CN113148138A - 一种尾座式无人机及操纵方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尾座式无人机及操纵方法，属于垂直起降无人机技术领域。所述无人机的头部安装旋翼，机身侧面设计旋翼折叠收放舱，机翼位于机身中部呈后掠中单翼构型，机翼内侧布置襟翼外侧布置副翼，机身尾部设计螺旋桨，并等角度布置尾翼作为起落架，同时构成“V”尾。旋翼和螺旋桨采用两个电机独立驱动。在起飞阶段机身竖直向上，由旋翼提供拉力和操纵力矩，襟翼平衡反扭距，随着爬升速度增加机身前倾进入固定翼模式，旋翼停转并折叠到收放舱内，由螺旋桨提供前飞推力，气动舵面提供操纵力矩；在回收阶段，旋翼桨叶展开，纵向周期变距与“V”尾共同操纵无人机向上爬升，实现水平状态向垂直状态转换，最终完成垂直着陆。

Description

一种尾座式无人机及操纵方法

技术领域

本发明属于垂直起降无人机技术领域，具体涉及一种尾座式无人机及操纵方法。

技术背景

垂直起降固定翼无人机因具有独特的垂直起降能力和高速高效的巡航性能，特别适合执行对起降场地和高效前飞速度有要求的特殊使用场景。在无人侦察、海防、战场态势捕获等军事应用领域，以及在复杂地形环境下的输油输电管线检测、快速投送、航拍测绘等民用领域都有极大的应用需求。随着智慧城市与人工智能概念的提出，在城市管理数字化发展的大背景下，以无人机为空中平台进行城市安防监控、实景建模、交通指挥、倾斜摄影等行业应用更迫切需要一款成熟、稳定、高效的无人空中作业平台。近年来国内垂直起降固定翼领域发展较为迅速，已涌现出多种类别的垂直起降固定翼无人机，如常规复合式、尾座式、倾转涵道或旋翼式、矢量推进式等。

常规复合式无人机以固定翼平台为基础，在机身或机翼上加装多套垂直螺旋桨组件，在机身的尾部或者头部安装水平推力/拉力螺旋桨，实现垂直起降和高速巡航功能。在巡航阶段切换到固定翼模式，垂直螺旋桨组件停止工作。该复合式无人机较为突出的问题是多套垂直螺旋桨组件在固定翼飞行模式停止工作，为全机增加废重，较大程度影响了整机的有效载荷并降低前飞的气动性能。

倾转旋翼无人机在机翼的两端布置可倾转的短舱系统，在直升机模式短舱垂直向上，通过两套旋翼系统提供垂向拉力；在过渡模式，两套短舱带动旋翼系统倾转，将旋翼的拉力由垂直方向转换为水平方向；进入飞机模式，由旋翼提供前飞拉力，并协调固定翼舵面进行控制。该无人机的桨叶需要同时兼顾直升机和固定翼，其气动效率折中，而且在倾转过渡模式，全机气动外场发生变化，对控制系统提出较高要求，目前国内仍在该领域开展关键技术难点研究。

尾坐式无人机总体构型简单，特别是过渡模式机身倾转，无人机的气动外形不变。采用机尾着陆式垂直起飞，达到一定高度后转入平飞；回收时先增大机身俯仰角爬升到垂直状态，逐渐减速至悬停，然后减小推力缓缓降落。在国内已有多家单位研制或在研各种构型的尾坐式布局的无人机，其中比较有代表性的如成都飞机设计研究院的飞翼布局VD200无人机，目前的国内外各种尾座式无人机在起降阶段和固定翼巡航阶段使用同动力系统，导致其效率折中。

发明内容

综合考虑到当前垂直起降无人机的优缺点，本发明公开了一种尾座式无人机，提出一种具备高效的垂直起降能力和高速的巡航性能的新型尾座式无人机。

本申请提供的一种尾座式无人机包括大尺寸旋翼系统，所述旋翼系统位于机身头部，用于提供垂直模式的悬停拉力；还包括螺旋桨，所述螺旋桨位于机身尾部，用于提供水平模式前飞推力。

