CN116729657A - 一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构及方法，该展开结构包括机身、机翼、和尾翼；处于折叠状态时，机翼和尾翼完全贴合在机身上并被约束在发射筒内；机翼包括主翼、左外翼和右外翼；左外翼和右外翼分别设置在主翼两端，主翼中部与机身、主翼与外翼、尾翼与机身尾部两侧分别通过可旋转锁定结构连接，尾翼完全展开后呈张角向下的V尾布局；可旋转锁定结构能够在无人机出筒后驱动机翼和尾翼有序展开并锁紧。本发明展开方法，通过合理设计翼面展开时序，使主翼展开到预设角度范围内，尾翼才开始展开，实现垂直冷发射折叠翼无人机稳定低头，平稳飞行，解决了垂直冷发射无人机尾翼展开过早或展开过晚导致飞机翻滚或失速的问题。

Description

一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构及方法

技术领域

本发明属于飞行器控制领域，特别涉及一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构及方法。

背景技术

垂直冷发射折叠翼无人机是将折叠翼无人机装载在发射筒内，以压缩空气、压缩蒸气或助推剂燃气为助推动力，将折叠翼无人机从发射筒内弹射出去，无人机出筒以后主机翼和尾翼有序展开，然后启动动力，完成起飞发射。

2021.03.02公布的申请号为202011164760.8的专利申请，公开“一种炮射无人机炮射起飞控制方法”，包括炮射起飞主机翼、尾翼展开和动力启动的时序设计以及各阶段的控制策略，解决了现有技术中炮射无人机从炮射起飞到机翼展开到起飞爬升的控制问题，避免了无人机机翼展开的时间问题及控制策略对起飞控制品质带来的严重影响。在该申请的控制时序中，明确强调了尾翼需要在主机翼展开结束后才能展开，否则会使无人机纵向不稳定。

发明内容

针对垂直冷发射折叠翼无人机，我们按照背景技术中提供的控制时序进行了飞行试验，发现采用该控制时序的折叠翼无人机，无法在展开后进入稳定飞行状态，背景技术中方案所提出的控制时序仅适用于带有一定发射倾角的炮射无人机，并不适用于垂直冷发射折叠翼无人机。

我们进一步通过试验和仿真研究，分析如下：

对于垂直冷发射折叠翼无人机，无人机出筒后无驱动力，自身无前飞速度。若采用尾翼在主机翼完全展开之后才开始展开的控制时序，由于主机翼完全展开之后，无人机速度已经很低，此时尾翼产生的低头力矩不足以使无人机低头，进而导致无人机失速。若尾翼展开过早，此时尾翼产生的低头力矩又会使无人机过早低头，出现很大的俯冲角度，甚至会使无人机产生翻滚，导致发射失败。因此，在无人机出筒后上升过程中，需要通过对主翼和尾翼展开时序进行设计，实现无人机稳定低头，进入稳定飞行状态。

为此，本发明提出一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构及方法。

本发明的技术方案是：一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构，包括机身、机翼和尾翼；其特别之处在于：

处于折叠状态时，所述机翼和尾翼沿机身纵向贴合在机身表面，并通过发射筒对处于折叠状态的所述机翼提供约束；

所述机翼包括主翼、左外翼和右外翼；主翼中部采用第一可旋转锁定结构连接在机身上，主翼两端分别与左外翼内端以及右外翼内端通过第二可旋转锁定结构连接；

所述尾翼分为左尾翼和右尾翼，左尾翼内端以及右尾翼内端分别通过第三可旋转锁定结构与机身尾部两侧连接，尾翼完全展开后呈张角向下的V尾布局；

所述第一可旋转锁定结构能够在所述无人机出筒时刻驱动所述主翼开始展开，并在所述主翼展开至垂直于机身纵向时将主翼与机身锁定；

所述第二可旋转锁定结构能够在所述无人机出筒时刻驱动所述左外翼和右外翼开始展开，并在所述左外翼和右外翼展开至与主翼平齐时将左外翼和右外翼分别与主翼锁定；

所述第三可旋转锁定结构能够在所述主翼未展开到设定角度时，对处于折叠状态的所述尾翼提供约束，并能够在所述主翼展开至设定角度时驱动所述尾翼开始展开，并在尾翼达到设定展开角度时，将尾翼与机身锁定。

作为一个优选的方案，所述第一可旋转锁定结构包括第一转轴、第一扭簧和第一锁紧件；主翼中部通过第一转轴与机身转动连接，所述第一转轴上套装有第一扭簧，所述第一扭簧两端分别与主翼和机身固定连接；所述第一扭簧能够在所述无人机出筒时刻，驱动主翼开始绕第一转轴转动展开；所述第一锁紧件安装在主翼与机身之间，所述第一锁紧件能够在主翼展开到位后将主翼与机身锁紧。

