混合布局无人机及其控制方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种混合布局无人机及其控制方法。

背景技术：

旋翼类飞行器根据旋翼是否驱转，可以分为：直升机和自转旋翼机(简称为旋翼机)。直升机可实现垂直起降和低空悬停，并具有优越的机动性能，可实现悬停、垂直飞行、倒飞及侧飞等。但直升机存在结构复杂，振动和噪声较高、速度上限较低。旋翼机与直升机相比，旋翼机结构简单，空重比低，造价低，而且气动效率更高，与固定翼飞机相比，旋翼机可以短距起飞着陆，且低速飞行性能好，不易失速。近年来，旋翼机的独特优势及其在商业和军事上的应用潜力逐渐受到重视，再次成为航空领域关注的热点。

但旋翼机存在以下问题：旋翼机虽然可以通过预旋，实现跳飞或超短距起飞，通过旋翼高效地减速实现超短距降落，但旋翼机无法像固定翼飞机一样高速飞行，同时也不具备垂直起降能力和悬停能力。

在申请号为201410852017.x的专利文献中公开了一种复合式多模态多用途飞行器，基于桨尖喷气技术，将固定翼、直升机、旋翼机三种气动布局进行融合，提出了基于桨尖喷气的混合布局旋翼飞行器。起降时，通过桨尖喷气发动机驱转旋翼，以直升机的方式实现垂直起降。低速飞行时，主要由自转旋翼提供拉力，高速飞行时，通过调节桨盘倾角及旋翼总距，降低旋翼转速，使旋翼卸载，使用升阻比更大的机翼承担大部分升力，提高整机的升阻比，提高飞行速度。上述结构的缺点是：虽然当利用固定翼实现快速飞行时，由于旋翼和直升机的存在无法达到快速的飞行，彼此受到制约，无法完全发挥各自最大的特点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种混合布局无人机，在固定翼飞行时，旋翼不会影响飞行稳定性及飞行速度。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种混合布局无人机，其特征在于：包括机身、固定于机身两侧的固定翼，安装于机身尾部的尾翼以及安装在机身后部的推进电机，所述推进电机的输出轴上安装有桨叶；所述机身的中部设有条形安装孔，所述条形安装孔内安装有四旋翼收折机构，所述四旋翼收折机构包括安装板、四根旋翼机臂、四个无刷电机、丝杠、拉杆以及驱动电机，所述安装板固定在所述条形安装孔中，所述四个无刷电机分别安装在所述四根旋翼机臂的外端，每个无刷电机的输出轴上安装有桨叶，所述四根旋翼机臂的内端分别通过铰轴安装在所述安装板上，所述丝杠的两端通过轴承座安装在所述安装板上，所述驱动电机驱动所述丝杠转动，丝杠上螺纹连接有两个螺纹套，每个螺纹套的两端分别铰接有一根所述拉杆，所述拉杆的外端与所述旋翼机臂的内端铰接，所述四根旋翼机臂的外端在展开状态下从所述条形安装孔的两侧伸出。

优选地，所述四根旋翼机臂的内端分别固定有连接耳，所述连接耳与所述拉杆的外端铰接。

优选地，所述尾翼通过两根连接杆与所述固定翼连接。

优选地，所述机身的前端固定有安装台。

优选地，所述机身的下部安装有滑行轮。

优选地，在所述机身的底部安装有摄像云台。

优选地，所述两个螺纹套的内螺纹方向相反。

一种混合布局无人机的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、垂直起降时将以四旋翼模式，驱动电机驱动丝杠转动，四根旋翼机臂的外端展开，四个无刷电机从条形安装孔的两侧伸出，借助电调驱动无刷电机带动桨叶产生升力，升空到一定高度后悬停；

步骤二、平稳前进时，推进电机启动提升前进速度，借助固定翼机翼产生部分升力，通过气压计bmp085实时检测当前气压并转换成高度，协调四旋翼的四个无刷电机减少转速以渐少升力，使总升力等于重力以保持稳定状态达到定高飞行效果；

步骤三、当固定翼机翼提供的升力足以使飞行稳定时，四旋翼机翼逐步减速并停止，延时5s后，经飞行控制器运算若仍满足模式转换条件，四旋翼收折机构工作，收起四旋翼以减少飞行时受到的空气阻力提升整体飞行稳定性；

步骤四、固定翼巡航模式下，飞行器将借助固定翼机翼两端的舵面保持平衡姿态，尾翼的舵面调整飞行高度，以保持稳定高速飞行姿态；

步骤五、接近目的地，固定翼模式切换四旋翼模式，四旋翼收折机构工作将四旋翼四个机臂展开，启动四旋翼四个无刷电机，同时推进电机减速逐步停止转动，切换为四旋翼模式，可以进行垂直降落。

本发明的有益效果是:采用独创的可一键折叠的多旋翼机臂，使无人机可以像旋翼飞行器一样起降，在无人机要进入固定翼快速巡航阶段时远程控制将四个旋翼机臂收回到机身俩侧，使无人机可以以固定翼飞机的方式飞行，相对流线型的机身要比多旋翼更加符合空气动力学要求，可以有更高的速度和更小的阻力。

融合了传统固定翼飞机以及现代多旋翼飞行器各自优点，新型可变形固定翼与四旋翼混合布局无人机可以实现旋翼飞行器的垂直起落，空中悬停的功能，又可以像固定翼飞行器一样快速巡航，达到高效节能，一机多用的目的。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明中四旋翼收折机构的结构示意图；

