一种无人直升机及其控制系统

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查; 授权; 权利转移;
专利有效性 有效专利 当前状态 授权
申请号 CN202111303413.3 申请日 2021-11-05
公开(公告)号 CN113734424A 公开(公告)日 2021-12-03
申请人 尚良仲毅(沈阳)高新科技有限公司; 申请人类型 企业
发明人 陈明非; 姜文辉; 闫志敏; 孙昕; 齐维维; 于海生; 第一发明人 陈明非
权利人 尚良仲毅(沈阳)高新科技有限公司 权利人类型 企业
当前权利人 江西壮龙无人机科技有限公司 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份:辽宁省 城市 当前专利权人所在城市:辽宁省沈阳市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:辽宁省沈阳市沈抚示范区浑南东路金紫街189-7号4门 邮编 当前专利权人邮编:110172
主IPC国际分类 B64C13/00 所有IPC国际分类 B64C13/00B64C19/02B64C27/26B64C27/06
专利引用数量 6 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 11 专利文献类型 A
专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限公司 专利代理人 李海建;
摘要 本 发明 公开了一种无人 直升机 及其控制系统,包括 控制器 、主旋翼、第一操控机构、安装于无人直升机的两侧的机翼和安装于机翼的推进机构,机翼包括主翼、以可纵向偏转的方式安装于主翼的副翼和用于操控副翼的纵向偏转 角 度的第二操控机构;当无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,控制器用于控制第一操控机构将主旋翼的桨距角降低至零,同时控制第二操控机构调节副翼的纵向偏转角度,以使无人直升机的整体升 力 与无人直升机的重力保持相等。该控制系统,通过控制器控制第一操控机构将主旋翼的桨距角降低至零,此时主旋翼不产生升力,降低了主旋翼对无人直升机向前飞行时所产生的阻力和干扰,继而有助于提升无人直升机的飞行速度。
权利要求

1.一种无人直升机的控制系统,包括控制器、主旋翼(1)、用于操控所述主旋翼(1)变距的第一操控机构(2)、安装于无人直升机的两侧的机翼(3)和安装于所述机翼(3)的推进机构(4),其特征在于,所述机翼(3)包括主翼(31)、以可纵向偏转的方式安装于所述主翼(31)的副翼(32)和用于操控所述副翼(32)的纵向偏转度的第二操控机构;
当所述无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,所述控制器用于控制所述第一操控机构(2)将所述主旋翼(1)的桨距角降低至零,同时控制所述第二操控机构调节所述副翼(32)的纵向偏转角度,以使所述无人直升机的整体升与所述无人直升机的重力保持相等。
2.如权利要求1所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,所述无人直升机还包括尾翼(5),所述尾翼(5)包括平尾翼(51)和垂直尾翼(52),所述水平尾翼(51)上设置有用于调节所述水平尾翼(51)的升降力矩的升降(51a),所述垂直尾翼(52)上设置有用于调节所述垂直尾翼(52)的引导方向的方向舵(52a);
当所述无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,所述控制器控制所述第二操控机构调节所述副翼(32)的纵向偏转角度以提升所述机翼(3)的上升力矩,同时控制所述升降舵(51a)提升水平尾翼的上升力矩,以使得无人直升机的整体升力与无人直升机的重力保持相等。