优选的，所述第一锁紧件为带有弹簧驱动的销轴销孔结构，当主翼展开到位后，弹簧能够驱动主翼上的销轴插入机身相应位置的销孔中，实现主翼与机身锁紧。

作为一个优选的方案，所述第二可旋转锁定结构包括第二转轴、第二扭簧、第二锁紧件；一侧外翼的内端与主翼外端通过第二转轴转动连接，所述第二转轴上套装有第二扭簧，所述第二扭簧两端分别与一侧外翼和主翼固定连接，所述第二扭簧能够在所述无人机出筒时刻，驱动一侧外翼开始绕第二转轴转动展开；所述第二锁紧件安装在一侧外翼与主翼之间，所述第二锁紧件能够在一侧外翼展开到位后将一侧外翼与主翼锁紧。

作为一个优选的方案，所述第三可旋转锁定结构包括第三转轴、第三扭簧、第三锁紧件和释放机构；一侧尾翼的内端与机身尾部同侧通过第三转轴转动连接，所述第三转轴上套装有第三扭簧，所述第三扭簧两端分别与一侧尾翼和机身尾部固定连接；所述释放机构连接在一侧尾翼与主翼之间，当主翼未展开至设定角度时，所述释放机构对处于折叠状态的所述一侧尾翼提供约束，当主翼展开至设定角度时，所述释放机构解除约束，所述第三扭簧驱动一侧尾翼开始绕第三转轴转动展开；所述第三锁紧件安装在一侧尾翼与机身尾部之间，所述第三锁紧件能够在一侧尾翼展开到位后将一侧尾翼与机身尾部锁紧。

优选的，所述释放机构为带有拉绳的销轴销孔结构，拉绳一端连接在销轴上，另一端连接在主翼上，当主翼未展开至设定角度时，拉绳处于松弛状态，销轴销孔结构将一侧尾翼约束在折叠状态，当主翼展开至设定角度时，主翼能够带动拉绳拉动销轴脱离销孔，释放对尾翼的约束。

一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开方法，包括以下步骤：

步骤1、起飞准备，判断无人机初始姿态是否正常、航线加载是否正确；

步骤2、启动燃气驱动装置，高压气体推动折叠翼无人机沿发射筒轴线向开口方向运动，无人机时刻发射筒对机翼约束解除，第一可旋转锁定结构和第二可旋转锁定结构驱动机翼开始展开；

步骤3、主翼展开至与机身纵向夹角达到设定角度时，第三可旋转锁定结构解除对尾翼的约束，并驱动尾翼开始展开；

步骤4、主翼展开至垂直于机身纵向时，第一可旋转锁定结构将主翼与机身锁定；左外翼和右外翼在第二可旋转锁定结构驱动作用下继续展开，直至与主翼平齐；机翼完全展开时，第二可旋转锁定结构将左外翼和右外翼分别与主翼锁定；

步骤5、尾翼展开至张角向下且达到设定展开角度时，尾翼展开结束，第三可旋转锁定结构将左尾翼和右尾翼分别与机身侧壁锁定；

步骤6：启动电机，无人机稳定低头，平稳飞行。

优选的，所述步骤3中当主翼展开至与机身纵向夹角为35°-45°时，尾翼开始展开。

优选的，所述步骤3中当主翼展开至与机身纵向夹角为38°时，尾翼开始展开。

优选的，所述步骤5中尾翼展开至呈90°时，尾翼展开结束。

本发明的有益效果是：

1、本发明中主翼与机身之间、外翼与主翼之间、尾翼与机身尾部之间分别通过可旋转锁定结构连接，能够在无人机出筒后，驱动主翼和尾翼在设定时间内解锁并有序展，使得垂直冷发射折叠翼无人机在展开后能够进入稳定飞行状态。

2、本发明提供的折叠翼无人机翼面展开方法，针对垂直冷发射折叠翼无人机的气动特点，设计合理的翼面展开时序，在无人机主翼展开到预设角度范围内，驱动尾翼开始展开，使垂直冷发射折叠翼无人机能够稳定低头，实现平稳飞行，解决了垂直冷发射无人机尾翼展开过早或展开过晚导致无人机翻滚或失速的问题，大大提高了垂直冷发射折叠翼无人机发射成功率。

3、本发明中尾翼通过释放结构与主翼连接，当主翼未展开至设定角度时，所述释放机构能够对处于折叠状态的尾翼提供约束，当主翼展开至设定角度时，所述释放机构能够解除约束，使尾翼开始绕轴转动展开。

