CN105882954A - 一种带有四个辅助翼的混合动力无人机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种带有四个辅助翼的混合动力无人机及其控制方法。本发明综合直升机与四旋翼的优势，综合油动与电动的优势，设计了一款以直升机架构为主体，以四旋翼架构为辅助的油、电混合动力系统的垂直起降无人机。此架构无人机包括主旋翼、垂直尾翼、左前辅助旋翼、右前辅助旋翼、左后辅助旋翼和右后辅助旋翼，共六个旋翼。无人机整体上采用直升机的基本架构，但将传统的直升机主旋翼的浆距可调浆叶换为普通的固定浆距浆叶，此种变动虽然使主旋翼失去了控制飞行方向的功能，但却有效降低了制造成本。而无人机飞行方向和机动动作的控制，则由垂直尾翼和四个辅助旋翼完成。本发明的主旋翼采用内燃机为动力，以增强无人机的续航能力，其他旋翼采用无刷电机为动力，以提高无人机的稳定性和机动性。
Description
技术领域
本发明属于飞行器制造领域，具体涉及一种带有四个辅助翼的混合动力无人机及其控制方法。
背景技术
当前，制约无人机发展的主要因素是其动力系统，在旋翼无人机上，常用的动力系统主要有电动和油动两种。电动无人机易于操纵、灵敏度高，但抗风能力差、续航能力差，尤其是载荷较重时，克服重力做功需消耗大量电能；油动无人机抗风能力强、续航能力强，但操纵困难、灵敏度差，现在的小型的油动无人机多采用控制进气阀进气量的方式来控制浆叶的转速，对控制信号的反应较为迟滞。
现如今，传统的直升机架构和迅速普及开的多旋翼架构在无人机制造领域都得到了迅速的发展，两种架构都已较为成熟，但却又各有优劣：直升机耗能较低、油动技术成熟，采用油动设计可极大提高续航能力，但其依靠改变浆距调整飞行的控制方式使得对主旋翼的要求较高，增加了成本，且维修困难；多旋翼结构简单、成本较低、维修方便，但多旋翼无人机耗电多、效率低，且油动技术发展较为落后，限制了其续航能力。
发明内容
鉴于解决以上问题，本发明设计了一种整合了直升机与四旋翼结构，采用油、电混合动力的新型架构无人机，既可有效降低成本，又可增强无人机的续航能力。
本发明旨在设计一款成本低、载重能力强、续航时间长的垂直起落无人机及其控制方法。综合考虑直升机和四旋翼各自的优势和不足，油动和电动各自的优势和不足，本发明设计了一款以直升机架构为主体，以四旋翼架构为辅助的油、电混合动力系统的垂直起降无人机。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种带有四个辅助翼的混合动力无人机及其控制方法，其中混合动力无人机包括机体、主旋翼、垂直尾翼、四个辅助旋翼；机体上部设置主旋翼，机体两侧各设置两个辅助旋翼，机体尾部设置垂直尾翼；所述四个辅助旋翼包括左前辅助旋翼、右前辅助旋翼、左后辅助旋翼和右后辅助旋翼，四个辅助旋翼均为相同型号的浆叶，左前辅助旋翼和右后辅助旋翼为正浆，右前辅助旋翼和左后辅助旋翼为反浆，正、反浆相互间隔排布，可有效抵消陀螺效应和空气动力扭矩效应；
优选所述垂直尾翼采用固定浆距的浆叶；主旋翼采用固定浆距的浆叶，无人机整体上采用直升机的基本架构，但将传统的直升机主旋翼的浆距可调浆叶换为普通的固定浆距浆叶，此种变动虽然使主旋翼失去了控制飞行方向的功能，但却有效降低了制造成本。而无人机飞行方向和机动动作的控制，则由垂直尾翼和四个辅助旋翼完成。
优选所述主旋翼采用内燃机为动力，垂直尾翼和四个辅助旋翼采用电动机为动力；本发明中，考虑到直升机的油动技术较为成熟，所以设计主旋翼采用内燃机为动力，作为主要动力输出。主旋翼的作用为克服重力做功，为无人机提供脱离地面的升力，其作用力主要表现在垂直方向上。在物资运输和农业植保等大载荷、大负重的应用中，克服机身和载物的重力做功为无人机的主要动能输出，主旋翼采用油动，可极大提高无人机的续航能力。垂直尾翼和四个辅助旋翼采用电动，通过电调控制无刷电机，进而带动浆叶旋转输出动能。这五个旋翼主要负责保持机身的平衡，以及控制无人机的转弯、变向等机动动作。无刷电机稳定性高，通过电调控制，输出准确、反应迅速，能极大提高无人机的飞行性能。