图3为本发明另一个方向的立体图；

图4位本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1和图2所示，一种混合布局无人机，包括机身1、固定于机身两侧的固定翼2，安装于机身尾部的尾翼3以及安装在机身后部的推进电机4，所述推进电机的输出轴上安装有桨叶；所述机身的中部设有条形安装孔5，所述条形安装孔内安装有四旋翼收折机构6，在折叠的情况下四旋翼收折机构将四旋翼收折到条形安装孔内减小飞行阻力，当需要垂直升降情况下，四旋翼收折机构展开，四旋翼从条形安装孔内伸出，四个旋翼分为两组两两各位于机身的两侧，达到平衡的目的。

在本发明中，所述四旋翼收折机构包括安装板61、四根旋翼机臂62、四个无刷电机63、丝杠64、拉杆65以及驱动电机(图中未视，可以同轴与丝杠连接，也可以通过减速器与丝杠连接)，所述安装板固定在所述条形安装孔中，所述四个无刷电机分别安装在所述四根旋翼机臂的外端，每个无刷电机的输出轴上安装有桨叶(与现有安装方式一样，因而图中未视)，所述四根旋翼机臂的内端分别通过铰轴66安装在所述安装板上，四根旋翼机臂能够以铰轴为中心转动，所述丝杠的两端通过轴承座67安装在所述安装板上，所述驱动电机驱动所述丝杠转动，在本发明中，丝杠上的两个螺纹套内螺纹方向相反，这样能够保证两组旋翼同时向内或同时向外展开，丝杠上螺纹连接有两个螺纹套68，每个螺纹套的两端分别铰接有一根所述拉杆，所述拉杆的外端与所述旋翼机臂的内端铰接，所述四根旋翼机臂的外端在展开状态下从所述条形安装孔的两侧伸出。当驱动电机带动丝杠转动时，丝杠套在丝杠上左右移动，从而带动拉杆的一端跟随移动，而拉杆的另一端由于与四旋翼机臂的内端铰接，会带动四旋翼机臂以铰轴为中心摆动，从而实现四旋翼机臂的收折。

在本发明中，所述四根旋翼机臂的内端分别固定有连接耳69，所述连接耳与所述拉杆的外端铰接。

所述尾翼通过两根连接杆7与所述固定翼连接。

为了能够按照以下照明或者摄像等设备，在所述机身的前端固定有安装台8。

在本发明中，所述机身的下部安装有滑行轮9。

如图3所示，在所述机身的底部安装有摄像云台10。

如图4所示，工作过程如下：

步骤一、垂直起降时将以四旋翼模式，驱动电机驱动丝杠转动，四根旋翼机臂的外端展开，四个无刷电机从条形安装孔的两侧伸出，借助电调驱动无刷电机带动桨叶产生升力，升空到一定高度后悬停；

步骤二、平稳前进时，推进电机启动提升前进速度，借助固定翼机翼产生部分升力，通过气压计bmp085实时检测当前气压并转换成高度，协调四旋翼的四个无刷电机减少转速以渐少升力，使总升力等于重力以保持稳定状态达到定高飞行效果；

步骤三、当固定翼机翼提供的升力足以使飞行稳定时，四旋翼机翼逐步减速并停止，延时5s后，四旋翼收折机构工作，收起四旋翼以减少飞行时受到的空气阻力；

步骤四、固定翼巡航模式下，飞行器将借助固定翼机翼两端的固定翼保持平衡姿态，尾翼调整飞行高度，以稳定高速飞行姿态；

步骤五、接近目的地，固定翼模式切换四旋翼模式，四旋翼收折机构工作将四旋翼四个机臂展开，启动四旋翼四个无刷电机，同时推进电机减速逐步停止转动，切换为四旋翼模式，可以进行垂直降落。

本发明通过对固定翼和多旋翼飞行器的研究，利用新想法进行机械设计上的改造，且基于arduinomega2560控制器，利用高性能无刷电机、电调、大推重比螺旋桨及arduinonano单片机和数传模块设计制造了一款固定翼多旋翼结合的混合布局无人机，集成了7mgps模块，bmp085气压计，mpu6000三轴陀螺仪三轴加速度计,hmc5843三轴磁力计等传感器使飞行器能够精确定位航点飞行，定高自稳飞行。

采用独创的可一键折叠的机臂，使无人机可以像旋翼飞行器一样起降，在无人机要进入快速巡航阶段时远程控制将四个机臂收回到机身俩侧，使无人机可以以固定翼飞机的方式飞行，相对流线型的机身要比多旋翼更加符合空气动力学要求，可以有更高的速度和更小的阻力。

融合了传统固定翼飞机以及现代多旋翼飞行器各自优点，新型可变形固定翼与四旋翼混合布局无人机可以实现旋翼飞行器的垂直起落，空中悬停的功能，又可以像固定翼飞行器一样快速巡航，达到节约有限能源的目的。

本发明具有以下特点：(1)采用旋翼/固定翼相结合的混合式气动布局，需要根据总体性能需求进行气动布局的综合优化设计；(2)能够实现垂直起降、短距起降，悬停和低速飞行；(3)能够实现高速巡航飞行；(4)具有多种飞行模态，不同的模态时飞行器采用不同的气动构型、升力/推力提供方式和控制方式。

无人混合布局旋翼机是混合布局旋翼飞行器技术和无人机技术的融合发展的结果，一方面源于无人机多任务能力的发展需求，另一方面也弥补了混合布局旋翼有人机操控困难、飞行员训练难度较大的问题。无人混合布局旋翼机代表了未来无人机技术发展的一个重要的趋势，即通过采用创新的混合布局形式使得无人机同时具有直升机的垂直起降、空中悬停能力及固定翼飞机的高速巡航能力，以提高其综合性能和任务适应性，满足不同的任务需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。