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一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法

阅读:506发布:2020-06-28

专利汇可以提供一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法,涉及无人机飞行控制技术领域。基于复合式多模态多用途 飞行器 ,将飞行器划分为五种飞行模态,飞行转换控制方法分别针对 起飞 /投放阶段、任务到达阶段、任务执行阶段、任务撤离阶段、降落/回收阶段,给出七种模态转换方式和转换时机。本发明可以合理地使无人机在多种模态间转换以适应不同的任务需求,充分发挥混合布局旋翼无人机的多模态飞行能 力 和多任务能力;能够充分发挥无人机具备的常规的陆地起降能力,也能够利用其灵活的 水 面/舰载/车载/机载投放等部署方式,并充分发挥其高速巡航能力和低空低速能力,使其具备快速到达和撤离及低速低空执行任务的能力。,下面是一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法专利的具体信息内容。

1.一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法,其特征在于:所述的多模态是指自由自转旋翼模态、拖曳自转旋翼模态、桨尖喷气驱转旋翼模态、固定翼模态和机载预投放模态,所述的多模态飞行转换控制方法包括:
起飞/投放阶段,采用自由自转旋翼模态起飞、驱转旋翼模态起飞、拖曳自转旋翼模态起飞或载机空投方式起飞,采用拖曳自转旋翼模态起飞后,需要脱离载具,增大飞行范围时,进行模态转换5,即拖曳自转旋翼模态转换到自由自转旋翼模态;所述的机载预投放模态根据需要进行模态转换6和模态转换7,即机载预投放模态转换到自由自转旋翼模态,机载预投放模态转换到固定翼模态;
任务到达阶段,保持拖曳自转旋翼模态,或使无人机从自由自转旋翼模态转换至固定翼模态,对应模态转换2,或从驱转旋翼模态转换至固定翼模态,或从驱转旋翼模态转换至自由自转旋翼模态,对应模态转换1;
任务执行阶段,采用拖曳自转旋翼模态、或固定翼模态、或从固定翼模态转换至自由自转旋翼模态,对应模态转换3,或从自由自转旋翼模态转换至驱转旋翼模态,对应模态转换
4,或从驱转旋翼模态转换至自由自转旋翼模态,对应模态转换1;
任务撤离阶段,采用固定翼模态撤离,或者采用拖曳自转旋翼模态撤离,需要从驱转旋翼模态经过自由自转旋翼模态转换至固定翼模态,对应模态转换1+模态转换2;
降落/回收阶段,采用拖曳自转旋翼模态、自由自转旋翼模态或驱转旋翼模态,需要从固定翼模态转换至自由自转旋翼模态,对应模态转换3,或者从固定翼模态转换至驱转旋翼模态,对应模态转换3+模态转换4。
2.根据权利要求1所述的一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法,其特征在于:
所述模态转换1的转换方法为:桨尖喷气驱转旋翼模态通过旋翼总距、周期变距、俯仰滚转角配平,并通过逐渐增大后推螺旋桨的推来增大前飞速度,进入低速前飞状态;
在速度增加的过程中固定翼提供部分升力,旋翼转速、总距逐渐降低,当速度增大到标称转换速度Va之后,关闭桨尖喷气推进系统,固定旋翼总距,旋翼进入自由自转旋翼模态,此时仍通过旋翼总距、周期变距、俯仰角、滚转角实现配平;
所述模态转换2的转换方法为:保持自由自转旋翼的控制方式不变,增加后推螺旋桨推力,持续提高空速,在空速增加的过程中固定翼提供的升力增大,旋翼转速降低,旋翼拉力被部分卸载,当空速达到标称转换空速Vb时,接入转速控制器A,通过总距和纵向周期变距将自转旋翼稳定在较低转速,无人机进入高速的固定翼模态;控制方式由气动-旋翼混合控制,转入纯气动面的控制方式;
