CN113173248A - 一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，包括主机翼、矢量动力系统、气动舵面、垂尾、吸附‑脱离系统与机腹设备仓，所述吸附‑脱离系统安装于机腹中上侧；所述吸附‑脱离系统包括仿生吸附干胶与脱离伺服机构；所述仿生吸附干胶在机腹外侧沿主机翼前后方向铺设，用于吸附壁面；机腹两侧对称安装有两套所述脱离伺服机构，用于实现所述仿生吸附干胶与壁面的脱离；所述脱离伺服机构包括脱壁伺服舵机、脱壁凸轮和脱壁摇臂。本发明的无人机在长距离飞行到预定场地后，能够实现在垂直壁面上的低功耗长时间吸附，在吸附过程中可执行侦察任务，完成后脱离壁面返航。
Description
技术领域
本发明涉及微型无人机技术领域，具体涉及一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机。
背景技术
目前大型无人机已经越来越多的运用在实战中，但是在反恐作战、特定区域侦察、目标人物跟踪、室内隐蔽侦察方面仍然无法发挥作用，急需微型无人机(Micro AirVehicle简称MAV)来补充现有的军用无人机装备体系。微型无人机是指尺寸只有手掌大小(约15cm)的飞行器，按照其飞行原理可分为固定翼微型飞行器、旋翼微型飞行器和扑翼微型飞行器三种构型。上个世纪90年代以来,微型无人机引起了各国的关注，以美国为代表的世界各国都对其展开了研究，其中固定翼无人机因效率高，航程远，载重大，速度快等优点，应用最为广泛，研究热度最高。
微型无人机体积小、重量轻、隐蔽性好、机动性强、灵活度高，在城市环境下作战优势明显，可以给战斗人员提供低空、机动视角的侦察,随时感知瞬息变的战场态势，为作战行动提供信息支撑。
受到电池技术发展的限制，目前微型无人机的续航时间普遍较短，且在飞行过程中会产生较大的噪音导致在侦查过程中容易暴露。因此，本发明针对这些问题提出吸附式微型无人机的解决方案，以实现无功耗无噪声的长时侦察，提高战场生存率和滞留时间。
目前常用的吸附方式有以下几种：磁吸附、静电吸附，负压吸附和推力吸附。其中磁吸附产生的吸附力大，但是只能在导磁面起作用且噪声也偏大。静电吸附利用静电产生的库仑力吸附墙面，需要较大面积，并且以极高的平行度贴墙才能有效产生吸附力，对表面平整度和光滑度要求较高。负压吸附功耗大，噪声大，对所吸附的壁面光滑度具有很高的要求。推力吸附虽然适应性很强,但是装置笨重，效率很低，噪声过大，不适合微型无人机使用。
为兼顾固定翼和多旋翼的优势，同时保证吸附作业的顺利实施，选择尾座式无人机构型，可实现垂直起降且有较大的飞行速度。这类飞机悬停状态下涉及大迎角(50°以上)飞行稳定性问题，由于气流的不对称分离会产生滚转发散。在悬停状态向平飞状态转换时，容易产生模式切换不稳定，抗风性能差等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，可长距离飞行到预定场地后，实现在垂直壁面上的低功耗长时间吸附，在吸附过程中可执行侦察任务，完成后脱离壁面返航。
本发明的技术方案如下：
一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，通过在无人机机腹布置纳仿生吸附干胶(501)，实现无人机在壁面上的吸附，该无人机包括两侧主机翼(1)、矢量动力系统(2)、气动舵面(3)、垂尾(4)、吸附-脱离系统(5)与机腹设备仓(6)；
机腹内部设计有机腹设备舱(6)，所述机腹两侧连接所述主机翼(1)，两侧所述主机翼(1)前端的安装座上均对称安装有矢量动力系统(2)，两侧所述主机翼(1)后端均通过铰链对称安装有气动舵面(3)，在机腹末端两侧对称布置垂尾(4)，所述吸附-脱离系统(5)安装于机腹中上侧；
所述吸附-脱离系统(5)包括仿生吸附干胶(501)与脱离伺服机构(502)；其中，所述仿生吸附干胶(501)在机腹外侧沿主机翼(1)前后方向铺设，用于吸附壁面；机腹两侧对称安装有两套所述脱离伺服机构(502)，用于实现所述仿生吸附干胶(501)与壁面的脱离；所述脱离伺服机构(502)包括脱壁伺服舵机(502a)、脱壁凸轮(502b)和脱壁摇臂(502c)；其中，脱壁伺服舵机(502a)固定在机腹设备舱(6)内；每个脱壁伺服舵机(502a)的输出轴上固定安装脱壁凸轮(502b)，所述固定脱壁凸轮(502b)与所述脱壁摇臂(502c)末端外侧固定，脱壁凸轮(502b)与脱壁摇臂(502c)可从机腹设备舱(6)两侧预留的空隙中伸出与壁面接触。