进一步的，所述无人机设有旋翼系统、机翼、机身、尾翼、螺旋桨和驱动电机，其中，所述旋翼系统位于机身头部，旋翼的转轴同机身纵轴重合，机翼呈小后掠角的无上反中单翼构型；在所述机身尾部设有尾翼，尾翼后缘有舵面，在所述尾翼内侧布置前飞的螺旋桨。

进一步的，所述旋翼系统用于起降和过渡飞行阶段，操纵旋翼的纵向、横向周期变距和总距，产生俯仰、滚转操纵力矩和升力。

作为本申请的一种优选实施方案，所述的尾翼有三个，位于机身尾部呈120°等角度布局，其中一个尾翼位于机身腹部，与机身纵向对称面重合，另外两个尾翼位于机身背部侧面左右对称，呈“V”形，尾翼的后缘布置可操纵的舵面。

作为本申请的一种优选实施方案，所述无人机机身的侧面设有用于旋翼桨叶折叠的收放舱，所述旋翼系统中设有桨叶折叠和展开驱动机构，在起降和过渡飞行阶段将旋翼桨叶展开进入工作状态，在巡航阶段即固定翼飞行模式下，驱动旋翼桨叶折叠收放到所述收放舱中。

进一步的，所述旋翼系统和螺旋桨通过两套独立的电机驱动，每套电机分别控制旋翼和螺旋桨工作。

更进一步的，所述机翼为梯形且带有后掠角，位于机身中部。

本申请还提供上述尾座式无人机操纵方法，所述操纵方法通过两套电机分别驱动旋翼和螺旋桨，在垂直起降模式，旋翼电机驱动旋翼工作，螺旋桨电机停止工作；在过渡飞行模式，两套电机同时工作，分别驱动旋翼和螺旋桨；在固定翼飞行模式，旋翼电机停转，螺旋桨电机驱动螺旋桨处于工作状态，提供前飞推力。

进一步的，所述操纵方法包括控制所述无数人机在以下几种飞行模式相互转换：

垂直起降模式，作用于起飞和着陆阶段，垂直飞行模式旋翼处于工作状态，操纵旋翼周期变距和总距完成操纵控制；

过渡飞行模式，在过渡飞行模式中，所述旋翼和螺旋桨同时工作，为过渡模式转换提供富余拉力；

固定翼飞行模式，在该模式旋翼停转，并折叠到收放舱中，由螺旋桨提供前飞推力。

进一步的，在垂直起飞状态，无人机三个尾翼着地作为起落架，机体竖直朝上；首先启动旋翼产生拉力使无人机离开地面，其中利用旋翼周期变距产生俯仰和滚转操纵力矩，位于旋翼尾流中的襟翼产生航向操纵力矩用于平衡旋翼的反扭距；

垂直与平飞转换过程中，当无人机起飞离地一定高度后，螺旋桨启动，无人机开始快速爬升，并同步操纵纵向周期变距和机身背部左右尾舵面共同产生低头力矩使无人机在爬升的过程中，俯仰角由垂直向水平转换，在转换的过程中增加旋翼总距和螺旋桨转速，快速增加无人机的飞行速度，进而逐渐转入固定翼平飞状态；

进入固定翼巡航阶段，当俯仰角达到平飞配平姿态且前飞速度大于固定翼的最小平飞速度时，旋翼停止工作，驱动机构将旋翼折叠到收放舱内，由螺旋桨独立提供固定翼的前飞推力；

进入回收模式，无人机在平飞状态逐渐减速，驱动机构将旋翼展开，电机驱动旋翼进入工作状态，同时操纵纵向周期变距和机身背部左右尾舵面共同产生抬头力矩，使无人机在爬升的过程中逐渐增大俯仰角，进而实现由水平状态向垂直状态转换飞行。进入垂直模式后，螺旋桨停止工作，无人机升力完全由旋翼产生，降低旋翼总距操纵使无人机逐渐降低爬升速度，同步操纵旋翼周期变距和襟翼使无人机实现空中悬停，继续减小总距使无人机以安全降落速度竖直下降至地面，旋翼停止工作，并折叠收放至收放舱中。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：

