本發(fā)明涉及無人機技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，特別涉及一種傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機以及一種傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機控制方法。

背景技術(shù)：

無人機是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，從技術(shù)角度定義可以分為：無人固定翼機和無人垂直起降機。在民用方面，無人機可用于航拍、農(nóng)業(yè)、植保、微型自拍、快遞運輸?shù)鹊阮I(lǐng)域。

當前無人機由于市場需要，要求無人機可以不依賴場地，就能夠完成垂直起降以及向前飛行等動作，同時，還要求無人機在滿足其操控性的前提下，還需要具備較長的續(xù)航能力。在現(xiàn)有技術(shù)中，旋翼無人機可以達到垂直起降并向前飛行的要求，但是由于其通過螺旋槳產(chǎn)生前行動力以及轉(zhuǎn)向動力，因此其存在飛行效率低、飛行速度慢、操控性較差等問題。而固定翼無人機雖然飛行效率較高、飛行速度快，但是其無法實現(xiàn)垂直起降，因此也無法滿足市場需求。

為了使得無人機同時具備可垂直起降、飛行速度快、操控性好等優(yōu)點，于是市場上出現(xiàn)了一種垂直起降固定翼無人機，即復(fù)合式垂直起降固定翼無人機。對于復(fù)合式垂直起降固定翼無人機而言，無人機具有起降和前飛兩套螺旋槳動力，起降螺旋槳方向朝上，前飛螺旋槳方向朝前。起降過程中主要由起降螺旋槳工作控制飛機，平飛過程中主要由前行螺旋槳工作控制飛機。這種復(fù)合式垂直起降固定翼無人機存在的問題為：由于飛機搭載兩套動力裝置，飛機總體重量增大，載荷能力下降，工作效率降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)技術(shù)問題

綜上所述，如何解決復(fù)合式垂直起降固定翼無人機存在的整體質(zhì)量大、飛行性能較差的問題，成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機控制方法，該方法具體包括：

步驟一、在傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機的機身內(nèi)部設(shè)置舵機系統(tǒng)，并將傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機上同側(cè)設(shè)置的前置螺旋槳總成以及后置螺旋槳總成通過連桿固定連接，將傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機兩側(cè)設(shè)置的連桿通過聯(lián)動軸實現(xiàn)聯(lián)動連接，上述的舵機系統(tǒng)與聯(lián)動軸動力連接；

步驟二、控制后置螺旋槳總成的驅(qū)動拉力大于前置螺旋槳總成的驅(qū)動拉力，使得連桿在機身上產(chǎn)生一個朝向傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機機頭方向的逆時針旋轉(zhuǎn)作用力，通過上述的逆時針旋轉(zhuǎn)作用力將前置螺旋槳總成以及后置螺旋槳總成在傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機機身上由相對水平狀態(tài)變?yōu)橄鄬Υ怪睜顟B(tài)；

步驟三、通過設(shè)置角度傳感器對傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機的機身在起降時進行角度監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過舵機系統(tǒng)對上述的聯(lián)動軸提供驅(qū)動力以保證傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機平穩(wěn)飛行。

本發(fā)明還提供了一種傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機，該無人機的結(jié)構(gòu)為：

包括有機身、前置螺旋槳總成、后置螺旋槳總成以及舵機系統(tǒng)，所述機身設(shè)置有固定翼，所述前置螺旋槳總成通過傾轉(zhuǎn)軸設(shè)置于所述固定翼上、并靠近機身的機頭，所述后置螺旋槳總成通過傾轉(zhuǎn)軸設(shè)置于所述固定翼上、并遠離機身的機頭，位于所述機身同側(cè)、所述前置螺旋槳總成以及所述后置螺旋槳總成通過連桿連接并形成有一套動力總成，所述前置螺旋槳總成與所述連桿連接，所述后置螺旋槳總成與所述連桿連接；

所述動力總成設(shè)置有兩套，兩套所述動力總成分設(shè)于所述機身的兩側(cè)；

在分設(shè)于所述機身兩側(cè)的所述動力總成中，兩個所述連桿通過聯(lián)動軸實現(xiàn)聯(lián)動連接，所述舵機系統(tǒng)包括內(nèi)置控制程序的控制器、陀螺儀以及舵機無刷電機，所述舵機無刷電機與所述聯(lián)動軸動力連接，所述陀螺儀用于對機身的傾斜角度進行實時監(jiān)測、并生成監(jiān)測信號，所述陀螺儀與所述控制器信號連接，所述控制器與所述舵機無刷電機以及動力總成信號連接，所述控制器根據(jù)所述將監(jiān)測信號控制所述舵機無刷電機/或動力總成運行。