优选地，所述机腹设备仓(6)尺寸为18cm*7cm*10cm，外部布置仿生吸附干胶(501)。
优选地，所述主机翼(1)设有上反角。
优选地，所述矢量动力系统(2)采用微型螺旋桨(202)，通过不同的矢量偏角配平，使姿态位置解耦，实现无人机的任意姿态悬停；
所述微型固定翼无人机悬停状态的纵向平衡方程如下式所示：
其中，F为动力系统产生的拉力，接近无人机重力；θ为无人机悬停状态的姿态角，接近0°；
为动力系统轴线和无人机机体轴线之间的角度，与无人机机体轴线平行为0，倾转机构前倾(下偏)为负，后仰(抬头)为正；m为飞机质量；L为动力系统支架所在直线(平行于机体轴线)与重心之间的距离；
为舵面俯仰力矩导数，
为舵面X方向力的导数，两个气动导数由飞机固有的设计决定；δe为舵面偏角，限制在30°以内。
优选地，所述主机翼1采用梯形机翼，所述机腹设备舱6内安装舵机、控制系统、通信系统以及电池。
优选地，所述动力系统2与主机翼1一体化设计，所述动力系统2采用一对微型无刷电机带动的矢量动力微型螺旋桨202。
优选地，所述机腹设备仓6内部用于设置侦察设备等任务载荷。
优选地，所述脱壁凸轮502b半径为0.3cm，所述脱壁摇臂502c长度为2cm，脱离时所述脱壁凸轮502b和脱壁摇臂502c前端对墙壁的最大推力分别达61.5N和24N。
一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机吸附壁面的方法，步骤如下：
经过长距离高速平飞至预定目标壁面附近，控制无人机切换为垂直飞行模式，接着控制无人机缓缓贴近墙壁，使仿生吸附干胶501与垂直壁面贴合，完成在壁面上的吸附任务。
一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机脱离壁面的方法，步骤如下：
在无人机处于吸附状态下，通过控制脱壁伺服舵机502a，首先带动脱壁凸轮502b转动，较短的力臂对壁面施加较大的推力，受到壁面施加的反作用力；接着带动脱壁摇臂502c转动，由脱壁摇臂502c前端向壁面施加推力，脱壁摇臂502c相对较长，可实现较大距离的移动，使所述仿生吸附干胶501脱离壁面。
与现有技术相比，本发明的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机的优势在于以下几点：
1、本发明的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，具有体积小，重量轻，隐蔽性好，经济性好等优点，其多模式飞行与吸附系统使其有广泛的应用前景。本发明的微型固定翼无人机可以实现一种全新的察打一体作战方式，吸附时进行侦察，等待时机进行打击或返航。
2、本发明的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，吸附干胶重量轻。使用简单可靠的仿生吸附干胶，吸附能力强，所需吸附材料尺寸小，只有静电吸附材料面积的2.6％，大大减轻了飞机重量，可提高对机腹设备舱的利用率，能够放置多种传感器实现侦察等任务。
3、本发明的机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，给定任意姿态θ时，可通过控制动力系统的偏角
使其与F，δe满足下述的平衡方程，达到在任意姿态悬停的目的：
所述微型固定翼无人机悬停状态的纵向平衡方程如下式所示：
4、本发明的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，能够有效降低螺旋桨尺寸限制。由于设备舱空间较大，采用较大的螺旋桨时不会与壁面发生干涉，可以提高飞行效率，延长续航时间并有效降低噪声。