本申请提供的无人机采用旋翼系统用于垂直起降，起降效率接近直升机，远高于倾转旋翼和采用多旋翼方式的复合翼布局；巡航阶段采用固定翼螺旋桨推进，旋翼桨叶折叠后机身气动外形良好，飞行阻力较小，可充分发挥固定翼的优点，实现长航时和高速巡航；该型无人机在模式转换过程以及固定翼模式，机身气动流场一直处于前飞状态，其稳定性和过渡安全裕度优于倾转旋翼机构型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本申请尾座式无人机总体外形图；

图2、图3、图4为本申请尾座式无人机三视图；

图5为本申请桨叶折叠型尾坐式无人机全包线飞行过程图；

图中，1-主旋翼；2-机身；3-收放舱；4-机翼；5-襟翼；6-副翼；7-第一尾翼；8-升降舵；9-第二尾翼；10-方向舵；11-螺旋桨。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例为本申请提供的一种尾座式无人机包括大尺寸旋翼系统，所述旋翼系统位于机身头部，用于提供垂直模式的悬停拉力；还包括螺旋桨，所述螺旋桨位于机身尾部，用于提供水平模式前飞推力。所述无人机设有旋翼系统、机翼、机身、尾翼、螺旋桨和驱动电机，其中，所述旋翼系统位于机身头部，旋翼的转轴同机身纵轴重合，机翼呈小后掠角的无上反中单翼构型；在所述机身尾部设有尾翼，尾翼后缘有舵面，在所述尾翼内侧布置前飞的螺旋桨。

如图1至图4所示，旋翼1位于机身头部，旋翼轴与机身2纵轴重合，机身2上下两侧布置用于旋翼折叠的收放舱3，机翼4位于机身中部，采用中单翼小后略设计，机翼4左右内侧布置襟翼5、左右外侧布置副翼6，在机身2尾部设计呈120°交叉的尾翼，其中第一尾翼7为“V”型尾翼，布置升降舵8，第二尾翼9为垂直安定面，布置方向舵10，在机身2尾部以及第一尾翼7、尾翼9内侧布置螺旋桨11。

为了进一步配合该无人机的飞行姿态控制，作为本申请的一种优选实施方案，所述无人机机身的侧面设有用于旋翼桨叶折叠的收放舱，所述旋翼系统中设有桨叶折叠和展开驱动机构，在起降和过渡飞行阶段将旋翼桨叶展开进入工作状态，在巡航阶段即固定翼飞行模式下，驱动旋翼桨叶折叠收放到所述收放舱中。

进一步的，所述旋翼系统用于起降和过渡飞行阶段，操纵旋翼的纵向、横向周期变距和总距，产生俯仰、滚转操纵力矩和升力。

进一步的，所述旋翼系统和螺旋桨通过两套独立的电机驱动，每套电机分别控制旋翼和螺旋桨工作。

更进一步的，所述机翼为梯形且带有后掠角，位于机身中部。

所述的两套电机分别驱动旋翼1和螺旋桨11，在垂直起降模式旋翼电机驱动旋翼工作，螺旋桨电机停止工作，在过渡模式，两套电机同时工作，分别驱动旋翼和螺旋桨，在固定翼飞行模式，旋翼电机停转，螺旋桨电机驱动螺旋桨处于工作状态，提供前飞推力。

旋翼1带有自动倾斜器，通过操纵旋翼的纵向、横向周期变距可以实现无人机在垂直飞行模式的俯仰和滚转运动，操纵总距可以实现无人机的垂直爬升和下滑运动。

本申请提供的无人机采用旋翼系统用于垂直起降，起降效率接近直升机，远高于倾转旋翼和采用多旋翼方式的复合翼布局；巡航阶段采用固定翼螺旋桨推进，旋翼桨叶折叠后机身气动外形良好，飞行阻力较小，可充分发挥固定翼的优点，实现长航时和高速巡航。

