CN112455670B - 一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法 - Google Patents

一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法，对飞行器的以下动作进行操控，侧向翻滚：飞行器保持在平飞状态，平飞状态下，机翼保持水平状态且长向垂直于机身，通过调节两个机翼在的竖直向上的夹角实现飞行器的侧向翻滚；转向：飞行器保持在悬停状态，悬停状态下，机翼保持竖直状态且长向平行于机身，通过将调节机翼与机身1之间的夹角实现飞行器的转向；低速向前飞行：飞行器保持在悬停状态，两个机翼的前端向内侧靠拢，飞行器低速向前飞行；低速向后飞行：飞行器保持在悬停状态，两个机翼的后端向内侧靠拢，飞行器低速向后飞行。采用本发明的飞行器具有续航能力好、不会产生副翼反效、稳定性好和不容易出现故障的优点。

Description

一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法
技术领域
本发明属于全动式机翼飞行器领域,尤其涉及一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法。
背景技术
所述全动式机翼飞行器(简称飞行器)，又称全动式倾转翼飞机，其结构包括机身1，机身1内设有机翼驱动机构，机身1上水平横穿有与机翼驱动机构连接的转轴2，机身1的两侧均设有机翼3，转轴2的端部通过旋转机构连接机翼3，旋转机构上设有螺旋桨4，螺旋桨4始终位于机翼3的前侧，机翼驱动机构可通过转轴2带动机翼3绕转轴2旋转，旋转机构可带动机翼3旋转，从而机翼3可实现万向转动；机翼3的后侧具有可转动的副翼5，机身1的后侧设有水平尾翼6，水平尾翼6的顶部设有垂直尾翼7，水平尾翼6的后侧设有转动连接的升降舵8(自带有升降舵控制系统)，升降舵8用于改变飞行器的俯仰飞行状态，水平尾翼6和垂直尾翼7上均设有尾浆9，机身1内设有机翼控制系统、副翼控制系统和尾浆控制系统构成，机翼控制系统控制机翼3的旋转，副翼控制系统控制副翼5旋转，尾浆控制系统控制尾浆9转动速度。飞行器的飞行姿态，包括平飞状态和悬停状态。
现有的飞行器的飞行操控方法，包括操控平飞状态下的飞行器进行翻滚动作，操控悬停状态下的飞行器的前进、后退和转向，
飞行器处于平飞状态时，机翼3保持水平状态且长向垂直于机身1，副翼5平行于机翼3。当操控飞行器侧向翻滚时，如图7所示，通过副翼控制系统使两个副翼5分别向上和向下转动，与机翼3之间产生夹角，从而使螺旋桨4产生的下洗气流在两个副翼5上产生不同方向的力，从而产生翻滚力矩，使飞行器翻滚，但是相应的副翼5导致下洗气流速度变慢，对飞行器的推力减小，使得螺旋桨4必须增加很多的功率以维持原有的飞行速度，由此导致飞行器续航能力较差。此外，当飞行器高速平飞时，还可能造成“副翼反效”，飞行器无法操纵。
飞行器处于悬停状态时，机翼3保持竖直状态且长向垂直于机身1。操控飞行器转向时，如图8所示,通过副翼控制系统使两个副翼5分别前后侧转动，从而使螺旋桨4的下洗气流，在两个副翼5上产生方向不同的分力，从而产生第一个扭力，同时尾浆控制系统控制水平尾翼6上的尾浆9改变转速，从而产生第二个扭力，这两个扭力作用下，飞行器发生转向。由于副翼5倾斜阻碍了下洗气流的流动，使得下洗气流速度降低，飞行器的升力降低，从而需要提高螺旋桨4的转速，以维持飞行器的悬停状态，从而导致飞行器的续航时间减少。
操控飞行器前进或后退时，是通过尾浆控制系统改变水平尾翼6上的尾浆9的转速，尾浆9升力改变，飞行器的后端上升或下降，飞行器与地面产生夹角，飞行器处于俯冲或仰起状态，从而螺旋桨4的下洗气流与地面之间也产生夹角，产生水平向的推动分力，推动飞行器前进或后退。但是这也导致飞行器保持悬停的推力减小，于是必须加快螺旋桨4的转速以维持飞行器的悬停状态，飞行器功率增加，续航时间减少。此外，悬停状态下机翼3的迎风面大，使得飞行器前进和后退的阻力大，也导致飞行器的续航时间减少，并且在大风天气下，机翼3受风力影响大，难以维持飞行器的稳定性。
现有飞行器的操控方法的实现要求飞行器具备尾浆9、副翼5、副翼控制系统和尾浆控制系统，零件数量多，导致飞行器的总重量大，从而续航能力差；并且副翼控制系统和尾浆控制系统的结构都非常复杂，导致飞行器容易出现故障。
