本發(fā)明屬于飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及飛行器外形設(shè)計(jì)、氣動(dòng)分析以及控制器的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
：垂直起降飛行器(VTOL)的準(zhǔn)確定義是：能夠以零速度起飛/著陸，具備懸停能力，并能以固定翼飛機(jī)的方式水平飛行。與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，垂直起降飛行器對(duì)跑道無(wú)依賴，且具有可懸停的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)直升機(jī)相比，垂直起降飛行器具有高得多的前飛速度，并具有更大的航程。正因?yàn)榫邆溥@些優(yōu)點(diǎn)，垂直起降飛行器尤其適用于需要懸?；?qū)ζ鸾祱?chǎng)地有特殊要求的場(chǎng)合。垂直起降無(wú)人機(jī)大致能分為三種類型，一類是傾轉(zhuǎn)式旋翼機(jī)，另一類是尾座式無(wú)人機(jī)，還有一類是矢量推進(jìn)式。傾轉(zhuǎn)機(jī)身式和傾轉(zhuǎn)旋翼式飛行器需要復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，而矢量推進(jìn)式飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜；相對(duì)而言，尾座式飛行器的構(gòu)形簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)與固定翼飛行器類似，可在其基礎(chǔ)上通過(guò)加裝尾部起落支架，更換大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，增大控制舵面等一系列改造而來(lái)。尾座式飛行器在起飛時(shí)機(jī)尾坐地機(jī)頭朝上，在發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下垂直起飛，到達(dá)一定高度和速度時(shí)拉低機(jī)頭轉(zhuǎn)為水平飛行；降落時(shí)首先拉高機(jī)頭爬升使機(jī)頭朝上，然后減小發(fā)動(dòng)機(jī)推力緩慢降落在指定位置。尾座式無(wú)人機(jī)融合了旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。一方面尾座式無(wú)人機(jī)具有垂直起降功能，因此不需要起降跑道，或者彈射和回收等附屬裝置，部署時(shí)間短，可以部署在地形復(fù)雜的丘陵山地和城市街道，甚至是小型水面艦艇和潛艇上。另一方面，尾座式無(wú)人機(jī)擁有高速水平巡航功能，這種飛行狀態(tài)下無(wú)人機(jī)的效率高，這對(duì)于電池和燃油有限的無(wú)人機(jī)具有很大優(yōu)勢(shì)。尾座式無(wú)人機(jī)這些獨(dú)特的優(yōu)越性使其在民用、軍事和科研領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。綜合當(dāng)前的垂直起降無(wú)人機(jī)來(lái)看，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)有以下三個(gè)。一是外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。良好的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)能夠使得無(wú)人機(jī)性能充分發(fā)揮出來(lái)，并且為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。二是過(guò)渡模態(tài)的設(shè)計(jì)。垂直起降無(wú)人機(jī)的飛行模式包括三種，一種是垂直起降模式，一種是平飛模式，另一種是所謂的過(guò)渡模式。很顯然對(duì)前兩種模式的設(shè)計(jì)可以類似多旋翼以及固定翼的控制設(shè)計(jì)。而過(guò)渡模態(tài)涉及到俯仰角變化超過(guò)90度，傳統(tǒng)的歐拉角運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)奇異問(wèn)題，而且過(guò)渡過(guò)程并不是唯一的，二是速度與姿態(tài)角的多變量組合問(wèn)題，這涉及到過(guò)渡飛行過(guò)程中的優(yōu)化問(wèn)題。三是過(guò)渡模態(tài)的姿態(tài)描述以及這個(gè)飛行過(guò)程中的控制律的設(shè)計(jì)。