一种复合式垂直起降长航时电动无人机

1.本发明属于无人机领域，尤其是一种复合式垂直起降长航时电动无人机。


背景技术：

2.近十几年来，无人机相关技术发展迅猛，无人机从原来军用领域，逐渐进入大众视野，在民用领域大放异彩。随着大量研究人员的加入，无人机构型越来越多，固定翼无人机、旋翼无人机，复合式无人机等等，用途也越来越广泛，广泛用于农林植保、电力巡检、气象观测、城市环境监测、快递货运、航拍摄影等等。对于无人机巡检行业来说，固定翼无人机具有飞行速度快，巡航面积大，搭载任务载荷重等优点，但其起飞和降落需要跑道滑跑，且对场地有一定的要求，不能进行悬停获取连续某处的影像，而且操作难度较大。多旋翼无人机具有体积小，重量轻，可以不需要场地进行垂直起降，易于上手操作，但其飞行速度小，飞行距离短，用于航测效率很低。而复合式无人机，同时具备了固定翼和旋翼无人机的优点，不仅可以实现垂直起降功能，不需要场地要求，还可以实现定点悬停获得某处连续的影像，还能搭载载荷且飞行速度快，巡航距离远，巡检效率高，但由于飞机电池的限制，现在市场上常见的复合式垂直起降无人机续航时间大概在60至100分钟左右，这就使得针对长距离，大面积的巡检任务时，不得不使用多架次飞行完成任务，所以如何提高无人机的续航时间具有十分重要的意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服无人机的续航时间比较有限的缺点，提供一种复合式垂直起降长航时电动无人机。
4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一种复合式垂直起降长航时电动无人机，包括机身、空速管和推力螺旋桨；
6.机身采用翼身融合体，机身两侧设有机翼，机翼末端设有翼梢小翼；
7.机翼下方各设有一个旋翼臂，旋翼臂为盒式结构；
8.机身尾部设有推力螺旋桨；
9.两个旋翼臂之间设有尾翼，尾翼采用双尾撑布局；
10.机身上设有四轴旋翼系统，用于实现无人机的垂直起降、悬停；机身尾部装载有主螺旋桨动力系统，通过动力系统进行固定翼平飞模式；机身内部装载有无人机的飞控系统。
11.进一步的，机翼为梯形平直翼；
12.机翼具有2
°
～3
°
的安装角和10
°
的后掠角。
13.进一步的，机翼包括左机翼和右机翼，左机翼和右机翼分别通过机翼主梁与机身相连，机翼主梁位于机翼的1/4弦长处。
14.进一步的，所述翼梢小翼包括左翼梢小翼和右翼梢小翼，分别通过机翼主梁与机翼相连。
15.进一步的，旋翼机臂位于机翼展向距离翼根16％的展长处。
16.进一步的，所述旋翼机臂的盒体内部用于存放四轴旋翼系统的动力源件。
17.进一步的，所述飞控系统位于机身的重心位置。
18.进一步的，机身头部设有空速管，用于测量飞机的飞行速度。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明的复合式垂直起降长航时电动无人机，机身采用翼身融合体，无人机的摩擦阻力与全机浸湿面积呈线性关系，去除不必要的机体外露部件即可减少飞机的浸湿面积，从而减少摩擦阻力，翼身融合布局通过减少与升力无关的部件从而达到提高无人机的升阻比；飞机翼展的增加受到机翼强度与刚度、飞行速度等因素的限制，不能无限的增加翼展长度，而本发明采用翼梢小翼，利用翼梢小翼的端板效应，在翼展增加较小的条件下增大了飞机的当量展弦比。本发明将旋翼机臂设计为盒式结构，可以将四轴旋翼系统的动力源件放入盒体之内，由于机翼产生的升力会在翼根处产生弯矩，翼展越长，弯矩越大，旋翼机臂盒体里放入重物会提供一个与升力方向相反的重力，在翼根处产生向下的弯矩可以抵消部分升力产生的弯矩，使得在相同的强度刚度下，翼展的长度可以更长；飞机的展弦比越大，机翼产生诱导阻力就越小，本发明通过采用大展弦比机翼来减小诱导阻力从而提高续航性能；本发明将推力螺旋桨设计在机身后面，可以避免螺旋桨滑流带来的机翼升阻特性的下降，极大的增大了无人机的升阻特性；本发明采用双尾撑尾翼布局，可以提高无人机的侧向安定性，结构支撑较好，可实现较大的翼展设计很适合于长航时无人机，同时机身尾部的推力螺旋桨产生的气流不会对尾翼产生影响。本发明通过无人机结构设计来提高升阻比气动布局，从而增加飞机续航性能。
21.进一步的，推力螺旋桨设在机身后面，空速管安装在机头正前方，从而避免螺旋桨滑流对空速传感器的影响，使得空速测量结果精度更高。另外机头前面需要安装飞行控制器或者摄影相机等设备，这些设备对于震动比较敏感，采用螺旋桨后推进布局可以有效减小电机震动对于设备的影响。
附图说明
22.图1为本发明的整体图；
23.图2为本发明的主视图；
24.图3为本发明的俯视图；
25.图4为本发明的右视图。
26.其中：1
‑
翼梢小翼，2
‑
机翼，3
‑
机身，4
‑
空速管，5
‑
推力螺旋桨，6
‑
尾翼，7
‑
旋翼机臂，8
‑
四轴旋翼系统。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
28.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第
