带倾转固定翼的多旋翼飞行器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞行器技术领域，特别涉及一种带倾转固定翼的多旋翼飞行器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]传统的飞行器主要有固定翼飞行器和旋翼飞行器两种，固定翼飞行器一般采用水平起降的方式，依靠固定翼产生的升力进行起降和巡航，其优点是飞行速度较快，航程和续航时间较长，但是固定翼飞行器的起降距离较长，对跑道的要求较高，使其应用具有局限性。
[0003]旋翼飞行器依靠旋翼产生的升力，可以进行垂直起降。近年来出现的以四旋翼为代表的多旋翼飞行器，除了可以垂直起降，还可以依靠旋翼升力的不同分配实现飞行器的姿态控制，不需要任何的控制舵面，因而具有结构简单、操作灵活等优点。但由于巡航时旋翼的阻力较大，所以旋翼飞行器的飞行效率、飞行速度、航程和续航时间都不如固定翼飞行器。并且，现有的多旋翼飞行器绝大多数采用电动机驱动，其功率和载荷均较小。因此，旋翼飞行器也有其局限性。
[0004]公告号为CN202728575U的专利文献中，公开了一种固定翼与电动多旋翼组成的复合飞行器，该种飞行器包括一组电动多旋翼动力系统和一个总控制器，固定翼动力系统与电动多旋翼动力系统在结构上相互独立，该总控制器包括该固定翼控制系统和用于控制该电动多旋翼动力系统工作的电动多旋翼控制系统，该总控制器还用于控制该固定翼控制系统和电动多旋翼控制系统单独工作或者协同工作；所述电动多旋翼动力系统的旋翼旋转平面与机身中心轴平行。该种飞行器既可以像直升机一样垂直起降和飞行，可以像固定翼飞机一样起降和飞行，也可以在起降和飞行过程中使用两个动力系统混合工作的模式实现。
[0005]由于该专利所涉及的飞行器具有两套独立的动力系统，因此当其中一套动力系统单独工作的时候，另一套动力系统就成为了死重，大大降低了巡航效率和载荷重量。
[0006]其次，由于该专利所涉及的飞行器的机翼固定在机身上，因此机翼弦平面与旋翼旋转平面的夹角不能改变，即机翼的攻角不能独立控制，从而导致飞行器的机动性和操控性大大降低。并且，由于其多旋翼动力系统采用电机驱动，所以相比于燃油发动机，其最大功率和载荷重量均较小，不适用于较大型的飞行器，具有很大的局限性。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种带倾转固定翼的多旋翼飞行器，其固定翼能够进行倾转，攻角可以独立控制，提高了飞行器的巡航效率和载荷重量，而且飞行器的机动性和操控性得到了有效提高。本发明还提供了一种上述多旋翼飞行器的控制方法。
[0008]本发明提供的一种带倾转固定翼的多旋翼飞行器，包括机身、通过转轴设置于所述机身两侧的固定翼、多个设置于所述机身上的旋翼、用于驱动各个所述旋翼旋转以及固定翼倾转的动力系统、以及用于控制所述固定翼的倾转角度和控制各个所述旋翼的转速和桨距的控制系统。
[0009]优选地，所述转轴垂直于所述多旋翼飞行器的对称面。
[0010]优选地，所述旋翼的数量为四个，四个所述旋翼以所述多旋翼飞行器的对称面为对称面对称分布，且均匀分布于所述飞行器的重心前后。
[0011]优选地，所述动力系统包括动力源和航空舵机，所述动力源为涡轮轴发动机、航空活塞发动机或电动机。
[0012]优选地，所述固定翼的倾转由所述航空舵机驱动。
[0013]本发明还提供了带倾转固定翼的多旋翼飞行器的控制方法，在飞行器起飞过程中，逐渐增加各个所述旋翼的转速或者桨距以增加升力，使飞行器垂直起飞，同时转动固定翼调整其攻角以使其阻力最小；当飞行器上升到预设高度以后，转动固定翼至水平状态。
