一种机翼可折叠的垂直起降无人机及其控制方法

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种机翼可折叠的垂直起降无人机及其控制方法。

背景技术：

单机翼无人机满足多旋翼无人机的垂直起降、空中悬停特点，同时由于其在空中高速自旋转，具有静稳定和动稳定特性，并且相比多旋翼无人机具有较高的气动效率。

然而，受限于其自身结构特点，不足以支撑其进行高空速、远距离、长航时飞行，传统倾转旋翼无人机虽然可实现垂直起降与高速巡航，但其结构复杂，成本较高，而且倾转过程中会有航向难以控制的缺陷，因此，发明一种结构简单可结合旋翼优点与固定翼优势的无人机是亟待解决的重要问题。

同时，无人机的飞行状态与其控制方式紧密相关，良好的控制方式可以减轻飞行过程中无人机的结构损伤，并能充分利用无人机的气动效率。最重要的是，完善的控制方法可以使无人机具备故障保护能力，极大降低人员伤亡的概率。因此，发明一套安全可靠的控制方法是极具必要性的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种机翼可折叠的垂直起降无人机及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种机翼可折叠的垂直起降无人机，包括机身、第一至第二机翼、折叠机构、第一至第二动力单元、以及机身起落架；

所述机身为圆盘状，用于承载无人机的控制系统；

所述第一机翼、第二机翼结构相同，均包含翼身、第一机翼起落架和第二机翼起落架；

所述翼身包含第一侧壁、前缘、第二侧壁、后缘、上端面和下端面，其中，所述第一侧壁、前缘、第二侧壁和后缘依次首尾相连，形成直角梯形轮廓，第一侧壁长度大于第二侧壁，后缘两端分别和第一侧壁、第二侧壁垂直；所述上端面为弧面，下端面为平面；所述后缘上设有舵面；所述上端面上设有第一凹槽；所述第一侧壁上设有贯穿上端面、下端面的半圆形的第二凹槽；所述第一侧壁、下端面交接处设有第三凹槽；

所述第一机翼起落架、第二机翼起落架均设置在第一凹槽中，均包含支撑柱、伸缩杆和滑轮，其中，所述支撑柱一端和第一凹槽底面铰接，另一端和所述滑轮相连；所述伸缩杆一端和第一凹槽底面铰接，另一端和所述支撑柱铰接，用于在伸长时将驱动支撑柱垂直于第一凹槽底面使得将滑轮伸出翼身、在缩短时将支撑柱和滑轮收回至第一凹槽内；所述滑轮的转轴垂直于翼身的第一侧壁；

所述折叠机构包含铰链、主动齿轮、从动齿轮和机翼折叠舵机；所述第一机翼、第二机翼通过铰链铰接，使得第二机翼能够相对第一机翼折叠，将第二机翼翼身的第一侧壁和第一机翼翼身的第一侧壁贴合或者将第二机翼翼身的下端面和第一机翼翼身的下端面贴合；所述主动齿轮、机翼折叠舵机均设置在第一机翼翼身的第三凹槽中，其中，主动齿轮的转轴平行于第一机翼翼身的第一侧壁且和机翼折叠舵机的输出轴同轴固连；所述从动齿轮设置在第二机翼翼身的第三凹槽中，其转轴平行于第二机翼翼身的第一侧壁；所述主动齿轮和从动齿轮啮合，机翼折叠舵机用于通过主动齿轮带动从动齿轮转动进而控制第二机翼翼身相对第一机翼翼身的折叠状态；

所述将第二机翼翼身的第一侧壁和第一机翼翼身的第一侧壁贴合时，第一、第二机翼翼身的第二凹槽相配合形成圆形通孔；所述机身设置在该圆形通孔中，机身下端面和第一机翼翼身的下端面平行，机身的侧壁和第一机翼翼身第二凹槽的侧壁固连；

所述第一动力单元、第二动力单元结构相同，均包含壳体、电机和螺旋桨，其中，所述壳体为两端开口的空心圆柱头；所述电机、螺旋桨均设置在所述壳体内，电机的输出轴和螺旋桨的转轴同轴固连，且螺旋桨的转轴和所述壳体同轴；