4、本发明中尾翼完全展开后呈张角向下的V尾布局，只要尾翼展开，尾翼自身就能够产生低头力矩，使无人机低头，产生升力。

附图说明

图1是本发明翼面展开时序图；

图2是本发明垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开过程示意图；

图3是本发明垂直冷发射折叠翼无人机翼面完全展开结构示意图；

图4是折叠翼无人机主翼与尾翼有序展开时俯仰角变化曲线图；

图5是折叠翼无人机主翼与尾翼同时展开时俯仰角变化曲线图。

附图标记说明：1-机身，2-主翼，3-左外翼，4-右外翼，5-左尾翼，6-右尾翼，7-第一可旋转锁定结构，8-第二可旋转锁定结构，9-第三可旋转锁定结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

参照图1-图5。本发明一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构，包括机身、机翼和尾翼；处于折叠状态时，所述机翼和尾翼沿机身纵向贴合在机身表面，并通过发射筒对处于折叠状态的机翼提供约束；

所述机翼包括主翼、左外翼和右外翼；主翼中部采用第一可旋转锁定结构连接在机身上，主翼两端分别与左外翼内端以及右外翼内端通过第二可旋转锁定结构连接；

所述尾翼分为左尾翼和右尾翼，左尾翼内端以及右尾翼内端分别通过第三可旋转锁定结构与机身尾部两侧连接，尾翼完全展开后呈张角向下的V尾布局。本实施例中，两侧尾翼完全展开后呈90°张角。

所述第一可旋转锁定结构能够在所述无人机出筒时刻驱动所述主翼开始展开，并在所述主翼展开至垂直于机身纵向时将主翼与机身锁定；

所述第二可旋转锁定结构能够在所述无人机出筒时刻驱动所述左外翼和右外翼开始展开，并在所述左外翼和右外翼展开至与主翼平齐时将左外翼和右外翼分别与主翼锁定；

所述第三可旋转锁定结构能够在所述主翼未展开到设定角度时，对处于折叠状态的所述尾翼提供约束，并能够在所述主翼展开至设定角度时驱动所述尾翼开始展开，并在尾翼达到设定展开角度时，将尾翼与机身锁定。

所述第一可旋转锁定结构包括第一转轴、第一扭簧和第一锁紧件；主翼中部通过第一转轴与机身转动连接，所述第一转轴上套装有第一扭簧，所述第一扭簧两端分别与主翼和机身固定连接；所述第一扭簧能够在所述无人机出筒时刻，驱动主翼开始绕第一转轴转动展开；所述第一锁紧件安装在主翼与机身之间，所述第一锁紧件能够在主翼展开到位后将主翼与机身锁紧。这里所述第一锁紧件可以采用多种现有结构实现，如带有弹簧驱动的销轴销孔结构等，当主翼展开到位后，弹簧驱动主翼上的销轴插入机身相应位置的销孔中，实现主翼与机身锁紧。

所述第二可旋转锁定位结构包括第二转轴、第二扭簧、第二锁紧件；一侧外翼的内端与主翼外端通过第二转轴转动连接，所述第二转轴上套装有第二扭簧，所述第二扭簧两端分别与一侧外翼和主翼固定连接，所述第二扭簧能够在所述无人机出筒时刻，驱动一侧外翼开始绕第二转轴转动展开；所述第二锁紧件安装在一侧外翼与主翼之间，所述第二锁紧件能够在一侧外翼展开到位后将一侧外翼与主翼锁紧。

所述第三可旋转锁定结构包括第三转轴、第三扭簧、第三锁紧件和释放机构；一侧尾翼的内端与机身尾部同侧通过第三转轴转动连接，所述第三转轴上套装有第三扭簧，所述第三扭簧两端分别与一侧尾翼和机身尾部固定连接；所述释放机构连接在一侧尾翼与主翼之间，当主翼未展开至设定角度时，所述释放机构能够对处于折叠状态的所述一侧尾翼提供约束，当主翼展开至设定角度时，所述释放机构解除约束，所述第三扭簧驱动一侧尾翼开始绕第三转轴转动展开；所述第三锁紧件安装在一侧尾翼与机身尾部之间，所述第三锁紧件能够在一侧尾翼展开到位后将一侧尾翼与机身尾部锁紧。

这里所述释放机构可以采用多种现有结构实现，如带有拉绳的销轴销孔结构等，拉绳一端连接在销轴上，另一端连接在主翼上，当主翼未展开至设定角度时，拉绳处于松弛状态，销轴插入在销孔中，将一侧尾翼约束在折叠状态；当主翼展开至设定角度时，主翼能够带动拉绳拉动销轴脱离销孔，释放对尾翼的约束。

