一种无尾翼垂直起降固定翼无人机

1.本发明涉及无人机的领域，尤其是涉及一种无尾翼垂直起降固定翼无人机。


背景技术：

2.无人机按照机型不同，目前常见类型主要包括固定翼无人机、旋翼无人机。旋翼机型的螺旋桨产生的升力必须大于其自身重力，因而其能耗很高，一般飞行时间较短，航程比较近；优点是可以悬停，容易操控。
3.固定翼无人因结构特点的原因，其气动效率更高，续航与载重量更为优秀；在各个行业中占据一定比重，由于其推重比可以小于1，所以相对能耗不高，飞行速度更快，飞行时间更长；缺点是不能悬停，需要的起飞降落面积较大且不易操控。此外，现有固定翼无人机起飞和降落均不方便，一般采用滑跑起飞和滑跑降落；或者采用弹射装置起飞和降落伞降落，而这种方式需要弹射架协助，弹射架的运输亦会成为问题，因此限制了固定翼无人机的发展。
4.垂直起降固定翼无人机，是指具有固定机翼，又能够实现垂直起降的无人机，它融合了旋翼和固定翼的优点。目前主要分为倾转旋翼垂直起降无人机和旋翼固定翼复合式垂直起降无人机两大类。这两大类垂直起降固定翼无人机均具备各自相应的优缺点。倾转旋翼垂直起降无人机具有四个四旋翼布局的电机进行对称分布，起飞时以四旋翼形式进行垂直起飞，到达一定高度后前方两个矢量电机由垂直进行倾转九十度呈水平状态，后方俩电机关闭，整体呈双发固定翼进行飞行。旋翼固定翼复合式垂直起降无人机具有五个电机，即水平方向具有一个动力电机，垂直方向具有四个四旋翼布局的电机来进行垂直起降和悬空，这两种类型各有利弊，均产生结构冗余，增加无人机重量和电量消耗量，且在空中产生较大空气阻力，不利于无人机的续航；因此本发明提出一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有各类无人机均无法兼顾的便于起降和高续航的问题，本发明提供一种无尾翼垂直起降固定翼无人机。
6.本发明提供的一种无尾翼垂直起降固定翼无人机采用如下的技术方案：
7.一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，包括机身和机翼，所述机翼前端可拆卸固定连接有倾转舵机，且倾转舵机的输出端固定连接有倾转螺旋桨，所述倾转螺旋桨轴线垂直地面时，无人机垂直起降，所述倾转螺旋桨轴线平行于地面时，无人机水平滑行；
8.所述机身的后端固定连接有碳管，且碳管的末端共轴固定连接有两个尾部电机，两个所述尾部电机的输出轴上均固定连接有尾部螺旋桨，且两个尾部螺旋桨正反向，风向均向下设置，所述碳管、尾部电机和尾部螺旋桨相配合取代现有无人机尾翼部分。
9.优选的，所述机翼前方中段位置固定连接有安装座，且安装座上插接固定连接有电机座，所述倾转舵机固定连接于电机座上。
10.优选的，所述倾转螺旋桨的转动方向相反设置。
11.优选的，两个所述机翼的末端中段位置活动连接有副翼，且机翼的下方设置有调节机构，所述调节机构传动副翼进行角度的调节。
12.优选的，所述调节机构包括第一舵机和第一摇臂，所述第一舵机固定连接于机翼的内部，所述第一摇臂固定连接于第一舵机的输出轴上，所述副翼的底部中间位置固定连接有舵角，且舵角和第一摇臂之间通过连杆传动连接。
13.优选的，所述机翼的下方靠近机身的一侧开设有凹槽，且凹槽的内侧嵌设有与机翼转动连接的滑行板。
14.优选的，所述机翼的内侧螺栓固定连接有第二舵机，且第二舵机的输出端转动连接有连接件，并且第二舵机通过连接件和滑行板之间固定连接。
15.综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
16.1.采用无尾翼设计，并利用两个堆叠放置的电机代替原本的尾翼，利用其产生的升力完成无人机整体在空中的力矩平衡或者俯仰操作，通过俩电机本身转矩差值来提供水平转向力，使得无人机减少受到来自空中乱流的影响，进而使得无人机的空中受力更加可控化；
17.2.将后方俩电机集成固定在机翼尾部碳管上，相较于现有的固定翼垂直起降无人机，减少了结构冗余和整机质量，同时拥有更好的气动平衡，提高了续航能力；
18.3.本技术具有垂直起降，悬空，高航时，结构简单，气动稳定性好等优点，应用范围广泛。
附图说明
19.图1是发明实施例的等轴测结构示意图。
20.图2是发明实施例的仰视等轴测结构示意图。
21.图3是发明实施例的机翼等轴测结构示意图。
22.图4是发明实施例的机翼仰视等轴测结构示意图。
23.图5是发明实施例的倾转机构结构示意图。
24.图6是发明实施例的副翼结构示意图。
25.图7是发明实施例的尾部螺旋桨机构结构示意图。
26.图8是发明实施例的滑行板结构示意图。
