一種混合布局旋翼無人機(jī)多模態(tài)飛行轉(zhuǎn)換控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混合布局旋翼無人機(jī)多模態(tài)轉(zhuǎn)換控制方法，涉及無人機(jī)飛行控制
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋翼類飛行器根據(jù)旋翼是否驅(qū)轉(zhuǎn)，可以分為：直升機(jī)和自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)（簡稱為旋翼 機(jī)）。直升機(jī)可實(shí)現(xiàn)垂直起降和低空懸停，并具有優(yōu)越的機(jī)動性能，可實(shí)現(xiàn)懸停、垂直飛行、 倒飛及側(cè)飛等。但直升機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動和噪聲較高、速度上限較低。旋翼機(jī)與直升機(jī) 相比，旋翼機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，空重比低，造價低，而且氣動效率更高，與固定翼飛機(jī)相比，旋翼機(jī) 可以短距起飛著陸，且低速飛行性能好，不易失速。近年來，旋翼機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢及其在商業(yè) 和軍事上的應(yīng)用潛力逐漸受到重視，再次成為航空領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。
[0003] 但旋翼機(jī)存在以下問題：旋翼機(jī)雖然可以通過預(yù)旋，實(shí)現(xiàn)跳飛或超短距起飛，通過 旋翼高效地減速實(shí)現(xiàn)超短距降落，但旋翼機(jī)無法像固定翼飛機(jī)一樣高速飛行，同時也不具 備垂直起降能力和懸停能力。
[0004] 在申請?zhí)枮?01410852017. X的專利文獻(xiàn)中公開了一種復(fù)合式多模態(tài)多用途飛行 器，基于槳尖噴氣技術(shù)，將固定翼、直升機(jī)、旋翼機(jī)三種氣動布局進(jìn)行融合，提出了基于槳尖 噴氣的混合布局旋翼飛行器。起降時，通過槳尖噴氣發(fā)動機(jī)驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼，以直升機(jī)的方式實(shí)現(xiàn) 垂直起降。低速飛行時，主要由自轉(zhuǎn)旋翼提供拉力，高速飛行時，通過調(diào)節(jié)槳盤傾角及旋翼 總距，降低旋翼轉(zhuǎn)速，使旋翼卸載，使用升阻比更大的機(jī)翼承擔(dān)大部分升力，提高整機(jī)的升 阻比，提高飛行速度。所述的復(fù)合式多模態(tài)多用途飛行器也稱混合布局旋翼飛行器，具有以 下特點(diǎn)：（1)采用旋翼/固定翼相結(jié)合的混合式氣動布局，需要根據(jù)總體性能需求進(jìn)行氣動 布局的綜合優(yōu)化設(shè)計；（2)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降、短距起降，懸停和低速飛行；(3)能夠?qū)崿F(xiàn)高 速巡航飛行；（4)具有多種飛行模態(tài)，不同的模態(tài)時飛行器采用不同的氣動構(gòu)型、升力/推 力提供方式和控制方式。
[0005] 無人混合布局旋翼機(jī)是混合布局旋翼飛行器技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)的融合發(fā)展的結(jié) 果，一方面源于無人機(jī)多任務(wù)能力的發(fā)展需求，另一方面也彌補(bǔ)了混合布局旋翼有人機(jī)操 控困難、飛行員訓(xùn)練難度較大的問題。無人混合布局旋翼機(jī)代表了未來無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的 一個重要的趨勢，即通過采用創(chuàng)新的混合布局形式使得無人機(jī)同時具有直升機(jī)的垂直起 降、空中懸停能力及固定翼飛機(jī)的高速巡航能力，以提高其綜合性能和任務(wù)適應(yīng)性，滿足不 同的任務(wù)需求。
[0006] 混合布局旋翼無人機(jī)在拓展飛行包線、增強(qiáng)任務(wù)適應(yīng)性的同時也帶來了很多技術(shù) 難題：首先，由于混合布局旋翼無人機(jī)采用了旋翼-固定翼混合氣動布局，在不同的包線下 可以采用不同的氣動構(gòu)型、不同飛行模態(tài)，需要明確混合布局旋翼無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的飛行 模態(tài)及不同飛行模態(tài)的飛行機(jī)理；其次，需要確定混合布局無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)的模態(tài)轉(zhuǎn)換方式， 以及混合布局旋翼無人機(jī)從一種模態(tài)到另一種模態(tài)的平穩(wěn)、安全、高效的轉(zhuǎn)換方法。最后， 需要明確在實(shí)際任務(wù)中如何使用混合布局旋翼無人機(jī)，充分發(fā)揮其多模態(tài)飛行能力和多任 務(wù)能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對已提出的一種復(fù)合式多模態(tài)多用途飛行器，【申請?zhí)枴?01410852017. X， 給出飛行器多模態(tài)劃分及飛行機(jī)理，并給出所述飛行器模態(tài)劃分、模態(tài)轉(zhuǎn)換方式及模態(tài)轉(zhuǎn) 換方法，以期為同類混合布局旋翼飛行器的模態(tài)轉(zhuǎn)換飛行提供參考。