首先，過(guò)渡模態(tài)涉及到俯仰角變化超過(guò)90度，會(huì)帶來(lái)奇異問(wèn)題，除此在過(guò)渡飛行過(guò)程中無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)模型發(fā)生劇烈的變化，這對(duì)整個(gè)飛行過(guò)程中的控制器設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明采用了將旋翼與固定翼結(jié)合的方式，提供了一種可拆卸的尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)，并設(shè)計(jì)了在過(guò)渡模式下的控制率，以避免過(guò)渡模式下的奇異問(wèn)題。本發(fā)明提供的可拆卸的尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)，機(jī)翼與機(jī)身之間可拆卸組裝，機(jī)翼與機(jī)身形成兩種布局，一種是X型布局，一種是Y型布局。X型布局是：機(jī)身上安裝兩對(duì)機(jī)翼，兩對(duì)機(jī)翼左右對(duì)稱，每對(duì)機(jī)翼上下對(duì)稱，每對(duì)機(jī)翼的夾角是120度，四個(gè)機(jī)翼成X型。機(jī)身的前部布置有兩個(gè)鴨翼，每個(gè)機(jī)翼上固定連接有一個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)上安裝有一個(gè)螺旋槳。機(jī)身上部的左右兩個(gè)機(jī)翼上，通過(guò)鉸鏈各固定安裝有一個(gè)俯仰操縱舵。Y型布局是：機(jī)身上安裝三個(gè)機(jī)翼，相鄰兩個(gè)機(jī)翼之間的夾角為120度，三個(gè)機(jī)翼成Y型。機(jī)身的前部布置有兩個(gè)鴨翼，每個(gè)機(jī)翼上固定連接有一個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)上安裝有一對(duì)正反螺旋槳。機(jī)身上部的兩個(gè)機(jī)翼，通過(guò)鉸鏈各固定安裝有一個(gè)俯仰操縱舵。機(jī)身下部的機(jī)翼，通過(guò)鉸鏈固定安裝有一個(gè)偏航操縱舵。本發(fā)明可拆卸的尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)，其模態(tài)轉(zhuǎn)換控制方式如下：(一)垂直起飛后向平飛模式過(guò)渡；垂直起飛達(dá)到預(yù)定高度以及預(yù)定速度時(shí)，通過(guò)俯仰通道的控制，包括電機(jī)差動(dòng)旋轉(zhuǎn)以及俯仰操縱舵的控制，給定姿態(tài)角控制指令，使得無(wú)人機(jī)俯仰角由90度過(guò)渡到0度附近，并且進(jìn)行配平，實(shí)現(xiàn)平飛巡航；t時(shí)刻的俯仰角其中，Tf是過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，θ0是平飛模式下的配平俯仰角。(二)平飛向垂直降落模式過(guò)渡；在降落的時(shí)候，無(wú)人機(jī)垂直拉起，給定姿態(tài)角控制指令，使得無(wú)人機(jī)姿態(tài)角由配平角度過(guò)渡到90度，t時(shí)刻的俯仰角變成垂直模式時(shí)俯仰角通過(guò)減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且保持姿態(tài)的穩(wěn)定，使得無(wú)人機(jī)降落。本發(fā)明一種適用于快遞的垂直起降無(wú)人機(jī)，其相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于機(jī)翼與機(jī)體之間是拆卸/固定連接，因此相對(duì)于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)來(lái)說(shuō)，過(guò)渡模態(tài)過(guò)程中機(jī)翼與機(jī)體之間無(wú)需相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要相應(yīng)控制部件。(2)控制簡(jiǎn)單。垂直飛行狀態(tài)下，機(jī)體質(zhì)量主要分布在豎直方向，整機(jī)相當(dāng)于X型旋翼，具有良好的對(duì)稱性，控制簡(jiǎn)單。水平飛行狀態(tài)下，以普通固定翼方式飛行，飛行速度高，節(jié)省能源，控制簡(jiǎn)單。過(guò)渡飛行狀態(tài)下，推力相對(duì)于機(jī)體同步換向，轉(zhuǎn)換過(guò)程簡(jiǎn)化為固定翼飛機(jī)的機(jī)動(dòng)動(dòng)作。