倾转旋翼式垂直起降无人机及其控制方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，更具体地说，特别涉及一种倾转旋翼式垂直起降无人机以及一种倾转旋翼式垂直起降无人机控制方法。

背景技术：

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，从技术角度定义可以分为：无人固定翼机和无人垂直起降机。在民用方面，无人机可用于航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输等等领域。

当前无人机由于市场需要，要求无人机可以不依赖场地，就能够完成垂直起降以及向前飞行等动作，同时，还要求无人机在满足其操控性的前提下，还需要具备较长的续航能力。在现有技术中，旋翼无人机可以达到垂直起降并向前飞行的要求，但是由于其通过螺旋桨产生前行动力以及转向动力，因此其存在飞行效率低、飞行速度慢、操控性较差等问题。而固定翼无人机虽然飞行效率较高、飞行速度快，但是其无法实现垂直起降，因此也无法满足市场需求。

为了使得无人机同时具备可垂直起降、飞行速度快、操控性好等优点，于是市场上出现了一种垂直起降固定翼无人机，即复合式垂直起降固定翼无人机。对于复合式垂直起降固定翼无人机而言，无人机具有起降和前飞两套螺旋桨动力，起降螺旋桨方向朝上，前飞螺旋桨方向朝前。起降过程中主要由起降螺旋桨工作控制飞机，平飞过程中主要由前行螺旋桨工作控制飞机。这种复合式垂直起降固定翼无人机存在的问题为：由于飞机搭载两套动力装置，飞机总体重量增大，载荷能力下降，工作效率降低。

技术实现要素：

(一)技术问题

综上所述，如何解决复合式垂直起降固定翼无人机存在的整体质量大、飞行性能较差的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种倾转旋翼式垂直起降无人机控制方法，该方法具体包括：

步骤一、在倾转旋翼式垂直起降无人机的机身内部设置舵机系统，并将倾转旋翼式垂直起降无人机上同侧设置的前置螺旋桨总成以及后置螺旋桨总成通过连杆固定连接，将倾转旋翼式垂直起降无人机两侧设置的连杆通过联动轴实现联动连接，上述的舵机系统与联动轴动力连接；

步骤二、控制后置螺旋桨总成的驱动拉力大于前置螺旋桨总成的驱动拉力，使得连杆在机身上产生一个朝向倾转旋翼式垂直起降无人机机头方向的逆时针旋转作用力，通过上述的逆时针旋转作用力将前置螺旋桨总成以及后置螺旋桨总成在倾转旋翼式垂直起降无人机机身上由相对水平状态变为相对垂直状态；

步骤三、通过设置角度传感器对倾转旋翼式垂直起降无人机的机身在起降时进行角度监测，并根据监测数据通过舵机系统对上述的联动轴提供驱动力以保证倾转旋翼式垂直起降无人机平稳飞行。

本发明还提供了一种倾转旋翼式垂直起降无人机，该无人机的结构为：

包括有机身、前置螺旋桨总成、后置螺旋桨总成以及舵机系统，所述机身设置有固定翼，所述前置螺旋桨总成通过倾转轴设置于所述固定翼上、并靠近机身的机头，所述后置螺旋桨总成通过倾转轴设置于所述固定翼上、并远离机身的机头，位于所述机身同侧、所述前置螺旋桨总成以及所述后置螺旋桨总成通过连杆连接并形成有一套动力总成，所述前置螺旋桨总成与所述连杆连接，所述后置螺旋桨总成与所述连杆连接；

所述动力总成设置有两套，两套所述动力总成分设于所述机身的两侧；

在分设于所述机身两侧的所述动力总成中，两个所述连杆通过联动轴实现联动连接，所述舵机系统包括内置控制程序的控制器、陀螺仪以及舵机无刷电机，所述舵机无刷电机与所述联动轴动力连接，所述陀螺仪用于对机身的倾斜角度进行实时监测、并生成监测信号，所述陀螺仪与所述控制器信号连接，所述控制器与所述舵机无刷电机以及动力总成信号连接，所述控制器根据所述将监测信号控制所述舵机无刷电机/或动力总成运行。