所述模态转换3的转换方法为:处于固定翼模态的无人机,首先要关闭转速控制器A,减小推进发动机推力,同时增加桨盘迎角以增加流入桨盘的气流。在这个过程中,自转旋翼在有效地降低空速的同时提供了自身转速,无人机可以平稳地进入自由自转旋翼模态,控制方式由纯气动舵面控制方式,经过气动-旋翼混合控制方式;
所述模态转换4的转换方法为:处于自由自转旋翼模态的无人机,首先打开桨尖的H2O2催化分解发动机和转速控制器B,随着旋翼的转速提高,控制方式由周期变距+方向舵,转入周期变距+差动推力的控制方式,无人机进入桨尖喷气驱转旋翼模态;
所述模态转换5的转换方法为:处于拖曳自转旋翼模态的无人机,首先要打开后推发动机,释放无人机段缆绳,控制方式保持周期变距+方向舵的控制方式不变;
所述模态转换6的转换方法为:转换时载机释放无人机,无人机解除旋翼的定,并打开后推螺旋桨,在滑翔的过程中,气流吹动旋翼进入自由自转状态,控制方式与自转旋翼模态相同;
所述模态转换7的转换方法为:转换时载机释放无人机,无人机解除旋翼的锁定,并打开后推螺旋桨,在滑翔的过程中,气流吹动旋翼进入自转状态,打开转速控制器A,控制旋翼低速旋转,固定翼提供主要升力,控制方式与固定翼模态相同。
3.根据权利要求1所述的一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法,其特征在于:
所述的桨尖喷气驱转旋翼模态:特征是无人机的旋翼处于主动驱转状态;
所述的自转旋翼模态:特征是无人机的旋翼处于自转状态,根据前进动力的来源将该自转旋翼模态划分为:自由自转旋翼模态和拖曳自转旋翼模态;自由自转旋翼模态的前进动力来源为自身的推进发动机;拖曳自转旋翼模态的前进动力来源于前进的载具。
所述的固定翼模态:特征是无人机的固定翼飞机的机翼提供主要的升力,旋翼被卸载,只提供10%~30%的升力,处于低速自转状态;
所述的机载预投放模态:特征是无人机旋翼锁定于0°与180°方位。
4.根据权利要求1~3中任意一项权利要求所述的一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法,其特征在于:模态转换时机包括:
模态转换1:
(1.1)无人机采用桨尖喷气驱转旋翼模态起飞或执行任务,为了进入高速的固定翼模态需要先转换至自由自转旋翼模态;
(1.2)无人机处于驱转旋翼模态时,若桨尖喷气驱转旋翼发生故障,无人机进行转换进入自由自转旋翼模态;
模态转换2:
(2.1)无人机采用自由自转旋翼滑跑方式起飞离地;
(2.2)桨尖喷气驱转旋翼模态转换进入自由自转旋翼机模态后,为了快速到达任务区域,需要进一步提高巡航速度,此时需要从自由自转旋翼模态转换至固定翼模态;
模态转换3:
(3.1)采用固定翼模态快速巡航到达任务区域或着陆区域时,需要降低空速执行任务;
(3.2)采用固定翼模态快速到达降落区域而要采用自由自转旋翼的方式进行定点降落时进行;
模态转换4:
(4.1)采用自由自转旋翼模态执行任务时需要转而执行悬停、侧飞、倒飞任务;
(4.2)采用固定翼模态快速到达降落区域而要采用驱转旋翼的方式进行垂直降落时进行,需先由固定翼模态转换至自由自转旋翼模态,然后由自由自转旋翼模态转换至驱转旋翼模态;模态转换5:
采用拖曳自转旋翼模态起飞后,需要脱离载具,增大飞行范围时进行;
模态转换6:
采用机载预投放模态飞行,且载机速度Vz满足Vb>Vz≥Va;
模态转换7:
采用机载预投放模态飞行,且载机速度Vz满足Vz≥Vb。

说明书全文

一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种混合布局旋翼无人机多模态转换控制方法,涉及无人机飞行控制技术领域。

