CN116280313A - 一种尾座式固定翼无人机及其控制方法 - Google Patents

一种尾座式固定翼无人机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种尾座式固定翼无人机及其控制方法，所述无人机包括无人机主体、飞行控制器、设置于无人主体两侧的固定翼机翼和设置于所述无人机主体尾部的推进器，所述固定翼机翼上设置有副翼，所述推进器包括发动机、螺旋桨以及设置于所述螺旋桨下方的控制舵面，所述控制舵面包括与所述固定翼机翼平行的两个中心对称的平行舵面和与所述固定翼机翼垂直的两个中心对称的垂直舵面，所述飞行控制器用于对所述控制舵面及所述副翼进行控制，从而实现对所述无人机在滚转动作、俯仰动作和舵向动作的控制。采用发明的技术方案，只需一套推进控制机构来控制飞机的飞行姿态，结构简单且降低了无效重量。

Description

一种尾座式固定翼无人机及其控制方法
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体为一种尾座式固定翼无人机及其控制方法。
背景技术
传统飞机按形态可以分为固定翼飞机、直升机类飞机和垂直起降固定翼类飞机三种。
固定翼飞机，需要跑道起降或弹射起飞。直升机类飞机通常具有一个或多个螺旋桨，包括多旋翼，可垂直起降，飞行过程中需要靠螺旋桨的向下气流时刻抵消重力。
垂直起降固定翼类，兼具垂直起降和固定翼高效优点，目前通常分为两种形态：一种是多旋翼+固定翼，把多旋翼机构和固定翼机构组合到一起，多旋翼机构负责垂直起降，固定翼机构负责水平飞行；另一种是推进器方向可变固定翼，如美国鱼鹰、F35-B，通过改变推进器方向实现垂直起降和水平飞行。
现有技术的垂直起降固定翼通常采用两套独立的推进控制机构来控制飞机的飞行姿态，导致存在额外的无效重量、结构复杂、可靠性不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单且可以降低无效重量尾座式固定翼无人机及其控制方法。
本发明实施例中，提供了一种尾座式固定翼无人机，其包括：无人机主体、飞行控制器、设置于无人主体两侧的固定翼机翼和设置于所述无人机主体尾部的推进器，所述固定翼机翼上设置有副翼，所述推进器包括发动机、螺旋桨以及设置于所述螺旋桨下方的控制舵面，所述控制舵面包括与所述固定翼机翼平行的两个中心对称的平行舵面和与所述固定翼机翼垂直的两个中心对称的垂直舵面，所述飞行控制器用于对所述控制舵面及所述副翼进行控制，从而实现对所述无人机在滚转动作、俯仰动作和舵向动作的控制。
本发明实施例中，所述推进器还包括环绕所述螺旋桨的涵道。
本发明实施例中，所述发动机采用电机或者油动发动机。
本发明实施例中，在垂直飞行模式下，固定翼副翼锁死，滚转动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现，俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，舵向动作通过控制所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现。
本发明实施例中，水平飞行模式下，固定翼副翼解锁，滚转动作通过控制所述固定翼机翼上的副翼的角度差分或者所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现，俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，舵向动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现。
本发明实施例中，垂直飞行模式切换至水平飞行模式时，固定翼副翼解锁，
水平飞行模式的滚转动作，由固定翼副翼差分或所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现；
垂直飞行模式的俯仰动作转换为水平飞行模式的俯仰动作；
垂直飞行模式的滚转动作转换为水平飞行模式的舵向动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现。
本发明实施例中，水平飞行模式转垂直飞行模式时，固定翼机翼锁死，
水平飞行模式的舵向动作转换为垂直飞行模式的滚转动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现；
水平飞行模式的俯仰动作转换为垂直飞行模式的俯仰动作，由所述两个平行舵面偏转来实现。
垂直飞行模式的舵向动作，通过所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现。
本发明实施例中，所述的尾座式固定翼无人机还包括设置于所述无人机主体头部的鸭翼。
本发明实施例中，在垂直飞行模式下，所述鸭翼锁死；在水平飞行模式下或者垂直飞行模式转换为水平飞行模式时，所述鸭翼解锁，接受俯仰信号产生偏转角度来辅助飞机完成俯仰动作。
本发明实施例中，还提供能了一种上述尾座式固定翼无人机的控制方法，其包括：
在垂直飞行模式下，固定翼副翼锁死，滚转动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现，俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，舵向动作通过控制所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现；
在水平飞行模式下，固定翼副翼解锁，滚转动作通过控制所述固定翼机翼上的副翼的角度差分或者所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现，俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，舵向动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现；
在垂直飞行模式切换至水平飞行模式时，固定翼副翼解锁，
水平飞行模式的滚转动作，由固定翼副翼差分或所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现；
垂直飞行模式的俯仰动作转换为水平飞行模式的俯仰动作；
垂直飞行模式的滚转动作转换为水平飞行模式的舵向动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现；
在水平飞行模式转垂直飞行模式时，固定翼机翼锁死，