3.如权利要求1所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,当所述无人直升机向前飞行的速度达到第一预设速度且尚未达到第二预设速度时,所述控制器控制所述第一操控机构(2)将所述主旋翼(1)的桨距角降低,同时控制所述第二操控机构调节所述副翼(32)的纵向偏转角度,以使所述主旋翼(1)和所述机翼(3)产生的整体升力与无人直升机的重力保持相等,其中,所述第一预设速度小于所述第二预设速度。
4.如权利要求3所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,当所述第一操控机构(2)操控所述主旋翼(1)的桨距角降低时,所述控制器控制所述第一操控机构(2)对所述主旋翼(1)执行周期变距,且保持所述主旋翼(1)上处于前行侧桨叶(1a)的桨距角低于所述主旋翼(1)上处于后行侧桨叶(1b)的桨距角,以使所述前行侧桨叶(1a)的升力与所述后行侧桨叶(1b)的升力平衡。
5.如权利要求4所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,当所述第一操控机构(2)操控所述主旋翼(1)的桨距角降低时,所述后行侧桨叶(1b)的桨距角保持预设最大值,所述前行侧桨叶(1a)的桨距角减小。
6.如权利要求4所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,所述前行侧桨叶(1a)的桨距角和所述后行侧桨叶(1b)的桨距角,按照如下公式得出:
其中,s为主旋翼的旋翼实度,θ0为主旋翼的固定几何参数;c为桨叶翼型的升力线斜率;
V为无人直升机的飞行速度;Ω为主旋翼转动的角速度;R为主旋翼半径;ρ为大气密度;T为主旋翼产生的拉力;vi为主旋翼向下吹动的气流速度;θ1为前行侧桨叶的桨距角;θ2为后行侧桨叶的桨距角。
7.如权利要求6所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,所述后行侧桨叶(1b)的桨距角的预设最大值为15°‑20°。
8.如权利要求3所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,所述第一预设速度v1的计算公式为:
式中,Ω为所述主旋翼转动的角速度,R为主旋翼的半径,k为设计系数,且k的取值为
0.2 0.5。
~
9.如权利要求1所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,所述第二预设速度v2的计算公式为:
式中,m为无人直升机重量,g为重力加速度,ρ为大气密度,S为无人直升机的机翼面积,Clα为机翼翼型的升力线斜率,β为机翼的安装角。
10.如权利要求1‑9中任一项所述的无人直升机的控制系统,其特征在于,还包括用于驱动所述主旋翼(1)旋转的动力机构(6),且当所述无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,所述控制器控制所述动力机构(6)与所述主旋翼(1)之间断开传动。
11.一种无人直升机,包括控制系统,其特征在于,所述控制系统为如权利要求1‑10中任一项所述的无人直升机的控制系统。

说明书全文

一种无人直升机及其控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及航空技术领域,尤其涉及一种无人直升机及其控制系统。

背景技术

[0002] 当前的市面上的无人直升机多采用常规构型,使用主旋翼提供全部飞行时所需的推进,导致飞行最大速度受到限制。为了提升直升机的最大飞行速度,也有一些直升机在机身的两侧设计机翼,同时在机翼上安装推进机构,通过推进机构提升飞行速度,但是该种结构的直升机同样存在飞行速度受限的问题,因为当无人直升机处于高速飞行状态时,主旋翼会对无人直升机的向前飞行产生很大的阻力,严重阻碍了飞行速度的提升。
[0003] 综上所述,如何解决无人直升机存在飞行速度提升受限的问题已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种无人直升机及其控制系统,以解决无人直升机存在飞行速度提升受限的问题。