此无人机拥有六个旋翼，分别为：传统直升机架构上的主旋翼和垂直尾翼、X型四旋翼架构上的左前旋翼、右前旋翼、左后旋翼和右后旋翼。主旋翼采用内燃机作动力，为油动，主旋翼由传统的浆距可调浆叶改为固定浆距浆叶，主要负责克服重力做功，为无人机提供向上的升力。固定浆距浆叶既可简化无人机结构，方便组装和维护，又可有效的降低成本；垂直尾翼采用无刷电机作动力，为电动，主要负责克服主旋翼产生的反扭力和控制机身转向，采用固定浆距的浆叶；四个辅助旋翼采用无刷电机作动力，为电动，与垂直尾翼配合，完成飞机的平稳飞行，以及俯仰、滚转和偏航等动作。四个旋翼采用相同型号的浆叶，左前辅助旋翼和右后辅助旋翼为正浆，右前辅助旋翼和左后辅助旋翼为反浆，正、反浆相互间隔排布，可有效抵消陀螺效应和空气动力扭矩效应。
上述的带有四个辅助翼的混合动力无人机的控制方法，其包括一下情况：
(1) 当无人机垂直爬升时：主旋翼增大输出功率提供升力，垂直尾翼增大输出功率，四个辅助旋翼机动输出，保持机身平衡；当无人机急速垂直爬升时，四个辅助旋翼与主旋翼共同为其提供升力；
(2) 当无人机垂直降落时：主旋翼减小输出功率，垂直尾翼减小输出功率，四个辅助旋翼机动输出，保持机身平衡；
(3) 当无人机向前飞行时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左前辅助旋翼和右前辅助旋翼不工作，左后辅助旋翼和右后辅助旋翼运转，后方向上的推力带动机身向前倾斜，主旋翼的输出产生向后的分力，带动机身向前飞行，当需要增大向前飞行的速度时，增大左后辅助旋翼和右后辅助旋翼的输出功率，或者增大主旋翼的输出功率；
(4) 当无人机向后飞行时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左后辅助旋翼和右后辅助旋翼不工作，左前辅助旋翼和右前两个辅助旋翼运转，前方向上的推力带动机身向后倾斜，主旋翼的输出产生向前的分力，带动机身向后飞行；当需要增大向后飞行的速度时，增大左前辅助旋翼和右前辅助旋翼的输出功率，或者增大主旋翼的输出功率；
(5) 当无人机向左侧滚转时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左前、左后两个辅助旋翼不工作，右前、右后两个辅助旋翼运转，右侧向上的推力带动机身向左滚转；
(6) 当无人机向右侧滚转时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，右前、右后两个辅助旋翼不工作，左前、左后两个辅助旋翼运转，左侧向上的推力带动机身向右滚转；
(7) 当无人机向左侧偏航时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼为机身提供向左的反扭力；若主旋翼为正浆时，垂直尾翼减小输出；若主旋翼为反浆时，垂直尾翼增大输出；右前、左后两个辅助旋翼不工作，左前、右后两个辅助旋翼运转，为机身提供向左的反扭力，垂直尾翼与左前辅助旋翼和右后两个辅助旋翼协作，带动机身向左侧偏航；
(8) 当无人机向右侧偏航时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼为机身提供向右的反扭力；若主旋翼为正浆时，垂直尾翼增大输出；若主旋翼为反浆时，垂直尾翼减小输出；左前、右后两个辅助旋翼不工作，右前、左后两个辅助旋翼运转，为机身提供向右的反扭力；垂直尾翼与右前、左后两个辅助旋翼协作，带动机身向右侧偏航；
本发明主要完成以下技术指标：
(1)将无人直升机的浆距可调浆叶改成了固定浆距浆叶，有效降低了成本；
(2)主旋翼采用燃油动力，提高了无人机的续航能力；
(3)增加了四个辅助旋翼，以电调控制的无刷电机为动力，提高了无人机的灵活性、稳定性和机动性；
(4)无人机转向时，左前和右后，或者右前和左后辅助旋翼组合，其同一方向的反扭力可协助垂直尾翼快速实现转向；