[0008] 針對現(xiàn)有的復(fù)合式多模態(tài)多用途飛行器，本發(fā)明提供一種混合布局旋翼無人機(jī)多 模態(tài)飛行轉(zhuǎn)換控制方法，所述的多模態(tài)是指自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)、拖曳自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)、槳尖噴 氣驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)、固定翼模態(tài)和機(jī)載預(yù)投放模態(tài)，所述的多模態(tài)飛行轉(zhuǎn)換控制方法包括：
[0009] 起飛/投放階段采用自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)起飛、驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)起飛、拖曳自轉(zhuǎn)旋翼 模態(tài)起飛或載機(jī)空投方式起飛（機(jī)載預(yù)投放模態(tài)）。采用拖曳自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)起飛后，需要脫 離載具，增大飛行范圍時，進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換5,即拖曳自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)轉(zhuǎn)換到自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)。 所述的機(jī)載預(yù)投放模態(tài)可以根據(jù)需要進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換6和模態(tài)轉(zhuǎn)換7,即機(jī)載預(yù)投放模態(tài)轉(zhuǎn) 換到自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)，機(jī)載預(yù)投放模態(tài)轉(zhuǎn)換到固定翼模態(tài)。
[0010] 任務(wù)到達(dá)階段，可以保持拖曳自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)，或使無人機(jī)從自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)轉(zhuǎn) 換至固定翼模態(tài)（模態(tài)轉(zhuǎn)換2)，或從驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)轉(zhuǎn)換至固定翼模態(tài)，或從驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài) 轉(zhuǎn)換至自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)（模態(tài)轉(zhuǎn)換1)。
[0011] 任務(wù)執(zhí)行階段，可以采用拖曳自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)、或固定翼模態(tài)、或從固定翼模態(tài)轉(zhuǎn)換 至自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)（模態(tài)轉(zhuǎn)換3)，或從自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)轉(zhuǎn)換至驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)（模態(tài)轉(zhuǎn) 換4)，或從驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)轉(zhuǎn)換至自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)（模態(tài)轉(zhuǎn)換1)。
[0012] 任務(wù)撤離階段，采用固定翼模態(tài)撤離，或者采用拖曳自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)撤離，需要從驅(qū) 轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)經(jīng)過自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)轉(zhuǎn)換至固定翼模態(tài)（模態(tài)轉(zhuǎn)換1+模態(tài)轉(zhuǎn)換2)。