優(yōu)選地，本發(fā)明還包括有連接四通，所述連接四通包括有第一軸孔通道以及與所述第一軸孔通道垂直并相通的第二軸孔通道，所述聯(lián)動軸穿過所述第一軸孔通道設(shè)置，所述連桿穿過所述第二軸孔通道設(shè)置，于所述第一軸孔通道的兩端、并位于所述連接四通的外側(cè)設(shè)置有軸承，所述連接四通通過所述軸承可轉(zhuǎn)動地設(shè)置于所述機身內(nèi)。

優(yōu)選地，所述舵機系統(tǒng)設(shè)置于所述機身的重心位置上。

優(yōu)選地，所述舵機無刷電機通過皮帶傳動系統(tǒng)、齒輪傳動系統(tǒng)或者拉桿傳動系統(tǒng)與所述聯(lián)動軸動力連接。

優(yōu)選地，所述聯(lián)動軸為金屬質(zhì)聯(lián)動軸或者硬質(zhì)塑料聯(lián)動軸；所述聯(lián)動軸為空心軸。

優(yōu)選地，所述連桿包括有兩個結(jié)構(gòu)相同的連桿單元，兩個所述連桿單元分別插設(shè)于所述第二軸孔通道的兩端、并與所述連接四通固定連接。

優(yōu)選地，所述連接四通為輕質(zhì)合金連接四通或泡沫塑料連接四通；所述連接四通為一體式結(jié)構(gòu)。

(三)有益效果

在本發(fā)明提供的傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機控制方法中，螺旋槳總成在傾轉(zhuǎn)過程中螺旋槳由前后兩兩差速形成旋轉(zhuǎn)作用力，達到螺旋槳總成傾轉(zhuǎn)目的，采用主動式傾轉(zhuǎn)能夠使得螺旋槳傾轉(zhuǎn)過程更穩(wěn)定、安全。在螺旋槳主動傾轉(zhuǎn)的同時，舵機控制系統(tǒng)可以維持機身平衡，使得機身不會因為螺旋槳的傾轉(zhuǎn)而不穩(wěn)定，增加了機身在傾轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定型與安全性。

在本發(fā)明提供的傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機中，其通過對后置螺旋槳總成以及前置螺旋槳總成進行分別控制，能夠通過后置螺旋槳總成產(chǎn)生一個主動傾轉(zhuǎn)作用力，通過該主動傾轉(zhuǎn)作用力使得動力總成主動傾轉(zhuǎn)，這樣本發(fā)明不僅具有垂直升降的功能，同時還兼具了固定翼飛機的高續(xù)航能力、高操控精準性的優(yōu)點。最重要的是：本發(fā)明動力總成的傾轉(zhuǎn)為主動式傾轉(zhuǎn)，能夠極大程度地提高無人機飛行的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中連接四通的結(jié)構(gòu)示意圖；

在圖1至圖3中，部件名稱與附圖編號的對應(yīng)關(guān)系為：

機身1、前置螺旋槳總成2、后置螺旋槳總成3、固定翼4、

連接四通5、第一軸孔通道6、第二軸孔通道7。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上；術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“內(nèi)”、“外”、“前端”、“后端”、“頭部”、“尾部”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

本發(fā)明提供了一種傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機控制方法，在該方法中，其具體包括如下步驟：

步驟s1、對傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機(為了便于描述，以下簡稱為無人機)進行機身結(jié)構(gòu)的改造。

在傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機的機身內(nèi)部設(shè)置舵機系統(tǒng)，舵機系統(tǒng)包括有控制器以及陀螺儀。陀螺儀能夠進行角度監(jiān)測，控制器內(nèi)置有控制程序。在無人機的機身上設(shè)置了四個螺旋槳總成，分別為兩個前置螺旋槳總成以及兩個后置螺旋槳總成。其中，一個前置螺旋槳總成以及一個后置螺旋槳總成在機身的同一側(cè)設(shè)置，并前后設(shè)置。前置螺旋槳總成與后置螺旋槳總成通過一根連桿實現(xiàn)固定連接從而形成一套動力總成，這樣本發(fā)明就具備兩套動力總成。在同一個動力總成內(nèi)，連桿實現(xiàn)前置螺旋槳總成以及后置螺旋槳總成的固定連接，前置螺旋槳總成以及后置螺旋槳總成通過傾轉(zhuǎn)軸可轉(zhuǎn)動地安裝在固定翼上。

將傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機兩側(cè)設(shè)置的連桿通過聯(lián)動軸實現(xiàn)聯(lián)動連接，這樣可以保證兩臺動力總成在飛行時的傾斜角度保持同步。