一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开方法，包括以下步骤：

步骤1、起飞准备，判断无人机初始姿态是否正常、航线加载是否正确；

步骤2、启动燃气驱动装置，高压气体推动折叠翼无人机沿发射筒轴线向开口方向运动，无人机时刻发射筒对机翼约束解除，第一可旋转锁定结构和第二可旋转锁定结构驱动机翼开始展开。此时螺旋桨展开。

步骤3、此时主翼展开至与机身纵向夹角为35°-45°，第三可旋转锁定结构解除对尾翼的约束，驱动尾翼开始展开。

步骤4、主翼展开至垂直于机身时，第一可旋转锁定结构将主翼与机身锁定。

左外翼和右外翼在第二可旋转锁定结构驱动作用下继续展开，直至与主翼平齐，机翼完全展开，第二可旋转锁定结构将左外翼和右外翼分别与主翼锁定。

步骤5、两侧尾翼展开至预设角度时，尾翼展开结束，第三可旋转锁定结构将左尾翼和右尾翼分别与机身侧壁锁定。此时机翼完全展开，无人机进行姿态调整。

步骤6：启动电机，螺旋桨转动产生推力；无人机稳定低头，进行平稳飞行。

下面以垂直冷发射折叠翼无人机成功发射实例描述具体展开过程：

从燃气发生器起爆时刻为0时刻起算，至0.05s时,无人机出筒，螺旋桨展开，第一可旋转锁定结构解锁并驱动主翼展开，第二可旋转锁定结构解锁并驱动左外翼和右外翼展开；

至0.07s时，主翼与机身纵向夹角为38°，第三可旋转锁定结构中释放机构解除对尾翼的约束并驱动尾翼开始展开，此时两侧外翼分别与主翼夹角大致在82°；

至0.12s时，主翼与机身纵向垂直，第一可旋转锁定结构将主翼与机身锁紧；两侧外翼继续展开，至0.35s时，外翼完全展开，此时外翼与主翼平齐，第二可旋转锁紧结构将两个外翼分别与主翼锁定；

至0.4s时，左尾翼与右尾翼展开呈90°张角且张角朝下，此时尾翼完全展开，第三可旋转锁定结构将尾翼与机身尾部锁紧。折叠翼无人机翼面完全展开，由于尾翼自身作用，无人机产生低头力矩。

最后启动电机，螺旋桨转动产生动力，无人机平稳飞行。图4为垂直冷发射折叠翼无人机主翼与尾翼有序展开时俯仰角曲线图。由图4可以看出，尾翼在主翼展开到预设角度之后才开始展开，使得无人机俯仰角在目标俯仰角附近微小波动，无人机实现平稳飞行。

若无人机在出筒后机翼与尾翼同时展开，那么在尾翼完全展开时，机翼还未完全展开，无人机俯仰角速率过大，使得俯仰角会围绕目标俯仰角值大范围波动，无人机产生翻滚，导致发射失败。图5为折叠翼无人机主翼与尾翼同时展开时俯仰角变化曲线图，可以看出，无人机已经完全失控。

由此可见，本发明提供的折叠翼无人机翼面展开方法，针对垂直冷发射折叠翼无人机的气动特点，设计合理的翼面展开时序，解决了垂直冷发射无人机尾翼展开过早或展开过晚导致无人机翻滚或失速的问题，大大提高了垂直冷发射折叠翼无人机发射成功率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，这些修改换替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构，包括机身、机翼和尾翼，其特征在于，处于折叠状态时，所述机翼和尾翼沿机身纵向贴合在机身表面，并通过发射筒对处于折叠状态的所述机翼提供约束；

所述机翼包括主翼、左外翼和右外翼；主翼中部采用第一可旋转锁定结构连接在机身上，主翼两端分别与左外翼内端以及右外翼内端通过第二可旋转锁定结构连接；

所述尾翼分为左尾翼和右尾翼，左尾翼内端以及右尾翼内端分别通过第三可旋转锁定结构与机身尾部两侧连接，尾翼完全展开后呈张角向下的V尾布局；

所述第一可旋转锁定结构能够在所述无人机出筒时刻驱动所述主翼开始展开，并在所述主翼展开至垂直于机身纵向时将主翼与机身锁定；

所述第二可旋转锁定结构能够在所述无人机出筒时刻驱动所述左外翼和右外翼开始展开，并在所述左外翼和右外翼展开至与主翼平齐时将左外翼和右外翼分别与主翼锁定；

所述第三可旋转锁定结构能够在所述主翼未展开到设定角度时，对处于折叠状态的所述尾翼提供约束，并能够在所述主翼展开至设定角度时驱动所述尾翼开始展开，并在尾翼达到设定展开角度时，将尾翼与机身锁定。

