一种上单翼飞机改装无人机系统的制作方法

1.本实用新型属于飞行器设计与控制领域，以及无人机系统科学与技术领域的总体结构设计与控制技术的应用。


背景技术：

2.随着技术的不断进步和社会经济发展的需求，大型货运无人机正在从概念化进入产业化。在货运无人机的技术发展中，需要面临的技术问题包括载重量、安全、运输效率以及装填等问题。在现有技术中，深圳智航无人机有限公司申请的发明专利(公开号为cn108910049a)公开了一种无人机，包括第一机身、第二机身和机翼，所述第一机身和第二机身平行对称地固定于所述机翼的对称中线的两侧，所述第一机身、第二机身和机翼形成用于收容载货吊舱的容置通道，所述机翼上设置有固定部，在所述载货吊舱平移至所述容置通道时，所述固定部能够固定住所述载货吊舱。该方案的用于物流运输的无人机及无人机系统旨在解决现有技术中的物流运输的无人机运输效率不高、未能自动装填货物的技术问题。
3.另有，公开号为cn204802090u的实用新型专利公开了一种用于无人机的载货舱组件及具有其的无人机，所述无人机包括机身，所述机身上设有供电电池，所述载货舱组件可拆卸地设在所述机身上，所述载货舱组件包括：载货舱，所述载货舱具有进口和出口，所述载货舱内限定出用于承载货物的腔室；货门，所述货门设在所述载货舱上用于打开或关闭所述出口；充电电池，所述充电电池设在所述载货舱上，所述充电电池具有适于与外部电源相连的充电口，所述充电电池适于与所述供电电池配合以对所述供电电池充电。该载货舱组件，可以为无人机提供充足的电力，且提高了载货舱的周期循环使用率。
4.然而，选用通航飞机进行加改装为无人机系统，是研发民用中大型无人机系统的一条有效途径。譬如，上单翼飞机比较适合用于加改装为装载200公斤左右及以上重量的任务载荷或货物的无人机系统。然而，目前以上单翼通用航空飞机加改装为无人机系统的技术并不成熟，主要原因是一是目前的现有无人机主要采用外挂携带，而对内装货物还没有支持空投；二是缺乏低成本提高装载性能的设计方案；三是难以精确控制飞行机动过载且保证其它飞行安全指标的的前提下实现新机增加装载量，并保持新机的惯性力不大于原机，目前加改装的无人机为了增加装载货物，采用加固原机结构，或换装更大功率发动机，或维持原机装载性能，均难以满足需求；四是缺乏大量货运无人机起降的机场跑道。
5.因而，将上单翼飞机改装无人机系统，是一项具有重大意义的技术创新。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足提供一种上单翼飞机改装无人机系统。
7.本实用新型是这样实现的：
8.首先，本实用新型的总体构思是这样的：在原机上拆卸部分原机设备，在原机上加
改装飞控系统和任务载荷的设备；根据拆卸设备或加改装设备的重量，相应确定或调整其安装位置，以保持原机的重心；原机经加改装成为新机；新机的全机重心调整方法如下：将加改装设备的主要设备集中安装在原机重心航向后方，并设计具有隔离震动与防护电磁及其它环境危害的设备安装箱，相应将原机发动机的安装位置调整到距离原机重心航向前方更远的位置以取得全机重心平衡。
9.其次，按照前述的设计方法，本实用新型的上单翼飞机改装为无人机系统，由飞机、飞控系统、数据链，任务载荷、地面系统组成。其中，飞机为上单翼通航飞机飞机，简称原机；加改装的全部机载设备安装在原机上，连接关系是：飞控系统与数据链和任务设备连接；而地面系统通过数据链与飞控系统或任务设备连接。
10.具体的，作为本实用新型的必要改进，在飞机上拆卸部分原机设备，主要是原机上人工使用的设备，包括但不限于手柄脚蹬，仪表板或显示屏，灯光音响，座椅，行李箱，在原机上加改装无人系统，包括但不限于飞控系统，数据链和任务载荷所含设备，并预计合理的重量；其中，数据链包括数据链机箱和天线，安装在机上的为机载数据链，地面的为地面数据链；根据拆卸设备或加改装设备的重量，相应确定或调整这些设备的安装位置，以保持原机的重心；原机经加改装成为新机，新机是一种无人机系统。调整方法可优先采用一种规范的设计方案：将加改装的主要设备包括不限于飞控系统及其配套的组合导航和大气机分系统，数据链机箱，集中安装在原机重心航向后方，特别是原机座舱后墙结构外附近，并可设计具有隔离震动与防护电磁及其它环境危害的设备安装箱，将飞控系统及其部分配套设备，机载数据链机箱安装在内；可将原机发动机的安装位置调整到距离原机重心航向前方更远的位置以取得新机的全机重心平衡。