背景技术

[0002] 旋翼类飞行器根据旋翼是否驱转,可以分为:直升机和自转旋翼机(简称为旋翼机)。直升机可实现垂直起降和低空悬停,并具有优越的机动性能,可实现悬停、垂直飞行、倒飞及侧飞等。但直升机存在结构复杂,振动和噪声较高、速度上限较低。旋翼机与直升机相比,旋翼机结构简单,空重比低,造价低,而且气动效率更高,与固定翼飞机相比,旋翼机可以短距起飞着陆,且低速飞行性能好,不易失速。近年来,旋翼机的独特优势及其在商业和军事上的应用潜逐渐受到重视,再次成为航空领域关注的热点。
[0003] 但旋翼机存在以下问题:旋翼机虽然可以通过预旋,实现跳飞或超短距起飞,通过旋翼高效地减速实现超短距降落,但旋翼机无法像固定翼飞机一样高速飞行,同时也不具备垂直起降能力和悬停能力。
[0004] 在申请号为201410852017.X的专利文献中公开了一种复合式多模态多用途飞行器,基于桨尖喷气技术,将固定翼、直升机、旋翼机三种气动布局进行融合,提出了基于桨尖喷气的混合布局旋翼飞行器。起降时,通过桨尖喷气发动机驱转旋翼,以直升机的方式实现垂直起降。低速飞行时,主要由自转旋翼提供拉力,高速飞行时,通过调节桨盘倾及旋翼总距,降低旋翼转速,使旋翼卸载,使用升阻比更大的机翼承担大部分升力,提高整机的升阻比,提高飞行速度。所述的复合式多模态多用途飞行器也称混合布局旋翼飞行器,具有以下特点:(1)采用旋翼/固定翼相结合的混合式气动布局,需要根据总体性能需求进行气动布局的综合优化设计;(2)能够实现垂直起降、短距起降,悬停和低速飞行;(3)能够实现高速巡航飞行;(4)具有多种飞行模态,不同的模态时飞行器采用不同的气动构型、升力/推力提供方式和控制方式。
[0005] 无人混合布局旋翼机是混合布局旋翼飞行器技术和无人机技术的融合发展的结果,一方面源于无人机多任务能力的发展需求,另一方面也弥补了混合布局旋翼有人机操控困难、飞行员训练难度较大的问题。无人混合布局旋翼机代表了未来无人机技术发展的一个重要的趋势,即通过采用创新的混合布局形式使得无人机同时具有直升机的垂直起降、空中悬停能力及固定翼飞机的高速巡航能力,以提高其综合性能和任务适应性,满足不同的任务需求。
[0006] 混合布局旋翼无人机在拓展飞行包线、增强任务适应性的同时也带来了很多技术难题:首先,由于混合布局旋翼无人机采用了旋翼-固定翼混合气动布局,在不同的包线下可以采用不同的气动构型、不同飞行模态,需要明确混合布局旋翼无人机可以实现的飞行模态及不同飞行模态的飞行机理;其次,需要确定混合布局无人机可实现的模态转换方式,以及混合布局旋翼无人机从一种模态到另一种模态的平稳、安全、高效的转换方法。最后,需要明确在实际任务中如何使用混合布局旋翼无人机,充分发挥其多模态飞行能力和多任务能力。

发明内容

[0007] 本发明针对已提出的一种复合式多模态多用途飞行器,申请号:201410852017.X,给出飞行器多模态划分及飞行机理,并给出所述飞行器模态划分、模态转换方式及模态转换方法,以期为同类混合布局旋翼飞行器的模态转换飞行提供参考。
[0008] 针对现有的复合式多模态多用途飞行器,本发明提供一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法,所述的多模态是指自由自转旋翼模态、拖曳自转旋翼模态、桨尖喷气驱转旋翼模态、固定翼模态和机载预投放模态,所述的多模态飞行转换控制方法包括:
[0009] 起飞/投放阶段采用自由自转旋翼模态起飞、驱转旋翼模态起飞、拖曳自转旋翼模态起飞或载机空投方式起飞(机载预投放模态)。采用拖曳自转旋翼模态起飞后,需要脱离载具,增大飞行范围时,进行模态转换5,即拖曳自转旋翼模态转换到自由自转旋翼模态。所述的机载预投放模态可以根据需要进行模态转换6和模态转换7,即机载预投放模态转换到自由自转旋翼模态,机载预投放模态转换到固定翼模态。