由于控制輸入有8個(gè)，分別是4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和2個(gè)俯仰操縱舵以及2個(gè)鴨翼，使得整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)完整可控系統(tǒng)，因此控制操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)。(3)機(jī)翼可拆卸/組裝，功能豐富。機(jī)翼與機(jī)體之間是可拆卸的連接方式，適用于不同的場(chǎng)合。(4)在機(jī)體前部設(shè)計(jì)兩個(gè)鴨翼，一方面鴨翼布局能夠提升無(wú)人機(jī)在大迎角性能，另一方面鴨翼布局還能在俯仰方向上提供一定的配平力矩，增加控制量，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定操縱性有一定的提高。(5)航時(shí)長(zhǎng)、航程長(zhǎng)。水平飛行模式下通過(guò)機(jī)翼增加巡航時(shí)所需升力，減少能量消耗，從而實(shí)現(xiàn)大載荷下長(zhǎng)航時(shí)、長(zhǎng)航程飛行和垂直起降。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的可拆卸的尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)的X型布局示意圖；圖2是本發(fā)明的X型布局無(wú)人機(jī)的平面示意圖；其中，a為右視圖，b為俯視圖，c為后視圖；圖3是本發(fā)明的可拆卸的尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)的Y型布局示意圖；圖4是本發(fā)明的Y型布局無(wú)人機(jī)的平面示意圖；其中，a為俯視圖，b為右視圖，c為后視圖；圖5是本發(fā)明所使用的IMU的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的X型布局無(wú)人機(jī)的一個(gè)仿真示意圖；(A)為升力系數(shù)和攻角的關(guān)系示意圖；(B)為阻力系數(shù)和攻角的關(guān)系示意圖；(C)為俯仰力矩系數(shù)和攻角的關(guān)系示意圖；(D)為升阻比和攻角的關(guān)系示意圖。圖中：1-電機(jī)；2-鴨翼；3-俯仰操縱舵；4-電機(jī)與機(jī)體固定裝置；5-機(jī)翼；6-偏航操縱舵。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明的新型可拆卸尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)，包括電機(jī)1、鴨翼2、俯仰操縱舵3、電機(jī)與機(jī)體固定裝置4、機(jī)翼5以及機(jī)身。其中機(jī)體內(nèi)部裝有電子調(diào)速器、自動(dòng)駕駛儀、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電池等。無(wú)人機(jī)上安裝有超聲波傳感器、攝像頭、紅外傳感器等。超聲波傳感器用于測(cè)量無(wú)人機(jī)與外界物體的距離，避免撞上其它物體。攝像頭用于采集圖像，通過(guò)圖像識(shí)別軟件，實(shí)現(xiàn)辨識(shí)物體的功能和降落過(guò)程中的導(dǎo)航與定位功能。紅外傳感器用來(lái)探測(cè)溫度，解決具有一定溫度的問(wèn)題，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)避免碰觸動(dòng)物或人體的功能。本發(fā)明的可拆卸的尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)，機(jī)翼與機(jī)身之間可拆卸組裝，通過(guò)不同的機(jī)翼與機(jī)體的組合方式，機(jī)翼與機(jī)身可形成兩種布局，一種是X型布局，一種是Y型布局。這兩種布局能夠用于不同的場(chǎng)合。X型布局的垂直起降無(wú)人機(jī)適用于無(wú)風(fēng)情況下長(zhǎng)距離飛行的情況，因?yàn)槠涞刃б砻娣e大，升力大，耗能少，飛行距離遠(yuǎn)，但是他有一個(gè)缺點(diǎn)，就是方向控制不靈敏，需要采用螺旋槳的差動(dòng)偏航，效率低下。因此，這就要產(chǎn)生了Y型結(jié)構(gòu)的布局。Y型布局的垂直起降無(wú)人機(jī)適用于有側(cè)向風(fēng)情況下相對(duì)短距離飛行的情況，下邊的翼面可以有效的提供航向阻尼，控制舵面可以提供方向操縱輸入。