优选地，本发明还包括有连接四通，所述连接四通包括有第一轴孔通道以及与所述第一轴孔通道垂直并相通的第二轴孔通道，所述联动轴穿过所述第一轴孔通道设置，所述连杆穿过所述第二轴孔通道设置，于所述第一轴孔通道的两端、并位于所述连接四通的外侧设置有轴承，所述连接四通通过所述轴承可转动地设置于所述机身内。

优选地，所述舵机系统设置于所述机身的重心位置上。

优选地，所述舵机无刷电机通过皮带传动系统、齿轮传动系统或者拉杆传动系统与所述联动轴动力连接。

优选地，所述联动轴为金属质联动轴或者硬质塑料联动轴；所述联动轴为空心轴。

优选地，所述连杆包括有两个结构相同的连杆单元，两个所述连杆单元分别插设于所述第二轴孔通道的两端、并与所述连接四通固定连接。

优选地，所述连接四通为轻质合金连接四通或泡沫塑料连接四通；所述连接四通为一体式结构。

(三)有益效果

在本发明提供的倾转旋翼式垂直起降无人机控制方法中，螺旋桨总成在倾转过程中螺旋桨由前后两两差速形成旋转作用力，达到螺旋桨总成倾转目的，采用主动式倾转能够使得螺旋桨倾转过程更稳定、安全。在螺旋桨主动倾转的同时，舵机控制系统可以维持机身平衡，使得机身不会因为螺旋桨的倾转而不稳定，增加了机身在倾转过程中的稳定型与安全性。

在本发明提供的倾转旋翼式垂直起降无人机中，其通过对后置螺旋桨总成以及前置螺旋桨总成进行分别控制，能够通过后置螺旋桨总成产生一个主动倾转作用力，通过该主动倾转作用力使得动力总成主动倾转，这样本发明不仅具有垂直升降的功能，同时还兼具了固定翼飞机的高续航能力、高操控精准性的优点。最重要的是：本发明动力总成的倾转为主动式倾转，能够极大程度地提高无人机飞行的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中倾转旋翼式垂直起降无人机的俯视结构示意图；

图2为本发明实施例中倾转旋翼式垂直起降无人机的主视结构示意图；

图3为本发明实施例中连接四通的结构示意图；

在图1至图3中，部件名称与附图编号的对应关系为：

机身1、前置螺旋桨总成2、后置螺旋桨总成3、固定翼4、

连接四通5、第一轴孔通道6、第二轴孔通道7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种倾转旋翼式垂直起降无人机控制方法，在该方法中，其具体包括如下步骤：

步骤s1、对倾转旋翼式垂直起降无人机(为了便于描述，以下简称为无人机)进行机身结构的改造。

在倾转旋翼式垂直起降无人机的机身内部设置舵机系统，舵机系统包括有控制器以及陀螺仪。陀螺仪能够进行角度监测，控制器内置有控制程序。在无人机的机身上设置了四个螺旋桨总成，分别为两个前置螺旋桨总成以及两个后置螺旋桨总成。其中，一个前置螺旋桨总成以及一个后置螺旋桨总成在机身的同一侧设置，并前后设置。前置螺旋桨总成与后置螺旋桨总成通过一根连杆实现固定连接从而形成一套动力总成，这样本发明就具备两套动力总成。在同一个动力总成内，连杆实现前置螺旋桨总成以及后置螺旋桨总成的固定连接，前置螺旋桨总成以及后置螺旋桨总成通过倾转轴可转动地安装在固定翼上。