為了能夠?qū)恿偝傻膬A斜角度進行干預(yù)，本發(fā)明將舵機系統(tǒng)與聯(lián)動軸動力連接。

步驟s2、基于對無人機結(jié)構(gòu)改造的基礎(chǔ)上，通過舵機系統(tǒng)的控制器控制后置螺旋槳總成的驅(qū)動拉力大于前置螺旋槳總成的驅(qū)動拉力，這樣就能夠使得連桿在機身上產(chǎn)生一個朝向傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機機頭方向的逆時針旋轉(zhuǎn)作用力，通過上述的逆時針旋轉(zhuǎn)作用力改變前置螺旋槳總成以及后置螺旋槳總成在傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機機身上設(shè)置的空間位置，使得后置螺旋槳總成位于機身上側(cè)、前置螺旋槳總成位于機身下側(cè)，在最終狀態(tài)下，后置螺旋槳總成與前置螺旋槳總成相垂直。

步驟s3、對無人機的飛行進行穩(wěn)定控制。其具體如下：通過設(shè)置角度傳感器對傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機的機身在起降時進行角度監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過舵機系統(tǒng)對上述的聯(lián)動軸提供驅(qū)動力以保證傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機平穩(wěn)飛行。

目前，常規(guī)傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機，其控制方法為：在螺旋槳傾轉(zhuǎn)過程中，螺旋槳由舵機控制系統(tǒng)控制其被動轉(zhuǎn)動，由于外力(舵機)干涉螺旋槳的正常工作狀態(tài)，故會引起螺旋槳工作不穩(wěn)定。而且，由于外力(舵機)需給螺旋槳一個較大的力，由物理學(xué)第三定律，螺旋槳也會給飛機一個較大的反作用力，這樣會造成飛機受力不平衡，引起無人機飛行不穩(wěn)定的問題。

本發(fā)明的目的在于：

1、減少飛機多余動力裝置，降低飛機動力系統(tǒng)重量，增大飛機飛行效率；

2、解決螺旋槳被動轉(zhuǎn)動存在的飛機飛行不穩(wěn)定的問題，通過對控制方式以及飛機機身結(jié)構(gòu)的改進，達到增加飛機機身在傾轉(zhuǎn)過程中穩(wěn)定型與安全性的目的。

通過上述控制方法的改進，在本發(fā)明中，螺旋槳總成在傾轉(zhuǎn)過程中螺旋槳由前后兩兩差速形成旋轉(zhuǎn)作用力，達到螺旋槳總成傾轉(zhuǎn)目的，采用主動式傾轉(zhuǎn)能夠使得螺旋槳傾轉(zhuǎn)過程更穩(wěn)定、安全。同時，螺旋槳主動傾轉(zhuǎn)的同時，舵機控制系統(tǒng)可以維持機身平衡，使得機身不會因為螺旋槳的傾轉(zhuǎn)而不穩(wěn)定，增加了機身在傾轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定型與安全性。

請參考圖1至圖3，其中，圖1為本發(fā)明實施例中傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機的主視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例中連接四通的結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明還提供了一種傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機，包括有機身1、前置螺旋槳總成2、后置螺旋槳總成3以及舵機系統(tǒng)，機身1設(shè)置有固定翼4，前置螺旋槳總成2通過傾轉(zhuǎn)軸設(shè)置于固定翼4上、并靠近機身1的機頭，后置螺旋槳總成3通過傾轉(zhuǎn)軸設(shè)置于固定翼4上、并遠離機身1的機頭，位于機身1同側(cè)、前置螺旋槳總成2以及后置螺旋槳總成3通過連桿連接并形成有一套動力總成，前置螺旋槳總成2與連桿連接，后置螺旋槳總成3與連桿連接。前置螺旋槳總成2以及后置螺旋槳總成3通過傾轉(zhuǎn)軸可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在固定翼4上。

基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計，在本發(fā)明中，動力總成設(shè)置有兩套，兩套動力總成分設(shè)于機身1的兩側(cè)；在分設(shè)于機身1兩側(cè)的動力總成中，兩個連桿通過聯(lián)動軸實現(xiàn)聯(lián)動連接，舵機系統(tǒng)包括有內(nèi)置有控制程序的控制器、陀螺儀以及舵機無刷電機，舵機無刷電機與聯(lián)動軸動力連接，陀螺儀用于對機身1的傾斜角度進行實時監(jiān)測、并生成監(jiān)測信號，陀螺儀與控制器信號連接，控制器與舵機無刷電機以及動力總成信號連接，控制器根據(jù)將監(jiān)測信號控制舵機無刷電機/或動力總成運行。

當飛機進行傾轉(zhuǎn)時，機身1前后設(shè)置的兩個螺旋槳中，后置螺旋槳產(chǎn)生大于前置螺旋槳的拉力，連桿中心處產(chǎn)生一個逆時針的扭矩(從飛機左側(cè)看)，使得兩套螺旋槳開始繞連桿中心進行逆時針轉(zhuǎn)動(從飛機左側(cè)看)，并通過調(diào)整前后螺旋槳的拉力差來改變轉(zhuǎn)動速率和轉(zhuǎn)動方向。