5、本发明的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，设备舱空间较大，尺寸为18cm*7cm*10cm，机腹高度超过翼展的四分之一，超过传统同级别固定翼无人机的两倍。可放置多种传感器用于进行侦察等任务。便于飞机纵向重心的调整，保证飞机的纵向操稳特性。外部可布置仿生粘附干胶，与墙壁接触面积大，对贴墙角度要求较低，相较于常见的支架吸附方式飞行效率更高，吸附可靠性更强。飞机垂直方向尺度较大，增加了气动稳定性，大迎角飞行状态下不易产生不对称的分离，提高了滚转稳定性。且本发明的微型固定翼无人机在悬停状态飞行时稳定性较高，可顺利实现飞行状态转换。
6、本发明的主机翼(1)设有上反角，横航向稳定性好，可实现长时间悬停飞行，气动稳定性好，大大减少了由于气流的不对称分离产生的滚转发散。
7、本发明的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，吸附容错率高。仿生吸附干胶效率高，只需将较小面积的吸附材料固定在机腹表面即可实现稳定吸附。相较于对壁面平整度要求高且需要大面积吸附材料的静电吸附方式，大大提高了吸附容错率和成功率，对多种壁面均有较强的适应性，降低了对上墙过程中飞机姿态角度的要求。
8、本发明的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，能够实现零功耗吸附。采用仿生吸附干胶，吸附成功后在零功耗的情况下可实现长时间的可靠吸附，大大增加了飞机的续航时间，大大降低了成本，使该技术具有广阔的应用前景。
9、本发明的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，无需预紧力。采用仿生吸附干胶，具有强大的粘接力，几乎不需要初始预紧力，相比于负压吸附，推力吸附，静电吸附等具有明显的优势。
附图说明
图1为本发明微型固定翼无人机三视图及轴测图；
图2为本发明微型固定翼无人机整体结构示意图(机腹角度)；
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。
附表标记说明：
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-机腹设备仓
201-微型无刷电机 202-微型螺旋桨 501-仿生吸附干胶
502-脱离伺服机构 502a-脱壁伺服舵机 502b-脱壁凸轮
502c-脱壁摇臂
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明提出一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，飞行重量约为250-600g，可在多种垂直壁面进行吸附作业，作为临时监控点用于复杂环境的侦察，其结构包括主机翼1、矢量动力系统2、气动舵面3、垂尾4、吸附-脱离系统5与机腹设备仓6，如图2所示。
机腹内部设计有机腹设备舱6，所述机腹两侧连接所述主机翼1，两侧所述主机翼1前端的安装座上均对称安装有矢量动力系统2，两侧所述主机翼1后端均通过铰链对称安装有气动舵面3，在机腹末端两侧对称布置垂尾4，所述吸附-脱离系统5安装于机腹中上侧；
所述主机翼1采用梯形机翼，翼展为300-600mm，机腹内部设计有机腹设备舱6，所述机腹设备舱6内安装舵机、控制系统、通信系统以及电池。
所述矢量动力系统2与主机翼1间为一体化设计，所述矢量动力系统2采用矢量动力微型螺旋桨202，系统增加一个自由度，靠不同矢的量偏角配平，使姿态位置解耦，所述微型固定翼无人机可实现在小范围内的任意姿态悬停。较大的所述机腹设备舱6会使所述微型螺旋桨202距离重心较远，导致无人机在悬停时候受到强大的低头力矩的影响，低头力矩均需要尾部的气动舵面3进行配平。
所述微型固定翼无人机悬停状态的纵向平衡方程如下式所示：
其中，F为螺旋桨产生的拉力，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°；
为矢量动力微型螺旋桨202轴线和无人机机体轴线之间的角度(与无人机机体轴线平行为0，倾转机构前倾(下偏)为负，后仰(抬头)为正)；m为飞机质量；L为无人机螺旋桨支架所在直线(平行于机体轴线)与重心之间的距离；
为舵面俯仰力矩导数，
为舵面X方向力的导数，两个气动导数由飞机固有的设计决定，δe为舵面偏角，一般限制在30°以内。理论上，给定任意姿态θ时，可控制矢量动力微型螺旋桨202的偏角
使其与F，δe满足上述的平衡方程，达到在任意姿态悬停的目的。