[0010] 任务到达阶段,可以保持拖曳自转旋翼模态,或使无人机从自由自转旋翼模态转换至固定翼模态(模态转换2),或从驱转旋翼模态转换至固定翼模态,或从驱转旋翼模态转换至自由自转旋翼模态(模态转换1)。
[0011] 任务执行阶段,可以采用拖曳自转旋翼模态、或固定翼模态、或从固定翼模态转换至自由自转旋翼模态(模态转换3),或从自由自转旋翼模态转换至驱转旋翼模态(模态转换4),或从驱转旋翼模态转换至自由自转旋翼模态(模态转换1)。
[0012] 任务撤离阶段,采用固定翼模态撤离,或者采用拖曳自转旋翼模态撤离,需要从驱转旋翼模态经过自由自转旋翼模态转换至固定翼模态(模态转换1+模态转换2)。
[0013] 降落/回收阶段,采用拖曳自转旋翼模态、自由自转旋翼模态或驱转旋翼模态,需要从固定翼模态转换至自由自转旋翼模态(模态转换3),或者从固定翼模态转换至驱转旋翼模态(模态转换3+模态转换4)。
[0014] 所述模态转换1的转换方法为:桨尖喷气驱转旋翼模态通过旋翼总距、周期变距、俯仰角、滚转角配平,并通过逐渐增大后推螺旋桨的推力来增大前飞速度,进入低速前飞状态;在速度增加的过程中固定翼提供部分升力,旋翼转速、总距逐渐降低,当速度增大到标称转 换速度Va之后,关闭桨尖喷气推进系统,固定旋翼总距,旋翼进入自由自转旋翼模态,此时仍通过旋翼总距、周期变距、俯仰角、滚转角实现配平。
[0015] 所述模态转换2的转换方法为:保持自由自转旋翼的控制方式不变,增加后推螺旋桨推力,持续提高空速,在空速增加的过程中固定翼提供的升力增大,旋翼转速降低,旋翼拉力被部分卸载,当空速达到标称转换空速Vb时,接入转速控制器A,通过总距和纵向周期变距将自转旋翼稳定在较低转速,无人机进入高速的固定翼模态。控制方式由气动-旋翼混合控制,转入纯气动面的控制方式。
[0016] 所述模态转换3的转换方法为:处于固定翼模态的无人机,首先要关闭转速控制器A,减小推进发动机推力,同时增加桨盘迎角以增加流入桨盘的气流。在这个过程中,自转旋翼在有效地降低空速的同时提供了自身转速,无人机可以平稳地进入自由自转旋翼模态,控制方式由纯气动舵面控制方式,经过气动-旋翼混合控制方式。
[0017] 所述模态转换4的转换方法为:处于自由自转旋翼模态的无人机,首先打开桨尖的H2O2催化分解发动机和转速控制器B,随着旋翼的转速提高,控制方式由周期变距+方向舵,转入周期变距+差动推力的控制方式,无人机进入桨尖喷气驱转旋翼模态。
[0018] 所述模态转换5的转换方法为:处于拖曳自转旋翼模态的无人机,首先要打开后推发动机,释放无人机段缆绳,控制方式保持周期变距+方向舵的控制方式不变。
[0019] 所述模态转换6的转换方法为:转换时载机释放无人机,无人机解除旋翼的定,并打开后推螺旋桨,在滑翔的过程中,气流吹动旋翼进入自由自转状态,控制方式与自转旋翼模态相同。
[0020] 所述模态转换7的转换方法为:转换时载机释放无人机,无人机解除旋翼的锁定,并打开后推螺旋桨,在滑翔的过程中,气流吹动旋翼进入自转状态,打开转速控制器A,控制旋翼低速旋转,固定翼提供主要升力。控制方式与固定翼模态相同。
[0021] 本发明的有益效果如下:
[0022] (1)本发明明确了复合式多模态多用途飞行器的飞行模态,并给出了不同模态飞行器的控制机理;
[0023] (2)本发明给出了混合布局旋翼无人机的任务包线,并分阶段给出了完整任务中不同各阶段可以采用的模态及不同阶段可以进行的模态转换,可以合理地使无人机在多种模态间转换以适应不同的任务需求,充分发挥混合布局旋翼无人机的多模态飞行能力和多任务能力。
