CN108791818A - 一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，包括：机身及水平舵面，所述机身两侧设有串列式前机翼及串列式后机翼，所述机身尾部设有提供飞机横航向稳定性的垂尾，所述机身设有发动机，所述串列式前机翼及串列式后机翼上均设有水平舵面、可变距螺旋桨及短舱、机翼倾转轴，所述可变距螺旋桨及短舱设置在所述串列式前机翼及串列式后机翼的前缘位置，所述机翼倾转轴分别控制所述串列式前机翼及串列式后机翼的倾转，所述水平舵面设置于可变距螺旋桨及短舱后侧，可在飞机平飞时提供俯仰及滚转方向的控制能力。其结构布局简单、易于控制、可实现性高的垂直起降倾转翼无人机。
Description
技术领域
本发明涉及无人机设备领域，特别涉及一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机。
背景技术
目前常见的无人机以多旋翼形式的飞行器为主。多旋翼无人机简单易操纵，可实现垂直起降与悬停作业，但续航时间短、巡航速度慢，无法实现单次大范围作业。
相比于旋翼飞行器，固定翼飞机具有速度高、航时长、航程远等优点。但固定翼飞机的起降对于跑道与场地有一定要求，难以满足许多无人机应用行业对于无人机易于使用、快速升空等特点的需要。
倾转旋翼飞机的发展始于上世纪40年代，由美国贝尔公司率先进行研制，以V-22鱼鹰飞机为代表为大家所熟知。倾转旋翼飞机综合了旋翼飞机与固定翼飞机的优点，但其控制***与结构复杂，载人时的安全性备受质疑。
在发明专利CN107187595A一种带有变距螺旋桨的垂直起降固定翼无人机中公开了一种垂直起降无人机，其使用了对转可变距双桨形式，但尾座式飞行器垂直飞行与水平飞行状态切换时控制难度大、动力***要求高、可调整性差，多在轻小型无人机上得以实现，实用性差。
在发明专利CN206087301U串列翼倾转旋翼变距飞行器中公开了一种串列式倾转旋翼飞机，其前后螺旋桨布置于同一轴线上将导致平飞时后桨效率降低，且仅倾转旋翼的方式会使机翼在旋翼垂直使成为一个很大的阻力板，降低拉力效果。
现有的无人机飞行控制难度大，倾转旋翼于垂直飞行状态损失拉力较多。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，其结构布局简单、易于控制、可实现性高的垂直起降倾转翼无人机。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，包括：机身及水平舵面，所述机身两侧设有串列式前机翼及串列式后机翼，所述机身尾部设有提供飞机横航向稳定性的垂尾，所述机身设有发动机，所述串列式前机翼及串列式后机翼上均设有水平舵面、可变距螺旋桨及短舱、机翼倾转轴，所述可变距螺旋桨及短舱设置在所述串列式前机翼及串列式后机翼的前缘位置，且机翼两侧的可变距螺旋桨及短舱对称，可随所述机翼一同倾转，所述机翼倾转轴分别控制所述串列式前机翼及串列式后机翼的倾转，所述水平舵面设置于可变距螺旋桨及短舱后侧，可在飞机平飞时提供俯仰及滚转方向的控制能力。
进一步，所述可变距螺旋桨及短舱上的螺旋桨的动力由发动机提供动力，所述串列式前机翼及串列式后机翼上两侧的螺旋桨呈反向旋转，同一侧串列式前机翼及串列式后机翼上的螺旋桨旋转方向也相反，所述螺旋桨可以通过变距机构，在飞机不同飞行状态下调整螺旋桨的桨距。
进一步，所述无人机垂直起降中，通过控制无人机上4个螺旋桨桨距及4个水平舵面偏角共计8个输入量使无人机完成垂直起降与悬停机动动作并保证动作精度。
进一步，所述无人机巡航平飞中，通过控制无人机上4个螺旋桨桨距及4个水平舵面偏角共计8个输入量使无人机完成固定翼飞行各机动动作并保证动作精度。