所述主机翼(1)设有上反角，横航向稳定性好，可实现长时间悬停飞行，气动稳定性好，大大减少了由于气流的不对称分离产生的滚转发散。
所述气动舵面3为两个，通过铰链左右对称安装于主机翼1后缘，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4，用于增加无人机的航向稳定性。
如图3所示，所述吸附-脱离系统5包括仿生吸附干胶501与脱离伺服机构502，所述吸附-脱离系统5安装于机腹中上侧；其中，所述仿生吸附干胶501在机腹外侧沿主机翼1前后方向铺设，用于吸附壁面；机腹两侧对称安装有两套所述脱离伺服机构502，用于实现所述仿生吸附干胶501与壁面的脱离。所述脱离伺服机构502包括脱壁伺服舵机502a、脱壁凸轮502b和脱壁摇臂502c；其中，脱壁伺服舵机502a固定在机腹设备舱6内；每个脱壁伺服舵机502a的输出轴上固定安装脱壁凸轮502b，所述固定脱壁凸轮502b与所述脱壁摇臂502c末端外侧固定，脱壁凸轮502b与脱壁摇臂502c可从机腹设备舱6两侧预留的空隙中伸出与壁面接触。
在无人机处于吸附状态下，通过控制脱壁伺服舵机502a，首先带动脱壁凸轮502b转动，较短的力臂对壁面施加较大的推力，受到壁面施加的反作用力；接着带动脱壁摇臂502c转动，由脱壁摇臂502c前端向壁面施加推力，脱壁摇臂502c相对较长，可实现较大距离的移动，使所述仿生吸附干胶501脱离壁面。本发明中设计脱壁凸轮502b半径为0.3cm，脱壁摇臂502c长度为2cm，脱离时候脱壁凸轮502b和脱壁摇臂502c前端对墙壁的最大推力分别可达61.5N和24N，保证飞机可靠脱离。
所述机腹设备仓6空间较大，尺寸为18cm*7cm*10cm，内部用于设置侦察设备等任务载荷，便于飞机纵向重心的调整，保证飞机的纵向操稳特性。所述机腹设备仓6的外部可布置仿生吸附干胶501，与墙壁接触面积大，对贴墙角度要求较低。同时较大的机腹设备舱6使动力系统2的螺旋桨尺寸不受限制，避免与壁面发生干涉。
本发明机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，采用尾座式布局，具有平飞、悬停和工况转换三种飞行模式，完全依靠主机翼1后缘处对称布置的一对气动舵面3进行控制。其中工况转换模式涉及的俯仰角变化超过90°，采用自主研发的过渡控制算法，可顺利实现飞行模式切换。无人机兼具固定翼和多旋翼无人机的优点，可以采用平飞模式高速巡航导预定目标地点，之后转换为垂直飞行模式吸附墙壁，待机进行长时间的侦察任务，完成侦察任务后可脱离墙壁进行自动打击或转为平飞模式执行下一个任务。
如图4所示，无人机吸附壁面的过程为，经过长距离高速平飞至预定目标壁面附近，控制无人机切换为垂直飞行模式，接着控制无人机缓缓贴近墙壁，使所述仿生吸附干胶501与垂直壁面贴合，完成在壁面上的吸附任务。
无人机脱离壁面的过程为，通过控制脱壁伺服舵机502a，首先带动脱壁凸轮502b转动，较短的力臂对壁面施加较大的推力，受到壁面施加的反作用力；接着带动脱壁摇臂502c转动，由脱壁摇臂502c前端向壁面施加推力，脱壁摇臂502c相对较长，可实现较大距离的移动，使仿生吸附干胶501脱离壁面。
完成脱离后飞机缓缓飞离壁面，控制无人机转向为背对墙壁，之后即可转换为平飞模式，以较高的平飞速度返航或飞往下一个目标执行后续任务。
上述结构的微型无人机具有体积小、重量轻、隐蔽性好的优点，在战场上可实现单兵携带，进行隐蔽侦察，同时具有较大的载重，可布置多种传感器实现各种功能或增加续航时间。
以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所作的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，其特征在于通过在无人机机腹布置纳仿生吸附干胶(501)，实现无人机在壁面上的吸附，该无人机包括两侧主机翼(1)、矢量动力系统(2)、气动舵面(3)、垂尾(4)、吸附-脱离系统(5)与机腹设备仓(6)；
机腹内部设计有机腹设备舱(6)，所述机腹两侧连接所述主机翼(1)，两侧所述主机翼(1)前端的安装座上均对称安装有矢量动力系统(2)，两侧所述主机翼(1)后端均通过铰链对称安装有气动舵面(3)，在机腹末端两侧对称布置垂尾(4)，所述吸附-脱离系统(5)安装于机腹中上侧；