27.附图标记说明：1、机身；2、机翼；201、凹槽；202、安装座；3、碳管；4、副翼；5、电机座；6、倾转螺旋桨；7、滑行板；8、尾部电机；9、尾部螺旋桨；10、调节机构；1001、第一舵机；1002、第一摇臂；11、第二舵机；12、倾转舵机；13、连杆；14、舵角。
具体实施方式
28.以下结合附图1-8对本发明作进一步详细说明。
29.实施例一：
30.参照图1-8，一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，包括机身1和机翼2，机身1的前方设置有整流罩，无人机的飞控系统设置于机身1的内部，机翼2前端可拆卸固定连接有倾转舵机12，且倾转舵机12的输出端固定连接有倾转螺旋桨6，倾转螺旋桨6内置有电机，作为倾
转螺旋桨6的动力源，倾转螺旋桨6轴线垂直地面时，无人机垂直起降，倾转螺旋桨6轴线平行于地面时，无人机水平滑行，倾转螺旋桨6的转动方向相反设置，倾转舵机12的转轴垂直于碳管3且平行于地面设置，其传动倾转螺旋桨6转动的范围为0-90
°
，机翼2前方中段位置固定连接有安装座202，且安装座202上插接固定连接有电机座5，倾转舵机12固定连接于电机座5上；
31.两个机翼2的末端中段位置活动连接有副翼4，且机翼2的下方设置有调节机构10，调节机构10传动副翼4进行角度的调节，调节机构10包括第一舵机1001和第一摇臂1002，第一舵机1001固定连接于机翼2的内部，第一摇臂1002固定连接于第一舵机1001的输出轴上，副翼4的底部中间位置固定连接有舵角14，且舵角14和第一摇臂1002之间通过连杆13传动连接，第一舵机1001转动转轴，传动第一摇臂1002进行角度的调节，由于连杆13的长度固定，因此副翼4会在连杆13、舵角14和第一摇臂1002共同作用下进行转动，实现对无人机姿态的调节；
32.机身1的后端固定连接有碳管3，且碳管3的末端共轴固定连接有两个尾部电机8，尾部电机8固定安装于双向电机座中，利用双向电机座实现和碳管3之间的固定，两个尾部电机8的输出轴上均固定连接有尾部螺旋桨9，且两个尾部螺旋桨9正反向，风向均向下设置，碳管3、尾部电机8和尾部螺旋桨9相配合取代现有无人机尾翼部分，减少了结构冗余和整机质量，同时拥有更好的气动平衡，提高了续航能力；
33.机翼2的下方靠近机身1的一侧开设有凹槽201，且凹槽201的内侧嵌设有与机翼2转动连接的滑行板7，机翼2的内侧螺栓固定连接有第二舵机11，且第二舵机11的输出端转动连接有连接件，并且第二舵机11通过连接件和滑行板7之间固定连接，滑行板7在第二舵机11的作用下，转动至凹槽201的内侧，进行安置，在降落时，第二舵机11传动其转动至垂直于地面设置。
34.飞行器的整体姿态控制采用双级串联pid控制，例如对于俯仰的控制：外环为俯仰位置环为单比例控制，内环为俯仰速度环为pid控制，在垂起状态下，滚转主要通过倾转螺旋桨6内部电机的转速差来提供滚转力矩：
35.1)期望滚转角度为a；
36.2)期望滚转角度a减当前滚转角度为偏差e；
37.3)偏差e乘以比例p等于一级位置环的输出，再与滚转速度相减得e0经过速度环pid调节最后输出为、俩电机应得的转速差；
38.4)因偏差而产生的偏航力矩为j；
39.5)偏航力矩由尾部电机8来调节，两个尾部电机8的推力都向下，转向相反，通过双环pid控制(参考步骤1、2、3)将两个尾部电机8转速差调大，而两个尾部电机8总推力不变的方法，进而调节其偏航力矩；
40.偏航力矩：方法参考步骤5；
41.俯仰力矩：通过两个倾转螺旋桨6与两个尾部电机8控制俯仰，同样是通过双级pid串联控制，参考步骤1、2、3得到两个倾转螺旋桨6与两个尾部电机8转速差，因为其两个倾转螺旋桨6与两个尾部电机8的转向都相反故无需考虑偏航力矩；
42.飞行器固定翼模式下的控制将会采用倾转螺旋桨6、尾部电机8、尾部螺旋桨9与第一舵机1001同时控制；同样采用双环控制，但考虑到飞机气动并不稳定因此外环采用比例
控制，内环采用模糊控制；
43.机头向下俯仰力矩将由尾部电机8提供，向上的俯仰力矩将由倾转舵机12来偏转倾转螺旋桨6方向实现滚转力矩将由飞机副翼4控制；
44.偏航力矩将通过两个倾转螺旋桨6的转速差来获得，因为转速差得到的滚转力矩将主要由副翼4来平衡尾部电机8，当尾部电机8在运行时，优先级为：先由尾部电机8来提供偏航力矩(参考步骤5)，若最终结果不能满足要求，则再通过上述步骤方法提供偏航力矩。
45.本发明实施例一种无尾翼垂直起降固定翼无人机的实施原理为：将无人机放置在平坦地面上，接上电源，倾转螺旋桨6和尾部螺旋桨9开始工作，此时倾转螺旋桨6轴线方向垂直于地面朝上，倾转螺旋桨6使用正反桨，相互之间抵消转矩，后方尾部螺旋桨9上下安置，均使用正反桨且风向均朝下，进而使得无人机整体满足力矩平衡，整体上正上方飞行；到达一定高度后，倾转舵机12传动倾转螺旋桨6进行方向调节，将倾转螺旋桨6由垂直于地面方向旋转90