(5)当无人机进入快速行进模式时，四个辅助旋翼亦可提供动能；
本发明的有益效果：综合考虑直升机和四旋翼各自的优势和不足，油动和电动各自的优势和不足，本发明设计出的无人机结构简单、维修方便，成本低、载重能力强、续航时间长，并且公开了操控混合动力无人机的方法，可以迅速有效地完成飞行。
附图说明
图1是无人机俯视效果图；
图2是无人机正视效果图；
图3是无人机垂直方向运动时各旋翼旋转状态图；
图4是无人机做前进运动时各旋翼旋转状态图；
图5是无人机做后退运动时各旋翼旋转状态图；
图6是无人机做左侧滚转运动时各旋翼旋转状态图；
图7是无人机做右侧滚转运动时各旋翼旋转状态图；
图8是无人机做左侧偏航运动时各旋翼旋转状态图；
图9是无人机做右侧偏航运动时各旋翼旋转状态图；
图中：1、机体，2、主旋翼，3、左前辅助旋翼，4、右前辅助旋翼，5、左后辅助旋翼，6、右后辅助旋翼，7、垂直尾翼。
具体实施方式
一种带有四个辅助翼的混合动力无人机，其包括机体、主旋翼、垂直尾翼、四个辅助旋翼；机体上部设置主旋翼，机体两侧各设置两个辅助旋翼，机体尾部设置垂直尾翼，上述的四个辅助旋翼包括左前辅助旋翼、右前辅助旋翼、左后辅助旋翼和右后辅助旋翼，四个辅助旋翼均为相同型号的浆叶，左前辅助旋翼和右后辅助旋翼为正浆，右前辅助旋翼和左后辅助旋翼为反浆。
所述垂直尾翼采用固定浆距的浆叶，同样主旋翼也采用固定浆距的浆叶。
所述主旋翼采用内燃机为动力，垂直尾翼和四个辅助旋翼采用电动机为动力。
本实施例的飞行控制具体分析：
(1) 当无人机垂直爬升时：主旋翼增大输出功率提供升力，垂直尾翼增大输出功率，以抵消主旋翼增大的反扭力，四个辅助旋翼机动输出，保持机身平衡。当无人机急速垂直爬升时，四个辅助旋翼亦可为其提供升力，但正常飞行时不提倡使用，因为会加大蓄电池中电量的消耗；
(2) 当无人机垂直降落时：主旋翼减小输出功率，垂直尾翼减小输出功率，四个辅助旋翼机动输出，保持机身平衡；
(3) 当无人机向前飞行时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左前、右前两个辅助旋翼不工作，左后、右后两个辅助旋翼运转，后方向上的推力带动机身向前倾斜，主旋翼的输出产生向后的分力，带动机身向前飞行。增大左后、右后两个辅助旋翼的输出功率以增大机身的前倾角度，或者增大主旋翼的输出功率，可增大向前飞行的速度；
(4) 当无人机向后飞行时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左后、右后两个辅助旋翼不工作，左前、右前两个辅助旋翼运转，前方向上的推力带动机身向后倾斜，主旋翼的输出产生向前的分力，带动机身向后飞行。增大左前、右前两个辅助旋翼的输出功率，或者增大主旋翼的输出功率，可增大向后飞行的速度；
(5) 当无人机向左侧滚转时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左前、左后两个辅助旋翼不工作，右前、右后两个辅助旋翼运转，右侧向上的推力带动机身向左滚转。此情况下，主旋翼的输出会产生向右的分力，带动机身向左侧倾斜飞行；
(6) 当无人机向右侧滚转时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，右前、右后两个辅助旋翼不工作，左前、左后两个辅助旋翼运转，左侧向上的推力带动机身向右滚转。此情况下，主旋翼的输出会产生向左的分力，带动机身向右侧倾斜飞行；
(7) 当无人机向左侧偏航时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼为机身提供向左的反扭力（若主旋翼为正浆时，垂直尾翼减小输出；若主旋翼为反浆时，垂直尾翼增大输出），右前、左后两个辅助旋翼不工作，左前、右后两个辅助旋翼运转，为机身提供向左的反扭力。垂直尾翼与左前、右后两个辅助旋翼协作，带动机身向左侧偏航；