[0005] 为了实现上述目的,本发明提供了一种无人直升机的控制系统,包括控制器、主旋翼、用于操控所述主旋翼变距的第一操控机构、安装于无人直升机的两侧的机翼和安装于所述机翼的推进机构,所述机翼包括主翼、以可纵向偏转的方式安装于所述主翼的副翼和用于操控所述副翼的纵向偏转度的第二操控机构;当所述无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,所述控制器用于控制所述第一操控机构将所述主旋翼的桨距角降低至零,同时控制所述第二操控机构调节所述副翼的纵向偏转角度,以使所述无人直升机的整体升力与所述无人直升机的重力保持相等。
[0006] 优选地,所述无人直升机还包括尾翼,所述尾翼包括平尾翼和垂直尾翼,所述水平尾翼上设置有用于调节所述水平尾翼的升降力矩的升降,所述垂直尾翼上设置有用于调节所述垂直尾翼的引导方向的方向舵;当所述无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,所述控制器控制所述第二操控机构调节所述副翼的纵向偏转角度以提升所述机翼的上升力矩,同时控制所述升降舵提升水平尾翼的上升力矩,以使得无人直升机的整体升力与无人直升机的重力保持相等。
[0007] 优选地,当所述无人直升机向前飞行的速度达到第一预设速度且尚未达到第二预设速度时,所述控制器控制所述第一操控机构将所述主旋翼的桨距角降低,同时控制所述第二操控机构调节所述副翼的纵向偏转角度,以使所述主旋翼和所述机翼产生的整体升力与无人直升机的重力保持相等,其中,所述第一预设速度小于所述第二预设速度。
[0008] 优选地,当所述第一操控机构操控所述主旋翼的桨距角降低时,所述控制器控制所述第一操控机构对所述主旋翼执行周期变距,且保持所述主旋翼上处于前行侧桨叶的桨距角低于所述主旋翼上处于后行侧桨叶的桨距角,以使所述前行侧桨叶的升力与所述后行侧桨叶的升力平衡。
[0009] 优选地,当所述第一操控机构操控所述主旋翼的桨距角降低时,所述后行侧桨叶的桨距角保持预设最大值,所述前行侧桨叶的桨距角减小。
[0010] 优选地,所述前行侧桨叶的桨距角和所述后行侧桨叶的桨距角,按照如下公式得出:其中,s为主旋翼的旋翼实度,θ0为主旋翼的固定几何参数;c为桨叶翼型的升力线斜率;V为无人直升机的飞行速度;Ω为主旋翼转动的角速度;R为主旋翼半径;ρ为大气密度;T为主旋翼产生的拉力;vi为主旋翼向下吹动的气流速度;θ1为前行侧桨叶的桨距角;θ2为后行侧桨叶的桨距角。
[0011] 优选地,所述后行侧桨叶的桨距角的预设最大值为15°‑20°。
[0012] 优选地,所述第一预设速度v1的计算公式为:式中,Ω为所述主旋翼转动的角速度,R为主旋翼的半径,k为设计系数,且k的取值为0.2 0.5。
~
[0013] 优选地,所述第二预设速度v2的计算公式为:式中,m为无人直升机重量,g为重力加速度,ρ为大气密度,S为无人直升机的机翼面积,Clα为机翼翼型的升力线斜率,β为机翼的安装角。
[0014] 优选地,还包括用于驱动所述主旋翼旋转的动力机构,且当所述无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,所述控制器控制所述动力机构与所述主旋翼之间断开传动。
[0015] 相比于背景技术介绍内容,上述无人直升机的控制系统,包括控制器、主旋翼、用于操控主旋翼变距的第一操控机构、安装于无人直升机的两侧的机翼和安装于机翼的推进机构,机翼包括主翼、以可纵向偏转的方式安装于主翼的副翼和用于操控副翼的纵向偏转角度的第二操控机构;当无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,控制器用于控制第一操控机构将主旋翼的桨距角降低至零,同时控制第二操控机构调节副翼的纵向偏转角度,以使无人直升机的整体升力与无人直升机的重力保持相等。该控制系统,在实际应用过程中,当无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,可以通过控制器控制第一操控机构将主旋翼的桨距角降低至零,此时主旋翼不产生升力,无人直升机的整体升力与无人直升机的重力保持相等的状态主要由控制器控制第二操控机构调节副翼的纵向偏转角度来实现,从而能够降低主旋翼不平衡气动力对无人直升机飞行的影响;同时在平飞过程中能够确保主旋翼的转动平面与飞行方向夹角为0°,从而降低了主旋翼对无人直升机向前飞行时所产生的阻力和干扰,继而有助于提升无人直升机的飞行速度。