11.在一些实施例中，优选的，原机发动机的安装可以进行调整，一是安装位置前移从而可以调整飞机重心的位置，二是安装位置相对于原机水平基准线适当提高，从而让螺旋桨直径包络线可以高于机腹的水平面以上，甚至可以采用四叶螺旋桨以减小螺旋桨直径来实现，以便安装在机腹外的任务设备不被螺旋桨遮挡或减少遮挡，三是前起落架可采用沿座舱前墙结构或防火墙的上下收放的方式避免占用机腹空间，或前机轮优先向前向上收藏而减少占用机腹空间。
12.在一些实施例中，优选的，飞控系统可选用多种控制系统架构，包括但不限于单余度或多余度的飞控系统；可选用飞控系统+任管系统的架构以及选择配套多种分系统，包含但不限于组合导航分系统，大气机和航姿分系统，航行分系统，起降分系统，燃油和动力分系统，电源分系统。其中动力分系统包含对燃油油门的监控伺服机构。加改装后的新机可以选用一种控制方法实现增加装载性能，即通过飞控系统对机动过载及飞行空速限制进行控制并保持在不大于原机设置范围的方法，以便保持原机惯性力和总载荷不变，从而在保留原机结构强度状态下实现增加新机的最大起飞重量的目的，即实现调节飞机最大起飞重量，以及动态调整相应的失速速度和各架次的飞行参数指标。所述控制方法包括，对原机的机动过载与新机所需的且不大于原机的机动过载的过载比值，等于新机可用的最大起飞重量指标与原机的最大起飞重量的重量比值，从而确定新机飞行控制率将飞行各阶段的机动过载总是控制在不大于新机的过载比值。
13.在一些实施例中，优选的，原机主起落架的刹车系统加改装为可由飞控系统的起降分系统控制主起落架刹车(详细技术说明)并执行的伺服作动机构以替代原人工操作，对
原机前起落架加改装为由起降分系统(说明)并控制执行的伺服作动机构以实现前轮转向受控的功能。
14.在一些实施例中，优选的，任务载荷的一部分加改装安装在原机座舱空间内，简称机腹舱内，或安装在机腹舱地板结构上并相应加改装增加型材构件以加强原机地板结构强度和刚度，为了让原机地板由封闭结构加改装为可开关的舱门式结构，可对原机地板结构拆卸连接机身左右侧的中部结构，而在原机座舱左右侧底梁结构增加型材构件以加强底梁结构强度和刚度，以及可在机身左右侧壁的主起落架安装结构范围增加型材构件以加强该结构强度和刚度；对任务载荷或货物的另一部分可以加改装安装在机翼或机腹结构上的机体外部，或后机身上的内部或外部。
15.其中，在机腹前端地板延申结构上可以安装光电吊舱并可以设计为收放式或固定式，可收入发动机舱内，或设计为固定式暴露在机腹外；机腹舱内的任务载荷或货物，可以通过原机机身侧壁的舱门装卸，或通过加改装制作机腹舱地板舱门，实现快速装卸包括满足空中投放，并可设计由飞控系统控制地板舱门的打开或关闭机构。特别是地板舱门的设计可采用全开舱门方案比如铰链式或活页式开关的舱门，为此，对原机座舱段两侧的底梁结构进行加强以改善其传力性能，比如在原机座舱段的座舱前墙结构和座舱后墙结构之间，采用型材结构连接以加强地板左右侧的底梁，构成传力结构的机身两侧底梁，于是，地板舱门可连接在机身两侧底梁上。在地面，使用地面数据链可以用遥控指令发送给机载飞控系统从而打开地板舱门。
16.在一些实施例中，优选的，地面系统由地面数据链将地面设备与机载数据链连接从而连接机载飞控系统或任务载荷，并设计地面系统所需人机操作界面，以及移动或携带方式，可选用车载式，或便携式含穿戴式的设备布局方案；通过地面系统实现对信息类任务载荷的数据传输，对货物类任务载荷的监控。数据链的设计分为机载数据链和地面数据链，并通过无线连接，可包含但不限于5g专用网络或公网的链路模块，以及设计多条点对点数据链的组合，包含超视距链路如卫星通信或卫星中继链路，以及视距链路；其中，5g通信网络设计为可连接多个互联互通或互操作的地面通信设备；所设计的点对点数据链可支持至少两个地面通信设备与机载设备连接且共享信息或操作的权限，可以兼容与单一地面通信设备连接的点对点数据链方案。