实施例2

本申请还提供上述尾座式无人机操纵方法，所述操纵方法通过两套电机分别驱动旋翼和螺旋桨，在垂直起降模式，旋翼电机驱动旋翼工作，螺旋桨电机停止工作；在过渡飞行模式，两套电机同时工作，分别驱动旋翼和螺旋桨；在固定翼飞行模式，旋翼电机停转，螺旋桨电机驱动螺旋桨处于工作状态，提供前飞推力。

进一步的，所述操纵方法包括控制所述无数人机在以下几种飞行模式相互转换：

垂直起降模式，停机时无人机垂直着地，机体竖直朝上，无人机尾部三个尾翼7，9作为起落架，首先启动旋翼1产生拉力使无人机离开地面，其中起飞阶段旋翼周期变距可以产生俯仰和滚转操纵力矩，位于旋翼1尾流中的襟翼5产生航向操纵力矩用于平衡旋翼1反扭距。

过渡飞行模式，在过渡飞行模式中，所述旋翼和螺旋桨同时工作，为过渡模式转换提供富余拉力；固定翼飞行模式，在该模式旋翼停转，通过机械限位将旋翼桨叶锁定在机翼折叠舱位置，桨叶向后折叠到收放舱中，舱门关闭，有效地降低前飞阻力，由螺旋桨提供前飞推力。

进一步的，在垂直起飞状态，无人机三个尾翼着地作为起落架，机体竖直朝上；首先启动旋翼产生拉力使无人机离开地面，其中利用旋翼周期变距产生俯仰和滚转操纵力矩，位于旋翼尾流中的襟翼产生航向操纵力矩用于平衡旋翼的反扭距；

垂直与平飞转换过程中，当无人机起飞离地一定高度后，螺旋桨启动，无人机开始快速爬升，并同步操纵纵向周期变距和机身背部左右尾舵面共同产生低头力矩使无人机在爬升的过程中，俯仰角由垂直向水平转换，在转换的过程中增加旋翼总距和螺旋桨转速，快速增加无人机的飞行速度，进而逐渐转入固定翼平飞状态；

固定翼飞行模式：当俯仰角达到平飞状态且空速大于固定翼的最小平飞速度时，旋翼1停止工作，驱动机构将旋翼1旋转到收放舱3内，由尾部的螺旋桨11提供固定翼前飞推力。

进入回收模式，无人机在平飞状态逐渐减速，驱动机构将旋翼展开，电机驱动旋翼进入工作状态，同时操纵纵向周期变距和机身背部左右尾舵面共同产生抬头力矩，使无人机在爬升的过程中逐渐增大俯仰角，进而实现由水平状态向垂直状态转换飞行。进入垂直模式后，螺旋桨停止工作，无人机升力完全由旋翼产生，降低旋翼总距操纵使无人机逐渐降低爬升速度，同步操纵旋翼周期变距和襟翼使无人机实现空中悬停，继续减小总距使无人机以安全降落速度竖直下降至地面，旋翼停止工作，并折叠收放至收放舱中。

该型无人机在模式转换过程以及固定翼模式，机身气动流场一直处于前飞状态，其稳定性和过渡安全裕度优于倾转旋翼机构型。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种尾座式无人机，其特征在于：所述无人机包括大尺寸旋翼系统，所述旋翼系统位于机身头部，用于提供垂直模式的悬停拉力；还包括螺旋桨，所述螺旋桨位于机身尾部，用于提供水平模式前飞推力。

