CN115027667A - 可垂直起降仿生变形翼无人机及飞行姿态控制方法 - Google Patents
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Abstract
可垂直起降仿生变形翼无人机及飞行姿态控制方法，无人机包含机身、机翼、旋翼和尾翼；机身的两侧分别设置有机翼和旋翼，机翼包含电机、骨架和换向传动机构；电机和换向传动机构布置在机身上，换向传动机构由电机驱动，骨架与机身转动连接，骨架由换向传动机构驱动，可在机身平面内实现折叠和展开变形，骨架上布置有可被控制作向上或向下偏转的副翼；飞行姿态控制方法是，当折叠侧的机翼面积减小后掠角增大会导致无人机向该折叠侧滚转进入转弯模式，在机翼不对称变形转弯时控制折叠侧机翼的副翼向上偏转，而展开侧的副翼保持固定不动，副翼的偏转会增大折叠侧机翼的阻力，使反向偏航现象消除，本发明飞行能力好，飞行姿态调整连续可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机，尤其涉及一种可垂直起降仿生变形翼无人机及飞行姿态控制方法。
背景技术
在不同飞行状态下有着不同的空气动力学要求，例如远距离的高效率飞行、踪目标时的高机动飞行，这些都不能通过单一的机翼形状的到最佳解决，传统变形翼动作缓慢，无法像飞机舵面一样快速改变无人机的气动特性，实现转弯飞行及加速飞行。传统副翼控制转弯的滚转力矩会随飞行迎角的增大而减小，所以在大迎角条件下副翼的控制舵效会严重减小甚至丧失舵效，并且利用副翼转弯的初始阶段会产生反向侧滑。
综上，如何保证在很大的迎角范围内具有充足的滚转力矩控制飞行姿态，又可以消除转弯过程中的反向侧滑问题，以改变飞行过程中无人机的气动性能，提高无人机的机动性与灵活性，亟待解决。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种可垂直起降仿生变形翼无人机及飞行姿态控制方法。
可垂直起降仿生变形翼无人机包含机身、机翼、旋翼和尾翼；机身的两侧分别设置有机翼和旋翼，机身的尾部设置有尾翼，所述机翼包含电机A、骨架和换向传动机构；电机A和换向传动机构布置在机身上，换向传动机构由电机A驱动，骨架与机身转动连接，骨架由换向传动机构驱动，可在机身平面内实现折叠和展开变形，骨架上布置有可被控制作向上或向下偏转的副翼。
可垂直起降仿生变形翼无人机的飞行姿态控制方法，在起飞阶段四个旋翼位置垂直机身产生向上的拉力将机身拉起，当飞机以旋翼模式垂直起飞后将机身前方的螺旋桨向前倾转90°产生向前的拉力，机身后方的两个螺旋桨关闭，整体转换为固定翼模式飞行，当折叠侧的机翼面积减小后掠角增大会导致无人机向该折叠侧滚转进入转弯模式，但折叠侧的机翼阻力减小使得转弯过程会伴随反向的偏航力矩，导致利用机翼不对称变形转弯会产生副翼转弯时的反向侧滑现象，因此，在机翼不对称变形转弯时控制折叠侧机翼的副翼向上偏转，而展开侧的副翼保持固定不动，副翼的偏转会增大折叠侧机翼的阻力，使反向偏航现象消除。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明利用电机齿轮连杆机构设计了一款仿生变形翼，可以模仿鸟类在滑翔时外翼段收缩变形的动作。滑翔类鸟在空中作机动动作时外翼段后旋以增大后掠角，同时羽毛间相互堆叠减小翼面积。而本发明的变形翼在变形过程除了电机带动机翼产生后掠以外，碳纤维骨架之间会相互堆叠从而达到减小翼面积的效果。变形翼可在0.2s内实现快速的折叠变形，具备足够快的响应速度替代传统舵面实现无人机姿态控制。
本发明通过对称折叠机翼扩展飞行包线，既可以展开机翼高效率低速巡航又可以收缩机翼加速飞行。
本发明利用机翼不对称变形与副翼的组合控制可以消除反向偏航、提高不对称变形的滚转控制力矩并且可在很大的迎角范围内都提供充足的滚转力矩控制飞行姿态；本发明在固定翼状态下利用机翼的变形不断调整飞行的姿态，提高无人机的飞行能力，连续不断变形调整飞行姿态。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为从上往下看的本发明整体结构示意图；
图2为本发明的机翼透视图；
图3为从下往上看的本发明整体结构示意图；
图4为电机与换向传动机构相连的示意图；
图5为连杆与换向传动机构相连的示意图；
图6为固定翼模式下无人机的状态图；
图7为旋翼模式下机翼对称布置变形的状态图；
图8为旋翼模式下机翼非对称布置变形的状态图；