[0024] (3)本发明给出了混合布局旋翼无人机的多模态转换时机和转换方法,可以合理地使无人机在多种模态间转换以适应不同的任务需求,能够充分发挥无人机具备的常规的陆地起降能力,也能够利用其灵活的面/舰载/车载/机载投放等部署方式,并充分发挥其高速巡航能力和低空低速能力,使其具备快速到达和撤离及低速低空执行任务的能力。附图说明
[0025] 图1A和图1B分别为本发明中基于桨尖喷气驱转/自转旋翼的转速控制器A和转速控制器B的转速控制原理示意图;
[0026] 图2:本发明所述混合布局旋翼无人机的多模态转换方式流程图
[0027] 图3:本发明所述混合布局旋翼无人机的典型任务剖面图;
[0028] 图4:本发明所述混合布局旋翼无人机的模态转换关系;
[0029] 图5:本发明所述例混合布局旋翼无人机的模态转换原理。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0031] 本发明提供一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法,所述的混合布局旋翼无人机采用桨尖喷气驱转/自转旋翼/固定翼混合布局旋翼布局,所述的混合布局旋翼无人机包括:固定翼飞机的机体、驱转/自转旋翼系统、推进航空发动机和飞行控制系统,参见专利参考文献[1]:申请号201410852017.X,发明名称:一种复合式多模态多用途飞行器,本发明基于所述的复合式多模态多用途飞行器提出。
[0032] 所述的混合布局旋翼无人机采用基于桨尖喷气驱转/自转旋翼/固定翼的复合布局,根据对旋翼的驱转方式及速度范围,可以实现如下三种飞行模态:桨尖喷气驱转旋翼模态、自转旋翼模态和固定翼模态,此外如果采用母机投放方式,则需先以机载预投放模态飞行。下面给出不同模态的划分依据及飞行机理。
[0033] (1)所述的桨尖喷气驱转旋翼模态:特征是无人机的旋翼处于主动驱转状态。采用桨尖喷气发动机驱动,采用图1B所示转速控制器B控制旋翼的转速,使旋翼转速稳定在额定值附近,并通过自动倾斜器控制旋翼作用与整机的力与力矩,进而实现无人机的高度、速度、俯仰姿态、滚转姿态控制,航向通过后推螺旋桨的差动推力控制。
[0034] 所述转速控制器B的原理为:旋翼转速控制器根据旋翼的期望转速nc与实际测量转速n之差计算得到桨尖H2O2催化分解发动机需要的H2O2期望流量fc,H2O2流量控制器(连接在流量传感器A和电动调节之间)根据旋翼转速控制器计算得到的期望流量fc与实际测量流量f的差值计算得到电动调节阀的控制开度,通过控制流经导流管A和导流管B供给H2O2催化分解发动机的H2O2流量,实现对驱转旋翼扭矩大小的控制,最终实现驱转旋翼模态旋翼转速的控制,详见参考文献[1]。
[0035] (2)所述的自转旋翼模态:特征是无人机的旋翼处于自转状态。此时旋翼的总距固定,通过自动倾斜器实现周期变距控制无人机的俯仰、滚转姿态,航向通过方向舵控制。
[0036] 具体来说,根据前进动力的来源可将该自转旋翼模态划分为:自由自转旋翼模态和拖曳自转旋翼模态。
[0037] (2.1)自由自转旋翼模态的前进动力来源为自身的推进发动机;
[0038] (2.2)拖曳自转旋翼模态的前进动力来源于前进的载具,主要是指舰船和车辆等。实际飞行时,首先在载具上展开无人机并挂缆,在载具的前行速度带动下,旋翼启转并加速,随着前进速度的提高,旋翼转速逐渐提高并产生足够升力使无人机飞离载具,整个过程中无人机由载具通过拖缆拖曳。无人机的俯仰、滚转由旋翼周期变距实现,航向通过方向舵控制,但受载具及缆绳的约束,无人机的速度、航向要与载具保持一致。无人机回收时,通过逐渐缩短拖缆长度来实现无人机回收。缆绳缠绕于载具上的绞车内,由绞车实现收放和拖带,缆绳末端通过万向接头连接拖曳无人机的多个挂缆点。
