一种适用于后机身变体垂直起降无人机的模态转换飞行策略的制作方法

1.本发明属于飞行器设计领域，涉及一种飞行策略，具体来说是一种适用于后机身变体垂直起降无人机进行模态转换飞行的策略。


背景技术：

2.变体式垂直起降无人机采用机体-螺旋桨一体式倾转的模态转换飞行策略，同时变体机构作动，改变无人机构型以适应不同模态下的飞行条件，兼具多旋翼无人机、无人直升机的垂直起降能力和常规固定翼无人机的气动效率高的优点，在军事侦察和民用救灾等领域都具有很高的应用价值。
3.在垂直起降模态下，变体式高效小型垂直起降无人机具有多旋翼式无人机布局构型，本身具有纵向静不稳定特性；在巡航模态下，其布局构型变为正常式布局固定翼无人机，在保证重心处于合适的位置时，可具有较好的纵向静稳定特性。变体式高效小型垂直起降无人机的飞行过程可以分为垂直起降、模态转换和巡航三种飞行模态，实现模态转换的稳定飞行一直是垂直起降无人机的研究热点。变体式垂直起降无人机在进行模态转换过程飞行时，除考虑俯仰角及速度的控制变化还需要考虑变体机构的作动策略，尽可能使转换过程平稳可靠，同时降低变体机构的承受载荷。