[0016] 另外,本发明还提供了一种无人直升机,包括控制系统,该控制系统为上述任一方案所描述的无人直升机的控制系统,由于该无人直升机的控制系统具有上述技术效果,因此具有该控制系统的无人直升机也应具有相应的技术效果,在此不再赘述。附图说明
[0017] 图1为本发明实施例提供的无人直升机的整体结构示意图;图2为本发明实施例提供的无人直升机的局部结构示意图;
图3为本发明实施例提供的无人直升机的局部剖视结构示意图;
图4为本发明实施例提供的前行侧桨叶的桨距角示意图;
图5为本发明实施例提供的后行侧桨叶的桨距角示意图;
图6为本发明实施例提供的主旋翼的桨距角与无人直升机向前飞行速度的对应关系示意图;
图7为本发明实施例提供的机翼的安装角度的示意图;
图8为本发明实施例提供的主旋翼的前行侧桨叶与后行侧桨叶的位置结构示意图。
[0018] 在图1‑图8中,主旋翼1、前行侧桨叶1a、后行侧桨叶1b、第一操控机构2、机翼3、主翼31、副翼32、推进机构4、尾翼5、水平尾翼51、升降舵51a、垂直尾翼52、方向舵52a、动力机构6、驱动电机
61、传动机构62、第一传感器7、第二传感器8。

具体实施方式

[0019] 本发明的核心是提供一种无人直升机及其控制系统,以解决无人直升机存在飞行速度提升受限的问题。
[0020] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案,下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0021] 如图1‑图8所示,本发明实施例提供了一种无人直升机的控制系统,包括控制器、主旋翼1、用于操控主旋翼1变距的第一操控机构2、安装于无人直升机的两侧的机翼3和安装于机翼3的推进机构4,机翼3包括主翼31、以可纵向偏转的方式安装于主翼31的副翼32和用于操控副翼32的纵向偏转角度的第二操控机构;当无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,控制器用于控制第一操控机构2将主旋翼1的桨距角降低至零,同时控制第二操控机构调节副翼32的纵向偏转角度,以使无人直升机的整体升力与无人直升机的重力保持相等。
[0022] 该控制系统,在实际应用过程中,当无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,可以通过控制器控制第一操控机构将主旋翼的桨距角降低至零,此时主旋翼不产生升力,无人直升机的整体升力与无人直升机的重力保持相等的状态主要由控制器控制第二操控机构调节副翼的纵向偏转角度来实现,从而能够降低主旋翼不平衡气动力对无人直升机飞行的影响;同时在平飞过程中能够确保主旋翼的转动平面与飞行方向夹角为0°,从而降低了主旋翼对无人直升机向前飞行时所产生的阻力和干扰,继而有助于提升无人直升机的飞行速度。
[0023] 这里需要说明的是,根据具体机型的型号不同,推进机构4具体可以是涵道扇、螺旋桨或小型涡轮发动机等,在此不做更具体的限定。
[0024] 在一些具体的实施方案中,无人直升机还包括尾翼5,尾翼5具体可以包括水平尾翼51和垂直尾翼52,其中,水平尾翼51上可以设置有用于调节水平尾翼51的升降力矩的升降舵51a,垂直尾翼52上设置有用于调节垂直尾翼52的引导方向的方向舵52a;当无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,控制器控制第二操控机构调节副翼32的纵向偏转角度以提升机翼3的上升力矩,同时控制升降舵51a提升水平尾翼的上升力矩,以使得无人直升机的整体升力与无人直升机的重力保持相等。通过设计水平尾翼及升降舵,可以配合机翼实现升力控制,能够避免副翼升力调节不足的问题。同时通过垂直尾翼及方向舵可以方便对飞行方向的控制。