(8) 当无人机向右侧偏航时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼为机身提供向右的反扭力（若主旋翼为正浆时，垂直尾翼增大输出；若主旋翼为反浆时，垂直尾翼减小输出），左前、右后两个辅助旋翼不工作，右前、左后两个辅助旋翼运转，为机身提供向右的反扭力。垂直尾翼与右前、左后两个辅助旋翼协作，带动机身向右侧偏航。
Claims (6)
1.一种带有四个辅助翼的混合动力无人机，其特征在于：包括机体、主旋翼、垂直尾翼、四个辅助旋翼；机体上部设置主旋翼，机体两侧各设置两个辅助旋翼，机体尾部设置垂直尾翼。
2.根据权利要求1所述的一种带有四个辅助翼的混合动力无人机，其特征在于：所述四个辅助旋翼包括左前辅助旋翼、右前辅助旋翼、左后辅助旋翼和右后辅助旋翼，四个辅助旋翼均为相同型号的浆叶，左前辅助旋翼和右后辅助旋翼为正浆，右前辅助旋翼和左后辅助旋翼为反浆。
3.根据权利要求1所述的一种带有四个辅助翼的混合动力无人机，其特征在于：所述垂直尾翼采用固定浆距的浆叶。
4.根据权利要求1所述的一种带有四个辅助翼的混合动力无人机，其特征在于：所述主旋翼采用固定浆距的浆叶。
5.根据权利要求1所述的一种带有四个辅助翼的混合动力无人机，其特征在于：所述主旋翼采用内燃机为动力，垂直尾翼和四个辅助旋翼采用电动机为动力。
6.一种如权利要求1所述带有四个辅助翼的混合动力无人机的控制方法，其特征在于：
(1) 当无人机垂直爬升时：主旋翼增大输出功率提供升力，垂直尾翼增大输出功率，四个辅助旋翼机动输出，保持机身平衡；当无人机急速垂直爬升时，四个辅助旋翼与主旋翼共同为其提供升力；
(2) 当无人机垂直降落时：主旋翼减小输出功率，垂直尾翼减小输出功率，四个辅助旋翼机动输出，保持机身平衡；
(3) 当无人机向前飞行时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左前辅助旋翼和右前辅助旋翼不工作，左后辅助旋翼和右后辅助旋翼运转，后方向上的推力带动机身向前倾斜，主旋翼的输出产生向后的分力，带动机身向前飞行，当需要增大向前飞行的速度时，增大左后辅助旋翼和右后辅助旋翼的输出功率，或者增大主旋翼的输出功率；
(4) 当无人机向后飞行时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左后辅助旋翼和右后辅助旋翼不工作，左前辅助旋翼和右前两个辅助旋翼运转，前方向上的推力带动机身向后倾斜，主旋翼的输出产生向前的分力，带动机身向后飞行；当需要增大向后飞行的速度时，增大左前辅助旋翼和右前辅助旋翼的输出功率，或者增大主旋翼的输出功率；
(5) 当无人机向左侧滚转时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，左前、左后两个辅助旋翼不工作，右前、右后两个辅助旋翼运转，右侧向上的推力带动机身向左滚转；
(6) 当无人机向右侧滚转时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼输出功率保持不变，右前、右后两个辅助旋翼不工作，左前、左后两个辅助旋翼运转，左侧向上的推力带动机身向右滚转；
(7) 当无人机向左侧偏航时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼为机身提供向左的反扭力；若主旋翼为正浆时，垂直尾翼减小输出；若主旋翼为反浆时，垂直尾翼增大输出；右前、左后两个辅助旋翼不工作，左前、右后两个辅助旋翼运转，为机身提供向左的反扭力，垂直尾翼与左前辅助旋翼和右后两个辅助旋翼协作，带动机身向左侧偏航；
(8) 当无人机向右侧偏航时：主旋翼输出功率保持不变，垂直尾翼为机身提供向右的反扭力；若主旋翼为正浆时，垂直尾翼增大输出；若主旋翼为反浆时，垂直尾翼减小输出；左前、右后两个辅助旋翼不工作，右前、左后两个辅助旋翼运转，为机身提供向右的反扭力；垂直尾翼与右前、左后两个辅助旋翼协作，带动机身向右侧偏航。
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