水平飞行模式的舵向动作转换为垂直飞行模式的滚转动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现；
水平飞行模式的俯仰动作转换为垂直飞行模式的俯仰动作，由所述两个平行舵面偏转来实现；
垂直飞行模式的舵向动作，通过所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现。
与现有技术相比较，采用本发明的尾座式固定翼无人机及其控制方法，只需一套动力推进器且无需推进器倾转结构，即可实现无人机从垂直起飞-转置水平飞行-固定翼飞行-转置垂直飞行-垂直降落各个阶段正确、稳定切换及飞行，一方面大大减少了两套独立机构带来的死重，另一方面解决了倾转机构带来的额外死重、结构复杂、可靠性不高的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的尾座式固定翼无人机的结构示意图。
图2(a)-图2(d)是本发明实施例的尾座式固定翼无人机在垂直飞行模式下实现滚转动作控制的示意图。
图3(a)-图3(d)是本发明实施例的尾座式固定翼无人机在垂直飞行模式下实现俯仰动作控制的示意图。
图4(a)-图4(d)是本发明实施例的尾座式固定翼无人机在垂直飞行模式下实现舵向动作控制的示意图。
图5(a)、图5(b)是本发明实施例的尾座式固定翼无人机在水平飞行模式下实现滚转动作控制的示意图。
图6(a)、图6(b)是本发明实施例的尾座式固定翼无人机在水平飞行模式下实现俯仰动作控制的示意图。
图7(a)、图7(b)是本发明实施例的尾座式固定翼无人机在水平飞行模式下实现舵向动作控制的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例中，提供了一种尾座式固定翼无人机，其包括无人机主体1、设置于所述无人机主体1上的飞行控制器(图未示)、设置于无人主体1两侧的固定翼机翼2和设置于所述无人机主体1尾部的推进器3。可选地，所述尾座式固定翼无人机还包括设置于所述无人机主体1头部的鸭翼4。
所述固定翼机翼2上设置有副翼5。所述推进器3包括发动机31、螺旋桨32以及设置于所述螺旋桨32下方的控制舵面33。可选地，所述推进器3还包括环绕所述螺旋桨32的涵道34，所述涵道34可以更高效的引导气流。所述发动机31可以采用电机或者油动发动机，本发明对此不进行限制。
所述控制舵面33包括与所述固定翼机翼2平行的两个中心对称的平行舵面331和与所述固定翼机翼2垂直的两个中心对称的垂直舵面332。所述平行舵面331和所述垂直舵面332用于对所述推进器3的推动气流方向进行引导，从而对所述推进器3施加给所述无人机的推力的方向进行控制。
所述飞行控制器用于对所述控制舵面33、所述鸭翼4及所述副翼5的偏转方向进行控制，从而实现对所述无人机在滚转(Roll)动作、俯仰(Pitch)动作和舵向(Yaw)动作的控制，从而控制无人机的飞行姿态。需要说明的是，无人机的三个独立运动方向，对应无人机绕三维空间的三个轴向X,Y,Z做出的动作。俯仰指的是机头俯视和仰视；滚转指的是飞行器绕机头指向的轴线左旋转或右旋转；舵向是指机头水平向左或者向右转动。无人机接受多来源(遥控、自主飞行、地面控制等)命令输入，分解为三个动作的控制量，再进行混控输出。
下面对本发明的无人机的飞行控制方式进行说明。
在垂直飞行模式下，固定翼副翼5锁死，鸭翼4锁死,各个飞行动作的控制方式如下：
滚转动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现，如图2(a)和图2(b)所示，向左滚转时，所述两个垂直舵面均向左偏转；如图2(c)和图2(d)所示，向右滚转时，所述两个垂直舵面均向右偏转；
俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，如图3(a)和图3(b)所示，前俯时，所述两个平行舵面向下偏转；如图3(c)和图3(d)所示，后仰时，所述两个平行舵面向上偏转；
舵向动作通过控制所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现，如图4(a)和图4(b)所示，向右时，所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面顺时针同向偏转；如图4(c)和图4(d)所示，向左时，所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面逆时针同向偏转。
水平飞行模式下，固定翼副翼5解锁，鸭翼4解锁，各个飞行动作的控制方式如下：
滚转动作通过控制所述固定翼机翼上的副翼的角度差分或者所述两个平行舵面的角度差分来实现，如图5(a)所示，顺时针滚转可以通过左侧副翼向下偏转右侧副翼向上偏转来实现，也可以通过所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面逆时针同向旋转来实现；如图5(b)所示，逆时针滚转可以通过左侧副翼向上偏转右侧副翼向下偏转来实现，也可以通过所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面顺时针同向旋转来实现；
俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转或者所述两个平行舵面的偏转联合所述鸭翼的偏转来实现，如图6(a)所示，前俯时，通过水平两舵面向下偏转或者联合所述鸭翼向下偏转来实现；如图6(b)所示，后仰时，通过水平两舵面向上偏转或者联合所述鸭翼向上偏转来实现；
舵向动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现，如图7(a)所示，左舵向时，所述两个垂直舵面向右偏转，如图7(b)所示，右舵向时，所述两个垂直舵面向左偏转。
在垂直飞行模式切换至水平飞行模式时，固定翼副翼5解锁,各个飞行动作的控制方式如下：
水平飞行模式的滚转动作，由固定翼副翼差分或所述两个平行舵面和所述垂直舵面共同同向偏转来实现；
垂直飞行模式的俯仰动作转换为水平飞行模式的俯仰动作；
垂直飞行模式的滚转动作转换为水平飞行模式的舵向动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现。
在水平飞行模式转垂直飞行模式时，固定翼副翼5锁死,各个飞行动作的控制方式如下：
水平飞行模式的舵向动作转换为垂直飞行模式的滚转动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现；
水平飞行模式的俯仰动作转换为垂直飞行模式的俯仰动作，由所述两个平行舵面偏转来实现。