X型布局即無(wú)人機(jī)的機(jī)身上可安裝兩對(duì)共四個(gè)機(jī)翼5，每對(duì)機(jī)翼上下對(duì)稱，兩對(duì)機(jī)翼左右對(duì)稱，每對(duì)機(jī)翼的夾角是120度，左右相鄰兩個(gè)機(jī)翼的夾角為60度，四個(gè)機(jī)翼成X型。如圖1和圖2所示，機(jī)翼對(duì)稱分布，并且?guī)в蟹磸澮硇?，其前部有正彎度，零俯仰力矩?duì)應(yīng)的攻角為正值。在翼展有限的情況下，能有效的增加機(jī)翼面積，進(jìn)而增加升力。采用這種X型布局，這樣做的好處是增大了機(jī)翼面積，升力增大，而且這種夾角能使得氣動(dòng)效果最佳。對(duì)稱軸為機(jī)身中軸線所在垂直或水平平面。在機(jī)身1前部，布置有兩個(gè)鴨翼2，鴨翼的布局能夠提升無(wú)人機(jī)在大迎角性能，還能在俯仰方向上提供一定的配平力矩，增加控制量，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定操縱性有一定的提高。機(jī)翼5與機(jī)身連接一體，機(jī)翼為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置有梁結(jié)構(gòu)，其中自動(dòng)駕駛儀、電池與電機(jī)之間的連線從機(jī)翼的空間穿過(guò)。機(jī)身也為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有強(qiáng)度加強(qiáng)梁，內(nèi)部裝有電子調(diào)速器，自動(dòng)駕駛儀，數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電池。其中這些部件放于在艙內(nèi)靠前位置，保證整個(gè)系統(tǒng)的重心在壓心之前。電機(jī)1為無(wú)刷直流電機(jī)，通過(guò)電機(jī)與機(jī)體固定裝置4與機(jī)翼5固定連接在一起。每個(gè)電機(jī)1上安裝有一個(gè)螺旋槳，其中對(duì)角的一對(duì)螺旋槳為正槳，另一對(duì)螺旋槳為反槳。在位于機(jī)身上部的左右兩個(gè)機(jī)翼5上，通過(guò)鉸鏈各固定有一個(gè)俯仰操縱舵3，俯仰操縱舵3通過(guò)舵機(jī)進(jìn)行控制。X型布局的無(wú)人機(jī)采用四個(gè)螺旋槳提供動(dòng)力，通過(guò)兩個(gè)可操縱舵面實(shí)現(xiàn)操縱，通過(guò)機(jī)翼增加巡航時(shí)所需升力，減少能量消耗，從而實(shí)現(xiàn)大載荷下長(zhǎng)航時(shí)飛行和垂直起降。本發(fā)明的X型布局的無(wú)人機(jī)的控制策略如表1所示。表1：X型垂直起降無(wú)人機(jī)控制策略表中給出了無(wú)人機(jī)在垂直起降模式和平飛模式下，在各種狀態(tài)下的控制方式。例如在垂直起降模式下，實(shí)現(xiàn)俯仰狀態(tài)，首先控制機(jī)身自動(dòng)傾斜，然后控制俯仰操縱舵面聯(lián)動(dòng)，最后進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。如圖3和圖4所示，為本發(fā)明的無(wú)人機(jī)形成上反翼布局的Y型示意圖。Y型布局的無(wú)人機(jī)的機(jī)身安裝三個(gè)機(jī)翼，三個(gè)機(jī)翼對(duì)稱布局，成Y型，相鄰兩個(gè)機(jī)翼之間的夾角為120度。采用這種Y型布局的好處是上邊兩個(gè)機(jī)翼起到上反角的作用，下邊的機(jī)翼起到方向舵的作用，增加了偏航通道的穩(wěn)定性與可控性。在機(jī)身1前部，布置有兩個(gè)鴨翼2，鴨翼的布局能夠提升無(wú)人機(jī)在大迎角性能，還能在俯仰方向上提供一定的配平力矩，增加控制量，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定操縱性有一定的提高。機(jī)翼5與機(jī)身固定連接一體，機(jī)翼5為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置有梁結(jié)構(gòu)，其中自動(dòng)駕駛儀、電池與電機(jī)之間的連線從機(jī)翼5的空間穿過(guò)。機(jī)身也為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有強(qiáng)度加強(qiáng)梁，內(nèi)部裝有電子調(diào)速器，自動(dòng)駕駛儀，數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電池。其中這些部件放于在艙內(nèi)靠前位置，保證整個(gè)系統(tǒng)的重心在壓心之前。電機(jī)1為無(wú)刷直流電機(jī)，其中每個(gè)電機(jī)1上都裝有一對(duì)正反螺旋槳來(lái)抵消力矩，這是與X型布局所不一樣的。