一种含尾翼组件且机翼可滑动的栖落无人机的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种用于栖落机动的固定翼无人机。

背景技术：

自莱特兄弟发明第一架飞机以来，人类便实现了像鸟一样可以在空中飞翔，但仍未能很好的实现像鸟一样自由的栖落。栖落一词源于对大自然中鸟类飞行的研究，栖落特点使其不需要一直在空中飞行，可以灵活停靠在树枝及地面上以节约自身能量消耗，发现并捕食猎物。无人机若能够像鸟一样可以快速停靠在电线杆、建筑外墙、树枝等位置，则能够进一步增加滞空时间，进而实现全天候的情报收集、监视与侦查。对于侦查任务来说，在战区持续滞空对于任务完成至关重要，特别是在战场环境中，敌人的行为和习惯必须处于持久监视下。而执行侦查任务，尽量降低能量消耗是保持持续侦查的关键，而无人的栖落侦查便是一种耗能较低的方式。

在现有的无人机中，旋翼类无人机可以实现空中悬停和稳定栖落，但其在飞行过程中耗能较大且飞行速度较低，无法同时满足快速飞行与稳定栖落的需求。传统构型的固定翼类无人机飞行速度较快，但很难实现像鸟一样快速栖落，主要原因有两点，其一是在栖落末段无人机容易出现大迎角失速现象，失速使得流经机翼表面的气流出现分离现象，进而表现出非常复杂的气动力现象。其二是在栖落末段飞行速度很低，此时舵面执行机构操纵效率很低，导致依靠舵面偏转很难实现对飞机姿态控制。针对以上问题本发明提出利用滑动机翼与尾翼增加螺旋桨组件相结合的方式来解决栖落末段俯仰姿态难以控制的问题。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了解决传统固定翼无人机在栖落末段飞行迎角大、舵面执行效率低而导致的俯仰姿态控制困难问题。本发明提出一种含尾翼组件且机翼可滑动的栖落无人机。

技术方案

一种含尾翼组件且机翼可滑动的栖落无人机，其特征在于固定翼无人机配置有滑动机翼和螺旋桨组件，用于栖落末段俯仰姿态控制；所述的滑动机翼可沿机身纵轴前后移动，从而改变机翼气动中心与飞机重心的距离；所述的螺旋桨组件安装在飞机尾部，产生的拉力方向相反，靠近飞机平尾的螺旋桨组件产生的拉力方向向上，远离飞机平尾的螺旋桨组件产生的拉力方向向下；当飞机进入栖落末段后，通过控制两个螺旋桨组件的拉力改变飞机所受的俯仰力矩，从而实现俯仰姿态的精确控制；所述的螺旋桨组件包括电机安装底座、无刷电机和桨叶三部分；其中桨叶安装在无刷电机上，无刷电机安装在电机安装座上并带动桨叶旋转产生拉力；电机安装座沿着飞机纵轴中心线，按照前后放置的方式安装在飞机尾翼部位，用于固定无刷电机；所述尾翼部位是指沿着飞机机身纵轴线尽量远离机头位置且不超过飞机平尾的前边线；无刷电机位于电机安装座上，两个无刷电机旋转方向相反，从而抵消部分由于电机旋转产生的扭转力矩，通过控制无刷电机转速来改变两螺旋桨组件的拉力大小。

有益效果

本发明提出的一种含尾翼组件且机翼可滑动的栖落无人机，采用移动主翼位置的方式改变机翼气动中心位置，最终达到调节飞机俯仰力矩的目的，从而克服了飞机在大迎角时舵面执行效率低的问题。更进一步地利用一对螺旋桨组件分别顺、逆时针旋转并在尾翼部位分别产生向上和向下的拉力，从而避免在精准姿态控制时仅依靠移动主翼位置而出现的机械间隙和响应时间慢的问题。综合以上有益效果，采用本发明构型的固定翼无人机能够很好的解决在栖落末段无人机俯仰姿态控制困难的问题。

附图说明

图1螺旋桨组件安装位置及机翼滑动示意图

图2机翼滑动的俯仰控制原理

图3螺旋桨组件俯仰控制原理

图4固定翼无人机栖落过程

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用移动机翼气动中心位置和增加动力螺旋桨组件两种方法相结合的方式。

移动机翼气动中心位置的方式具体通过可滑动的机翼来实现。机翼的气动中心通常位于机翼的1/4翼弦线处，移动机翼的前后位置可以改变机翼气动中心相对于飞机重心的距离，在机翼气动力不发生变化的前提下相当于仅改变了机翼气动中心相较于飞机重心的力臂长度，从而达到改变飞机俯仰力矩控制其俯仰姿态的目的。

增加动力螺旋桨组件方式是在传统固定翼无人机尾翼部位安装一对螺旋桨组件。所述螺旋桨组件包括小型电机安装底座、小型无刷电机和桨叶三部分。在一对螺旋桨组件中，两个小型无刷电机分别采用顺时针和逆时针方向旋转，电机带动桨叶旋转分别产生向上和向下的空气动力，该气动力的作用点相对于无人机重心有一定的距离，在力和力臂的作用下无人机分别产生低头力矩和抬头力矩。