二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
29.巡检无人机要求要有足够长的巡航时间以便于能够在较少的架次飞行中完成更多的拍摄任务，节省时间成本，所以针对垂直起降无人机巡航阶段进行分析：
30.如图五所示，无人机巡航平飞过程中，根据则根据力平衡原理则有，升力等于重力，推力对于阻力：
31.l＝g
32.t＝d
33.假设飞机的可用推力总能量为q，飞机飞行使用的总功率为p_all，p_v是用于克服阻力的功率，可以得到效率如下：
[0034][0035]
飞机续航的时间为
[0036][0037]
通过利用空气密度、速度、机翼面积、升力系数表示升力，将速度项转为升力系数：
[0038][0039]
阻力d也可以这样表示：
[0040][0041]
所以续航时间t可表示为：
[0042][0043]
化简之后得：
[0044][0045]
其中，称为功率因子，功率因子达到最大值续航时间越长；因此针对垂直起降无人机的升力增加和阻力的减少采取措施。
[0046]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0047]
本发明的复合式垂直起降长航时电动无人机，采用复合式推进系统，具有垂直起降和续航平飞两种飞行模态，既具有类似直升机的垂直起降和悬停作业能力，又具有固定翼飞行器飞行速度快，载重大的优点，可实现长航时飞行。
[0048]
参见图1
‑
图4，图1
‑
图4分别为本发明的整体图、主视图、俯视图和右视图，本发明的复合式垂直起降长航时电动无人机包括翼梢小翼1、机翼2、机身3、空速管4、推力螺旋桨5、尾翼6、旋翼臂7和四轴旋翼系统8；
[0049]
机身3采用翼身融合体，机翼2设置在机身3两侧，机翼2末端设有翼梢小翼1；机翼2下方各设有一个旋翼臂7，旋翼臂7为盒式结构，用于放置电池等动力源件；左旋翼臂位于左机翼下方，右旋翼臂位于右机翼下方；空速管4位于机身3头部，用于测量飞机的飞行速度；推力螺旋桨5位于机身3尾部，尾翼6设在两个旋翼臂7之间，采用双尾撑布局；机身3上有四轴旋翼系统8，实现无人机的垂直起降，悬停等功能；机身3尾部装载有主螺旋桨动力系统，通过电动的动力系统进行固定翼平飞模式；机身3内部装载有无人机导航控制设备。
[0050]
机身3采用翼身融合体，无人机的摩擦阻力与全机浸湿面积呈线性关系，去除不必要的机体外露部件即可减少飞机的浸湿面积，从而减少摩擦阻力，翼身融合通过减少与升力无关的部件从而达到提高无人机的升阻比。
[0051]
机翼2为梯形平直翼，具有大展弦比；机翼2包括左机翼和右机翼，左机翼和右机翼分别通过机翼2主梁与机身3相连，机翼2主梁位于机翼的1/4弦长处，机翼2具有安装角，安装角为2
°
～3
°
，机翼2具有小后掠角，后掠角为10
°
。在左机翼和右机翼后缘分别安装有副翼。除了摩擦阻力之外，飞机巡航飞行的另一个阻力来源是机翼等部件产生升力时的诱导阻力，对于无人机机翼，减小其诱导阻力对飞机的续航性能提升有着很大的影响，在其他机翼设计参数相同的条件下，飞机的展弦比越大，机翼产生诱导阻力就越小。
[0052]
翼梢小翼1包括左翼梢小翼和右翼梢小翼，分别通过机翼2主梁与机翼2相连，利用翼梢小翼的端板效应，在翼展增加较小的条件下增大了飞机的当量展弦比，从而提高飞机全身的升阻比，从而提高飞机的续航性能。
[0053]
推力螺旋桨5位于机身3尾部，将推力螺旋桨3设在机身3后面可以将空速管4安装在机头正前方，从而避免螺旋桨滑流对空速传感器的影响，使得空速测量结果精度更高。另外机头前面需要安装飞行控制器或者摄影相机等设备，这些设备对于震动比较敏感，采用螺旋桨后推进布局可以有效减小电机震动对于设备的影响。
[0054]
尾翼6与盒式旋翼机臂7相连，可以改善飞机的操纵性与稳定性，水平尾翼控制无人机的升降，垂直方向控制无人机的偏航。
[0055]
旋翼机臂7位于机翼2展向距离翼根16％展长处，并与机翼2下表面通过螺栓连接，旋翼机臂7的盒体内部用于存放四轴旋翼系统8的动力源件，旋翼机臂7向下的重力在翼根引起的弯矩与机翼2表面升力在翼根处产生的弯矩进行抵消，从而可以尽可能大的增加飞机的展弦比。
[0056]
四轴旋翼系统8位于旋翼机臂7两端，电机转动驱动螺旋桨产生升力，控制无人机的垂直方向的运动。
[0057]
无人机的飞控系统放置于机身3内部，位于机身3的重心位置。
[0058]
本发明的复合式垂直起降长航时电动无人机，具有垂直起降和巡航飞行两种模态。在垂直起降状态下，位于旋翼机臂7上的无刷直流电机驱动四轴旋翼系统8的螺旋桨转
动，四轴旋翼系统8产生升力并进行飞行操纵，推力螺旋桨5不工作。在巡航状态下，无人机以巡航速度平飞，四轴旋翼系统8停止工作，此时依靠机翼2产生升力，机身3内的电机驱动推力螺旋桨8产生推力，克服飞行阻力。无人机处于巡航状态时，全机的升阻比较高，推力电机耗电较低，可增加巡航时间，提高航时。本发明具有垂直起降和悬停作业能力，在巡航平飞状态可实现长航时飞行。
[0059]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。