，提高效率，延长续航，降低噪声。

4、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，吸附容错率高，静电吸附方式由于较大的面积，且需要吸附壁面的平整度很高，环境适应性较差，且上墙过程中飞机姿态角度容错率较低，而本发明只有极小的吸附面积，对壁面的要求大大降低。

5、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，零功耗吸附，纳米吸附材料吸附过程中，无任何功耗，使得飞机可以吸附时间更长，续航更久。

6、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，无需初始预紧力，纳米吸附材料依靠其强大的粘接力，几乎不需要初始预紧力，相比于大气压吸附，静电吸附，具有明显的优势。

7、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，通过吸附-脱离系统和微型无刷电机的安装支架，可以使得螺旋桨尺寸更大提高动力系统效率，延长续航时间。同时也可以提高吸附过程的容错率，降低对壁面的要求。

8、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，采用胶质材料吸附，只需要很小的面积和重量即可稳定吸附，可以减轻无人机的重量，提升飞机内部空间的利用率，吸附的过程中的姿态控制也可以有更高的容错率，提高可靠性和实用性。

9、本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，吸附过程中吸附系统完全不消耗能量，延长了续航时间。同时极低的成本也可以使得该技术具有更广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明微型固定翼无人机整体结构示意图；

图2为本发明微型固定翼无人机腹部整体结构示意图；

图3为本发明微型固定翼无人机吸附-脱离系统结构示意图；

图4为本发明微型固定翼无人机吸附→脱离过程示意图。

图中：

1-主机翼 2-动力系统 3-气动舵面

4-垂尾 5-吸附-脱离系统 6-机头设备仓

201-微型无刷电机 202-微型螺旋桨 203-安装座

204-安装台 501-纳米吸附材料 502-脱离伺服机构

502a-脱壁伺服舵机 502b-脱壁摇臂

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，飞行重量约为180-300g，适用于各类复杂战场环境的侦察，可以吸附于各类垂直壁面，作为临时监控观察点，其结构包括主机翼1、动力系统2、气动舵面3、垂尾4、吸附-脱离系统5与机头设备仓，如图1、图2所示。

所述主机翼1采用矩形机翼，翼展为150-350mm，翼长150-300mm，内部设计有设备舱，设备舱内安装有舵机、控制系统、通信系统以及电池。

如图3所示，所述动力系统2与主机翼1间进行了一体化设计，为一对微型无刷电机201带动的微型螺旋桨202，通过对两个微型无刷电机201的差速，控制无人机的偏航运动。其中，两个微型无刷电机201左右对称安装于主机翼1前缘两侧设计的安装座203上。安装座203通过3D打印成型，一端为对接端，设计为内凹对接面，该对接面为弧形，与主机翼1前缘弧形匹配，两者通过胶结的方式进行固定。安装座203前端设计为支架结构，支架前端面上安装微型无刷电机201。安装座203的对接端底部还设计有用于安装吸附-脱离系统5的安装台，在两个安装座203安装完毕后，安装座203的安装台分别位于主机翼1底面前部左右位置。通过上述安装座203前端支架，使微型无刷电机201被支架架起一定高度，同时配合安装座203的对接端底部的安装台将无人机撑起，使得无人机在避免在吸附状态，微型螺旋桨202与壁面发生干涉。

上述通过支架架起的微型螺旋桨202会导致无人机在悬停时候受到强大的低头力矩的影响，且架起高度越高，低头力矩越大，而低头力矩均需要尾部的气动舵面3进行配平，因此可以架起的最大高度受到飞机舵面控制力的限制。无人机悬停状态的纵向平衡方程如下式所示：

2Fcosθ＝mg

其中，F为螺旋桨产生拉力，一般接近无人机重力，θ为无人机悬停状态的姿态角,通常接近0°，m为飞机质量，

为舵面俯仰力矩导数，

为舵面X方向力的导数，两个气动导数有飞机固有的设计决定，δ_e为舵面偏角，一般限制在30°以内，因此在舵面偏角限制下，无人机允许的螺旋桨架起高度L将会受到限制，而L的限制将决定螺旋桨最大允许直径。

所述气动舵面3为两个，左右对称安装于主机翼1后方，两个气动舵面3通过铰链与主机翼1后缘。通过两个气动舵面3控制无人机的俯仰和滚转运动。同时在翼尖上安装有双垂尾4，用于飞机的航向增稳。

所述吸附-脱离系统5为两套，左右对称安装于前述两个安装座203的安装台204上。吸附-脱离系统5包括纳米吸附材料501与脱离伺服机构502。其中，纳米吸附材料501沿主机翼1前后方向铺设于安装台204下表面，用于与壁面间的吸附。由于纳米吸附材料501具有极强的粘性，经过实际测试，只需要两块10mm×15mm的纳米吸附材料501固定在安装台204下表面即可稳定吸附，粘接面积只有静电吸附材料的2.6％，无人机的重量几乎没有增加。

