[实用新型]一种复合翼垂直起降无人机

说明书

技术领域

本实用新型涉及垂直起降飞机技术领域，特别是涉及一种复合翼垂直起降无人机。

背景技术

固定翼垂直起降无人机兼顾固定翼无人机的高速飞行能力、久航能力和多轴无人机的垂直起降能力，因此，因为其实用价值，在工业无人机领域固定翼垂直起降无人机得到了的广泛推崇。

现有固定翼垂直起降无人机大体分为三种形式：倾转动力式，尾座式和复合翼式。其中，复合翼垂直起降方案是以常规固定翼飞行器为基础，增加多轴动力单元，在垂直起降及低速状态下按照多轴模式飞行，通过多个螺旋桨产生向上的拉力克服重力和气动阻力进行飞行；而在高速状态下，按照固定翼模式飞行，通过机翼气动升力克服重力，通过拉力向前的螺旋桨克服气动阻力。与其他方式相比，复合翼垂直起降方案无需额外机构，结构简单；不存在大幅度飞行姿态变化，导航解算容易。因此，复合翼垂直起降方案是目前可靠性最高，技术风险最低的长航时垂直起降无人机方案，成为工业无人机研发领域的热点。

然而，多轴模式的偏航控制是制约复合翼垂直起降无人机实用化的难点。大部分多轴无人机的控制是通过同时调整多个电机转速完成的，滚转、俯仰和偏航存在控制耦合，当三个方向指令值和测量值的偏差同时达到较高水平时，至少一个电机转速饱和，造成控制能力下降。多轴无人机的偏航控制力矩源于螺旋桨的转动阻力矩，其量值低于通过螺旋桨拉力与力臂产生的滚转控制力矩和俯仰控制力矩，当三个方向或两个方向（包括偏航方向）的指令值与测量值的偏差较大时，偏航方向将首先失去控制能力。

由于复合翼无人机相比多轴无人机增加了机身、机翼等相对尺寸和重量较大的部件，其偏航转动惯量增量较大，偏航控制能力偏低的问题更为尖锐，轻者姿态控制精度下降，重者控制发散导致飞行事故。虽然调整控制器的参数和结构能在一定程度上延缓偏航控制饱和，但无法从根本上消除偏航控制能力的短板。

实用新型内容

针对上述现有技术中复合翼无人机飞行姿态的控制问题，本实用新型提供了一种复合翼垂直起降无人机，用于解决现有复合翼垂直起降无人机垂直起降和低速飞行状态下的偏航控制能力问题。

为解决上述问题，本实用新型提供的一种复合翼垂直起降无人机通过以下技术要点来解决问题：一种复合翼垂直起降无人机，包括机身、固定于机身上且相对于机身的长度方向对称的机翼、固定于机翼上的垂直动力单元及固定于机身上的平飞动力单元，还包括固定于机身上的垂直尾翼，所述垂直尾翼上还设置有偏航控制单元和水平尾翼；

所述机翼固定于机身中段，所述机翼的后缘上铰接有两片副翼，两片副翼位于机身的不同侧；

所述垂直动力单元为四个，垂直动力单元包括垂直动力螺旋桨、电机和电子调速器，所述电子调速器用于控制电机的转速，所述电机用于制动垂直动力螺旋桨转动；

机身两侧的机翼上均设置有两个垂直动力单元，且位于机身同侧的两个垂直动力单元位于机身长度方向的不同位置，四个垂直动力单元相对于机身两两对称；

所述垂直尾翼固定于机身后端的上侧，所述垂直尾翼上开有通孔，所述偏航控制单元安装于所述通孔中，所述偏航控制单元包括可产生拉力向机身长度方向左侧或右侧的变桨距螺旋桨；所述水平尾翼相对于机身的长度方向对称，水平尾翼的后缘上还铰接有升降舵；所述平飞动力单元包括可产生沿着机身长度方向拉力的平飞螺旋桨。

具体的，本实用新型提供的无人机在飞行时，具有多种飞行状态：高速状态、垂直起降及低速状态。高速状态下垂直动力单元不工作，平飞动力单元的拉力向前的平飞螺旋桨克服气动阻力，机翼产生气动升力，克服重力。副翼提供滚转控制力矩，升降舵提供俯仰控制力矩。

垂直起降和低速状态下垂直动力单元的垂直动力螺旋桨提供的拉力的用于克服全机重力，4个垂直动力单元均有相对于无人机重心的滚转力臂和俯仰力臂，通过改变4个螺旋桨拉力提供所需的滚转控制力矩和俯仰控制力矩；偏航方向有通过如下途径提供控制力矩：偏航控制单元的变桨距螺旋桨具有相对于无人机重心的偏航力臂。

本实用新型的提供的复合翼垂直起降无人机采用垂直尾翼上安装的变桨距螺旋桨提供偏航力矩，由于螺距响应速度高于转速响应速度，因此变桨距螺旋桨改变偏航力矩更快，与现有技术通过螺旋桨转动阻力矩控制偏航相比，本实用新型的偏航控制单元提高了偏航指令的响应速率，提高偏航控制效果。

更进一步的技术方案为：