图9为副翼与机翼相连以及机翼平面内折叠的示意图。
具体实施方式
如图1-图5所示，可垂直起降仿生变形翼无人机包含机身1、机翼2、旋翼3和尾翼4；机身1的两侧分别设置有机翼2和旋翼3，机身1的尾部设置有尾翼4，所述机翼2包含电机A2-1、骨架2-2和换向传动机构2-4；电机A2-1和换向传动机构2-4布置在机身1上，换向传动机构2-4由电机A2-1驱动，骨架2-2与机身1转动连接，骨架2-2由换向传动机构3-4驱动，可在机身1平面内实现折叠和展开变形，骨架2-2上布置有可被控制作向上或向下偏转的副翼5。
如图1所示，本实施方式的无人机，其飞行机理是基于滑翔类鸟的飞行动作进行设计，在机翼完全展开时，由于机翼面积会更大可以提供更高的升阻比，因此实现高效率飞行。但在逆风飞行或者加速飞行时，机翼面积过大会增加飞行阻力并且抗风能力更弱，外翼的后旋使得空气动力中心后移，这增加了在更高空速下操作时的俯仰稳定性并减小了飞行阻力。并且当一侧机翼收缩另一侧机翼展开则机身左右两侧产生升力差，可以实现转弯动作。
具体来说，所述机翼2为变形翼，工作时，电机A2-1启动，带动换向传动机构2-4工作，进而带动骨架2-2在机身1的平面内向内折叠或向外展开(变形翼沿着飞行方向进行展开或折叠，初始时机翼2处于展开状态，与机身1垂直)。如图7所示，本实施方式利用两侧机翼对称收缩减小翼面积进而降低飞行阻力扩展飞行速度范围；如图8所示，利用机翼不对称变形与副翼的配合提升转弯的灵活性，副翼的配合增大了滚转力矩，副翼的配合可以减小机翼不对称变形引起的反向偏航(侧滑)。
进一步地，通过设计连杆完成机翼2的折展，还包含连杆2-3，连杆2-3的一端与输出轴2-42连接，连杆2-3的另一端与骨架2-2连接，骨架2-2的一端部与机身1转动连接。通过连杆2-3的设计，可实现骨架2-2在平面内的展开和折叠。
作为一个实施例，变形翼的机械结构是12mm×12mm的碳纤维方管构成的骨架2-2，骨架2-2的整体厚度为2mm。
可选地，利用120Kg.cm的数字伺服电机进行驱动，该数字电机可以实现100°以内的往复运动，额定载荷下的响应速度为350°/s。折叠翼的折叠过程连杆2-3及骨架2-2最大转动角度为60°，从机翼全部展开到完全收缩过程的总时间约为0.17S，可以实现无人机机动飞行的快速切换。
较佳地，为保证所述骨架2-2的转动角度范围为0°-60°。在机身1上设计了限位杆2-5，这样一来，初始时，连杆2-3与机身1垂直，或者说连杆2-3与飞行方向垂直(此时记为0°位置)，当需要机动飞行的快速切换时，启动电机A2-1，带动换向传动机构2-4工作，带动连杆2-3及骨架2-2向内折叠，当碰到限位杆2-5时被限位，此时记为60°位置。以防止机翼2碰撞机身1，影响无人机飞行。
通常，电机A2-1通过传动比为1:1的交错轴齿轮将运动方向进行转换，并传递给连杆2-3实现机翼2的折叠与展开运动。
进一步地，为了提高强度，骨架2-2的材质为碳纤维，机翼2由骨架2-2及包覆于骨架2-2上的EPO泡沫塑料形成，所述EPO泡沫塑料外表面覆盖有玻璃纤维布，所述骨架2-2的镂空区域固定有碳纤维薄膜。如此一来，在骨架2的外部包裹EPO泡沫塑料形成完整的机翼形状，并在机翼表面覆盖一层厚度为0.5mm的玻璃纤维布来提高机翼的强度，并在碳纤维骨架镂空的区域贴附碳纤维薄膜确保形成完整的升力面。
作为另一个实施例，如图6所示，所述副翼5由驱动机构控制作上下往复偏转，所述驱动机构包含电机B7-1、驱动杆7-2和连接板7-3；电机B7-1安装在骨架2-2上，驱动杆7-2的一端与电机B7-1的输出端连接，驱动杆7-2的另一端与连接板7-3固接，连接板7-3与副翼5相连，电机B7-1的输出轴与驱动杆7-2垂直，副翼5与骨架2-2转动连接，并相对骨架2-2可向上向下偏转。可选地，副翼5与骨架2-2通过可弯折的软轴相连，实现二者的相对转动。
在另一个实施方式中，还提供一种可垂直起降仿生变形翼无人机的飞行姿态控制方法，如图6-图9所示，在起飞阶段四个旋翼位置垂直机身产生向上的拉力将机身拉起，当飞机以旋翼模式垂直起飞后将机身前方的螺旋桨通过舵机带动向前倾转90°产生向前的拉力，机身后方的两个螺旋桨关闭，整体转换为固定翼模式飞行，当折叠侧的机翼面积减小后掠角增大会导致无人机向该折叠侧滚转进入转弯模式，但折叠侧的机翼阻力减小使得转弯过程会伴随反向的偏航力矩，导致利用机翼不对称变形转弯会产生副翼5转弯时的反向侧滑现象，因此，在机翼不对称变形转弯时控制折叠侧机翼的副翼5向上偏转，而展开侧的副翼5保持固定不动，副翼5的偏转会增大折叠侧机翼的阻力，使反向偏航现象消除。