将倾转旋翼式垂直起降无人机两侧设置的连杆通过联动轴实现联动连接，这样可以保证两台动力总成在飞行时的倾斜角度保持同步。

为了能够对动力总成的倾斜角度进行干预，本发明将舵机系统与联动轴动力连接。

步骤s2、基于对无人机结构改造的基础上，通过舵机系统的控制器控制后置螺旋桨总成的驱动拉力大于前置螺旋桨总成的驱动拉力，这样就能够使得连杆在机身上产生一个朝向倾转旋翼式垂直起降无人机机头方向的逆时针旋转作用力，通过上述的逆时针旋转作用力改变前置螺旋桨总成以及后置螺旋桨总成在倾转旋翼式垂直起降无人机机身上设置的空间位置，使得后置螺旋桨总成位于机身上侧、前置螺旋桨总成位于机身下侧，在最终状态下，后置螺旋桨总成与前置螺旋桨总成相垂直。

步骤s3、对无人机的飞行进行稳定控制。其具体如下：通过设置角度传感器对倾转旋翼式垂直起降无人机的机身在起降时进行角度监测，并根据监测数据通过舵机系统对上述的联动轴提供驱动力以保证倾转旋翼式垂直起降无人机平稳飞行。

目前，常规倾转旋翼式垂直起降无人机，其控制方法为：在螺旋桨倾转过程中，螺旋桨由舵机控制系统控制其被动转动，由于外力(舵机)干涉螺旋桨的正常工作状态，故会引起螺旋桨工作不稳定。而且，由于外力(舵机)需给螺旋桨一个较大的力，由物理学第三定律，螺旋桨也会给飞机一个较大的反作用力，这样会造成飞机受力不平衡，引起无人机飞行不稳定的问题。

本发明的目的在于：

1、减少飞机多余动力装置，降低飞机动力系统重量，增大飞机飞行效率；

2、解决螺旋桨被动转动存在的飞机飞行不稳定的问题，通过对控制方式以及飞机机身结构的改进，达到增加飞机机身在倾转过程中稳定型与安全性的目的。

通过上述控制方法的改进，在本发明中，螺旋桨总成在倾转过程中螺旋桨由前后两两差速形成旋转作用力，达到螺旋桨总成倾转目的，采用主动式倾转能够使得螺旋桨倾转过程更稳定、安全。同时，螺旋桨主动倾转的同时，舵机控制系统可以维持机身平衡，使得机身不会因为螺旋桨的倾转而不稳定，增加了机身在倾转过程中的稳定型与安全性。

请参考图1至图3，其中，图1为本发明实施例中倾转旋翼式垂直起降无人机的俯视结构示意图；图2为本发明实施例中倾转旋翼式垂直起降无人机的主视结构示意图；图3为本发明实施例中连接四通的结构示意图。

本发明还提供了一种倾转旋翼式垂直起降无人机，包括有机身1、前置螺旋桨总成2、后置螺旋桨总成3以及舵机系统，机身1设置有固定翼4，前置螺旋桨总成2通过倾转轴设置于固定翼4上、并靠近机身1的机头，后置螺旋桨总成3通过倾转轴设置于固定翼4上、并远离机身1的机头，位于机身1同侧、前置螺旋桨总成2以及后置螺旋桨总成3通过连杆连接并形成有一套动力总成，前置螺旋桨总成2与连杆连接，后置螺旋桨总成3与连杆连接。前置螺旋桨总成2以及后置螺旋桨总成3通过倾转轴可转动地设置在固定翼4上。

基于上述结构设计，在本发明中，动力总成设置有两套，两套动力总成分设于机身1的两侧；在分设于机身1两侧的动力总成中，两个连杆通过联动轴实现联动连接，舵机系统包括有内置有控制程序的控制器、陀螺仪以及舵机无刷电机，舵机无刷电机与联动轴动力连接，陀螺仪用于对机身1的倾斜角度进行实时监测、并生成监测信号，陀螺仪与控制器信号连接，控制器与舵机无刷电机以及动力总成信号连接，控制器根据将监测信号控制舵机无刷电机/或动力总成运行。

