一种基于发射筒的垂直起降及稳定无人机系统的制作方法

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于发射筒的垂直起降及稳定无人机系统。

背景技术：

无人机的发展和应用已经引起了各国的高度重视，人们对无人机的环境适应性、工作领域提出了更高的要求。固定翼无人机结合发射筒完成垂直发射，并进行空中任务逐渐成为各国研究的重点。结合固定翼的高航速以及高稳定性和发射筒的垂直发射特性，极大的丰富了固定翼无人机的活动空间和应用可能性。发射筒发射固定翼无人机区别于传统垂直起降无人机和传统固定翼无人机，需要一种可收拢，可实现自主飞出发射筒，并完成垂直到水平的姿态转换并完成任务的无人系统。

传统的垂直起降无人机大多设计两套飞行系统，一套用于控制无人机垂直起降，另一套用于控制无人机水平飞行，通常前者的表现形式为旋翼、喷气口等，后者表现形式为螺旋桨及固定翼结构。这种结构造成了设计的冗余，两套动力系统存在工作的空白期，以及不连续性，造成了无人机负载的浪费。

在上述基础上发展而来的，旋翼与固定翼的结合，将传统旋翼的机臂变形为固定翼机翼，机翼翼梢安装电机。具体的实施方式为：以旋翼的方式进行垂直起飞，当达到预定高度时，电机旋转90度，使电机转轴与前进方向相同，然后进入固定翼飞行模式。这种结构转换过程缓慢且僵硬，存在预定高度转换控制的不稳定性，不适用高实时性，恶劣的环境。

另一种方案是尾座式结合矢量动力系统，在垂直状态下，矢量动力系统产生的动力通过无人机重心，能够将无人机抬升至预定高度，然后矢量动力系统改变动力方向，产生旋转力矩，无人机在爬升的过程中完成垂平转换，转换完成后矢量动力系统改变动力方向与无人机飞行方向一致。这种控制方案存在控制系统自由度大，系统波动性大，无人机姿态稳定较困难等缺点。

此外，上述的控制方案所设计的无人机负载能力有限，不具备长距离、高航时、多负载的工作能力。

技术实现要素：

本发明旨在于克服上述现有技术的不足，提供一种稳定迅速、控制简易、负载能力强、能稳定可靠地完成垂直到水平以及回收时无人机水平到垂直的姿态过渡的基于发射筒的垂直起降及稳定无人机。

为实现以上目的，一种基于发射筒的垂直起降及稳定无人机系统：其特征是：无人机至少包括：固定翼机身、折叠机翼、十字尾翼、微调机构、涵道电机、碳纤维连接杆、俯仰舵、偏航舵，所述的固定翼机身上设置连接接口，涵道电机通过微调机构连接在机身肩部的涵道接口；折叠机翼连接在机身胸部的机翼接口上；雷达载荷和锂电池安装在机身腹腔内部；十字尾翼通过机身尾部接口连接在尾部的尾翼接口；所述涵道电机和十字尾翼用于提升级无人机的提升力；涵道电机和微调机构用于控制无人机的垂直姿态，俯仰舵、偏航舵和副翼用于控制无人机水平姿态；涵道电机、微调机构、俯仰舵、偏航舵和副翼用于完成无人机的一起完成无人机水平到垂直转换与垂直到水平的转换。

所述的微调机构包括：微调底座、微调块、微调舵机、涵道梁、支撑轴承；微调底座位于固定翼机身前端，碳纤维连接杆从固定翼机身机尾贯穿固定翼机身前端，由固定翼机身前端碳纤维连接杆支撑连接着微调底座，微调底座顶部垂直与固定翼机身横跨连接着涵道梁，涵道梁两端下端和微调底座两侧固定左右涵道电机，涵道电机左右对称在微调底座两端。

所述的微调底座两端进一步包括固定的微调块，微调块通过支撑轴承与微调舵机轴连接，通过微调块的小角度旋转以及涵道电机的差速转动实现对无人机进行垂直姿态的稳定。

所述的十字尾翼包括：左右俯仰舵和上下偏航舵，左右俯仰舵和上下偏航舵分别与正长方形座体的四个面连接，正长方形座体长度方向的中心轴线连接碳纤维连接杆，左右俯仰舵是在左右水平尾翼上分别安装舵机，上下偏航舵是在上下竖直尾翼上分别安装舵机，舵机控制左右俯仰舵和上下偏航舵。

