無人駕駛飛行器的製作方法

2023-08-04 00:31:11

本發明涉及無人機和無線電/遠程遙控飛行器領域。

背景技術：

無人機有許多私人和商業應用作為空中傳感器平臺（即，視頻採集）、遞送系統、環境感測和通信中繼。它們也可以用於與國防相關的各種用途，譬如ISR（情報監控偵察）、作為武器平臺、和作為電子戰平臺。它們按尺寸可以分為微型、小型、戰術（中）、或戰略（大），並且基於其氣動升力產生的方法可以被進一步分類為：固定翼、旋轉翼、混合翼、或撲翼。根據美國-中國經濟安全與審查委員會的報告，現有的中國無人機缺乏微、小、混合能力、撲翼類，更缺乏各種非常需要的私人和商業應用機型和政府職能部門應用機型如：搜索和救援、邊境安全、執法與環境監測。

混合型無人機結合固定翼和旋轉翼無人機的優勢，使他們能夠成功地執行固定翼和旋轉翼單獨都不能完成的任務。最有前途的混合型無人機是垂直起飛和著陸（VTOL）固定翼無人機。這種無人機能夠像一個傳統的固定翼飛機一樣快速、高效地飛向遙遠的位置，然後過渡到低空慢飛、懸停等，目的達到後無人機能夠再次快速、高效地飛回使用者。本質上，該無人機執行任務時象一個旋轉翼機型，但從起始位置到達目的地則象一個固定翼機型，大大改善了飛行範圍、耐力、和最高速度。本發明混合翼無人機的小型/微型版本可以放入背包，攜帶傳感器穿過街道鑽進樓房並返回，或沿小路穿過幾公裡以外嶙峋的山地環境。

現有混合無人機使用許多不同的設計和配置。本配置是一個尾坐式垂直起落飛機，是罕見的機型。這是國內市場的不幸，因為這種機型在許多許多方面優於其它機型。本設計的機型，與中國的VD-200有重要的本質不同。首先，VD-200的兩個反向旋轉螺旋槳和馬達均遠離飛機的中心線，增加了不必要的複雜性。如果一臺馬達出現故障，飛機就會崩潰。不過，兩個遠距分離的馬達和螺旋槳有助於提高滾慣性滾動穩定性。其組件按傳統的方式位於中央機身狀的隔室之內，是一種混合翼身設計。本發明使用位於飛機中心線的兩個同軸螺旋槳，允許當一個螺旋槳失效後飛機仍能夠安全飛行。本設計的另一個優點是能抵消螺旋槳產生的滑流，避免了因滑流撞擊垂直穩定器而產生的偏航，從而避免了偏轉方向舵補償而帶來的額外空氣阻力。本發明的其他各組成部分以遠離車輛中心線分布，以實現恰如其分的滾動慣性和穩定性。其他使本發明獨特的重要點和新穎之處在於：在VD-200具有兩個分開的滑流和兩組垂直穩定的偏航穩定性（而不是一個），它可以使用差分推進力控制偏航，而本發明設計採用了偏航控制單舵。另外，VD-200具有分別控制俯仰和滾轉的副翼和升降翼。本發明則以升降副翼取代了傳統分離的副翼和升降翼，從而能同時控制側傾和俯仰。設計上VD-200體積大，造價昂貴，只能在軍事領域應用。本發明的設計可以由個人使用（即探險家，愛好者，背包客/開拓者），商業利益（拍攝，攝影等），以及較小的公共部門實體（即地方執法，邊境安全，環境監測等 ），用途靈活廣泛。它是各種不同的用戶能負擔得起的，並且能做得足夠小，能在體積較大的混合動力飛機不能安全飛行的嶙峋山區、市區和室內環境中使用。

技術實現要素：

本發明克服了現有技術的不足，提供了一個相對簡單、經濟、實用、多功能、以及普及於不同客戶和市場的無人駕駛飛機。

為了達到上述目的，本發明採用了以下技術方案：

一種無人駕駛飛行器，其特徵在於，由翹後緣翼型組成的低展弦比的固定式機翼，位於機翼後緣內側附近的一個升降舵或兩個升降副翼，一個或多個位於飛機對稱面上並向機翼上下兩側延伸的垂直穩定器，一個或多個附加於垂直穩定器後面的方向舵，一對位於飛機對稱面上並在機翼上遊的由馬達驅動的同軸反轉螺旋槳，翼根截面弦線的中點在翼尖截面弦線的中點下遊，帶有接收器以及電池。