所述第一动力单元、第二动力单元的壳体分别固定在第一机翼、第二机翼的第二侧壁上，轴线均平行于第一机翼的第一侧壁；

所述机身起落架包含连接柱和万向轮，所述连接柱一端和所述机身下端面的中心垂直固连，另一端和所述万向轮相连。

本发明还公开了一种该机翼可折叠的垂直起降无人机的垂直起降方法，包含以下步骤：

步骤a.1)，控制机翼折叠舵机工作，使得第二机翼向下折叠，直至第二机翼的第一侧壁与第一机翼的第一侧壁位于同一平面，此时第二机翼的下端面与第一机翼的下端面紧紧贴合，无人机处于折叠状态；

步骤a.2)，控制第一机翼的第一机翼起落架、第二机翼起落架收缩至第一机翼翼身的第一凹槽中，同时控制第二机翼的第一凹槽第一机翼起落架、第二机翼起落架伸出第二机翼翼身的第一凹槽外；

步骤a.3)，控制第一、第二动力单元的电机转动，带动其螺旋桨转动，产生拉力使得无人机绕其重心位置转动；

步骤a.4)，如果需要控制无人机垂直起飞：

旋转过程中，控制第一机翼翼身的舵面与第二机翼翼身的舵面同步向上偏转，使得第一、第二机翼产生抬头力矩，从而增大迎角，增大飞行升力，同时控制第一、第二动力单元的电机增加转速，直至升力变大实现垂直起飞；

步骤a.5)，如果需要控制无人机垂直降落：

控制第一、第二动力单元的电机减少转速，以减小升力，从而实现垂直降落。

本发明还公开了一种该机翼可折叠的垂直起降无人机在折叠状态下的飞行方法，包含以下步骤：

如果需要向前飞行：

步骤b.1.1)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到左侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下达到最大；

步骤b.1.2)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到后侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

步骤b.1.3)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到右侧时，第一、机翼翼身的舵面同步向上达到最大；

步骤b.1.4)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到正前方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中。

如果需要向左飞行：

步骤b.2.1)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到后方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下达到最大；

步骤b.2.2)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到右侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

步骤b.2.3)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到前方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向上达到最大；

步骤b.2.4)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到左侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

如果需要向右飞行：

步骤b.3.1)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到后方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向上达到最大；

步骤b.3.2)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到右侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

步骤b.3.3)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到前方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下达到最大；

步骤b.3.4)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到左侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

如果需要向后飞行：

步骤b.4.1)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到左侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向上达到最大；

步骤b.4.2)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到后方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

步骤b.4.3)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到右侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下达到最大；

步骤b.4.4)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到前方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中。

本发明还公开了一种该机翼可折叠的垂直起降无人机在展开状态下的飞行方法，包含以下步骤：

步骤c.1.1)，如果需要飞机平稳前飞同时降低飞行速度：

控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向上偏转，此时飞机产生抬头力矩，无人机逐渐抬头，第一、第二机翼翼身的舵面逐渐回中；飞机抬头后俯仰角增大为正值，第一、第二机翼翼身的迎角增加，升力增大，此时控制第一、第二动力单元的电机降低转速，以补偿增加的升力；

步骤c.1.2)，如果需要使无人机不掉高平稳前飞同时飞行速度增加：

控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下偏转，此时飞机产生低头力矩，无人机逐渐低头，第一、第二机翼翼身的舵面逐渐回中；无人机低头后俯仰角减小为负值，第一、第二机翼翼身的迎角减小，升力减小，此时控制第一、第二动力单元的电机增加转速，以补偿减小的升力；

步骤c.1.3)，如果需要使无人机向第二机翼方向滚转：

控制第一机翼翼身的舵面向下偏转，同步控制第二机翼翼身的舵面向上偏转，无人机逐渐向第二机翼方向滚转，在此过程中，控制第一、第二机翼翼身的舵面逐步回中，以完成滚转动作；

步骤c.1.4)，如果需要使无人机向第一机翼方向滚转：

控制第一机翼翼身的舵面向上偏转，同步控制第二机翼翼身的舵面向下偏转，无人机绕逐渐向第一机翼方向滚转，在此过程中，控制第一、第二机翼翼身的舵面逐步回中，以完成滚转动作。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明公开了一种机翼可折叠的垂直起降无人机及其控制方法，为固定翼无人机垂直起降提供了一种新的思路；在单机翼无人机的控制方面，利用副翼舵面周期变距控制方式，引入航向角的余弦函数，对副翼舵面进行周期性控制，实现机身偏转，从而产生水平方向的分力，使得无人机在水平面上自由运动；最后，阐述了一种从折叠状态过渡到展开状态的控制策略，使得无人机从折叠状态下旋转起飞，满足指定高度和速度条件时，实行从折叠状态到展开状态的转变，从而具有固定翼速度快、航程远等特点。本发明还具有垂直起飞、垂直降落、气动效率高、飞行速度快、任务行程远、结构简单等优点，极大提高了可执行任务的灵活性，具有较高的飞行品质。