所述的固定翼机身前端开了三个口，光电接口、涵道接口、机翼接口，光电接口在固定翼机身最前端，机翼接口在固定翼机身的前上端，涵道接口穿过固定翼机身前端，折叠机翼连接在机翼接口上；涵道电机通过微调机构连接在机身肩部的涵道接口；光电载荷通过机头的光电接口连接在固定翼机身的头部。

所述的固定翼机身后端开了两个口，分别是尾翼接口和机翼扣合接口，尾翼接口在固定翼机身最后端中间部位，机翼扣合接口在固定翼机身最后端侧部位，十字尾翼连接在尾翼接口上，机翼扣合接口连接碳纤维连接杆，通过碳纤维连接杆连接十字尾翼，十字尾翼用于补偿无人机的姿态转换力，副翼、俯仰舵和偏航舵用于控制无人机水平姿态。

进一步的包括：起飞控制阶段：发射筒发送起飞命令，涵道电机开始工作，带动无人机垂直飞出发射筒；无人机飞到预定高度后，通过控制微调机构的微调块的角度旋转及涵道电机的差速转动进行无人机姿态稳定控制；

折叠机翼展开；涵道电机继续抬升无人机，俯仰舵顺时针旋转，流过十字尾翼的气流使无人机产生逆时针旋转的力矩，进而实现垂直到水平的过渡；无人机水平过渡动作完成后，控制将俯仰舵归零，切换至水平飞行模式，涵道电机降低转速，开始巡航；

降落阶段：无人机爬升一段距离，并控制俯仰舵旋转，产生顺时针的旋转力矩，使无人机完成水平至垂直的过渡，无人机水平过渡动作完成后，控制将俯仰舵归零，并切换至竖直飞行模式；微调机构通过微调块的角度旋转以及差速转动实现对无人机进行姿态的稳定，涵道电机转速不断降低，无人机下降，折叠机翼完成折叠，降落至预定地点；

折叠机翼展开后，无人机进行垂直到水平的姿态转换，涵道电机增大推力，将无人机继续抬升，同时俯仰舵顺时针旋转，流过十字尾翼的气流使无人机产生逆时针旋转的力矩，控制无人机完成垂直到水平的姿态转换；

无人机垂直到水平转换完成后，控制系统切换至水平巡航模式，此时的无人机升力将由折叠机翼提供，涵道电机减小推力，俯仰舵归零，进入巡航模式；

当无人机需要回收时，由控制系统发送控制命令，俯仰舵逆时针旋转，流过十字尾翼的气流使无人机产生逆时针旋转的力矩，无人机向上爬升，直至控制系统发出新的指令；

所述的水平到垂直的转换与垂直到水平的转换中，俯仰舵的转向相反，角度绝对值相等，折叠机构的运动相反。

所述的微调机构对无人机垂直姿态的稳定过程是：当无人机处于垂直状态时，姿态传感器测出此时无人机三轴方向上的角度数据与初始化设定的垂直姿态数据进行比较，控制算法计算出误差，然后通过双涵道电机控制无人机高度误差，通过微调舵机控制微调块的对转控制以及涵道电机的补偿转矩的差速实现垂直姿态下的滚转角误差，通过涵道电机的对转实现垂直姿态下的偏航角误差，通过微调舵机控制微调块的同向偏转实现无人机垂直姿态下的俯仰角误差。

所述的十字尾翼与涵道电机对姿态控制过程是：垂直到水平的过渡：无人机悬停在空中，接着涵道电机增加推力推动无人机加速上升，同时俯仰舵顺时针旋转，在上升的过程中，流过十字尾翼和俯仰舵的气流会使机身产生逆时针的转矩，随后无人机在上升的过程中完成垂直到水平的过渡，当控制系统检测到无人机处于水平状态时，俯仰舵归零，转矩消失，无人机进入巡航模式。

所述的水平到垂直的转换：无人机水平状态下，俯仰舵逆时针旋转，流过十字尾翼和俯仰舵的气流会使机身产生顺时针的转矩，涵道电机增大推力抬升无人机，无人机会在转矩与推力的作用下完成水平到垂直的姿态转换，当控制系统检测到无人机处于垂直状态时，俯仰舵归零，转矩消失，无人机保持悬停状态，涵道电机减小推力，无人机缓慢降落。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明采用微调块202的小角度旋转以及涵道电机3的差速转动实现对无人机进行姿态的稳定控制无人机垂直状态下的姿态，结构可靠且节约能源，能够满足固定翼无人机在水平和垂直状态下的姿态控制。

第二，本发明通过俯仰舵7的旋转，流过十字尾翼6的气流使无人机产生相对于机身的转矩，通过该转矩完成无人机水平与垂直姿态之间的相互转换，结构可靠稳定，能够快速地实现姿态转换，具备良好的及时响应性。