所述的展弦比為1-3.5。

所述的馬達採用帶有速度控制器的電動馬達。

所述的馬達也可採用內燃機，並配備有燃料箱和點火裝置。

配備有發射機，用於給用戶發送信息。

配備有陀螺儀和/或加速度計。

裝載有基於衛星的跟蹤系統，包括但不限於GPS。

裝載有自動駕駛系統。

包括一個或多個接收器和電池的附件位於機翼內部，而不是都裝在中央機艙室裡。

所述的機翼的結構設計是利用有承載能力的薄型表皮，其材質包括複合材料，並帶有或不帶有內部受力結構或軟核，軟核包括泡沫。

機翼帶有二面角或反角（dihedral）。

機翼從翼根到翼尖逐漸變窄的變化形式不僅包括線性變化，而且包括其他任何形式。

帶有拍照和/或攝影設備。

帶有為安裝攝影攝像設備的轉向節。

帶有葉尖小翼。

裝有防碰撞系統和各種探測傳感器。

帶有液體存儲罐和管道，管道連接存儲罐和將液體排放到周圍環境中的噴嘴。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：本發明結合了固定翼和旋轉翼無人機的優點，使其能夠執行單獨固定翼和旋轉翼無人機均不能完成的任務和技巧。 足夠小而不需汽車或任何重/昂貴的設備來運輸，只需一人即可。 它可以在混亂的城市環境、甚至在室內捕獲並傳輸視頻到地面站。

本發明的複雜實施例具有該尺寸機型的高度複雜的功能，包括：

1)在 「懸停」和「保持高度」模式中使用基於加速度計的穩定系統，使得本發明能夠「盯」住物體，而獲得穩定的高品質視頻。

2)使用GPS坐標，按照規定的路線智能飛行。

3)控制信號受幹擾時能按照包含GPS信號的程序返航。

4)可擴展性 - 一個用戶可以部署多個單元，每個飛行不同的路線，而在

一個小地面站接收來自各單位的同步實況轉播。

5)熱視距探測。

6)現場位置、航向、飛行高度、速度和加速度數據傳輸。

7)定製攜帶各種不同的傳感器，包括：化學、熱學和聽覺傳感器。

8)能夠攜帶較小的有效負載到指定位置。

9)帶有防碰撞系統。

本發明具有安全、強壯、低成本、相對容易使用的、維護簡單、和抗衝擊的特點。

附圖說明

圖1是本發明的一個簡單實施例的透視圖。

附圖標記說明：1-機翼; 2-翼型; 3升降副翼; 4-垂直穩定器; 5-方向舵; 6-螺旋槳; 7-翼根截面弦線的中點；8-翼尖截面弦線的中點；9-馬達; 10-接收器;11-電池。

具體實施方式 簡單的實施方案：本發明的最簡單的實施例如圖1，具體構造包括：由翹後緣翼型2組成的低展弦比的固定式機翼1，位於機翼1後緣內側附近的一個升降舵或兩個升降副翼3，一個或多個位於飛機對稱面上並向機翼1上下兩側延伸的垂直穩定器4，一個或多個附加於垂直穩定器4後面的方向舵5，一對位於飛機對稱面上並在機翼1上遊的由馬達9驅動的同軸反轉螺旋槳6，翼根截面弦線的中點7在翼尖截面弦線的中點8下遊，帶有接收器10以及電池11。該實施例不包括任何複雜的功能，它沒有傳感器、數據存儲和數據傳輸能力，主要用於航空模型愛好者的有趣而獨特的模型飛機。它可能會帶有葉尖小翼，也可能不帶。

本發明還可帶有液體存儲罐、管道和噴嘴，管道連接存儲罐和將液體排放到周圍環境中的噴嘴，噴嘴沿著管道間隔設置在機翼1的下面（未圖示），一般在儲罐與噴嘴之間裝有液壓泵。所述的存儲罐、液壓泵和管道位於機翼內部，以保持機翼的流線型和空氣動力效率。管道位於機翼的後緣附近以提高農藥施用效果。機翼的低展弦比導致了更強的翼尖渦流，強大的空氣渦流極大提高了農藥的充分分散。為了在飛行期間保持機身的俯仰穩定性，存儲罐被設計在飛機的質量中心上，這樣存儲罐內液體體積的明顯變化不會導致飛機質量中心位置的明顯變化，這對於保持恰當的相對位置的質量中心和飛機的空氣動力學中心非常重要。因為機翼的性能對其上表面的障礙物和缺陷最敏感，其中不利的壓力梯度可能導致流分離，所以噴嘴通過機翼下表面的小孔指向下方。為了把下表面的流動障礙和可能產生的湍流最小化，噴嘴埠與下表面齊平。存儲罐用於注入液體（如農藥），使用時將存儲罐內的液體經過管道從噴嘴噴灑出去，主要用於農林業生產中。