2.如权利要求1所述的垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构，其特征在于，所述第一可旋转锁定结构包括第一转轴、第一扭簧和第一锁紧件；主翼中部通过第一转轴与机身转动连接，所述第一转轴上套装有第一扭簧，所述第一扭簧两端分别与主翼和机身固定连接；所述第一扭簧能够在所述无人机出筒时刻，驱动主翼开始绕第一转轴转动展开；所述第一锁紧件安装在主翼与机身之间，所述第一锁紧件能够在主翼展开到位后将主翼与机身锁紧。

3.如权利要求2所述的垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构，其特征在于，所述第一锁紧件为带有弹簧驱动的销轴销孔结构，当主翼展开到位后，弹簧能够驱动主翼上的销轴插入机身相应位置的销孔中，实现主翼与机身锁紧。

4.如权利要求1所述的垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构，其特征在于，所述第二可旋转锁定结构包括第二转轴、第二扭簧、第二锁紧件；一侧外翼的内端与主翼外端通过第二转轴转动连接，所述第二转轴上套装有第二扭簧，所述第二扭簧两端分别与一侧外翼和主翼固定连接，所述第二扭簧能够在所述无人机出筒时刻驱动一侧外翼开始绕第二转轴转动展开；所述第二锁紧件安装在一侧外翼与主翼之间，所述第二锁紧件能够在一侧外翼展开到位后将一侧外翼与主翼锁紧。

5.如权利要求1所述的垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构，其特征在于，所述第三可旋转锁定结构包括第三转轴、第三扭簧、第三锁紧件和释放机构；一侧尾翼的内端与机身尾部同侧通过第三转轴转动连接，所述第三转轴上套装有第三扭簧，所述第三扭簧两端分别与一侧尾翼和机身尾部固定连接；所述释放机构连接在一侧尾翼与主翼之间，当主翼未展开至设定角度时，所述释放机构能够对处于折叠状态的所述一侧尾翼提供约束，当主翼展开至设定角度时，所述释放机构解除约束，所述第三扭簧能够驱动一侧尾翼开始绕第三转轴转动展开；所述第三锁紧件安装在一侧尾翼与机身尾部之间，所述第三锁紧件能够在一侧尾翼展开到位后将一侧尾翼与机身尾部锁紧。

6.如权利要求5所述垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开机构，其特征在于，所述释放机构为带有拉绳的销轴销孔结构，拉绳一端连接在销轴上，另一端连接在主翼上；当主翼未展开至设定角度时，拉绳处于松弛状态，销轴插入在销孔中，将一侧尾翼约束在折叠状态；当主翼展开至设定角度时，主翼能够带动拉绳拉动销轴脱离销孔，释放对尾翼的约束。

7.一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、起飞准备，判断无人机初始姿态是否正常、航线加载是否正确；

步骤2、启动燃气驱动装置，高压气体推动折叠翼无人机沿发射筒轴线向开口方向运动，无人机出筒时刻发射筒对机翼约束解除，第一可旋转锁定结构和第二可旋转锁定结构驱动机翼开始展开；

步骤3、主翼展开至与机身纵向夹角达到设定角度时，第三可旋转锁定结构解除对尾翼的约束，并驱动尾翼开始展开；

步骤4、主翼展开至垂直于机身纵向时，第一可旋转锁定结构将主翼与机身锁定；左外翼和右外翼在第二可旋转锁定结构驱动作用下继续展开，直至与主翼平齐；机翼完全展开时，第二可旋转锁定结构将左外翼和右外翼分别与主翼锁定；

步骤5、尾翼展开至张角向下且达到设定展开角度时，尾翼展开结束，第三可旋转锁定结构将左尾翼和右尾翼分别与机身侧壁锁定；

步骤6：启动电机，无人机稳定低头，平稳飞行。

8.如权利要求7所述的一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开方法，其特征在于，所述步骤3中当主翼展开至与机身纵向夹角为35°-45°时，尾翼开始展开。

9.如权利要求7所述的一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开方法，其特征在于，所述步骤3中当主翼展开至与机身纵向夹角为38°时，尾翼开始展开。

10.如权利要求7所述的一种垂直冷发射折叠翼无人机翼面有序展开方法，其特征在于，所述步骤5中尾翼展开至呈90°时，尾翼展开结束。