综上所述，采用现有飞行操控方法的飞行器存在续航能力差、会产生副翼反效、稳定性差和容易出现故障的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法。采用本发明的飞行器具有续航能力好、不会产生副翼反效、稳定性好和不容易出现故障的优点。
本发明的技术方案：一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法，对飞行器的以下动作进行操控，
侧向翻滚：将飞行器保持在平飞状态，通过调节两个机翼3在竖直向上的夹角实现飞行器的侧向翻滚；
转向：将飞行器保持在悬停状态，通过将调节机翼3与机身1之间的夹角实现飞行器的转向；
低速向前飞行：将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼3的前端向内侧靠拢，实现飞行器的低速向前飞行；
低速向后飞行：将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼3的后端向内侧靠拢，实现飞行器的低速向后飞行。
前述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法中，所述侧向翻滚，是将飞行器保持在平飞状态，通过偏转飞行器的右侧机翼3，使右侧机翼3内侧端向上翘起，实现飞行器的的向右翻滚；通过偏转左侧机翼3，使左侧机翼3的内侧端向上翘起，实现飞行器的的向左翻滚。
前述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法中，所述侧向翻滚中，通过改变右侧机翼3的偏转角度改变飞行器向右翻滚的角加速度；通过改变左侧机翼3的偏转角度改变飞行器向左翻滚的角加速度。
前述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法中，所述转向，是将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼3的前侧端同步向左偏转，实现飞行器的左转；将两个机翼3的前侧端同步向右旋转，实现飞行器的右转。
前述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法中，所述转向中，通过改变两个机翼3向左偏转的角度改变飞行器左转的角加速度；通过改变两个机翼3向右偏转的角度改变飞行器右转的角加速度。
前述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法中，所述低速向前飞行，是将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼3的前端内侧靠拢，并保持两个机翼3关于机身1镜像分布，实现飞行器的低速向前飞行。
前述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法中，所述低速向前飞行中，通过改变两个机翼3之间的夹角，改变飞行器的飞行加速度。
前述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法中，所述低速向后飞行，是将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼3的后端同步向内侧靠拢，并保持两个机翼3关于机身1镜像分布，实现飞行器的低速向后飞行。
前述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法中，所述低速向后飞行中，通过改变两个机翼3之间的夹角，改变飞行器的飞行加速度。
与现有技术相比，本发明通过转动机翼使两个机翼在机翼长向上产生夹角，从而两个机翼之间的升力不同，产生扭力，使平飞状态下的飞行器进行翻滚，在此过程中，副翼维持与机翼的平行状态，螺旋桨的下洗气流速度不变，飞行器的推力基本没有改变，从而不需要增加很多的功率以维持原有的飞行速度，从而飞行器的续航能力得以提高，由于翻滚动作没有用到副翼，副翼在翻滚过程中继续保持与机翼平行，飞行器高速飞行时，也不会产生“副翼反效”，飞行器的操纵性得以保证。
本发明通过转动机翼，使机翼长向上与机身之间的具有夹角，从而使螺旋桨产生的下洗气流总体上偏向一侧，从而使下洗气流推动机翼的推力与机身之间具有夹角，从而推动悬停状态下的飞行器转向。由于转向动作没有使用到副翼，副翼维持与机翼的平行状态，螺旋桨的下洗气流速度不变，飞行器的推力基本没有改变，从而不需要增加很多的功率以维持原有的飞行速度，从而飞行器的续航能力得以提高。