在螺旋槳轉(zhuǎn)動的同時，放置在機身1的傳感器會感知到機身1與機翼的姿態(tài)變化并傳至舵機系統(tǒng)，舵機系統(tǒng)根據(jù)其內(nèi)置的控制程序調(diào)整飛機姿態(tài)，達到機身1與機翼的正常水平飛行。

在本發(fā)明中，無人機的傳動結(jié)構(gòu)具體如下：采用電池作為動力，電池放于機身1中部，前置螺旋槳總成2以及后置螺旋槳總成3結(jié)構(gòu)相同，均設(shè)置有電調(diào)以及無刷電機，電調(diào)與無刷電機設(shè)置于螺旋槳下部(即傾轉(zhuǎn)軸的端部)，螺旋槳與無刷電機固連，無刷電機轉(zhuǎn)動帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。在無人機起降狀態(tài)下，后置螺旋槳總成3的電調(diào)收到相同信號，改變后置螺旋槳總成3的無刷電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速變大(或變小)，拉力變大(或變小)；前置螺旋槳總成2的電調(diào)收到相同信號，改變前置螺旋槳總成2無刷電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速變大(或變小)，拉力變大(或變小)。在前置以及后置螺旋槳總成3中的螺旋槳產(chǎn)生的拉力不同，從而產(chǎn)生拉力差。

具體地，本發(fā)明還提供了連接四通5，連接四通5包括有第一軸孔通道6以及與第一軸孔通道6垂直并相通的第二軸孔通道7，聯(lián)動軸穿過第一軸孔通道6設(shè)置，連桿穿過第二軸孔通道7設(shè)置，于第一軸孔通道6的兩端、并位于連接四通5的外側(cè)設(shè)置有軸承，連接四通5通過軸承可轉(zhuǎn)動地設(shè)置于機身1內(nèi)。

無人機上兩個連桿之間由一根聯(lián)動軸(空心軸)固連，達到兩者轉(zhuǎn)動角度相同的目的。聯(lián)動軸貫穿機翼，在與連桿相交處用四通與連桿連接。于機身1內(nèi)部，聯(lián)動軸與舵機搖臂通過皮帶、齒輪或拉桿相連。舵機固定于機身1內(nèi)，當傾轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，機身1沿空心軸不穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，從而使得飛機的迎角產(chǎn)生不穩(wěn)定變化，影響飛行。舵機可以依據(jù)機身1傳感器傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)動舵機搖臂，彌補傾轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的過大轉(zhuǎn)動。

在本發(fā)明中，連接四通5可以采用輕質(zhì)合金一體成型，也可以采用硬質(zhì)塑料，例如pmi泡沫或者pvc泡沫制成。

為了進一步提高無人機飛行的穩(wěn)定性，舵機系統(tǒng)設(shè)置于機身1的重心位置上。并且，蓄電池也設(shè)置在機身1的重心位置上。

舵機無刷電機包括有搖臂，舵機無刷電機(搖臂)通過皮帶傳動系統(tǒng)、齒輪傳動系統(tǒng)或者拉桿傳動系統(tǒng)與聯(lián)動軸動力連接。

在此限定：聯(lián)動軸為金屬質(zhì)聯(lián)動軸或者硬質(zhì)塑料聯(lián)動軸；聯(lián)動軸為空心軸。

在本發(fā)明中，連桿包括有兩個結(jié)構(gòu)相同的連桿單元，兩個連桿單元分別插設(shè)于第二軸孔通道7的兩端、并與連接四通5固定連接。

本發(fā)明采用轉(zhuǎn)軸兩端螺旋槳總成提供動力差異的方式，使轉(zhuǎn)軸整體產(chǎn)生一個主動傾轉(zhuǎn)力，同時通過傳感器感知系統(tǒng)與水平面的角度，驅(qū)動伺服器彌補角度，達到系統(tǒng)始終水平的目的。

通過上述結(jié)構(gòu)設(shè)計，在本發(fā)明提供的傾轉(zhuǎn)旋翼式垂直起降無人機中，其通過對后置螺旋槳總成3以及前置螺旋槳總成2進行分別控制，其能夠通過后置螺旋槳總成3產(chǎn)生一個主動傾轉(zhuǎn)作用力，通過該主動傾轉(zhuǎn)作用力使得動力總成主動傾轉(zhuǎn)，這樣本發(fā)明不僅具有垂直升降的功能，同時還兼具了固定翼4飛機的高續(xù)航能力、高操控精準性的優(yōu)點。最重要的是：本發(fā)明動力總成的傾轉(zhuǎn)為主動式傾轉(zhuǎn)，能夠極大程度地提高無人機飛行的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的實施例是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發(fā)明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，并且使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明從而設(shè)計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。