所述吸附-脱离系统(5)包括仿生吸附干胶(501)与脱离伺服机构(502)；其中，所述仿生吸附干胶(501)在机腹外侧沿主机翼(1)前后方向铺设，用于吸附壁面；机腹两侧对称安装有两套所述脱离伺服机构(502)，用于实现所述仿生吸附干胶(501)与壁面的脱离；所述脱离伺服机构(502)包括脱壁伺服舵机(502a)、脱壁凸轮(502b)和脱壁摇臂(502c)；其中，脱壁伺服舵机(502a)固定在机腹设备舱(6)内；每个脱壁伺服舵机(502a)的输出轴上固定安装脱壁凸轮(502b)，所述固定脱壁凸轮(502b)与所述脱壁摇臂(502c)末端外侧固定，脱壁凸轮(502b)与脱壁摇臂(502c)可从机腹设备舱(6)两侧预留的空隙中伸出与壁面接触。
2.根据权利要求1所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，其特征在于，所述机腹设备仓(6)尺寸为18cm*7cm*10cm，外部布置仿生吸附干胶(501)。
3.根据权利要求1或2所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，其特征在于，所述主机翼(1)设有上反角。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，其特征在于，
所述矢量动力系统(2)采用微型螺旋桨(202)，通过不同的矢量偏角配平，使姿态位置解耦，实现无人机的任意姿态悬停；
所述微型固定翼无人机悬停状态的纵向平衡方程如下式所示：
其中，F为矢量动力系统产生的拉力，接近无人机重力；θ为无人机悬停状态的姿态角，接近0°；
为矢量动力系统轴线和无人机机体轴线之间的角度，与无人机机体轴线平行为0，倾转机构前倾即下偏为负，后仰即抬头为正；m为飞机质量；L为矢量动力系统支架所在直线与重心之间的距离；
为舵面俯仰力矩导数，
为舵面X方向力的导数，两个气动导数由飞机固有的设计决定；δe为舵面偏角，限制在30°以内。
5.根据权利要求1-2任一项所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，其特征在于，所述主机翼(1)采用梯形机翼，所述机腹设备舱(6)内安装舵机、控制系统、通信系统以及电池。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，其特征在于，所述矢量动力系统(2)与主机翼(1)一体化设计，所述矢量动力系统(2)采用一对微型无刷电机带动的矢量动力微型螺旋桨202。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，其特征在于，所述机腹设备仓(6)内部用于设置侦察设备等任务载荷。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机，其特征在于，所述脱壁凸轮(502b)半径为0.3cm，所述脱壁摇臂(502c)长度为2cm，脱离时所述脱壁凸轮(502b)和脱壁摇臂(502c)前端对墙壁的最大推力分别达61.5N和24N。
9.权利要求1-6任一项所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机吸附壁面的方法，其特征在于，步骤如下：
经过长距离高速平飞至预定目标壁面附近，控制无人机切换为垂直飞行模式，接着控制无人机缓缓贴近墙壁，使仿生吸附干胶(501)与垂直壁面贴合，完成在壁面上的吸附任务。
10.权利要求1-6任一项所述的一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机脱离壁面的方法，其特征在于，步骤如下：
在无人机处于吸附状态下，通过控制脱壁伺服舵机(502a)，首先带动脱壁凸轮(502b)转动，较短的力臂对壁面施加较大的推力，受到壁面施加的反作用力；接着带动脱壁摇臂(502c)转动，由脱壁摇臂(502c)前端向壁面施加推力，脱壁摇臂(502c)相对较长，可实现较大距离的移动，使所述仿生吸附干胶(501)脱离壁面。
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