17.本实用新型的部分或全部技术方案，适用于上单翼2座及多座位通用航空飞机加改装为无人机系统，如塞斯纳162飞机及塞斯纳系列飞机，ga8空中大篷车及其系列飞机，大棕熊100系列ii飞机及其改进的系列飞机，可经加改装成为无人机系统。
18.与现有技术相比，本实用新型的技术方案通过飞控系统及配套子系统可对机动过载和空速限制进行控制实现无人机装载性能的调节，该方法有助于降低成本。可相应加改装多种数据链和任务载荷。改装方案技术成熟可行。
附图说明
19.图1是本实用新型的飞控系统与主要子系统的连接关系图(虚线为可选项)；
20.图2是本实用新型的飞机总体布置图(侧视图)；
21.图3是本实用新型的飞机总体布置图(俯视图)；
22.图4是本实用新型的前起落架加改装转向机构；
23.图5是本实用新型的转向舵机连接转向摇臂局部视图。
24.附图中的标记为：1-飞控计算机，2-ad/da模块，3-pwm控制，4-数字量接口模块，5-控制处理模块，6-电源模块，7-da/do模块，8-动力子系统，9-刹车系统，10-燃油子系统，11-电气子系统，12-伺服作动系统，13-操纵子系统，14-综合检测分系统，15-任务荷载，16-航行子系统，17-飞参记录仪，18-大气数据子系统，19-无线电高度表，20-备份导航子系统，21-卫星导航子系统，22-5g通讯，23-卫星中继，24-视距链路，25-发动机，26-座舱前墙结构，27-座舱后墙结构，28-机身两侧底梁，29-设备安装箱，30-转向摇臂围板，31-转向舵机，32-转向舵机转轮，33-转向摇臂，34-转向绳索，35-起落架支柱。
具体实施方式
25.下面将结合附图1-5，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
26.实施例1：塞斯纳(cessna)162轻型运动飞机加改装为无人机系统
27.以塞斯纳162飞机为例，加改装飞控系统和任务设备，由商载220.4kg的通航2座飞机可改成一款商载大于等于320kg的无人机。
28.根据该机性能指标和飞机结构，首先进行总体布局设计，保留原机机体结构，选择加改装所用的飞控系统构型和任务载荷，并进行总体布局进行调整以保持原机重心位置不变，新机布局结果如附图1所示。
29.初步测算加改装后的无人机性能指标，通过使用飞控系统满足原机飞行惯性力不改变以及空速限制不改变，可以保持原机的结构总载荷不变，全机结构强度不需要加强，因此，将原机机动过载+4～-2调整为无人机机动过载+3～-2，经过计算原机最大起飞重量约600kg可调整到最大起飞重量为800kg左右，原机着陆构型失速速度约76km/h相应调整为88km/h，其它原机性能指标不变。
30.由此，加改装后的商载由原机220.4kg增加到320kg左右，并主要由任务载荷和燃油重量的分配，从而可以得到最大航时航程指标，以及最大载物重量指标，可见性能提升显著。比如原机满载2人和行李重量的状态可用燃油66kg或总可用燃油量90.8l，加改装后燃油重量可增加约100kg，或航时增到2.5倍。
31.原机前起落架没有转向机构，为改善转向控制并有利于降低跑道宽度，可为无人机加改装以增加电动舵机驱动的前轮转向机构，如附图2所示；主轮刹车由舵机替代原机手动刹车方式。为便于机身腹部前端安装对地和前向的观测任务设备，以及预留前起落架在发动机舱的可收藏空间，可以结合全机重心调整顺航向前加长发动机安装支架尺寸并提高发动机25相对于原机水平基准线的安装高度以便消除螺旋桨对任务设备的遮挡，即提高螺旋桨叶包络线可接近或高于机身腹部水平面高度，相应修改发动机25在机身上安装结构和发动机舱的整流罩外形，从气动力分析，发动机25轴线提高以及整流罩的修型对纵向力矩和全机阻力影响不明显。
32.同时，加改装增加的机载系统设备可以主要集中安装在座舱后墙结构27后，以便与发动机25安装位置协同满足全机重心位置不变，并采用设备安装箱29内置这些机载系统