[0039] (3)所述的固定翼模态:特征是无人机的固定翼飞机的机翼提供主要的升力,旋翼被卸载,只提供约10%~30%的升力,处于低速自转状态,通过图1A所示转速控制器A保持较低转速。控制方式与固定翼飞机相同,即副翼控制滚转姿态、升降舵控制俯仰姿态、方向舵控制航向。
[0040] 所述转速控制器B的原理为:转速控制器根据期望稳定转速ng和测量转速n之差计算得到桨盘的后倒角和旋翼的总距,并向总距舵机和桨盘控制舵机发动控制指令,通过控制桨盘的空气流入量来控制旋翼的自转转速,设置在桨叶根部的转速测量部件实时将桨叶转速n反馈给转速控制器,转速控制器根据测量转速n对桨盘的倾转角度和总距进行修正,并继续发送控制指令给总距舵机和桨盘控制舵机,实现固定翼模态旋翼转速的稳定和控制,参见参考文献[1]。
[0041] (4)所述的机载预投放模态:特征是无人机旋翼锁定于0°与180°方位。无人机通过该机载预投放模态到达任务区域,并为投放之后的飞行储备速度和高度。
[0042] 下面对所述的混合布局旋翼无人机可行的模态转换方式进行阐述。根据基于桨尖喷气驱转/自转旋翼/固定翼的混合布局旋翼无人机的气动特点,所述无人机可以遂行陆上、车载、舰载、水上等多种环境下的任务,下面结合图2和图3并按照起飞/投放阶段、巡航阶段Ⅰ(任务到达阶段)、执行任务阶段、巡航阶段Ⅱ(任务撤离阶段)、降落/回收阶段5个飞行阶段给出其多模态转换方式的说明。
[0043] 表1混合布局旋翼无人机模态划分及主要特征
[0044]
[0045]
[0046] A.起飞/投放阶段:
[0047] (1)自转旋翼起飞;
[0048] (1.a)不预旋滑跑起飞:不采用旋翼预旋的方式,在滑跑加速的过程积累转速实现自转旋翼的稳定旋转与无人机的起飞,该方式可以节省桨尖喷气发动机燃料,但需要的滑跑距离较长,适合宽阔的陆上/水上环境使用,进行跑道/水面滑跑起飞爬升。
[0049] (1.b)预旋后滑跑起飞:为了缩短起飞滑跑距离和时间,采用桨尖喷气发动机驱转旋翼进行预旋,在转速稳定到最大预旋转速后,关闭桨尖喷气发动机,开始滑跑。该方式较方式(1.a)可以大大缩短滑跑距离,适合需短距起飞的场合使用。
[0050] (1.c)跳飞:
[0051] 采用桨尖喷气发动机驱转旋翼进行预旋,在转速稳定到自转额定转速的1.5倍之后,迅速增加旋翼总距使得无人机实现鹞跃起飞,跳飞至空中,同时增大后推螺旋桨功率,使无人机离地并进入自由自转旋翼前飞状态,该方式可以实现零滑跑距离起飞。
[0052] (2)驱转旋翼起飞:采用桨尖喷气发动机驱动旋翼并稳定在额定转速,通过总距控制实现高度通道的控制,周期变距实现姿态控制,差动推力实现航向控制,该方式可以垂直起飞
[0053] (3)拖曳起飞:
[0054] 当采用车载或舰载起飞时,可以使用桨尖喷气发动机驱转旋翼进行预旋,或单纯依靠载具的前进速度预旋并积累转速,逐渐增加转速和升力,使得无人机离开载具升空,升空之后无人机可以根据任务需求和态势判断,选择以下3种飞行方式:
[0055] (3.a)无人机不开启任何动力,在拖缆的牵引下依靠载具的前进速度维持旋翼自转并执行任务;
[0056] (3.b)无人机在拖缆的牵引下开启后推动力,补偿载具前进速度的变化;
[0057] (3.c)无人机释放拖缆、开启后推螺旋桨,进入自由自转旋翼模态,离开载具在更大范围执行任务;
[0058] (4)载机空投:
[0059] (4.a)无人机可以采用载机空投的方式实现投放,载机采用外挂的方式搭载混合布局旋翼无人机,此时无人机的旋翼锁定于0°/180°方位,当载机达到标称转换空速Va(自转旋翼模态最小平飞速度)后,载机首先释放无人机,无人机离开载机之后,打开后推发动机,解除旋翼的锁定,旋翼进入自由自转旋翼模态,完成无人机的投放;