在Y型布局的無(wú)人機(jī)的機(jī)身上，位于機(jī)身上部的兩個(gè)機(jī)翼5，通過(guò)鉸鏈各固定安裝有一個(gè)俯仰操縱舵3。位于機(jī)身下部的機(jī)翼5，通過(guò)鉸鏈固定安裝有一個(gè)偏航操縱舵6。俯仰操縱舵3和偏航操縱舵6通過(guò)舵機(jī)進(jìn)行控制。Y型布局的無(wú)人機(jī)采用三對(duì)螺旋槳提供動(dòng)力，通過(guò)三個(gè)可操縱舵面實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航通道的操縱。本發(fā)明的Y型布局的無(wú)人機(jī)的控制策略如表2所示。表2：Y型垂直起降無(wú)人機(jī)控制策略無(wú)人機(jī)上機(jī)載設(shè)備的連接關(guān)系是：電機(jī)連接電子調(diào)速器，電子調(diào)速器與舵機(jī)的引線與自動(dòng)駕駛儀連接。機(jī)載傳感器與自動(dòng)駕駛儀連接，自動(dòng)駕駛儀與數(shù)據(jù)通信模塊連接，電池為自動(dòng)駕駛儀以及電機(jī)以及舵機(jī)供電。本發(fā)明考慮到過(guò)渡模態(tài)下俯仰角變化超過(guò)90度，會(huì)帶來(lái)奇異問(wèn)題，對(duì)姿態(tài)結(jié)算奇異的慣性姿態(tài)測(cè)量模塊(IMU)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于IMU俯仰角測(cè)量范圍為[0°,±90°)，但是在±90°的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)歐拉姿態(tài)角結(jié)算奇異，所以本發(fā)明提供了一種新型的IMU，物理結(jié)構(gòu)如圖5所示，兩塊IMU垂直放置并固定。圖5中，Ox1、Ox2分別為IMU1、IMU2的測(cè)量軸，OX為無(wú)人機(jī)質(zhì)心指向機(jī)頭的軸。兩塊IMU測(cè)量的俯仰角分別是θ1和θ2，其中偏航角、滾轉(zhuǎn)角由IMU1測(cè)量。則俯仰角：θ=θ10≤θ≤π4π2-θ2π4≤θ≤π2]]>可以看出，利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的IMU，俯仰角測(cè)量范圍在[0°,±90°]，因此可以避免奇異的問(wèn)題。無(wú)人機(jī)的模態(tài)轉(zhuǎn)換控制律的設(shè)計(jì)如下：根據(jù)上述兩種控制策略可以分別得出“Y”型與“X”型垂直起降無(wú)人機(jī)的模態(tài)轉(zhuǎn)換控制規(guī)律。垂直起飛，達(dá)到預(yù)定高度Hd以及預(yù)定速度Vd，通過(guò)俯仰通道的控制，包括電機(jī)差動(dòng)旋轉(zhuǎn)以及俯仰操縱舵的控制，此時(shí)給定姿態(tài)角控制指令，使得無(wú)人機(jī)俯仰角由90度過(guò)渡到0度附近，并且進(jìn)行配平，實(shí)現(xiàn)平飛巡航。設(shè)θ表示俯仰角，t時(shí)刻的俯仰角其中，Tf是過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，θ0是平飛模式下的配平俯仰角。在降落的時(shí)候，無(wú)人機(jī)垂直拉起，此時(shí)給定姿態(tài)角控制指令，使得無(wú)人機(jī)姿態(tài)角由配平角度(0度附近)過(guò)渡到90度，t時(shí)刻的俯仰角變成垂直模式時(shí)俯仰角通過(guò)減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且保持姿態(tài)的穩(wěn)定，使得無(wú)人機(jī)降落。下面對(duì)本發(fā)明提供的可拆卸的尾座式垂直起降無(wú)人機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)數(shù)據(jù)仿真。計(jì)算狀態(tài)是：海平面，飛行速度30m/s，半模計(jì)算，攻角-2°～16°。如圖6所示，其中，橫坐標(biāo)表示攻角(alpha)。(A)中的縱坐標(biāo)表示升力系數(shù)Cl，(B)中的縱坐標(biāo)表示阻力系數(shù)Cd，(C)中的縱坐標(biāo)表示俯仰力矩系數(shù)mz，(D)中的縱坐標(biāo)表示升阻比K。取攻角3°～10°，升力系數(shù)俯仰力矩系數(shù)縱向靜穩(wěn)定度為12.05％，同時(shí)在攻角為7°時(shí)實(shí)現(xiàn)平飛，同時(shí)俯仰力矩為接近于0的正值，基本實(shí)現(xiàn)自配平。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3