[0014]优选地，当飞行器由起飞状态转为巡航状态时，增加飞行器重心之后的旋翼的转速或桨距、减小飞行器重心之前的旋翼的转速或桨距，以使机身逐渐前倾，利用旋翼产生的向前的拉力向前飞行，同时转动固定翼调整其攻角以使其升阻比最大。
[0015]优选地，当飞行器由巡航状态转为降落状态时，减小飞行器重心之后的旋翼的转速或桨距、增加飞行器重心之前的旋翼的转速或桨距，以使机身的姿态从前倾逐渐变为后倾，利用旋翼产生的向后的拉力降低飞行器的速度；当飞行器速度降低到预设速度时，增加飞行器重心之后的旋翼的转速或桨距、减小飞行器重心之前的旋翼的转速或桨距，使机身的姿态从后倾逐渐变为水平状态，而后逐渐减小所有旋翼的转速或者桨距来减小升力，使飞行器垂直降落；在此过程中，固定翼保持水平状态。
[0016]优选地，在飞行器起降阶段，通过增加旋转方向与飞行器欲要偏转的方向相反的各个旋翼的转速或桨距，同时减小旋转方向与飞行器欲要偏转的方向相同的各个旋翼的转速或桨距，以使飞行器向相应方向偏转。
[0017]优选地，在飞行器起降阶段，减小飞行器重心之后的各个旋翼的转速或桨距、增加飞行器重心之前的各个旋翼的转速或桨距，以使机身抬头；或者，增加飞行器重心之后的各个旋翼的转速或桨距、减小飞行器重心之前的各个旋翼的转速或桨距，以使机身低头。
[0018]优选地，在飞行器起降阶段，减小机身右侧的各个旋翼的转速或桨距、增加机身左侧的各个旋翼的转速或桨距，以使飞行器向右滚转；或者，增加机身右侧的各个旋翼的转速或桨距、减小机身左侧的各个旋翼的转速或桨距，以使飞行器向左滚转。
[0019]优选地，在飞行器巡航阶段，减小飞行器重心之后的各个旋翼的转速或桨距、增加飞行器重心之前的各个旋翼的转速或桨距，以使机身抬头；或者，增加飞行器重心之后的各个旋翼的转速或桨距、减小飞行器重心之前的各个旋翼的转速或桨距，以使机身低头。
[0020]优选地，在飞行器巡航阶段，减小机身右侧的各个旋翼的转速或桨距、增加机身左侧的各个旋翼的转速或桨距，以使飞行器向右偏转；或者，增加机身右侧的各个旋翼的转速或桨距、减小机身左侧的各个旋翼的转速或桨距，以使飞行器向左偏转。
[0021]优选地，在飞行器巡航阶段，通过增加旋转方向与飞行器欲要滚转的方向相反的各个旋翼的转速或桨距，同时减小旋转方向与飞行器欲要滚转的方向相同的各个旋翼的转速或桨距，以使飞行器向相应方向滚转。
[0022]优选地，在飞行器巡航阶段，通过转动固定翼，减小机身左侧的固定翼的攻角，同时增加机身右侧的固定翼的攻角，以使飞行器向左滚转；或者，通过转动固定翼，增加机身左侧的固定翼的攻角，同时减小机身右侧的固定翼的攻角，以使飞行器向右滚转。
[0023]本发明提供的飞行器，基于多旋翼飞行器，即设有多个旋翼的飞行器，在该种飞行器的机身两侧设有固定翼，固定翼通过转轴设置在机身的两侧，固定翼倾转时，其攻角发生改变。当飞行器起飞时，通过逐渐增加所有旋翼的转速或者桨距来增加升力，使飞行器垂直起飞，同时通过控制固定翼的倾转角度来调整固定翼的攻角以使其阻力最小。当飞行器巡航时，通过控制固定翼的倾转角度来调整固定翼的攻角以使其升阻比最大。随着飞行速度的增加，固定翼产生的升力也不断增加。因此，与单纯的多旋翼飞行器相比，该飞行器的巡航效率更高，航程和续航时间更长。当飞行器的阻力与旋翼产生的向前的拉力相等以后，飞行器即可保持一定的速度巡航。
[0024]本发明的优选方案中，动力系统的动力源可以为涡轮轴发动机。需要说明的是，各个旋翼可以共用一台涡轮轴发动机，当然，也可各采用一台涡轮轴发动机。涡轮轴发动机具有较大的功率，可有效提高飞行器的载荷重量，且续航里程较长。
[0025]本发明还提供了一种控制方法，通过控制旋翼的转速或桨距，以及固定翼