一种尾座式固定翼无人机及其垂直飞行悬停控制方法与流程

1.本发明涉及无人机领域，具体为一种尾座式固定翼无人机及其垂直飞行悬停控制方法。


背景技术：

2.传统飞机按形态可以分为固定翼飞机、直升机类飞机和垂直起降固定翼类飞机三种。
3.固定翼飞机，需要跑道起降或弹射起飞。直升机类飞机通常具有一个或多个螺旋桨，包括多旋翼，可垂直起降，飞行过程中需要靠螺旋桨的向下气流时刻抵消重力。
4.垂直起降固定翼类，兼具垂直起降和固定翼高效优点，目前通常分为两种形态：一种是多旋翼+固定翼，把多旋翼机构和固定翼机构组合到一起，多旋翼机构负责垂直起降，固定翼机构负责水平飞行；另一种是推进器方向可变固定翼，如美国鱼鹰、f35-b，通过改变推进器方向实现垂直起降和水平飞行。
5.现有技术的垂直起降固定翼飞机在垂直飞行进行悬停时，通常会受到风力空中风力的干扰，导致其不能稳定的悬停，通常需要通过改变飞机推进器的舵面方向来控制飞机的俯仰角度的变化，来对抗风力的干扰而稳定的悬停，导致控制过程复杂，且消耗大量的动力。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种控制过程简单且节能的尾座式固定翼无人机及其垂直飞行悬停控制方法。
7.本发明实施例中，提供了一种尾座式固定翼无人机，其包括：机身、飞行控制器、对称设置于所述机身两侧的机翼和设置于所述机身尾部的推进器，所述机翼与所述机身可转动连接，所述机翼可在所述飞行控制器的控制下进行旋转，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置。
8.本发明实施例中，在垂直飞行悬停时，当所述机翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移，
9.当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心上方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相同的正向攻角。
10.本发明实施例中，当所述机翼从垂直于所述机身的延伸方向旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移，
11.当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心下方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相反的负向攻角。
12.本发明实施例中，所述机翼和所述无人机机身之间通过垂直于所述无人机机身的转轴相连接。
13.本发明实施例中，所述的尾座式固定翼无人机，还包括设置于所述无人机机身头
部两侧的鸭翼，所述鸭翼与所述无人机机身可转动连接，所述鸭翼可在所述飞行控制器的控制下进行旋转。
14.本发明实施例中，在垂直飞行悬停时，当所述鸭翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移。
15.本发明实施例中，当所述机翼从垂直于所述机身的延伸方向旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移。
16.本发明实施例中，所述鸭翼和所述无人机机身之间通过垂直于所述无人机机身的转轴相连接。
17.本发明实施例中，还提供了一种上述的尾座式固定翼无人机的垂直飞行悬停控制方法，其包括：
18.在垂直飞行悬停时，控制机翼旋转，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置，
19.当所述机翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移，
20.当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心上方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相同的正向攻角；
21.当所述机翼从垂直于所述机身的延伸方向旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移，
22.当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心下方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相反的负向攻角。
23.本发明实施例中，所述无人机还包括设置于所述无人机机身头部两侧的鸭翼，所述鸭翼与所述无人机机身可转动连接，所述鸭翼可在所述飞行控制器的控制下进行旋转，所述控制方法还包括：
24.控制所述鸭翼旋转，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置，
25.当所述鸭翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移；
26.当所述鸭翼从垂直于所述机身的延伸方向逐步旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移。
27.与现有技术相比较，采用本发明的尾座式固定翼无人机及其控制方法，当所述无人机垂直飞行并进行悬停控制时，通过控制所述机翼和/或鸭翼的旋转角度来改变所述无人机的压力中心点，使得所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置发生变化，从而使得所述无人机在来流的影响下，作出正向或负向的攻角变化，只需通过改变机翼的旋转方向就可以控制无人机在垂直飞行时进行稳定的悬停动作，控制方式简单。
附图说明
28.图1是本发明实施例的尾座式固定翼无人机的结构示意图。
29.图2是本发明实施例的尾座式固定翼无人机的机翼转动后的结构示意图。
30.图3(a)-图3(b)是本发明实施例的尾座式固定翼无人机分别在机翼转动前后的压
力中心点的示意图。
31.图4(a)-图4(b)是本发明实施例的尾座式固定翼无人机的压力中心点与重心的相对位置不同的情况下在来流的作用下机头发生偏转的示意图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。
34.如图1所示，本发明实施例中，提供了一种尾座式固定翼无人机，其包括机身1、飞行控制器(图未示)、对称设置于所述机身1两侧的机翼2、和设置于所述机身1尾部的推进器3。可选地，所述尾座式固定翼无人机还包括对称设置于所述机身1头部两侧的鸭翼4。
35.如图2所示，所述机翼2与所述机身1通过转轴5进行可转动连接，所述机翼2可在所述飞行控制器的控制下进行旋转，从平行于所述机身1的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身1的延伸方向。可选地，所述鸭翼4与所述机身1也通过转轴(图未示)进行可转动连接，所述鸭翼4可在所述飞行控制器的控制下进行旋转，从平行于所述机身1的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身1的延伸方向。需要说明的是，所述机翼2和所述鸭翼4分别与所述机身1进行可转动连接连接，可以通过改变所述机翼2和所述鸭翼4的旋转方向，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置，进而对无人机在垂直飞行进行悬停时机头的的攻角进行控制，使得无人机可以稳定的进行悬停。
36.如图3(a)和图3(b)所示，通常情况下，在正常垂直飞行(机翼2与机身1的延伸方向平行)的情况下，无人机的压力中心点p位于无人机的重心的附近，可以略微偏上或者偏下。需要说明的是，飞行器的压力中心点是气流作用于飞机的点，其整个飞行器的压力中心点可以通过积分来流方向投影到机体的面积来估算。由于在进行垂直悬停时，当所述机翼2从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身1的延伸方向时，来流方向的机翼投影面积逐渐减小，而机翼2的位置离飞机的尾部较近，会导致所述无人机的压力中心点p上移；当所述机翼2从垂直于所述机身1的延伸方向旋转至平行于所述机身1的延伸方向时，来流方向的机翼投影面积逐渐增大，所述无人机的压力中心点p下移。
37.同理，由于所述鸭翼4的位置离飞机的头部较近，当所述鸭翼4从平行于所述机身1的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身1的延伸方向时，所述无人机的压力中心点p下移；当所述鸭翼4从垂直于所述机身1的延伸方向逐步旋转至平行于所述机身1的延伸方向时，所述无人机的压力中心点p上移。