[0060] (4.b)无人机可以采用载机空投的方式实现投放,载机采用外挂的方式搭载混合布局旋翼无人机,此时无人机的旋翼锁定于0°/180°方位,当载机达到标称转换空速Vb(固定翼模态最小平飞速度)后,载机首先释放无人机,无人机离开载机之后,打开后推发动机,解除旋翼的锁定,同时打开转速控制器A,旋翼进入低速自由自转旋翼模态,并只承担部分拉力,完成无人机的投放。
[0061] B.巡航阶段I----任务到达阶段:
[0062] 在起飞/投放阶段完成之后,无人机可能处于驱转旋翼模态、拖曳自转旋翼模态或自由自转旋翼模态。如果采用拖曳自转旋翼方式执行任务,可以保持拖曳自转旋翼模态到达任务区域;为了能够快速到达任务区域,应该使无人机从自由自转旋翼模态转换至固定翼模态(模态转换2),或将无人机从驱转旋翼模态经过自由自转旋翼模态转换至固定翼模态(模态转换1+模态转换2)。
[0063] C.执行任务阶段:
[0064] (1)无人机可以采用拖曳自转旋翼方式执行任务,但其运动受限于拖缆与载具;
[0065] (2)若无人机采用固定翼模态进入任务区域,可以执行高速飞行任务;
[0066] (3)如果要求执行任务时需要无人机进行悬停、倒飞、侧飞等机动时,需要使无人机由固定翼模态转换至自由自转旋翼模态(模态转换3),然后由自由自转旋翼模态转换至驱转旋翼模态(模态转换4)执行任务;
[0067] (4)如果需要隐蔽地执行低速任务,需要使无人机由固定翼模态转换至自由自转旋翼模态(模态转换3)或由驱转旋翼转换至自由自转旋翼模态(模态转换1)。
[0068] D.巡航阶段II---任务撤离阶段:
[0069] 任务完成后,无人机进入任务撤离阶段。为了能尽快从任务区域撤离,需提供足够的飞行速度,通常采用固定翼模态撤离。
[0070] (1)如果无人机采用拖曳自转旋翼方式执行任务,可以采用拖曳自转旋翼方式随载具撤离。
[0071] (2)如果无人机采用驱转旋翼模态执行任务,需要使无人机由驱转旋翼模态经过自由自转旋翼模态转换至固定翼模态(模态转换1+模态转换2)。
[0072] (3)如果无人机采用自由自转旋翼模态执行任务,需要使无人机由自由自转旋翼模态转换至固定翼模态(模态转换2)。
[0073] E.降落/回收阶段,系统回收:
[0074] (1)如果无人机采用拖曳自转旋翼方式撤离任务,可以采用拖曳自转旋翼模态下降并着舰/着车。
[0075] (2)如果无人机采用固定翼模态巡航回到着陆区,可以转换至自由自转旋翼模态(模态 转换3),并进行滑跑着陆/着舰/着水;也可以进而转换至驱转旋翼模态(模态转换4),并垂直着陆/着舰/着车/着水。
[0076] 模态转换机理与控制方法;
[0077] 所述的混合布局旋翼无人机可以实现四种飞行模态,分别为桨尖喷气驱转旋翼模态、自转旋翼模态(包括拖曳自转旋翼模态和自由自转旋翼模态)、固定翼模态三种主要的模态及机载预投放模态,涉及七种模态转换,飞行模态间转换关系如图4所示,转换原理如图5所示。1.模态转换1-----桨尖喷气驱转旋翼模态转换到自由自转旋翼模态;
[0078] 模态转换时机包括:
[0079] (1.1)无人机采用桨尖喷气驱转旋翼模态起飞或执行任务,为了进入高速的固定翼模态需要先转换至自由自转旋翼模态;
[0080] (1.2)无人机处于驱转旋翼模态时,若桨尖喷气驱转旋翼发生故障,无人机可以进行转换进入自由自转旋翼模态;
[0081] 模态转换方法:桨尖喷气驱转旋翼模态通过旋翼总距、周期变距、俯仰角、滚转角配平,并通过逐渐增大后推螺旋桨的推力来增大前飞速度,进入低速前飞状态;在速度增加的过程中固定翼提供部分升力,旋翼转速、总距逐渐降低,当速度增大到标称转换速度Va之后,关闭桨尖喷气推进系统,固定旋翼总距,旋翼进入自由自转旋翼模态,此时仍通过旋翼总距、周期变距、俯仰角、滚转角实现配平。
