一种纵列矢量双旋翼电动垂直起降无人机及其控制方法与流程

本发明属于垂直起降飞行器设计领域，特别涉及一种纵列双旋翼布局的垂直起降飞行器。

背景技术

垂直起降飞行器是一种将直升机固有的垂直起降优势和固定翼螺旋桨飞机的高速平飞性能融为一体的飞行器。传统的较为成熟的垂直起降飞行器有推力转向的英国鹞式、苏联雅克35和美国的f35战斗机，倾转旋翼的v22鱼鹰运输机等。这类飞行器起飞和降落过程不需要滑跑，还能在平飞过程中达到较快的飞行速度。因此，这类飞行器基本摆脱了对跑道的依赖，起降成本很低，可实现快速部署与机动，能解决突发战争或野外作战时机场资源不足的问题。近几年，随着电机技术与飞控技术的发展，电驱动垂直起降无人机迅速发展，在民用领域也展现出广泛的应用前景。

中国专利申请号cn201620024923提供了一种四旋翼垂直结合单旋翼固定翼的混合垂直起降无人机布局，是目前民用领域最为常见的一种垂直起降无人机。为进一步提高结构效率和气动效率，民用领域进一步发展出现了一些倾转旋翼与倾转机翼的无人机布局，比如中国专利申请号cn201525833566和专利申请号cn201710119002。但从已经公开的电动垂直起降无人机布局可以看出，目前还没有针对纵列双旋翼布局电动垂直起降无人机布局较为成熟的讨论与说明。

中国专利申请号cn201610245385和专利申请号cn201810083492提出了纵列双旋翼垂直起降飞行器布局，但这两种方案存在旋翼控制机构复杂，制作成本高的问题，且仅提供了平飞状态与垂飞状态的控制方法的参考方案，并没有针对方案在过渡状态与转换状态下无人机的可控性进行讨论与说明。

因此，本领域仍然需要新的垂直起降无人机，其旋翼控制机构简单，成本相对较低，且能够为无人机的过渡状态和转换状态控制提供一种可靠的解决方案。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术中存在的不足，提供一种新的纵列双旋翼矢量推力电驱动垂直起降无人机，该无人机兼顾了垂直起降与悬停(垂飞状态)和高速前飞(平飞状态)两种飞行状态，并能够通过矢量推力旋翼有效解决垂飞转平飞(过渡状态)和平飞转垂飞(转换状态)的飞行控制问题。

在本发明的一个方面，提供了一种纵列矢量双旋翼电动垂直起降无人机，其包括：机身，分别位于机身左右侧的机翼以及分别位于机身前后侧的前旋翼和后旋翼；

所述前旋翼和后旋翼位于机身轴线上并纵向排列；

且所述前旋翼和后旋翼中至少一个为双轴倾转旋翼系统。

若无特殊说明，本发明所述的前后左右是相对于机身俯视状态而言的。本发明所述的轴线为机身的轴线，与左右两侧机翼翼尖的连线垂直。本发明所述的前侧为机头方向，本发明所述的后侧为机尾方向。

在本发明的一个方面，所述双轴倾转旋翼系统具有前后倾转轴和左右倾转轴。本发明所述的前后倾转轴位于竖直平面内，和翼尖的连线垂直。本发明所述的左右倾转轴和轴线垂直。所述前后倾转轴和左右倾转轴相互垂直。

在本发明的一个方面，所述前旋翼和后旋翼均为双轴倾转旋翼系统。

在本发明的一个方面，所述前旋翼为双轴倾转旋翼系统，所述后旋翼为单轴倾转旋翼系统。

在本发明的一个方面，所述后旋翼具有左右倾转轴。

在本发明的一个方面，所述无人机的左翼和右翼均为固定翼。

在本发明的一个方面，所述无人机还包括位于机身后侧的垂尾和平尾。

在本发明的一个方面，所述前旋翼和后旋翼均具有左右倾转轴；通过所述前旋翼和后旋翼同时向左或向右倾转，实现无人机的滚转姿态控制。

在本发明的一个方面，所述前旋翼和后旋翼均具有左右倾转轴；通过所述前旋翼和后旋翼分别向左或向右倾转(即一个旋翼向左，另一个旋翼向右倾转)，实现无人机的偏航姿态控制。

