[发明专利]一种动力偏转翼垂直起降无人机及其控制方法

说明书

本发明一种动力偏转翼垂直起降无人机及其控制方法，属于无人机飞行控制技术领域；控制方法中，首先将控制器初始参数与数字及半物理仿真结果对比；然后当无人机开始进入过渡模式的共转阶段发出指令，分布式涵道及动力偏转翼以一定角度共同倾转；当共转阶段结束，分布式涵道和动力偏转翼倾转至tilt_transiton，确认飞机正常后，进入收回阶段，分别计算分布式涵道和动力偏转翼的倾转角度；通过姿态控制参数，使得动力偏转翼无人机能够实现平稳过渡至收回阶段。通过此方法，可以达到降低建模难度，适配实际飞行状态，缩小飞行过程中状态空间维度，减小计算复杂度的作用，从而解决了涵道与动力偏转翼耦合严重的问题。

技术领域

本发明属于无人机飞行控制技术领域，具体涉及一种动力偏转翼垂直起降无人机及其控制方法。

背景技术

国内现有的垂直起降无人机，均为通过倾转涵道或螺旋桨达到动力偏转的目的，即垂直起降阶段涵道或螺旋桨产生的推力向上，巡航阶段涵道或螺旋桨产生的推力向前，过渡阶段单纯倾转涵道或螺旋桨。而对于使用动力偏转翼的垂直起降无人机，在垂直起降阶段使用涵道和动力偏转翼的合力以及前动力风扇的推力共同提供垂向升力，过渡阶段会倾转涵道螺旋桨并且倾转和收回动力偏转翼。

因此动力偏转翼垂直起降无人机整个过渡过程的作用机理与倾转动力的垂直起降无人机并不相同，倾转动力的垂直起降无人机过渡阶段控制策略并不适用于动力偏转翼垂直起降无人机。

发明专利《倾转旋翼式垂直起降无人机及其控制方法》，授权公告号CN106956773A，授权公告日2017.07.18，介绍了一种倾转旋翼式垂直起降无人机的控制方法。该方法通过前后螺旋桨总成的驱动拉力差实现动力倾转，并且在倾转过程中，通过舵机系统来保持倾转过程中机身的稳定性。但该倾转旋翼式无人机在倾转过程中没有涉及到气动性能的改变，因此使用的是常规的控制方法，没有对控制方法的鲁棒性进行研究。所以无法解决带动力偏转翼的垂直起降无人机过渡过程产生的气动性能改变所带来的一系列问题。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种动力偏转翼垂直起降无人机的控制方法，采用涵道及动力偏转翼共转和收回两步过渡策略，主要解决了动力偏转翼垂起无人机过渡过程中存在的以下问题：

(1)动力偏转翼和涵道螺旋桨动力耦合严重，使得飞机在过渡过程中对动力偏转翼与涵道相对位置十分敏感，本发明首先通过过渡过程中的共转来维持涵道及动力偏转翼的气动特性，将涵道及动力偏转翼视为一个整体，减小了其运动自由度，使得飞机能以一定的精度完成过渡阶段。

(2)动力偏转翼无人机的动力涵道推力会对动力偏转翼所产生的气动力产生很大影响。本发明通过在机身两侧增设两个垂直涵道来降低动力偏转翼的气动力受动力涵道的波动幅度，增加了无人机的稳定性。

(3)动力偏转翼的气动特性与飞行速度紧密联系，在飞机有较大速度时会产生很大的气动力矩，导致飞机失稳。本发明通过设置控制系统的过渡时间和速度阈值来调控速度与动力偏转翼角度的相对关系。

(4)常规动力倾转无人机在垂直起降阶段的气动舵面失效，使得在飞机惯量较大时需要重新设置偏航控制涵道来对飞机的偏航进行控制。本发明通过对方向舵的设计，将方向舵置于涵道及动力偏转翼后方，使得在小速度时方向舵可以充当喷流舵面使用，利用了涵道喷流的动压，省去了偏航控制的冗余舵面，对减重及气动性能均有好处。

本发明的技术方案是：一种动力偏转翼垂直起降无人机，其特征在于：包括升力风扇、机身、机翼、动力偏转翼、分布式涵道风扇和运动机构；所述机身和机翼为翼身融合的飞翼布局；所述升力风扇内嵌于机头中部，为共轴对转形式，用于产生竖直向上的升力；所述分布式涵道风扇由多个涵道风扇单元并列组成，对称分布于机身尾部，其两端侧壁分别与固定于机身的侧板铰接；所述动力偏转翼位于分布式涵道风扇的出口侧，其两端分别通过运动机构与侧板连接，能够沿运动机构相对机身倾转。