[发明专利]一种油电混合动力驱动的无人垂直起降飞行器及其飞行控制方法

说明书

本发明提出一种油电混合动力驱动的垂直起降飞行器及其飞行控制方法，飞行器机身中部安装有活塞发动机，前部两侧对称布置有可变距主升力螺旋桨，机身尾部通过沿机身纵向的支杆连接有电机驱动的辅助螺旋桨，支杆能够在舵机的带动下绕自身轴线转动，带动辅助螺旋桨旋转平面绕支杆轴线转动。本发明主升力系统由燃油动力驱动，利用了燃油能量密度高的特点，从而提升了飞行器的续航能力；尾部辅助升力螺旋采用电驱动，产生的拉力小，所需电量少，携带少量电池就可以满足长续航要求，相比全燃油发动机驱动简化了传动机构。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种油电混合动力驱动的无人垂直起降飞行器及其飞行控制方法。

背景技术

目前常见的无人垂直起降飞行器一种是四周布置三个及以上螺旋桨的多旋翼飞行器，一种是无人直升机。动力方式上，多旋翼飞行器多采用电机驱动，结构简单可靠，但受电池能量密度的限制，续航时间短；无人直升机因为有传动系统及桨叶操纵机构，结构相比多旋翼复杂，有电机驱动的，也有燃油发动机驱动，其中采用燃油动力的无人直升机续航时间较长。为了提升多旋翼飞行器的续航时间，一种解决方式是采用油电混合驱动，这其中又可分为串联驱动和并联驱动两种。油电混合串联驱动是采用燃油动力驱动发电机，然后发电机输出动力驱动螺旋桨驱动电机，但动力由燃油发动机到发电机以及电机，再到最后驱动的螺旋桨，动力的传输效率较低，一般不超过70％，且发电机和整流器等增加了飞行器的空机重量，从而限制了该类飞行器的载荷能力和续航时间。

专利号201520706579.3和201520341172.5分别分布了一种油电混合多旋翼飞行器方案，均采用中心活塞动力直接带动螺旋桨提供主升力，四周的电机驱动螺旋桨提供辅助升力及进行姿态控制，并且均使用扰流片来克服主升力螺旋桨的反扭矩并进行偏航控制，区别在于扰流片的数量及安装位置。专利号201520704292.7和201520524032.1公布了同以上两个专利类似的油电混合多旋翼飞行器方案，不同点在于是通过增加类似于传统直升机的偏航控制尾桨来进行反扭矩和偏航控制。以上专利公布的方案中，活塞发动机驱动的螺旋桨均布置在机身中心部位，一方面是增加了机身载荷布置的难度，另一方面是机身对螺旋桨下洗气流具有一定的遮挡，从而降低了主升力螺旋桨的效率；此外，以上方案的偏航控制均采用舵机驱动机械操纵的扰流片或尾桨，也在一定程度上增加了飞行器的结构复杂度。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，提供一种具备较长巡航时间的无人垂直起降飞行器，本发明提出了一种油电混合动力驱动的垂直起降飞行器及其飞行控制方法。

本发明的技术方案为：

所述一种油电混合动力驱动的垂直起降飞行器，包括机身、起落架，其特征在于：在机身中部安装有活塞发动机，机身前部两侧对称布置有可变距主升力螺旋桨，所述可变距主升力螺旋桨由活塞发动机通过传动系统带动，且两侧可变距主升力螺旋桨转速一致，旋转方向相反，旋转平面与机身纵向轴线平行；在机身尾部通过沿机身纵向的支杆连接有电机驱动的辅助螺旋桨，辅助螺旋桨旋转平面与机身纵向轴线平行，所述支杆能够在舵机的带动下绕自身轴线转动，从而带动辅助螺旋桨旋转平面绕支杆轴线转动；所述活塞发动机的燃油箱、所述辅助螺旋桨驱动电机的供电电池安装在机身内。

进一步的优选方案，所述一种油电混合动力驱动的垂直起降飞行器，其特征在于：所述活塞发动机的动力输出轴为垂直方向；所述传动系统包括同步带、一进二出直角换向齿轮箱、两个传动轴和两个一进一出直角换向齿轮箱；活塞发动机的动力输出轴通过同步带与安装在机身前部的一进二出直角换向齿轮箱的输入轴连接，一进二出直角换向齿轮箱的两个输出轴与两个传动轴一端同轴连接，两个传动轴另一端分别与一个一进一出直角换向齿轮箱的输入轴连接，每个一进一出直角换向齿轮箱的输出轴驱动可变距主升力螺旋桨。

进一步的优选方案，所述一种油电混合动力驱动的垂直起降飞行器，其特征在于：所述可变距主升力螺旋桨采用涵道螺旋桨。