第三，本发明采用整体机身结构，功能单元采用特征接口与机身连接，保证了机身的防水性和密闭性的同时实现了功能单元的模块化以及可替代性。

第四，本发明通过涵道电机3带动无人机飞出发射筒，保证了无人机的自主性以及功能可靠性。

第五，本发明结构简单可靠，工艺简单，大多数零件选择标准件，各零件的可替代性高。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明微调装置示意图；

图3为本发明尾翼结构示意图；

图4为机身功能单元接口示意图；

图5为微调机构2运动示意图；

图6为垂直状态下姿态稳定流程图。

图中：1、固定翼机身；2、微调机构；3、涵道电机；4、折叠机翼；5、碳纤维连接杆；6、十字尾翼；7、俯仰舵；8、偏航舵；201、微调底座；202、微调块；203、微调舵机；204、涵道梁；205、支撑轴承；601、作动舵机；602、水平尾翼；603、竖直尾翼；101、光电接口；102、涵道接口；103、机翼接口；104、尾翼接口；105、机翼扣合接口。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明进行详细说明。以下说明有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图6d所示，一种基于发射筒的垂直起降及稳定无人机系统：其特征是：无人机至少包括：固定翼机身1、折叠机翼4、十字尾翼6、微调机构2、涵道电机3、碳纤维连接杆5、俯仰舵7、偏航舵8，所述的固定翼机身1上设置连接接口，涵道电机3通过微调机构2连接在机身肩部的涵道接口102；折叠机翼4连接在机身胸部的机翼接口103上；雷达载荷和锂电池安装在机身腹腔内部；十字尾翼6通过机身尾部接口连接在尾部的尾翼接口104；所述涵道电机3和十字尾翼6用于提升级无人机的提升力；双涵道电机3和微调机构2用于控制无人机的垂直姿态，俯仰舵7、偏航舵8和副翼用于控制无人机水平姿态；双涵道电机3和微调机构2、俯仰舵7、偏航舵8和副翼一起完成水平无人机到垂直转换与垂直到水平的转换。

如图2所示，微调机构2包括：微调底座201、微调块202、微调舵机203、涵道梁204、支撑轴承205；微调底座201位于固定翼机身1前端，碳纤维连接杆5从固定翼机身1机尾贯穿固定翼机身1前端，由固定翼机身1前端碳纤维连接杆5支撑连接着微调底座201，微调底座201顶部垂直与固定翼机身1横跨连接着涵道梁204，涵道梁204两端下端和微调底座201两侧固定左右涵道电机3，涵道电机3左右对称在微调底座201两端。

在微调底座201两端进一步包括固定的微调块202，微调块202通过支撑轴承205与微调舵机203轴连接，通过微调块202的小角度旋转以及差速转动实现对无人机进行姿态的稳定，通过微调块202的小角度旋转以及涵道电机3的差速转动实现对无人机进行姿态的稳定。

如图3所示，固定翼机身1通过碳纤维连接杆5与十字尾翼6连接，十字尾翼6包括：左右俯仰舵7和上下偏航舵8，左右俯仰舵7和上下偏航舵8分别与正长方形座体的四个面连接，正长方形座体长度方向的中心轴线连接碳纤维连接杆5，左右俯仰舵7和上下偏航舵8的上下和左右为图3显示的方位，实际在动态转换过程中是转换上下和左右；左右俯仰舵7是在左右水平尾翼602上分别安装舵机601，上下偏航舵8是在上下竖直尾翼603上分别安装舵机601，舵机601控制左右俯仰舵7和上下偏航舵8。

如图4所示，固定翼机身1前端开了三个口，光电接口101、涵道接口102、机翼接口103，光电接口101在固定翼机身1最前端，机翼接口103在固定翼机身1的前上端，涵道接口102穿过固定翼机身1前端，折叠机翼4连接在机翼接口103上；涵道电机3通过微调机构2连接在机身肩部的涵道接口102；光电载荷通过机头的光电接口101连接在固定翼机身1的头部。

如图5所示，固定翼机身1后端开了两个口，分别是尾翼接口104和机翼扣合接口105，尾翼接口104在固定翼机身1最后端中间部位，机翼扣合接口105在固定翼机身1最后端侧部位，十字尾翼6连接在尾翼接口104上，机翼扣合接口105连接碳纤维连接杆5，通过碳纤维连接杆5连接十字尾翼6，十字尾翼6用于提升级无人机的提升力，副翼、俯仰舵7和偏航舵8用于控制无人机水平姿态。