°
至与地面平行方向，此时倾转螺旋桨6作为双发动力电机进行工作，后面尾部螺旋桨9根据力矩平衡，调整转速以保持水平平衡，无人机整体进入固定翼平飞模式，此模式下巡航速度提高，续航时间增长，水平转向通过固定翼上的副翼4进行调整，尾部螺旋桨9进行辅助调整转速以提供转向转矩，俯仰通过尾部螺旋桨9转速差来提供纵剖面上的方向变化；
46.降落时有两种方案：一种是滑行降落，通过第二舵机11控制的无人机上的滑行板7打开以减少对机身1摩擦损伤，另一种是转化为旋翼模式，接近目的地时倾转舵机12传动倾转螺旋桨6转动至垂直于地面方向，对转速进行控制，缓慢下降以实现平稳着落，此方式也可于实际应用中需要对某处进行近距离或者静态观察时使用。
47.需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
48.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，包括机身(1)和机翼(2)，其特征在于：所述机翼(2)前端可拆卸固定连接有倾转舵机(12)，且倾转舵机(12)的输出端固定连接有倾转螺旋桨(6)，所述倾转螺旋桨(6)轴线垂直地面时，无人机垂直起降，所述倾转螺旋桨(6)轴线平行于地面时，无人机水平滑行；所述机身(1)的后端固定连接有碳管(3)，且碳管(3)的末端共轴固定连接有两个尾部电机(8)，两个所述尾部电机(8)的输出轴上均固定连接有尾部螺旋桨(9)，且两个尾部螺旋桨(9)正反向，风向均向下设置，所述碳管(3)、尾部电机(8)和尾部螺旋桨(9)相配合取代现有无人机尾翼部分。2.根据权利要求1所述的一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述机翼(2)前方中段位置固定连接有安装座(202)，且安装座(202)上插接固定连接有电机座(5)，所述倾转舵机(12)固定连接于电机座(5)上。3.根据权利要求1所述的一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述倾转螺旋桨(6)的转动方向相反设置。4.根据权利要求1所述的一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，其特征在于：两个所述机翼(2)的末端中段位置活动连接有副翼(4)，且机翼(2)的下方设置有调节机构(10)，所述调节机构(10)传动副翼(4)进行角度的调节。5.根据权利要求4所述的一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述调节机构(10)包括第一舵机(1001)和第一摇臂(1002)，所述第一舵机(1001)固定连接于机翼(2)的内部，所述第一摇臂(1002)固定连接于第一舵机(1001)的输出轴上，所述副翼(4)的底部中间位置固定连接有舵角(14)，且舵角(14)和第一摇臂(1002)之间通过连杆(13)传动连接。6.根据权利要求1所述的一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述机翼(2)的下方靠近机身(1)的一侧开设有凹槽(201)，且凹槽(201)的内侧嵌设有与机翼(2)转动连接的滑行板(7)。7.根据权利要求6所述的一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述机翼(2)的内侧螺栓固定连接有第二舵机(11)，且第二舵机(11)的输出端转动连接有连接件，并且第二舵机(11)通过连接件和滑行板(7)之间固定连接。

技术总结
本发明涉及无人机技术领域，且公开了一种无尾翼垂直起降固定翼无人机，包括机身和机翼，所述机翼前端可拆卸固定连接有倾转舵机，且倾转舵机的输出端固定连接有倾转螺旋桨；所述机身的后端固定连接有碳管，且碳管的末端共轴固定连接有两个尾部电机，两个所述尾部电机的输出轴上均固定连接有尾部螺旋桨，且两个尾部螺旋桨正反向，风向均向下设置，本方案，采用无尾翼设计，并利用两个堆叠放置的电机代替原本的尾翼，利用其产生的升力完成无人机整体在空中的力矩平衡或者俯仰操作，通过俩电机本身转矩差值来提供水平转向力，使得无人机减少受到来自空中乱流的影响，进而使得无人机的空中受力更加可控化。受力更加可控化。受力更加可控化。


技术研发人员：李德宝 李海鑫 吴钰桐 马越 殷昊天
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/6/27