2.根据权利要求1所述的一种尾座式无人机，其特征在于：所述无人机设有旋翼系统、机翼、机身、尾翼、螺旋桨和驱动电机，其中，所述旋翼系统位于机身头部，旋翼的转轴同机身纵轴重合，机翼呈小后掠角的无上反中单翼构型；在所述机身尾部设有尾翼，尾翼后缘有舵面，在所述尾翼内侧布置前飞的螺旋桨。

3.根据权利要求2所述的一种尾座式无人机，其特征在于：所述旋翼系统用于起降和过渡飞行阶段，操纵旋翼的纵向、横向周期变距和总距，产生俯仰、滚转操纵力矩和升力。

4.根据权利要求2或3所述的一种尾座式无人机，其特征在于：所述的尾翼有三个，位于机身尾部呈120°等角度布局，其中一个尾翼位于机身腹部，与机身纵向对称面重合，另外两个尾翼位于机身背部侧面左右对称，呈“V”形，尾翼的后缘布置可操纵的舵面。

5.根据权利要求4所述的一种尾座式无人机，其特征在于：所述旋翼系统和螺旋桨通过两套独立的电机驱动，每套电机分别控制旋翼和螺旋桨工作。

6.根据权利要求4所述的一种尾座式无人机，其特征在于：所述机翼为梯形且带有后掠角，位于机身中部。

7.根据权利要求1所述的一种尾座式无人机操纵方法，其特征在于：所述操纵方法通过两套电机分别驱动旋翼和螺旋桨，在垂直起降模式，旋翼电机驱动旋翼工作，螺旋桨电机停止工作；在过渡飞行模式，两套电机同时工作，分别驱动旋翼和螺旋桨；在固定翼飞行模式，旋翼电机停转，螺旋桨电机驱动螺旋桨处于工作状态，提供前飞推力。

8.根据权利要求7所述的操纵方法，其特征在于：所述操纵方法包括控制所述无数人机在以下几种飞行模式相互转换：

垂直起降模式，作用于起飞和着陆阶段，垂直飞行模式旋翼处于工作状态，操纵旋翼周期变距和总距完成操纵控制；

过渡飞行模式，在过渡飞行模式中，所述旋翼和螺旋桨同时工作，为过渡模式转换提供富余拉力；

固定翼飞行模式，在该模式旋翼停转，并折叠到收放舱中，由螺旋桨提供前飞推力。

9.根据权利要求8所述的操纵方法，其特征在于：

在垂直起飞状态，无人机三个尾翼着地作为起落架，机体竖直朝上；首先启动旋翼产生拉力使无人机离开地面，其中利用旋翼周期变距产生俯仰和滚转操纵力矩，位于旋翼尾流中的襟翼产生航向操纵力矩用于平衡旋翼的反扭距；

垂直与平飞转换过程中，当无人机起飞离地一定高度后，螺旋桨启动，无人机开始快速爬升，并同步操纵纵向周期变距和机身背部左右尾舵面共同产生低头力矩使无人机在爬升的过程中，俯仰角由垂直向水平转换，在转换的过程中增加旋翼总距和螺旋桨转速，快速增加无人机的飞行速度，进而逐渐转入固定翼平飞状态；

进入固定翼巡航阶段，当俯仰角达到平飞配平姿态且前飞速度大于固定翼的最小平飞速度时，旋翼停止工作，驱动机构将旋翼折叠到收放舱内，由螺旋桨独立提供固定翼的前飞推力；

进入回收模式，无人机在平飞状态逐渐减速，驱动机构将旋翼展开，电机驱动旋翼进入工作状态，同时操纵纵向周期变距和机身背部左右尾舵面共同产生抬头力矩，使无人机在爬升的过程中逐渐增大俯仰角，进而实现由水平状态向垂直状态转换飞行；

进入垂直模式后，螺旋桨停止工作，无人机升力完全由旋翼产生，降低旋翼总距操纵使无人机逐渐降低爬升速度，同步操纵旋翼周期变距和襟翼使无人机实现空中悬停，继续减小总距使无人机以安全降落速度竖直下降至地面，旋翼停止工作，并折叠收放至收放舱中。

Images