设备，可以使得加改装的主要机载设备的装机环境受控，以便允许降低部分机载设备的装机环境耐受性要求，提高经济性。
33.其它机载系统的加改装方案概述如下：
34.1)飞控系统及其配套子系统的加改装
35.(1)根据对新机提出的应用场景分析，兼顾未来赋予新机适用于航空测绘、货物空投、察打一体等多种应用场景，飞控系统设计方案确定为保持本机惯性力和总载荷不变，保持原机最大飞行空速限制，可将最大起飞重量由600公斤放宽到800公斤左右，从而可保证全机原结构安全即无需补充全机结构强度进行加强。飞控系统与主要子系统的连接关系图，见实施案例1的附图。
36.(2)主导航子系统采用惯导加卫星组合导航，如选用光纤惯导；对备份航姿子系统采用垂直陀螺+磁力计(或可选双gps天线)。
37.(3)设计无人机自动驶入驶出跑道的功能。
38.(4)航行子系统16由加改装(或原机的)ads-b主机和发射天线组成，实现icao、呼号、经纬度、高度、速度和航向等信息的实时自动广播。
39.(5)可选用原机发动机，或换装rotax914f2发动机，原燃油系统可以不改变。
40.(6)电气子系统11由机上主电源、辅电源、应急电源和地面电源组成；其中主电源由dc28v发电机和电源处理模块组成，供电功率不小于2kw；辅电源由12v交流发电机和电源处理模块组成，辅电源供电功率不小于400w；应急电源由锂电池组成，应急供电时间不小于15min；地面电源由市电、柴油发电机和电源处理模块组成。
41.2)数据链的加改装
42.(1)机载测控子系统由视距链路24、超视距链路和5g网络组成，其中视距链路24作用距离可达200km，超视距链路和5g网络为选装链路；超视距链路，包括卫星移动通信，或卫星中继23通信，短波链路。
43.(2)飞控系统计算机可预留卫星设备接口。
44.(3)飞控系统计算机可预留5g设备通信接口，如5g网络cpe设备，实现低空5g通信链路接入5g网络功能，以满足低空高速率、低延迟数据传输。
45.3)任务载荷的加改装
46.任务载荷子系统可选光电吊舱(含ccd、红外和激光)、合成孔径雷达(sar)和激光测绘设备、小型灭火弹、4g/5g移动中继设备等多任务载荷组成；电气接口由飞控系统预留；根据飞机剩余重量和安装空间进行适应性匹配安装。
47.实施例2：加改装地板舱门
48.仍以塞斯纳(cessna)162飞机加改装为例，以任务载荷15主要为货物，可以改装为货运无人机；任务载荷15可以包括光电吊舱常备装机。根据分析计算，原机座舱改为货舱，其最大泡货装载量为300kg。为满足货物快速装卸，并满足空中投放货物、农林质保喷洒，以及应急救援投送等多种空投应用场景，可对原机机身结构座舱段地板结构进行加改装，拆卸原机座舱段即座舱前墙结构26到座舱后墙结构27之间对称轴线左右侧的地板结构件，可在座舱段增加机身两侧底梁28作为替代原机座舱地板结构的传力结构件，加改装为可开关的货舱地板舱门并连接机身两侧底梁28。
49.具体设计方案是，拆卸连接座舱段左右侧的中部结构，而在座舱段机身左右侧底
端结构附近增加并连接型材构件作为机身两侧底梁28以加强结构强度和刚度，以及在机身左右侧壁的主起落架安装结构以上适当增加型材构件以加强侧壁结构强度和刚度，这些增加的型材构件可选l型，t型，工型，π型等，材料可选金属或复材。货舱地板舱门设计为可由飞控系统控制的铰链机构或伺服机构通过运动机构实现舱门开关，为防止对舱门开关的误操作可以增加一种开门锁实现二次开锁的安全设计，即一种布置在舱门口沿处的设有可控电门和活塞机构的开门锁经过飞控系统指令打开后，货舱地板舱门才能再由指令打开；或者开门锁由地面人员打开，地板舱门才能打开，并且地板舱门打开后货物才能由其紧固机构受控释放到地面或地面的货架车上。使用方式是，货舱内的货物可以通过原机的机身侧壁舱门零散装卸，或通过加改装新增的货舱地板舱门快速装卸并满足空中投放。
50.以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。