除了可以消除反向偏航，机翼变形和副翼的共同作用还会带来以下两点优势。第一，副翼的配合作用会进一步减小折叠侧机翼的升力，可以提供更大的滚转力矩，增大无人机的滚转机动性。第二，副翼在小迎角条件下可产生充足的滚转力矩，但是大迎角时由于机翼失速会严重削弱副翼舵效。而机翼不对称变形在小迎角条件下几乎没有控制舵效，但随着迎角增大，左右两侧机翼的升力差会增大，使得机翼不对称变形在大迎角条件下可以产生很大的滚转力矩。将机翼不对称变形与副翼进行组合控制，既可以保证在很大的迎角范围内都具备充足的滚转力矩。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.可垂直起降仿生变形翼无人机，包含机身(1)、机翼(2)、旋翼(3)和尾翼(4)；机身(1)的两侧分别设置有机翼(2)和旋翼(3)，机身(1)的尾部设置有尾翼(4)，其特征在于：所述机翼(2)包含电机A(2-1)、骨架(2-2)和换向传动机构(2-4)；电机A(2-1)和换向传动机构(2-4)布置在机身(1)上，换向传动机构(2-4)由电机A(2-1)驱动，骨架(2-2)与机身(1)转动连接，骨架(2-2)由换向传动机构(2-4)驱动，可在机身(1)平面内实现折叠和展开变形，骨架(2-2)上布置有可被控制作向上或向下偏转的副翼(5)。
2.根据权利要求1所述可垂直起降仿生变形翼无人机，其特征在于：所述换向传动机构(2-4)包含输入轴(2-41)、输出轴(2-42)和交错齿轮副(2-43)，电机A(2-1)的输出端连接输入轴(2-41)，交错齿轮副(2-43)的一个齿轮固装在输入轴(2-41)上，交错齿轮副(2-43)的另一个齿轮固装在输出轴(2-42)上，输入轴(2-41)和输出轴(2-42)可转动地安装在机身(1)上，骨架(2-2)由输出轴(2-42)驱动，可在机身(1)平面内实现折叠和展开变形。
3.根据权利要求2所述可垂直起降仿生变形翼无人机，其特征在于：还包含连杆(2-3)，连杆(2-3)的一端与输出轴(2-42)连接，连杆(2-3)的另一端与骨架(2-2)连接，骨架(2-2)的一端部与机身(1)转动连接。
4.根据权利要求1所述可垂直起降仿生变形翼无人机，其特征在于：所述副翼(5)由驱动机构控制作上下往复偏转。
5.根据权利要求4所述可垂直起降仿生变形翼无人机，其特征在于：所述驱动机构包含电机B(7-1)、驱动杆(7-2)和连接板(7-3)；电机B(7-1)安装在骨架(2-2)上，驱动杆(7-2)的一端与电机B(7-1)的输出端连接，驱动杆(7-2)的另一端与副翼(5)固接，电机B(7-1)的输出轴与驱动杆(7-2)垂直，副翼(5)与骨架(2-2)转动连接，并相对骨架(2-2)可向上向下偏转。
6.根据权利要求1所述可垂直起降仿生变形翼无人机，其特征在于：所述骨架(2-2)的材质为碳纤维。
7.根据权利要求1所述可垂直起降仿生变形翼无人机，其特征在于：所述机翼(2)由骨架(2-2)及包覆于骨架(2-2)上的EPO泡沫塑料形成。
8.根据权利要求7所述可垂直起降仿生变形翼无人机，其特征在于：所述EPO泡沫塑料外表面覆盖有玻璃纤维布，所述骨架(2-2)的镂空区域固定有碳纤维薄膜。
9.根据权利要求1所述可垂直起降仿生变形翼无人机，其特征在于：所述骨架(2-2)的转动角度范围为0°-60°。
10.如权利要求1所述可垂直起降仿生变形翼无人机的飞行姿态控制方法，其特征在于：在起飞阶段四个旋翼位置垂直机身产生向上的拉力将机身拉起，当飞机以旋翼模式垂直起飞后将机身前方的螺旋桨向前倾转90°产生向前的拉力，机身后方的两个螺旋桨关闭，整体转换为固定翼模式飞行，当折叠侧的机翼面积减小后掠角增大会导致无人机向该折叠侧滚转进入转弯模式，但折叠侧的机翼阻力减小使得转弯过程会伴随反向的偏航力矩，导致利用机翼不对称变形转弯会产生副翼(5)转弯时的反向侧滑现象，因此，在机翼不对称变形转弯时控制折叠侧机翼的副翼(5)向上偏转，而展开侧的副翼(5)保持固定不动，副翼(5)的偏转会增大折叠侧机翼的阻力，使反向偏航现象消除。
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Also Published As
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