本发明的固定翼无人机在开始栖落机动前，飞行速度较快，此时控制飞机升降舵向上偏转，利用舵面的空气动力产生抬头力矩使飞机抬头。在飞机抬头的同时启动两个无刷电机使其工作在怠速状态，为快速的姿态控制做好准备。处于怠速状态的螺旋桨组件电机转速很低，进而产生的拉力十分微弱，对原固定翼构型无人机的空气动力影响可以忽略。另外，在开始栖落机动前保持机翼位置不变。

飞机进入栖落末段后，一方面由于飞机抬头而出现高度爬升，将一部分动力势能转化为重力势能，另外一方面由于大迎角失速时出现的气流分离现象使得飞行阻力迅速增加，最终飞机飞行速度变得很低，此时舵面偏转对飞机的姿态控制效果很弱，转而通过调整机翼位置和尾翼部位的螺旋桨组件来实现对俯仰姿态的精确控制。

飞机进入栖落末段后飞行迎角迅速增加，在大迎角时，流经尾翼的气流已经发生分离现象，此时尾翼舵面的偏转对气流方向的改变很小，因此产生的控制力矩也较小，但机翼的气动力臂变化对俯仰力矩的控制作用仍十分明显。若初始时飞机重心位于机翼气动中心前方，此时机翼向前移动，会使力臂长度减小，飞机的低头力矩降低，从而使飞机抬头。相反地，若机翼向后移动，会使力臂长度增加，增大飞机的低头力矩，使飞机低头。利用该原理通过移动机翼的前后位置，改变机翼气动中心相对于飞机重心的力臂，进而达到控制俯仰力矩的目的。

仅通过移动机翼位置的方式很难实现精准俯仰姿态控制。因为在俯仰姿态控制过程中，当飞机姿态处于期望目标姿态的一个很小邻域内时，由于较小的空气扰动和飞机震动等因素会使得飞机姿态不断在超过或低于目标姿态两种状态下切换，而此时对应的控制系统为保持姿态稳定则期望飞机尾翼不断提供抬头和低头力矩，若仅采用移动机翼位置方式，则机翼位置需要在某个平衡点不断的前后移动，由于机械间隙及执行器换向时间的限制使其很难快速精确的响应控制需求。

另外，利用螺旋桨组件来实现精准俯仰姿态控制需要考虑组件数量的问题，若采用单螺旋桨组件则会出现与移动机翼位置相同的问题，导致电机不断的在正转和反转之间切换，这不仅对电机的损伤较大，而且输出力矩响应时间无法满足精准姿态控制的要求。利用两个螺旋桨组件分别产生向上和向下的力，在姿态控制过程中只需不断调整向上和向下力的大小，即调整两个电机的转速即可，整个过程中两个无刷电机分别保持一个固定方向旋转，从而避免出现上述问题。

本发明用于改进固定翼无人机在栖落末段的俯仰姿态的控制性能，所采取的方式是利用滑动机翼和螺旋桨组件相结合的构型配置方案。

如图1所示，所述的滑动机翼102可以沿着机身纵轴前后移动，103为机翼可滑动的最后端位置。所述螺旋桨组件104、105安装在传统固定翼无人机尾部，每个螺旋桨组件包含电机安装底座107、无刷电机108和桨叶109三部分。106为飞机平尾，无刷电机安装座的位置不超过平尾的前边线，最好距离前边线一小段距离，防止螺旋桨组件105产生的气流与飞机平尾相互干扰。

机翼滑动的俯仰控制原理如图2所示，机翼滑动前的位置为201，滑动后位置为202，滑动距离为λ，且仅能沿着机身纵轴方向滑动。假设重心位置为203，机翼气动中心位置为204，尾翼205的气动中心位置为206，两个气动中心与重心的距离分别为d1,d2。另外假设垂直机翼和尾翼平面的气动力分别为a1,a2，若不考虑螺旋桨组件的作用，飞机俯仰平衡条件为

a1d1+a2d2＝0

由于机翼气动中心通常位于机翼1/4翼弦线207处，机翼气动力a1的方向垂直纸面向外，产生低头力矩，尾翼气动力垂直纸面向里，产生抬头力矩。当滑动机翼一定距离λ时会直接导致d1发生变化，因此会改变低头力矩大小，进而改变飞机的俯仰姿态。

螺旋桨组件俯仰控制原理如图3所示，无刷电机108顺时针旋转并产生向上的拉力f1，无刷电机303逆时针旋转并产生向下的拉力f2。无刷电机108距离重心203的长度为d3，无刷电机303距离重心203的长度为d4，螺旋桨组件产生的控制力矩用m表示，则有

m＝f1d3+f2d4

螺旋桨组件的拉力f1,f2的方向不同，调节两无刷电机转速可以分别改变拉力的大小，进而产生合适的控制力矩m。

该发明的固定翼无人机由于安装在尾翼部位，使得d1,d2的值较大，力臂较长，为获得合适控制力矩，对螺旋组件的拉力需求较小，这意味着螺旋桨组的质量可以很低。在实际的实验中，无人机的总质量约700克，采用一对螺旋桨组件的总重量约12克，占总质量1.7％。

固定翼无人机栖落过程如图4所示，本发明的一种含尾翼组件且机翼可滑动的栖落无人机为401，栖落飞行轨迹为402，目标栖落点为403。404表示栖落前段，其过程主要为栖落飞行做准备，使飞机以合适的高度和速度进入栖落末段。405表示栖落末段，在该段飞机会迅速抬头并爬升一定高度后使飞行速度迅速降为零，最终以接近90度的俯仰姿态挂靠在栖落点位置。