[0013] 降落/回收階段，采用拖曳自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)、自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)或驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)，需 要從固定翼模態(tài)轉(zhuǎn)換至自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)（模態(tài)轉(zhuǎn)換3)，或者從固定翼模態(tài)轉(zhuǎn)換至驅(qū)轉(zhuǎn)旋 翼模態(tài)（模態(tài)轉(zhuǎn)換3+模態(tài)轉(zhuǎn)換4)。
[0014] 所述模態(tài)轉(zhuǎn)換1的轉(zhuǎn)換方法為：槳尖噴氣驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)通過旋翼總距、周期變距、 俯仰角、滾轉(zhuǎn)角配平，并通過逐漸增大后推螺旋槳的推力來增大前飛速度，進(jìn)入低速前飛狀 態(tài)；在速度增加的過程中固定翼提供部分升力，旋翼轉(zhuǎn)速、總距逐漸降低，當(dāng)速度增大到標(biāo) 稱轉(zhuǎn)換速度v a之后，關(guān)閉槳尖噴氣推進(jìn)系統(tǒng)，固定旋翼總距，旋翼進(jìn)入自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)， 此時仍通過旋翼總距、周期變距、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)配平。
[0015] 所述模態(tài)轉(zhuǎn)換2的轉(zhuǎn)換方法為：保持自由自轉(zhuǎn)旋翼的控制方式不變，增加后推螺 旋槳推力，持續(xù)提高空速，在空速增加的過程中固定翼提供的升力增大，旋翼轉(zhuǎn)速降低，旋 翼拉力被部分卸載，當(dāng)空速達(dá)到標(biāo)稱轉(zhuǎn)換空速V b時，接入轉(zhuǎn)速控制器A，通過總距和縱向周 期變距將自轉(zhuǎn)旋翼穩(wěn)定在較低轉(zhuǎn)速，無人機(jī)進(jìn)入高速的固定翼模態(tài)?？刂品绞接蓺鈩?-旋 翼混合控制，轉(zhuǎn)入純氣動舵面的控制方式。
[0016] 所述模態(tài)轉(zhuǎn)換3的轉(zhuǎn)換方法為：處于固定翼模態(tài)的無人機(jī)，首先要關(guān)閉轉(zhuǎn)速控制 器A，減小推進(jìn)發(fā)動機(jī)推力，同時增加槳盤迎角以增加流入槳盤的氣流。在這個過程中，自 轉(zhuǎn)旋翼在有效地降低空速的同時提供了自身轉(zhuǎn)速，無人機(jī)可以平穩(wěn)地進(jìn)入自由自轉(zhuǎn)旋翼模 態(tài)，控制方式由純氣動舵面控制方式，經(jīng)過氣動-旋翼混合控制方式。
[0017] 所述模態(tài)轉(zhuǎn)換4的轉(zhuǎn)換方法為：處于自由自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)的無人機(jī)，首先打開槳尖 的H20 2催化分解發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)速控制器B，隨著旋翼的轉(zhuǎn)速提高，控制方式由周期變距+方向 舵，轉(zhuǎn)入周期變距+差動推力的控制方式，無人機(jī)進(jìn)入槳尖噴氣驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)。
[0018] 所述模態(tài)轉(zhuǎn)換5的轉(zhuǎn)換方法為：處于拖曳自轉(zhuǎn)旋翼模態(tài)的無人機(jī)，首先要打開后 推發(fā)動機(jī)，釋放無人機(jī)段纜繩，控制方式保持周期變距+方向舵的控制方式不變。
[0019] 所述模態(tài)轉(zhuǎn)換6的轉(zhuǎn)換方法為：轉(zhuǎn)換時載機(jī)釋放無人機(jī)，無人機(jī)解除旋翼的鎖定， 并打開后推螺旋槳，在滑翔的過程中，氣流吹動旋翼進(jìn)入自由自轉(zhuǎn)狀態(tài)，控制方式與自轉(zhuǎn)旋 翼模態(tài)相同。
[0020] 所述模態(tài)轉(zhuǎn)換7的轉(zhuǎn)換方法為：轉(zhuǎn)換時載機(jī)釋放無人機(jī)，無人機(jī)解除旋翼的鎖定， 并打開后推螺旋槳，在滑翔的過程中，氣流吹動旋翼進(jìn)入自轉(zhuǎn)狀態(tài)，打開轉(zhuǎn)速控制器A，控制 旋翼低速旋轉(zhuǎn)，固定翼提供主要升力?？刂品绞脚c固定翼模態(tài)相同。
[0021] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0022] (1)本發(fā)明明確了復(fù)合式多模態(tài)多用途飛行器的飛行模態(tài)，并給出了不同模態(tài)飛 行器的控制機(jī)理；
[0023] (2)本發(fā)明給出了混合布局旋翼無人機(jī)的任務(wù)包