进一步，所述无人机机翼倾转过程中，通过控制机翼倾转轴角度、4个螺旋桨桨距及4个水平舵面偏角共计10个输入量使无人机完成空中机翼倾转动作并保证动作精度。
本发明的有益效果为：
本发明的机翼与螺旋桨同时倾转也减小了倾转螺旋桨时机翼的大面积对螺旋桨尾流的阻挡；前后螺旋桨的开布局保证了后翼上螺旋桨的效率，同时，可变距螺旋桨使发动机在各种飞行情况下都能稳定高效的输出，优化了倾转翼飞机的飞行能力。本实用既简化了飞机布局，也简化了飞机控制***的复杂程度，易于实现。
附图说明
图1为本发明的全机俯视图；
图2为本发明的螺旋桨及短舱在不同状态下随机翼的倾转姿态及桨距的变化示意图；
图3为本发明所述螺旋桨桨叶A-A剖面桨距变化的示意图；
图4为本发明配合具体实施方式说明的标号示意图；
附图标记对照表：
1-机身、2-串列式前机翼、3-串列式后机翼、4-可变距螺旋桨及短舱、41-螺旋桨、5-水平舵面、6-垂尾、7-机翼倾转轴。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，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。
如图1至图4所示，一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，包括：机身1及水平舵面5，所述机身1两侧设有串列式前机翼2及串列式后机翼3，所述机身1尾部设有提供飞机横航向稳定性的垂尾6，所述机身1设有发动机，所述串列式前机翼2及串列式后机翼3上均设有水平舵面5、可变距螺旋桨及短舱4、机翼倾转轴7，所述可变距螺旋桨及短舱4设置在所述串列式前机翼2及串列式后机翼3的前缘位置，且机翼两侧的可变距螺旋桨及短舱4对称，可随所述机翼一同倾转，所述机翼倾转轴7分别控制所述串列式前机翼2及串列式后机翼3的倾转，所述水平舵面5设置于可变距螺旋桨及短舱6后侧，可在飞机平飞时提供俯仰及滚转方向的控制能力。
所述可变距螺旋桨及短舱4上的螺旋桨41的动力由发动机提供动力，所述串列式前机翼2及串列式后机翼3上两侧的螺旋桨41呈反向旋转，同一侧串列式前机翼2及串列式后机翼3上的螺旋桨41旋转方向也相反，所述螺旋桨41可以通过变距机构，在飞机不同飞行状态下调整螺旋桨41的桨距。所述无人机垂直起降中，通过控制无人机上4个螺旋桨41桨距及4个水平舵面5偏角共计8个输入量使无人机完成垂直起降与悬停机动动作并保证动作精度。所述无人机巡航平飞中，通过控制无人机上4个螺旋桨41桨距及4个水平舵面5偏角共计8个输入量使无人机完成固定翼飞行各机动动作并保证动作精度。所述无人机机翼倾转过程中，通过控制机翼倾转轴7角度、4个螺旋桨41桨距及4个水平舵面5偏角共计10个输入量使无人机完成空中机翼倾转动作并保证动作精度。
实施例1：全机X轴为纵轴，以机头指向机尾为正；全机Y轴为横轴，垂直全机对称面指向飞机右侧为正；全机Z轴为竖轴，满足右手定则指向全机上方为正。
无人机准备起飞时，串列式前机翼2及串列式后机翼3与水平地面垂直，使螺旋桨41拉力方向同全机Z轴正向。
在发动机的驱动下，处于起降桨距的螺旋桨41旋转产生拉力对抗飞机重力与上升飞行时产生的重力方向的阻力，无人机垂直起飞，如图2a。期间可通过控制无人机水平舵面5调整无人机的姿态。
如图4所示的垂直起降过程中，螺旋桨41桨距δp及水平舵面5偏转角度δs所控制的力或力矩之间的关系可写为以下形式：
将控制输入阵由控制分配阵与期望控制阵表示为：
，则有：
有如下形式的分配阵：
可使且力与力矩的控制正交，即使用此8个控制输入可以单独对各向力与力矩进行准确的调整控制并且不产生相互干扰。