機身包括具有複合材料外皮和柔軟低密度的內核。各部件按嵌入式份分布於整個機身，使側翻慣性最大化，同時保持質量中心在機身對稱面上，並且位於距機翼1前緣約25％根弦長的位置。機翼1帶有一定的二面角或反角(dihedral）以改善側傾穩定性。有兩個嵌入式伺服馬達（未圖示）驅動升降副翼3，還有一個嵌入式伺服馬達（未圖示）驅動方向舵。同軸反轉螺旋槳6產生的滑流幾乎不帶漩渦。這股非常強勁的滑流經過升降副翼3和方向舵5，即使在非常低的飛行速度和懸停時，或幾乎沒有風速時，也能對機身產生有效的控制力，保障了飛行的安全和複雜動作等功能。升降副翼3的對稱偏轉角產生一個非零俯仰力矩，而升降副翼3的差動偏轉角產生一個非零滾轉力矩。機翼1的翼型較厚，使得機翼1中可以嵌入各種部件；翼型2的反翹性增加了俯仰動作的穩定性（通用於所有機翼設計）。特定情況下機翼1也可以使用薄翼型。雙反轉電動機組件（即馬達9，帶有電子速度控制器）被用來驅動螺旋槳6。其中的電子速度控制器用於限制馬達9油門以控制其產生的推力。電池11用於向螺旋槳馬達9和各伺服馬達供電。

本發明為把翼尖渦流相關的能量損失降到最低，其機翼1的平面形狀是從翼根到翼尖線性過渡的近似Zimmerman（齊默爾曼）平面的獨特設計。該設計對低展弦比機翼特別重要。翼尖截面弦線的中點位於翼根截面弦線的中點的上遊，不僅能增加機翼內部的貯藏空間、減小翼尖渦對機翼的衝擊，更能增強俯仰力矩對陣風的抵抗力。翼型2的選擇確保隨著方向和控制輸入的變化，其空氣動力性能是逐漸變化的（即「軟」失速），並且確保空氣動力效率最大化的同時實現可接受的高升力係數。機翼1的大部分被浸沒在推進滑流中，因此機翼1的空氣動力學性能（最大升力係數，失速攻角等）強烈依賴於螺旋槳6的推進比和許多其他因素（攻角，雷諾數，無量綱俯仰率等）。 為了得到如此空氣動力學複雜的飛機的穩健控制算法，大量的空氣動力學實驗是必要的。

本發明是一種將旋轉翼和固定翼飛機優勢結合的機型，能夠執行各種傳統固定或旋轉翼機型都無法執行的高技巧複雜任務。例如，它可以垂直起降，包括從手中起飛（懸停能力）和從空中抓取（懸停時）。這使得它可以在幾乎任何地方使用。此外，當轉換到其水平飛行姿勢後，它也可以快速有效地飛行，這大大超出了與其類似大小和重量的傳統旋轉翼機型的續航能力。到達目的地後，它可以轉換到低空慢飛姿勢，在空中精確上下左右移動，加上其小巧的尺寸，使得它在城市環境中迂迴，繞過建築物和障礙物，甚至在室內都適合飛行。其高穩定性的懸停模式使其便於採集高清晰度、近距離的圖像和視頻。

複雜的實施方案：

複雜的實施例包括部分或所有前述的複雜的功能和相關部件。額外增加的傳感器和其他組件被添加後，本發明的續航力、耐力和最大有效載荷通常會減少（保持原有尺寸恆定），而本發明的成本會增加。

實驗結果

本發明的實驗模型已經創建、測試和迭代式細化。

聲明：

所有上述實施例和討論僅僅是為了說明本發明的技術概念和特徵，以使本領域的普通技術人員能夠理解和實施本發明，而不是限制本發明的範圍的目的。按照本發明所作的等效物的任何變化或修改應屬於本發明的範圍之內。