附图说明

图1是本发明无人机的固定翼结构示意图；

图2是本发明无人机机翼折叠后的结构示意图；

图3是本发明中无人机折叠状态下飞行控制的示意图；

图4是本发明展开状态下的控制原理示意图；

图5是本发明无人机折叠状态和展开状态相互转换的示意图。

图中，1-第一动力单元，2-机身，3-舵面，4-第一机翼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明的设计灵感来自于自然界枫树种子荚，枫树种子荚可在空中飘浮数公里，其只有一片类似机翼结构的叶子，据此设计出单机翼无人机能够通过旋转实现高空飞行。

如图1、图2所示，本发明公开了一种机翼可折叠的垂直起降无人机，包括机身、第一至第二机翼、折叠机构、第一至第二动力单元、以及机身起落架；

所述机身为圆盘状，用于承载无人机的控制系统；

所述第一机翼、第二机翼结构相同，均包含翼身、第一机翼起落架和第二机翼起落架；

所述翼身包含第一侧壁、前缘、第二侧壁、后缘、上端面和下端面，其中，所述第一侧壁、前缘、第二侧壁和后缘依次首尾相连，形成直角梯形轮廓，第一侧壁长度大于第二侧壁，后缘两端分别和第一侧壁、第二侧壁垂直；所述上端面为弧面，下端面为平面；所述后缘上设有舵面；所述上端面上设有第一凹槽；所述第一侧壁上设有贯穿上端面、下端面的半圆形的第二凹槽；所述第一侧壁、下端面交接处设有第三凹槽；

所述第一机翼起落架、第二机翼起落架均设置在第一凹槽中，均包含支撑柱、伸缩杆和滑轮，其中，所述支撑柱一端和第一凹槽底面铰接，另一端和所述滑轮相连；所述伸缩杆一端和第一凹槽底面铰接，另一端和所述支撑柱铰接，用于在伸长时将驱动支撑柱垂直于第一凹槽底面使得将滑轮伸出翼身、在缩短时将支撑柱和滑轮收回至第一凹槽内；所述滑轮的转轴垂直于翼身的第一侧壁；

所述折叠机构包含铰链、主动齿轮、从动齿轮和机翼折叠舵机；所述第一机翼、第二机翼通过铰链铰接，使得第二机翼能够相对第一机翼折叠，将第二机翼翼身的第一侧壁和第一机翼翼身的第一侧壁贴合或者将第二机翼翼身的下端面和第一机翼翼身的下端面贴合；所述主动齿轮、机翼折叠舵机均设置在第一机翼翼身的第三凹槽中，其中，主动齿轮的转轴平行于第一机翼翼身的第一侧壁且和机翼折叠舵机的输出轴同轴固连；所述从动齿轮设置在第二机翼翼身的第三凹槽中，其转轴平行于第二机翼翼身的第一侧壁；所述主动齿轮和从动齿轮啮合，机翼折叠舵机用于通过主动齿轮带动从动齿轮转动进而控制第二机翼翼身相对第一机翼翼身的折叠状态；

所述将第二机翼翼身的第一侧壁和第一机翼翼身的第一侧壁贴合时，第一、第二机翼翼身的第二凹槽相配合形成圆形通孔；所述机身设置在该圆形通孔中，机身下端面和第一机翼翼身的下端面平行，机身的侧壁和第一机翼翼身第二凹槽的侧壁固连；

所述第一动力单元、第二动力单元结构相同，均包含壳体、电机和螺旋桨，其中，所述壳体为两端开口的空心圆柱头；所述电机、螺旋桨均设置在所述壳体内，电机的输出轴和螺旋桨的转轴同轴固连，且螺旋桨的转轴和所述壳体同轴；

所述第一动力单元、第二动力单元的壳体分别固定在第一机翼、第二机翼的第二侧壁上，轴线均平行于第一机翼的第一侧壁；

所述机身起落架包含连接柱和万向轮，所述连接柱一端和所述机身下端面的中心垂直固连，另一端和所述万向轮相连。

本发明还公开了一种该机翼可折叠的垂直起降无人机的垂直起降方法，包含以下步骤：

步骤a.1)，控制机翼折叠舵机工作，使得第二机翼向下折叠，直至第二机翼的第一侧壁与第一机翼的第一侧壁位于同一平面，此时第二机翼的下端面与第一机翼的下端面紧紧贴合，无人机处于折叠状态；