在由无人机气动能力与发动机能力决定的合理的高度下，串列式前机翼2及串列式后机翼3绕机翼倾转轴7向水平方向倾转，无人机在螺旋桨41的拉力沿全机X轴的分力下产生前向飞行速度，使串列式前机翼2及串列式后机翼3上产生对抗无人机重力方向的升力，无人机由垂直起飞向巡航平飞过渡。
类似的，也可以求解此时的控制分配阵使得包含串列式前机翼2及串列式后机翼3倾转角度在内的上述10个输入量可以单独对各向力与力矩进行准确的调整控制。
串列式前机翼2及串列式后机翼3倾转至水平时，无人机达到了足够的前向飞行速度，螺旋桨41调整为巡航桨矩，串列式前机翼2及串列式后机翼3上产生的升力即等于无人机重力，螺旋桨拉力等于无人机前向飞行是产生的全机X向的阻力，无人机进入巡航平飞，如图2b。在巡航平飞阶段，可通过控制水平舵面5调整飞机俯仰、滚转和偏航的姿态。
巡航平飞时的控制与固定翼的串列翼布局形式飞机相同，由上述的8个输入量对各向力与力矩进行准确的调整控制。
无人机飞至降落地点附近时，串列式前机翼2及串列式后机翼3再次向垂直水平面的方向倾转，无人机前向速度减小，由巡航平飞向垂直降落过渡。
串列式前机翼2及串列式后机翼3倾转至垂直水平面方向时，螺旋桨41再次处于起降桨距，无人机完成垂直降落。
以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，其特征在于，包括：机身（1）及水平舵面（5），所述机身（1）两侧设有串列式前机翼（2）及串列式后机翼（3），所述机身（1）尾部设有提供飞机横航向稳定性的垂尾（6），所述机身（1）设有发动机，所述串列式前机翼（2）及串列式后机翼（3）上均设有水平舵面（5）、可变距螺旋桨及短舱（4）、机翼倾转轴（7），所述可变距螺旋桨及短舱（4）设置在所述串列式前机翼（2）及串列式后机翼（3）的前缘位置，且机翼两侧的可变距螺旋桨及短舱（4）对称，可随所述机翼一同倾转，所述机翼倾转轴（7）分别控制所述串列式前机翼（2）及串列式后机翼（3）的倾转，所述水平舵面（5）设置于可变距螺旋桨及短舱（6）后侧，可在飞机平飞时提供俯仰及滚转方向的控制能力。
2.根据权利要求1所述的一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，其特征在于：所述可变距螺旋桨及短舱（4）上的螺旋桨（41）的动力由发动机提供动力，所述串列式前机翼（2）及串列式后机翼（3）上两侧的螺旋桨（41）呈反向旋转，同一侧串列式前机翼（2）及串列式后机翼（3）上的螺旋桨（41）旋转方向也相反，所述螺旋桨（41）可以通过变距机构，在飞机不同飞行状态下调整螺旋桨（41）的桨距。
3.根据权利要求2所述的一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，其特征在于：所述无人机垂直起降中，通过控制无人机上4个螺旋桨（41）桨距及4个水平舵面（5）偏角共计8个输入量使无人机完成垂直起降与悬停机动动作并保证动作精度。
4.根据权利要求3所述的一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，其特征在于：所述无人机巡航平飞中，通过控制无人机上4个螺旋桨（41）桨距及4个水平舵面（5）偏角共计8个输入量使无人机完成固定翼飞行各机动动作并保证动作精度。
5.根据权利要求4所述的一种新型的具有变距螺旋桨的倾转机翼无人机，其特征在于：所述无人机机翼倾转过程中，通过控制机翼倾转轴（7）角度、4个螺旋桨（41）桨距及4个水平舵面（5）偏角共计10个输入量使无人机完成空中机翼倾转动作并保证动作精度。
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