当飞机进行倾转时，机身1前后设置的两个螺旋桨中，后置螺旋桨产生大于前置螺旋桨的拉力，连杆中心处产生一个逆时针的扭矩(从飞机左侧看)，使得两套螺旋桨开始绕连杆中心进行逆时针转动(从飞机左侧看)，并通过调整前后螺旋桨的拉力差来改变转动速率和转动方向。

在螺旋桨转动的同时，放置在机身1的传感器会感知到机身1与机翼的姿态变化并传至舵机系统，舵机系统根据其内置的控制程序调整飞机姿态，达到机身1与机翼的正常水平飞行。

在本发明中，无人机的传动结构具体如下：采用电池作为动力，电池放于机身1中部，前置螺旋桨总成2以及后置螺旋桨总成3结构相同，均设置有电调以及无刷电机，电调与无刷电机设置于螺旋桨下部(即倾转轴的端部)，螺旋桨与无刷电机固连，无刷电机转动带动螺旋桨旋转。在无人机起降状态下，后置螺旋桨总成3的电调收到相同信号，改变后置螺旋桨总成3的无刷电机的转速，转速变大(或变小)，拉力变大(或变小)；前置螺旋桨总成2的电调收到相同信号，改变前置螺旋桨总成2无刷电机的转速，转速变大(或变小)，拉力变大(或变小)。在前置以及后置螺旋桨总成3中的螺旋桨产生的拉力不同，从而产生拉力差。

具体地，本发明还提供了连接四通5，连接四通5包括有第一轴孔通道6以及与第一轴孔通道6垂直并相通的第二轴孔通道7，联动轴穿过第一轴孔通道6设置，连杆穿过第二轴孔通道7设置，于第一轴孔通道6的两端、并位于连接四通5的外侧设置有轴承，连接四通5通过轴承可转动地设置于机身1内。

无人机上两个连杆之间由一根联动轴(空心轴)固连，达到两者转动角度相同的目的。联动轴贯穿机翼，在与连杆相交处用四通与连杆连接。于机身1内部，联动轴与舵机摇臂通过皮带、齿轮或拉杆相连。舵机固定于机身1内，当倾转轴转动时，机身1沿空心轴不稳定转动，从而使得飞机的迎角产生不稳定变化，影响飞行。舵机可以依据机身1传感器传来的数据转动舵机摇臂，弥补倾转时产生的过大转动。

在本发明中，连接四通5可以采用轻质合金一体成型，也可以采用硬质塑料，例如pmi泡沫或者pvc泡沫制成。

为了进一步提高无人机飞行的稳定性，舵机系统设置于机身1的重心位置上。并且，蓄电池也设置在机身1的重心位置上。

舵机无刷电机包括有摇臂，舵机无刷电机(摇臂)通过皮带传动系统、齿轮传动系统或者拉杆传动系统与联动轴动力连接。

在此限定：联动轴为金属质联动轴或者硬质塑料联动轴；联动轴为空心轴。

在本发明中，连杆包括有两个结构相同的连杆单元，两个连杆单元分别插设于第二轴孔通道7的两端、并与连接四通5固定连接。

本发明采用转轴两端螺旋桨总成提供动力差异的方式，使转轴整体产生一个主动倾转力，同时通过传感器感知系统与水平面的角度，驱动伺服器弥补角度，达到系统始终水平的目的。

通过上述结构设计，在本发明提供的倾转旋翼式垂直起降无人机中，其通过对后置螺旋桨总成3以及前置螺旋桨总成2进行分别控制，其能够通过后置螺旋桨总成3产生一个主动倾转作用力，通过该主动倾转作用力使得动力总成主动倾转，这样本发明不仅具有垂直升降的功能，同时还兼具了固定翼4飞机的高续航能力、高操控精准性的优点。最重要的是：本发明动力总成的倾转为主动式倾转，能够极大程度地提高无人机飞行的稳定性。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。