技术实现要素：

4.本发明提出一种适用于后机身变体式垂直起降无人机的模态转换飞行策略，对包括姿态变换策略、变体机构作动策略及两者之间的协调关系等进行了详细分析。本发明所述模态转换飞行策略，姿态作动与机构作动不同时发生，降低了飞行控制系统的控制难度，同时也减小了变体机构的作动载荷，降低了变体机构的设计难度，能够满足后机身变体式垂直起降无人机稳定模态转换飞行的需求。
5.本发明设计了一种适用于后机身变体垂直起降无人机的模态转换飞行策略，包括由多旋翼飞行模式向固定翼飞行模式转换的正向转换过程和由固定翼飞行模式向多旋翼飞行模式的逆向转换过程，涉及到无人机机体的姿态控制策略、后机身变体机构的作动策略以及两者之间的协调关系；所设计的正向转换过程包括多旋翼模式飞行并后机身收缩——机体大幅低头并后机身夹角保持——固定翼模式前飞并后机身收缩共计三个阶段，逆向转换过程为正向转换过程的逆过程；后机身变体垂直起降无人机的模态转换过程具有后机身变体动作同姿态转换动作不同时发生的特征，降低了控制复杂度的同时也减小了变体机构的作动载荷；正向转换过程的第三阶段及逆向转换过程的第一阶段，后机身变体动作导致平尾相对机体的前后移动，同时改变了全机焦点以及全机重心位置，且变化方向一致，变化距离相当，保证了固定翼飞行模式纵向稳定性程度的浮动较小。
6.本发明的优点在于：
7.(1)本发明所设计的模态转换飞行策略中，变体机构的作动动作同俯仰角的大幅变化不同时发生，降低了模态转换飞行控制系统的设计难度，提高了模态转换飞行的可靠
性；
8.(2)本发明所设计的模态转换飞行策略中，变体机构的作动动作同俯仰角的大幅变化不同时发生，避免了变体机构承受大幅度的不确定动载荷，降低了变体机构的设计难度，提高了变体机构运行的可靠性；
9.(3)本发明所设计的正向模态转换第三阶段及逆向模态转换第一阶段，平尾相对机体发生前后移动，使得气动焦点和全机重心发生方向相同、距离相当的移动，而纵向稳定裕度基本不变，保证了转换过程的稳定性；
10.(4)本发明所设计的模态转换飞行策略契合后机身变体式垂直起降无人机的构型特点，极大地提高了变体式垂直起降无人机的环境适应和应用作业能力。
附图说明
11.图1为本发明涉及到的多旋翼模式和固定翼模式
12.图2为本发明正向模态转换策略示意图；
13.图3为本发明逆向模态转换策略示意图；
14.图4为本发明正向模态转换后机身夹角以及俯仰角变化曲线；
15.图5为本发明逆向模态转换后机身夹角以及俯仰角变化曲线；
16.图6为本发明正向模态转换第三阶段及逆向模态转换第一阶段重心、焦点变化示意图。
17.图中：
18.1-多旋翼飞行模式
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2-固定翼飞行模式
19.3-多旋翼模式飞行后机身收缩阶段
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4-俯仰角大幅倾转后机身夹角保持阶段
20.5-固定翼前飞后机身收缩阶段
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6-固定翼前飞状态后机身张开阶段
21.7-固定翼前飞状态后机身张开阶段
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8-俯仰角大幅倾转后机身夹角保持阶段
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
23.本发明适用于后机身变体垂直起降无人机的模态转换飞行策略，具体如下：
24.后机身变体式垂直起降无人机的模态转换过程包括由多旋翼飞行模式1向固定翼飞行模式2转换飞行的正向模态转换过程和由固定翼飞行模式2向多旋翼飞行模式1转换飞行的逆向模态转换过程，如图1所示。
25.其中，如图2所示，正向模态转换过程具体可分为三个阶段，多旋翼模式飞行后机身收缩阶段3——俯仰角大幅倾转后机身夹角保持阶段4——固定翼前飞后机身收缩阶段5，各阶段的俯仰角变化以及后机身夹角变化曲线如图3所示，具体如下：
26.a)多旋翼模式飞行后机身收缩阶段3：
27.以多旋翼布局形式进行悬停飞行，俯仰角均保持为0
°
，后机身进行变体动作，两机身夹角由150
°
缓慢收缩至75
°
左右；
28.b)俯仰角大幅倾转后机身夹角保持阶段4：
29.接上一阶段之后，后机身夹角保持75
°
左右不变，无人机整体缓慢大幅倾转至固定翼前飞状态；
30.c)固定翼前飞并后机身收缩阶段5：
31.接上一阶段，保持固定翼前飞姿态，后机身夹角缓慢收缩至0
°
，形成正常式无人机布局，并进行高效巡航飞行。
32.如图4所示，逆向模态转换过程是正向模态转换过程的逆向过程，具体过程同样分为三个阶段：固定翼前飞状态后机身张开阶段6——固定翼前飞状态后机身张开阶段7——俯仰角大幅倾转后机身夹角保持阶段8，各阶段的俯仰角变化以及后机身夹角变化曲线如图5所示，具体如下：
33.a、固定翼前飞状态后机身张开阶段6：
34.无人机以固定翼前飞状态保持飞行，后机身夹角缓慢增加至75
°
左右后保持；
35.b、俯仰角大幅倾转后机身夹角保持阶段7：
36.接上一阶段后，保持后机身夹角为75
°
左右不变，机身俯仰角缓慢大幅增加90
°
进入多旋翼飞行模式，此时无人机飞行高度大幅抬升；
37.c、俯仰角大幅倾转后机身夹角保持阶段8:
38.保持多旋翼悬停飞行，俯仰角不发生较大变化，后机身夹角开始进一步增大直至150
°
左右并垂直降落。
39.由图3和图5可以直观地看出，俯仰角发生大幅度变化的时候，后机身夹角不发生变化，同样，后机身夹角发生变化的时候，俯仰角保持不变，形成了俯仰角变换和变体动作不同时发生的协调关系，有利于降低控制复杂度，减小机构的作动载荷，提升转换飞行的可靠性。
40.在固定翼前飞后机身收缩阶段5中，无人机构型由后机身夹角75
°
构型变化至后机身夹角0
°
构型，如图6虚线部分变化至实线部分，重心位置由m点后移至n点，焦点位置由p点后移至q点，即重心位置和焦点位置发生了方向相同，距离相当的移动，而固定翼模式下纵向静稳定性与重心相对焦点的位置直接相关，因此该过程纵向静稳定性没有发生本质变化，稳定程度浮动较小，降低了控制的难度。