如图3所示，脱离伺服机构502包括脱壁伺服舵机502a与脱壁摇臂502b；其中，脱壁伺服舵机502a固定安装于安装台204上，输出轴轴向沿主机翼1左右方向设置于安装台204外侧，且位于纳米吸附材料501前端位置。上述每个脱壁伺服舵机502a的输出轴上固定安装脱壁摇臂502b，脱壁摇臂502b末端固定于脱壁伺服舵机502a的输出轴上，在无人机处于吸附状态下，通过控制脱壁伺服舵机502a，带动脱壁摇臂502b摆动，由脱壁摇臂502b前端向壁面施加推力，同时受到的反作用力，使纳米吸附材料501脱离壁面。由此通过脱壁摇臂502b和纳米吸附材料501配合使用即可实现无人机在壁面上的吸附与脱离过程。本发明中设计脱壁摇臂502b长度为2cm，脱离时候脱壁摇臂502b前端对墙壁的最大推力可达24N，保证飞机可靠脱离。

所述机头设备仓6设置于主机翼1前缘中部；机头设备仓6末端为安装面，安装面为内凹弧面，与主机翼1前缘弧形匹配，两者通过卡扣连接固定；机头设备仓6内部用于设置侦察设备等任务载荷，加长无人机机头力臂，便于无人机纵向重心的调整，保证无人机的纵向操稳特性。

本发明可在平面上吸附的微型固定翼无人机，具有悬停平飞以及工况转换过程三种飞行模式，控制完全依靠主机翼1后缘处的一对气动舵面3实现，在转换过程中，使用自主研发的过渡控制算法，使得无人机可以使用固定翼模式高效巡航飞往预定地点，进入垂直模式贴墙待机，进行长时间监测侦察，之后无人机脱离墙壁，进行自动打击或者转为平飞模式，高效返航。

如图4所示，吸附过程为，无人机高速平飞至预定目标壁附近，此时控制无人机自动切换为垂直模式，进一步控制无人机缓缓贴近墙壁，使纳米吸附材料501与壁面贴合，完成无人机在壁面上的吸附固定，完成吸附任务。

无人机脱离壁面的过程为，通过控制脱壁伺服舵机502a带动脱壁摇臂502b摆动，使脱壁摇臂502b的前端向壁面施加推力，进一步通过反作用力实现无人机与壁面间脱离。

完成脱离后飞机缓缓离开墙壁，转为背对墙壁，之后即可转换为平飞模式，高速返航或飞往下一个目标执行之后的任务。

上述结构的无人机体积小重量轻，战场上单兵携带，隐蔽侦察，同时具有较大的载重，可以实现各种功能或增长续航。

Claims (8)

1.一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，其特征在于：通过无人机底部安装纳米吸附材料，实现无人机在壁面上的吸附。

2.如权利要求1所述一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，其特征在于：具有主机翼、动力系统、气动舵面、垂尾、吸附-脱离系统与机头设备仓；

所述动力系统为一对微型无刷电机带动的微型螺旋桨，安装于主机翼前缘两侧设计的安装座上；气动舵面为两个，左右对称安装于主机翼后方，用于控制无人机的俯仰和滚转运动；同时在翼尖上安装有双垂尾，用于飞机的航向增稳；

所述吸附-脱离系统为两套，左右对称安装于两个安装座上；吸附-脱离系统包括纳米吸附材料、脱离伺服机构；其中，纳米吸附材料沿主机翼前后方向铺设，用于与壁面间的吸附；脱离伺服机构用于实现纳米吸附材料脱离壁面，包括脱壁伺服舵机与脱壁摇臂；其中，脱壁伺服舵机固定安装于安装座上；每个脱壁伺服舵机的输出轴上固定安装脱壁摇臂，脱壁摇臂末端固定于脱壁伺服舵机的输出轴上；

机头设备仓设置于主机翼前缘中部机头设备仓末端为安装面，安装面为内凹弧面，与主机翼前缘弧形匹配，两者通过卡扣连接固定；机头设备仓内部用于设置侦察设备等任务载荷，加长飞机机头力臂，便于飞机纵向重心的调整，保证飞机的纵向操稳特性。

3.如权利要求2所述一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，其特征在于：主机翼采用矩形机翼，内部设计有设备舱，设备舱内安装有舵机、控制系统、通信系统以及电池。

4.如权利要求2所述一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，其特征在于：安装座前端设计为支架结构，支架前端面上安装微型无刷电机。安装座底部还设计有用于安装吸附-脱离系统的安装台，安装台分别位于主机翼底面前部左右位置。

5.如权利要求2所述一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，其特征在于：脱壁伺服舵机输出轴轴向沿主机翼左右方向设置于安装台外侧，且位于纳米吸附材料前端位置。

6.如权利要求2所述一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，其特征在于：脱壁摇臂长度为2cm，脱离时候脱壁摇臂前端对墙壁的最大推力可达24N。

7.如权利要求2所述一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，其特征在于：吸附状态下，通过控制脱壁伺服舵机，带动脱壁摇臂摆动，由脱壁摇臂前端向壁面施加推力，同时受到的反作用力，使纳米吸附材料脱离壁面。

8.如权利要求2所述一种可在平面上吸附的微型固定翼无人机，其特征在于：吸附过程为，无人机高速平飞至预定目标壁附近，此时控制无人机自动切换为垂直模式，进一步控制无人机缓缓贴近墙壁，使纳米吸附材料与壁面贴合，完成无人机在壁面上的吸附固定，完成吸附任务。

无人机脱离壁面的过程为，通过控制脱壁伺服舵机带动脱壁摇臂摆动，使脱壁摇臂的前端向壁面施加推力，进一步通过反作用力实现无人机与壁面间脱离。

完成脱离后飞机缓缓离开墙壁，转为背对墙壁，之后即可转换为平飞模式，高速返航或飞往下一个目标执行之后的任务。

Images