[0025] 在一些具体的实施方案中,当无人直升机向前飞行的速度达到第一预设速度且尚未达到第二预设速度时,控制器控制第一操控机构2将主旋翼1的桨距角降低,同时控制第二操控机构调节副翼32的纵向偏转角度,以使主旋翼1和机翼3产生的整体升力与无人直升机的重力保持相等,其中,第一预设速度小于第二预设速度。通过上述控制方式,使得主旋翼的桨距角调节至零具有一个过渡阶段,同时机翼上的副翼的纵向偏转角度的调节也实现了过渡,避免了桨距角调节过大或纵向偏转角度过大导致飞行不稳定的情况发生。
[0026] 进一步的实施方案中,当第一操控机构2操控主旋翼1的桨距角降低时,控制器控制第一操控机构2对主旋翼1执行周期变距,且保持主旋翼1上处于前行侧桨叶1a的桨距角低于主旋翼1上处于后行侧桨叶1b的桨距角,以使前行侧桨叶1a的升力与后行侧桨叶1b的升力平衡。通过上述调节方式,能够增强主旋翼两侧升力的平稳性,避免左右两侧失去平衡导致飞行不稳定。
[0027] 在一些更具体的实施方案中,当第一操控机构2操控主旋翼1的桨距角降低时,具体可以采用如下方式:后行侧桨叶1b的桨距角保持预设最大值,前行侧桨叶1a的桨距角减小,该种方式主要针对于向前飞行速度逐渐加速的情况。
[0028] 需要说明的是,上述前行侧桨叶1a的桨距角和后行侧桨叶1b的桨距角,具体可以按照如下公式得出:其中,s为主旋翼的旋翼实度,θ0为主旋翼的固定几何参数;c为桨叶翼型的升力线斜率;V为无人直升机的飞行速度;Ω为主旋翼转动的角速度;R为主旋翼半径;ρ为大气密度;T为主旋翼产生的拉力;vi为主旋翼向下吹动的气流速度;θ1为前行侧桨叶的桨距角;θ2为后行侧桨叶的桨距角。
[0029] 其中,后行侧桨叶1b的桨距角的预设最大值一般优选为15°‑20°。
[0030] 另外需要说明的是,上述第一预设速度v1的计算公式具体为:式中,Ω为主旋翼转动的角速度,R为主旋翼的半径,k为设计系数,且k的取值为
0.2 0.5。
~
[0031] 上述第二预设速度v2的计算公式为:式中,m为无人直升机重量,g为重力加速度,ρ为大气密度,S为无人直升机的机翼面积,Clα为机翼翼型的升力线斜率,β为机翼的安装角。
[0032] 在一些更具体的实施方案中,上述无人直升机的控制系统还应该包括用于驱动主旋翼1旋转的动力机构6,且当无人直升机向前飞行的速度达到第二预设速度时,控制器控制动力机构6与主旋翼1之间断开传动,此时主旋翼进入不受控的风车状态,由于此时主旋翼的桨距角降低至零,因此其对无人直升机向前飞行的阻力较小。需要说明的是,动力机构6,具体可以包括驱动电机61和传动机构62,传动机构用于将驱动电机的动力传递至主旋翼。
[0033] 其中,断开传动的具体方式,可通过在主旋翼与动力机构之间的减速器处设置离合装置实现,离合装置为常规技术,在此不做限定;当然也可以采用其他断开传动的方式,比如断开驱动电机61的电流回路,使其转子能不受阻力地与主旋翼共同转动来实现。
[0034] 需要说明的是,无人直升机还应该安装有各式各样的传感器以实现各种检测需求,比如在机翼处可以安装第一传感器7(具体可以为霍尔元件),通过该第一传感器可以检测机翼上的副翼的纵向偏转角度;机身的顶部可以设置第二传感器8(具体可以为光学传感器)。
[0035] 另外,本发明还提供了一种无人直升机,包括控制系统,该控制系统为上述任一方案所描述的无人直升机的控制系统,由于该无人直升机的控制系统具有上述技术效果,因此具有该控制系统的无人直升机也应具有相应的技术效果,在此不再赘述。
[0036] 以上对本发明所提供的无人直升机及其控制系统进行了详细介绍。需要说明的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0037] 还需要说明的是,在本文中,诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0038] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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