一种基于发射筒的垂直起降及稳定无人机方法，其特征是：至少包括：起飞阶段：发射筒发送起飞命令，涵道电机3开始工作，带动无人机垂直飞出发射筒；无人机飞到预定高度后，通过控制微调机构2的微调块202的角度旋转及涵道电机3的差速转动进行无人机姿态稳定控制；

折叠机翼4展开；涵道电机3继续抬升无人机，俯仰舵7顺时针旋转，流过十字尾翼6的气流使无人机产生逆时针旋转的力矩，进而实现垂直到水平的过渡；无人机水平过渡动作完成后，控制将俯仰舵7归零，切换至水平飞行模式，涵道电机3降低转速，开始巡航；

降落阶段：无人机爬升一段距离，并控制俯仰舵7旋转，产生顺时针的旋转力矩，使无人机完成水平至垂直的过渡，无人机水平过渡动作完成后，控制俯仰舵7归零，并切换至竖直飞行模式；微调机构2通过微调块202的角度旋转以及差速转动实现对无人机进行姿态的稳定，涵道电机3转速不断降低，无人机下降，机翼4完成折叠，降落至预定地点。

折叠机翼4展开后，无人机进行垂直到水平的姿态转换，涵道电机3增大推力，将无人机继续抬升，同时俯仰舵7顺时针旋转，流过十字尾翼6的气流使无人机产生逆时针旋转的力矩，控制无人机完成垂直到水平的姿态转换；

无人机垂直到水平转换完成后，控制系统切换至水平巡航模式，此时的无人机升力将由折叠机翼4提供，涵道电机3减小推力，俯仰舵7归零，进入巡航模式；

当无人机需要回收时，由控制系统发送控制命令，俯仰舵7逆时针旋转，流过十字尾翼6的气流使无人机产生逆时针旋转的力矩，无人机向上爬升，直至控制系统发出新的指令；

如图6a、图6b、图6c所示，当无人机完成水平到垂直的姿态转换时，俯仰舵7归零折叠机翼4收拢，此阶段通过微调块202的小角度旋转以及涵道电机3的差速转动实现对无人机进行姿态的稳定，待机翼收拢完成后，涵道电机3转速放慢，无人机高度下降，直至降落至地面的回收机构内。

所述的水平到垂直转换与垂直到水平的转换中，俯仰舵7的转向相反，角度绝对值相等，折叠机构的运动相反。

本发明中微调机构2对无人机垂直姿态的稳定过程是：当无人机处于垂直状态时，角度传感器测出此时无人机三轴方向上的角度数据与初始化设定的垂直姿态数据进行比较，采用控制算法计算出误差，控制策略如图6d所示。通过双涵道电机3控制无人机高度误差，通过舵机203控制微调块202的对转控制以及涵道电机3的补偿转矩的差速实现垂直姿态下的滚转角误差，通过涵道电机3的对转实现垂直姿态下的偏航角误差，通过舵机203控制微调块202的同向偏转实现无人机垂直姿态下的俯仰角误差。

所述的十字尾翼6与涵道电机3对姿态控制过程是：垂直到水平的过渡：无人机悬停在空中，接着涵道电机3增加推力推动无人机加速上升，同时俯仰舵7顺时针旋转，在上升的过程中，流过十字尾翼6和俯仰舵7的气流会使机身产生逆时针的转矩，随后无人机在上升的过程中完成垂直到水平的过渡，当控制系统检测到无人机处于水平状态时，俯仰舵7归零，转矩消失，无人机进入巡航模式。

水平到垂直的过渡：无人机水平状态下，俯仰舵7逆时针旋转，流过十字尾翼6和俯仰舵7的气流会使机身产生顺时针的转矩，涵道电机3增大推力抬升无人机，无人机会在转矩与推力的作用下完成水平到垂直的姿态转换，当控制系统检测到无人机处于垂直状态时，俯仰舵7归零，转矩消失，无人机保持悬停状态，涵道电机3减小推力，无人机缓慢降落。

所述无人机在发射筒内部等待发射筒发射命令，无人机的所有姿态全部由自身功能模块实现，具有自主性。

需要理解的是，术语“顺时针”、“逆时针”、“俯仰”、“偏航”、“垂直”、“水平”、“归零”等指示的方位或位置关系为基于附图所示方位或位置关系，仅是为了描述本发明或简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明权利的限制。

以上对本发明的具体实例进行了描述，本实例中没有详细叙述的属本行业的公知常用手段，这里不一一叙述。本发明不限于上述特定的实施方式，以上实例并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是在本发明权利要求范围内的修改或变形均属于本发明的保护范围之内。