本发明通过改变悬停状态下的飞行器的两个机翼之间的夹角，使得螺旋桨的下洗气流前后强度不同，从而使飞行器前后侧的推动力不同，使飞行器低速前进或后退。在此过程中，无人机保持水平状态，升力没有发生变化，不需要加快螺旋桨的转速以维持飞行器的悬停状态，飞行器功率没有增加，续航时间不会减少。此外，悬停状态下的机翼迎风面小，使得飞行器前进和后退的阻力较小，使飞行器的续航时间得以增加，并且在大风天气下，机翼受风力影响小，易于维持飞行器的稳定性。
本发明的实现不需要尾浆和副翼参与，所以相应的可以去除飞行器上配备的尾浆、副翼、副翼控制系统和尾浆控制系统，从而零件数量降低，飞行器总重量降低，续航能力进一步提升，并且不容易出现故障。
经实际测试，采用本发明的飞行器续航能力提高了10％-28％，故障率降低了15％-35％。
综上所述，采用本发明的飞行器具有续航能力好、不会产生副翼反效、稳定性好和不容易出现故障的优点。
附图说明
图1是本发明飞行器平行状态下的示意图。
图2是本发明飞行器悬停状态下的示意图。
图3是本发明飞行器向右翻滚时的俯视图。
图4是本发明飞行器左转时的俯视图。
图5是本发明飞行器低速向前飞行的俯视图。
图6是本发明飞行器低速向后飞行的俯视图。
图7是现有飞行操控方法下的飞行器平飞状态翻滚时的示意图。
图8是现有飞行操控方法下的飞行器悬停状态转向的示意图。
附图中的标记为：1-机身，2-转轴，3-机翼，4-螺旋桨，5-副翼，6-水平尾翼，7-垂直尾翼，8-升降舵，9-尾浆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。现有全动式机翼飞行器，左侧机翼3和右侧机翼3上的两个螺旋桨4的旋转方向如图1和图2中箭头所示。一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法，对飞行器的以下动作进行操控，
侧向翻滚：将飞行器保持在平飞状态，平飞状态下，机翼3保持水平状态且长向垂直于机身1，左侧机翼3保持水平状态不变，通过偏转飞行器的右侧机翼3，使右侧机翼3内侧端向上翘起，实现飞行器的的向右翻滚，通过改变右侧机翼3的偏转角度改变飞行器向右翻滚的角加速度，偏转角度越大，飞行器向右翻滚速度越快；右侧机翼3保持水平状态不变，通过偏转左侧机翼3，使左侧机翼3的内侧端向上翘起，实现飞行器的的向左翻滚，通过改变左侧机翼3的偏转角度改变飞行器向左翻滚的角加速度，偏转角度越大，飞行器向左翻滚速度越快。
以飞行器向右翻滚为例，如图3所示，左右侧机翼3的升力分别为L和L’，当飞行器保持在平飞状态，L＝L’＝/ρCSV2，ρ为空气密度，C为机翼3的升力系数，S为机翼3面积，V为飞行器当前飞行速度。当右侧机翼3偏转θ度时，右侧机翼3升力方向也随之改变θ度，从而形成机翼3左右侧升力大小不同，左侧升力大于右侧升力，形成翻滚力矩，促使飞行器向右翻滚，翻滚角加速为α＝1/2Jρ/2V2[(1-cosθ)×R+sinθ×r],其中J为飞行器的转动惯量，R为即L’在竖向上的分力L与无人机质心在机身1宽向上的距离，r为L’在水平向上的分力L与无人机质心在机身1高度上的距离。经实际测试，飞行器重量1.5千克、翼展(左右机翼3外侧端距离)米、飞行速度60公里/小时、飞行高度海拔0-100米时，前3秒内可获得的平均角速度为480度/秒。
转向：将飞行器保持在悬停状态，悬停状态下，机翼3保持竖直状态且长向平行于机身1，将两个机翼3的前侧端同步向左偏转，实现飞行器的左转，通过改变两个机翼3向左偏转的角度改变飞行器左转的角加速度；将两个机翼3的前侧端同步向右旋转，实现飞行器的右转，通过改变两个机翼3向右偏转的角度改变飞行器右转的角加速度。螺旋桨4转动产生的下洗气流，与机翼3以及机身1，相互影响产生侧洗气流，并产生侧洗气流，侧洗气流如图4所示，左右机翼3上的侧洗气流总体上偏向同一侧，从而使无人机转向。
低速向前飞行(飞行速度0-12公里/小时)：将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼3的前端内侧靠拢，并保持两个机翼3关于机身1镜像分布，实现飞行器的低速向前飞行，通过改变两个机翼3之间的夹角，改变飞行器的飞行加速度。侧洗气流如图5所示，左右机翼3上的侧洗气流总体上关于机身1对称分布，且后侧的侧洗气流强度较大，从而产生更大的作用于飞行器的反推力，使飞行器低速向前飞行。