在本发明的一个方面，前旋翼和后旋翼产生拉力差，同时任选结合本发明的偏航姿态控制作为补偿，以实现无人机的俯仰姿态控制。

在本发明的一个方面，本发明的无人机可以实现俯仰和滚转两个方向的倾转；机身、机翼与尾翼组成常规固定翼布局。

在本发明的一个方面，本发明的无人机采用如下控制方法：

在垂飞状态时，

本发明无人机前后矢量旋翼同时向左或向右倾转，对重心产生左滚转或右滚转力矩，实现姿态滚转控制；

前后矢量旋翼分别向左或向右倾转，对重心产生顺时针或逆时针方向(俯视视角下)的旋转力矩，实现偏航姿态控制；前后旋翼改变转速，产生拉力差，从而产生俯仰力矩，同时结合偏航姿态控制作为补偿，实现俯仰姿态控制；

同时增加前后旋翼的转速，产生更大的拉力，则实现无人机的高度控制；

在过渡状态时，本发明无人机矢量旋翼向前倾转，产生向前的拉力分量，从而产生前飞速度，此时前后旋翼依然可通过左右倾转实现对无人机滚转与偏航的姿态控制，随着前飞速度增加，机翼舵面与尾翼舵面也参与无人机姿态控制，此时矢量旋翼与舵面共同作用实现无人机的控制；

在平飞状态时，矢量旋翼完全倾转，拉力与前飞方向平行，此时就是一个典型的固定翼飞机，通过舵面偏转实现无人机的姿态控制；

在转换状态时，首先增加飞机迎角以减小空速，之后矢量旋翼向上倾转，产生向上的拉力分量，并逐渐转换到垂飞状态，在此过程中，矢量旋翼可通过左右倾转实现对无人机滚转与偏航的姿态控制。

和现有技术相比，本发明带来的以下任一有益效果：

(1)采用矢量旋翼机构的纵列双旋翼无人机，能够保证无人机过渡状态和转换状态的姿态控制；

(2)纵列双旋翼布局与常规固定翼布局兼容性好，二者结合的垂直起降飞行器具有较高的气动效率和结构效率；

(3)本发明的无人机旋翼可采用定距旋翼，且无需倾斜盘，机构简单可靠。

附图说明

图1是本发明实施例无人机的平飞状态示意图；

图2是本发明实施例无人机的垂飞状态示意图；

图3a和3b是本发明实施例无人机的过渡与转换状态的偏航姿态控制示意图；

图4是本发明实施例无人机的过渡与转换状态的滚转姿态控制示意图；

图5是本发明实施例无人机的过渡与转换状态的俯仰姿态控制示意图；

图6是本发明实施例矢量旋翼的双轴倾转示意图。

其中：

1-前旋翼；2-后旋翼；3-机身；4-机翼；5-垂尾；6-平尾；

11-旋翼桨叶；12-左右倾转轴；13-前后倾转轴。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例提供一种具体的纵列矢量双旋翼电驱动垂直起降无人机，其包括：前旋翼1、后旋翼2、机身3、机翼4、垂尾5与平尾6。其中，本实施例具体采用一个双轴倾转的前旋翼1和一个单轴倾转的后旋翼2，分别纵列布置在机身3的前后位置。所述机身3连接无人机各部件，并能容纳飞行载荷。

飞行器应能进行三种飞行状态的飞行，包括：垂飞状态、过渡与转换状态和平飞状态。图1为本发明实施例无人机的平飞状态示意图；图2为实施例无人机的垂飞状态示意图；图3示出了本实施例过渡与转换状态及该状态下无人机前后旋翼反向倾转实现偏航姿态控制的示意图；图4为实施例过渡与转换状态下无人机前后旋翼同向倾转实现滚转姿态控制的示意图；图5为实施例过渡与转换状态下无人机通过前后旋翼拉力变化实现俯仰姿态控制的示意图；图6为双轴矢量旋翼控制机构示意图。

如图1所示，所述的前旋翼1与后旋翼2纵向排列，分别在机身3前后布置，且旋翼均为电机驱动。本实施例中前旋翼1具有前后与左右两个方向的倾转轴，后旋翼2仅有左右倾转轴。