垂直飞行模式的舵向动作，通过所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现。
需要补充的是，本发明实施例中，在垂直飞行模式下，所述鸭翼4锁死；在水平飞行模式下或者垂直飞行模式转换为水平飞行模式时，所述鸭翼4解锁，接受俯仰信号产生偏转角度来辅助飞机完成俯仰动作。
综上所述，采用本发明的尾座式固定翼无人机及其控制方法，只需一套动力推进器且无需推进器倾转结构，即可实现无人机从垂直起飞-转置水平飞行-固定翼飞行-转置垂直飞行-垂直降落各个阶段正确、稳定切换及飞行，一方面大大减少了两套独立机构带来的死重，另一方面解决了倾转机构带来的额外死重、结构复杂、可靠性不高的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种尾座式固定翼无人机，其特征在于，包括：无人机主体、飞行控制器、设置于无人主体两侧的固定翼机翼和设置于所述无人机主体尾部的推进器，所述固定翼机翼上设置有副翼，所述推进器包括发动机、螺旋桨以及设置于所述螺旋桨下方的控制舵面，所述控制舵面包括与所述固定翼机翼平行的两个中心对称的平行舵面和与所述固定翼机翼垂直的两个中心对称的垂直舵面，所述飞行控制器用于对所述控制舵面及所述副翼进行控制，从而实现对所述无人机在滚转动作、俯仰动作和舵向动作的控制。
2.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，所述推进器还包括环绕所述螺旋桨的涵道。
3.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，所述发动机采用电机或者油动发动机。
4.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，在垂直飞行模式下，固定翼副翼锁死，滚转动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现，俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，舵向动作通过控制所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现。
5.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，在水平飞行模式下，固定翼副翼解锁，滚转动作通过控制所述固定翼机翼上的副翼的角度差分或者所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现，俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，舵向动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现。
6.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，垂直飞行模式切换至水平飞行模式时，固定翼副翼解锁，
水平飞行模式的滚转动作，由固定翼副翼差分或所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现；
垂直飞行模式的俯仰动作转换为水平飞行模式的俯仰动作；
垂直飞行模式的滚转动作转换为水平飞行模式的舵向动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现。
7.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，水平飞行模式转垂直飞行模式时，固定翼机翼锁死，
水平飞行模式的舵向动作转换为垂直飞行模式的滚转动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现；
水平飞行模式的俯仰动作转换为垂直飞行模式的俯仰动作，由所述两个平行舵面偏转来实现；
垂直飞行模式的舵向动作，通过所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现。
8.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，还包括设置于所述无人机主体头部的鸭翼。
9.如权利要求8所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，在垂直飞行模式下，所述鸭翼锁死；在水平飞行模式下或者垂直飞行模式转换为水平飞行模式时，所述鸭翼解锁，接受俯仰信号产生偏转角度来辅助飞机完成俯仰动作。
10.一种如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机的控制方法，其特征在于，包括：
在垂直飞行模式下，固定翼副翼锁死，滚转动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现，俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，舵向动作通过控制所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现；
在水平飞行模式下，固定翼副翼解锁，滚转动作通过控制所述固定翼机翼上的副翼的角度差分或者所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现，俯仰动作通过控制所述两个平行舵面的偏转来实现，舵向动作通过控制所述两个垂直舵面的偏转来实现；
在垂直飞行模式切换至水平飞行模式时，固定翼副翼解锁，
水平飞行模式的滚转动作，由固定翼副翼差分或所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现；
垂直飞行模式的俯仰动作转换为水平飞行模式的俯仰动作；
垂直飞行模式的滚转动作转换为水平飞行模式的舵向动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现；
在水平飞行模式转垂直飞行模式时，固定翼机翼锁死，
水平飞行模式的舵向动作转换为垂直飞行模式的滚转动作，由所述两个垂直舵面偏转来实现；
水平飞行模式的俯仰动作转换为垂直飞行模式的俯仰动作，由所述两个平行舵面偏转来实现；
垂直飞行模式的舵向动作，通过所述两个平行舵面和所述两个垂直舵面的共同同向偏转来实现。
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