低速向后飞行(飞行速度0-12公里/小时)：将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼3的后端同步向内侧靠拢，并保持两个机翼3关于机身1镜像分布，实现飞行器的低速向后飞行，通过改变两个机翼3之间的夹角，改变飞行器的飞行加速度。侧洗气流如图6所示，左右机翼3上的侧洗气流总体上关于机身1对称分布，且前侧的侧洗气流强度较大，从而产生更大的作用于飞行器的反推力，使飞行器低速向后飞行。
所述左侧机翼3指的是位于飞行器飞行方向左侧的机翼3；所述右侧机翼3指的是位于飞行器飞行方向右侧的机翼3。所述的悬停状态，并不表示飞行器的飞行速度为零。
飞行器平飞状态下俯仰状态的改变:通过改变转动升降舵8,当升降舵8向上转动式,飞行器向下俯冲,反之,飞行器向上仰起，利用现有的飞行器上的升降舵控制系统实现。
采用本发明的飞行器具有续航能力好、不会产生副翼反效、稳定性好和不容易出现故障的优点。

Claims (8)

1.一种全动式机翼飞行器的飞行操控方法，其特征在于：对飞行器的以下动作进行操控，
侧向翻滚：将飞行器保持在平飞状态，平飞状态下，机翼（3）保持水平状态且长向垂直于机身（1），通过调节两个机翼（3）在竖直向上的夹角实现飞行器的侧向翻滚；
转向：将飞行器保持在悬停状态，悬停状态下，机翼（3）保持竖直状态且长向平行于机身（1），通过将调节机翼（3）与机身1之间的夹角实现飞行器的转向；
低速向前飞行：将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼（3）的前端向内侧靠拢，实现飞行器的低速向前飞行；
低速向后飞行：将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼（3）的后端向内侧靠拢，实现飞行器的低速向后飞行；
所述侧向翻滚，是将飞行器保持在平飞状态，通过偏转飞行器的右侧机翼（3），使右侧机翼（3）内侧端向上翘起，实现飞行器的向右翻滚；通过偏转左侧机翼（3），使左侧机翼（3）的内侧端向上翘起，实现飞行器的向左翻滚。
2.根据权利要求1所述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法，其特征在于：所述侧向翻滚中，通过改变右侧机翼（3）的偏转角度改变飞行器向右翻滚的角加速度；通过改变左侧机翼（3）的偏转角度改变飞行器向左翻滚的角加速度。
3.根据权利要求1所述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法，其特征在于：所述转向，是将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼（3）的前侧端同步向左偏转，实现飞行器的左转；将两个机翼（3）的前侧端同步向右旋转，实现飞行器的右转。
4.根据权利要求3所述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法，其特征在于：所述转向中，通过改变两个机翼（3）向左偏转的角度改变飞行器左转的角加速度；通过改变两个机翼（3）向右偏转的角度改变飞行器右转的角加速度。
5.根据权利要求1所述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法，其特征在于：所述低速向前飞行，是将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼（3）的前端内侧靠拢，并保持两个机翼（3）关于机身1镜像分布，实现飞行器的低速向前飞行。
6.根据权利要求5所述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法，其特征在于：所述低速向前飞行中，通过改变两个机翼（3）之间的夹角，改变飞行器的飞行加速度。
7.根据权利要求1所述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法，其特征在于：所述低速向后飞行，是将飞行器保持在悬停状态，将两个机翼（3）的后端同步向内侧靠拢，并保持两个机翼（3）关于机身1镜像分布，实现飞行器的低速向后飞行。
8.根据权利要求7所述的全动式机翼飞行器的飞行操控方法，其特征在于：所述低速向后飞行中，通过改变两个机翼（3）之间的夹角，改变飞行器的飞行加速度。
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