[0082] 2.模态转换2-----自由自转旋翼模态转换至固定翼模态;
[0083] 模态转换时机包括:
[0084] (2.1)无人机采用自由自转旋翼滑跑方式起飞离地;
[0085] (2.2)桨尖喷气驱转旋翼模态转换进入自由自转旋翼机模态后,为了快速到达任务区域,需要进一步提高巡航速度,此时需要从自由自转旋翼模态转换至固定翼模态。
[0086] 模态转换方法:保持自由自转旋翼的控制方式不变,增加后推螺旋桨推力,持续提高空速,在空速增加的过程中固定翼提供的升力增大,旋翼转速降低,旋翼拉力被部分卸载,当空速达到标称转换空速Vb时,接入转速控制器A,通过总距和纵向周期变距将自转旋翼稳定在较低转速,无人机进入高速的固定翼模态。控制方式由气动-旋翼混合控制,转入纯气动舵面的控制方式。
[0087] 3.模态转换3-----固定翼模态转换到自由自转旋翼模态;
[0088] 模态转换时机包括:
[0089] (3.1)采用固定翼模态快速巡航到达任务区域或着陆区域时,需要降低空速执行任务;
[0090] (3.2)采用固定翼模态快速到达降落区域而要采用自由自转旋翼的方式进行定点降落时进行。
[0091] 模态转换方法:处于固定翼模态的无人机,首先要关闭转速控制器A,减小推进发动机推力,同时增加桨盘迎角以增加流入桨盘的气流。在这个过程中,自转旋翼在有效地降低空速的同时提供了自身转速,无人机可以平稳地进入自由自转旋翼模态,控制方式由纯气动舵面控制方式,经过气动-旋翼混合控制方式。
[0092] 4.模态转换4-----自由自转旋翼模态转换到桨尖喷气驱转旋翼模态(简称为驱转旋翼模态);
[0093] 模态转换时机包括:
[0094] (4.1)采用自由自转旋翼模态执行任务时需要转而执行悬停、侧飞、倒飞等任务;
[0095] (4.2)采用固定翼模态快速到达降落区域而要采用驱转旋翼的方式进行垂直降落时进行。需先由固定翼模态转换至自由自转旋翼模态,然后由自由自转旋翼模态转换至驱转旋翼模态。
[0096] 模态转换方法:处于自由自转旋翼模态的无人机,首先打开桨尖的H2O2催化分解发动机和转速控制器B,随着旋翼的转速提高,控制方式由周期变距+方向舵,转入周期变距+差动推力的控制方式,无人机进入桨尖喷气驱转旋翼模态。
[0097] 5.模态转换5-----拖曳自转旋翼模态转换到自由自转旋翼模态;
[0098] 模态转换时机:采用拖曳自转旋翼模态起飞后,需要脱离载具,增大飞行范围时进行。
[0099] 模态转换方法:处于拖曳自转旋翼模态的无人机,首先要打开后推发动机,释放无人机段缆绳,控制方式保持周期变距+方向舵的控制方式不变。
[0100] 6.模态转换6-----机载预投放模态转换到自由自转旋翼模态
[0101] 模态转换时机:采用机载预投放模态飞行,且载机速度Vz满足Vb>Vz≥Va。
[0102] 模态转换方法:转换时载机释放无人机,无人机解除旋翼的锁定,并打开后推螺旋桨,在滑翔的过程中,气流吹动旋翼进入自由自转旋翼状态。
[0103] 7.模态转换7-----机载预投放模态转换到固定翼模态;
[0104] 模态转换时机:该转换发生在采用机载预投放模态飞行,且载机速度Vz满足Vz≥Vb。
[0105] 模态转换方法:转换时载机释放无人机,无人机解除旋翼的锁定,并打开后推螺旋桨,在滑翔的过程中,气流吹动旋翼进入自转状态,打开转速控制器A,控制旋翼低速旋转,固定翼提供主要升力。控制方式与固定翼模态相同。
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