38.如图4(a)和图4(b)所示，当所述无人机的压力中心点p移动至所述无人机的重心g上方时，来流的作用力作用在所述无人机的压力中心点p，所述无人机就会绕重心g发送偏转，从而使得所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相同的正向攻角；当所述无人机的压力中心点p移动至所述无人机的重心g下方时，来流的作用力作用在所述无人机的压力中心点p，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相反的负向攻角。
39.具体地，本发明实施例中，所述尾座式固定翼无人机只配置了所述机翼2，没有配
置所述鸭翼4时，所述尾座式固定翼无人机垂直飞行悬停的控制方式如下：
40.在垂直飞行悬停时，控制机翼旋转，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置，
41.当所述机翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移，
42.当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心上方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相同的正向攻角；
43.当所述机翼从垂直于所述机身的延伸方向旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移，
44.当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心下方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相反的负向攻角。
45.进一步地，当所述尾座式固定翼无人机同时配置了所述机翼2和所述鸭翼4时，还可以通过控制所述鸭翼4的旋转来改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置。当所述鸭翼4从平行于所述机身1的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身1的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移；当所述鸭翼4从垂直于所述机身1的延伸方向逐步旋转至平行于所述机身1的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移。
46.综上所述，采用本发明的尾座式固定翼无人机及其控制方法，当所述无人机垂直飞行并进行悬停控制时，通过控制所述机翼和/或鸭翼的旋转角度来改变所述无人机的压力中心点，使得所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置发生变化，从而使得所述无人机在来流的影响下，作出正向或负向的攻角变化，只需通过改变机翼的旋转方向就可以控制无人机在垂直飞行时进行稳定的悬停动作，控制方式简单。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种尾座式固定翼无人机，其特征在于，包括：机身、飞行控制器、对称设置于所述机身两侧的机翼和设置于所述机身尾部的推进器，所述机翼与所述机身可转动连接，所述机翼可在所述飞行控制器的控制下进行旋转，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置。2.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，在垂直飞行悬停时，当所述机翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移，当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心上方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相同的正向攻角。3.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，当所述机翼从垂直于所述机身的延伸方向旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移，当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心下方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相反的负向攻角。4.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，所述机翼和所述无人机机身之间通过垂直于所述无人机机身的转轴相连接。5.如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，还包括设置于所述无人机机身头部两侧的鸭翼，所述鸭翼与所述无人机机身可转动连接，所述鸭翼可在所述飞行控制器的控制下进行旋转。6.如权利要求5所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，在垂直飞行悬停时，当所述鸭翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移。7.如权利要求5所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，当所述机翼从垂直于所述机身的延伸方向旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移。8.如权利要求5所述的尾座式固定翼无人机，其特征在于，所述鸭翼和所述无人机机身之间通过垂直于所述无人机机身的转轴相连接。9.一种如权利要求1所述的尾座式固定翼无人机的垂直飞行悬停控制方法，其特征在于，包括：在垂直飞行悬停时，控制机翼旋转，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置，当所述机翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移，当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心上方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相同的正向攻角；当所述机翼从垂直于所述机身的延伸方向旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移，当所述无人机的压力中心点移动至所述无人机的重心下方时，所述无人机的机头在来流的影响下机头做出与所述来流方向相反的负向攻角。10.一种如权利要求9所述的尾座式固定翼无人机的垂直飞行悬停控制方法，其特征在
于，所述无人机还包括设置于所述无人机机身头部两侧的鸭翼，所述鸭翼与所述无人机机身可转动连接，所述鸭翼可在所述飞行控制器的控制下进行旋转，所述控制方法还包括：控制所述鸭翼旋转，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置，当所述鸭翼从平行于所述机身的延伸方向逐步旋转至垂直于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点下移；当所述鸭翼从垂直于所述机身的延伸方向逐步旋转至平行于所述机身的延伸方向时，所述无人机的压力中心点上移。

技术总结
本发明提供了一种尾座式固定翼无人机及其垂直飞行悬停控制方法，所述无人机一种尾座式固定翼无人机，其包括机身、飞行控制器、对称设置于所述机身两侧的机翼和设置于所述机身尾部的推进器，所述机翼与所述机身可转动连接，所述机翼可在所述飞行控制器的控制下进行旋转，从而改变所述无人机的压力中心点与所述无人机的重心的相对位置。采用发明的技术方案，只需通过改变机翼的旋转方向就可以控制无人机在垂直飞行时进行稳定的悬停动作。人机在垂直飞行时进行稳定的悬停动作。人机在垂直飞行时进行稳定的悬停动作。


技术研发人员：张凯帆 赵云龙 凌济林
受保护的技术使用者：深圳市千帆智能航空有限公司
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/6/27