在平飞状态下，无人机后旋翼2应停止工作，同时将旋翼固定在顺桨状态，以减小平飞阻力。

当然，本实施例中前后两个旋翼的倾转方式并不限制本发明的范围，在不同的实施例中，飞行器也可设计为前旋翼双轴倾转，后旋翼单轴或双轴倾转，倾转方式可视具体总体设计方案而定。

在本实施例中，所述的机翼4应设计左右副翼，平尾6应设计升降舵，以实现无人机平飞状态下的姿态控制。

本实施例无人机在平飞状态下的三轴(滚转、俯仰和偏航)姿态控制方法可与现有的固定翼无人机相同，且平尾应布置在后旋翼2之后，以提高无人机平飞状态下的俯仰稳定性。

如图2所示，在垂飞状态下，所述的前旋翼1与后旋翼2应设计为转速相同且转向相反，以平衡垂飞状态下各自产生的反扭矩。本实施例垂飞状态下的三轴姿态控制方法可与现有的横列双旋翼无人机相同，且前旋翼1与后旋翼2的左右倾转轴的连线应位于无人机重心的上方，以保证无人机在垂飞状态下的滚转稳定性。

本实施例无人机在过渡与转换状态下能够实现无人机的三轴姿态控制，这是现有技术的无人机无法实现的。

在过渡与转换状态下，

前旋翼1与后旋翼2同时向左或向右倾转，且机翼4左右副翼差动，则实现对无人机的滚转控制，如图3所示；

前旋翼1与后旋翼2分别向右和向左倾转，则实现对无人机的偏航控制，如图4所示；

前旋翼1与后旋翼2改变转速，且平尾6升降舵偏转，则实现对无人机的俯仰控制，如图5所示。

如图6所示，所述前旋翼1包括旋翼桨叶11、前后倾转轴12和左右倾转轴13，两倾转轴相互垂直，通过改变沿着两倾转轴的倾转角实现旋翼的矢量推力。在本实施例中，旋翼桨叶11采用定距旋翼，这可简化控制机构。

基于本实施例的技术方案，发明人从飞行器的初始方案设计到后期验证试飞针对总体设计技术开展了部分验证工作，发现本实施例的方案优于现有技术，下面作具体说明。

1.发明人发现，在力效(推力/功率)相同的情况下，大推力电机的推重比大于小推力电机，发明人针对朗宇x系列的不同推力电机(x2820、x3520和x4130)设计了推重比测试试验，适配官方最小桨距旋翼的三款电机，在力效为5g/w时，三款电机分别产生1.6kg，2.35kg和5kg推力，而三款电机自身重量分别为138g，200g和416g，最终得到推重比分别为12.02，11.75和11.59，推力最大那款电机的推重比最大。这说明，电机数量越少，动力系统本身的重量代价越小，动力系统所需的支撑结构也相对简化，结构效率更高。因此，相比于现有的三旋翼或多旋翼垂直起降飞行器，本发明采用的双旋翼布局具有更高的结构效率。

2.本实施例纵列双旋翼已完成包括平飞、垂飞、过渡以及转换过程的全部试飞工作，证明了本实施例的控制方法在过渡状态下具有较好的可控性。

3.本实施例纵列矢量双旋翼系统包括前旋翼1的前后倾转与左右倾转两个舵机以及后旋翼2的左右倾转舵机，通过以上3个舵机的角度控制能够实现无人机全过程的姿态控制。而变距双旋翼系统除前后旋翼倾斜盘控制所需的6个舵机外，还需要旋翼变距连杆和旋翼前后倾转舵机，其动部件数量是本实施例情形的2.5倍，因此机构更为复杂。本实施例无人机机构则相对简单，并且能够实现无人机全过程的姿态控制，具有较高的可靠性。

以上通过具体实施例对本发明作了更为具体的描述。本发明的核心在于矢量双旋翼布局与垂直起降飞行器的结合，不仅提高了无人机的结构效率，简化了机构还同时能够实现无人机整个倾转过程中的姿态控制。

需要说明的是，本发明并不局限于上述具体实施例。本领域技术人员可以对本发明公开的技术方案作出各种改动和变形而不脱离本发明的实质范围，这些改动和变形仍属于本发明的权利要求保护范围或其等同技术范围之内。