步骤a.2)，控制第一机翼的第一机翼起落架、第二机翼起落架收缩至第一机翼翼身的第一凹槽中，同时控制第二机翼的第一凹槽第一机翼起落架、第二机翼起落架伸出第二机翼翼身的第一凹槽外；

步骤a.3)，控制第一、第二动力单元的电机转动，带动其螺旋桨转动，产生拉力使得无人机绕其重心位置转动；

步骤a.4)，如果需要控制无人机垂直起飞：

旋转过程中，控制第一机翼翼身的舵面与第二机翼翼身的舵面同步向上偏转，使得第一、第二机翼产生抬头力矩，从而增大迎角，增大飞行升力，同时控制第一、第二动力单元的电机增加转速，直至升力变大实现垂直起飞；

步骤a.5)，如果需要控制无人机垂直降落：

控制第一、第二动力单元的电机减少转速，以减小升力，从而实现垂直降落。

考虑水平面内前后左右四个方向，飞机重心处于第一、第二机翼翼身与机身连接处，飞机绕着该重心旋转。正常起飞前飞机机身与第一、第二机翼翼身连接，第一、第二机翼翼身在右侧，机身在左侧，飞机第一、第二机翼翼身前缘正对前方；逆时针旋转九十度之后，机身在后面，第一、第二机翼翼身在前面，第一、第二机翼翼身前缘正对左方；再转九十度，机身在右侧，第一、第二机翼翼身在左侧，第一、第二机翼翼身前缘正对着后方；再转九十度，机身在上面，第一、第二机翼翼身在下方，第一、第二机翼翼身前缘正对着右方；再转九十度，飞机回到初始状态。

本发明还公开了一种该机翼可折叠的垂直起降无人机在折叠状态下的飞行方法，包含以下步骤：

如图3所示，如果需要向前飞行：

步骤b.1.1)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到左侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下达到最大；

步骤b.1.2)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到后侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

步骤b.1.3)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到右侧时，第一、机翼翼身的舵面同步向上达到最大；

步骤b.1.4)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到正前方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中。

如果需要向左飞行：

步骤b.2.1)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到后方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下达到最大；

步骤b.2.2)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到右侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

步骤b.2.3)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到前方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向上达到最大；

步骤b.2.4)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到左侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

如果需要向右飞行：

步骤b.3.1)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到后方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向上达到最大；

步骤b.3.2)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到右侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

步骤b.3.3)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到前方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下达到最大；

步骤b.3.4)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到左侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

如果需要向后飞行：

步骤b.4.1)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到左侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向上达到最大；

步骤b.4.2)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到后方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中；

步骤b.4.3)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到右侧时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下达到最大；

步骤b.4.4)，当第一、第二机翼的翼身相对机身旋转到前方时，控制第一、第二机翼翼身的舵面同步回中。

无人机以展开状态向前巡航时，由于所述无人机不含常规固定翼无人机的平尾与垂尾，故飞行方式采用副翼升降舵平动与方向舵差动混合控制，副翼升降舵与方向舵共用同一舵面，本发明还公开了一种该机翼可折叠的垂直起降无人机在展开状态下的飞行方法，包含以下步骤：

步骤c.1.1)，如果需要飞机平稳前飞同时降低飞行速度：

控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向上偏转，此时飞机产生抬头力矩，无人机逐渐抬头，第一、第二机翼翼身的舵面逐渐回中；飞机抬头后俯仰角增大为正值，第一、第二机翼翼身的迎角增加，升力增大，此时控制第一、第二动力单元的电机降低转速，以补偿增加的升力；

步骤c.1.2)，如果需要使无人机不掉高平稳前飞同时飞行速度增加：

控制第一、第二机翼翼身的舵面同步向下偏转，此时飞机产生低头力矩，无人机逐渐低头，第一、第二机翼翼身的舵面逐渐回中；无人机低头后俯仰角减小为负值，第一、第二机翼翼身的迎角减小，升力减小，此时控制第一、第二动力单元的电机增加转速，以补偿减小的升力；

步骤c.1.3)，如果需要使无人机向第二机翼方向滚转：

控制第一机翼翼身的舵面向下偏转，同步控制第二机翼翼身的舵面向上偏转，无人机逐渐向第二机翼方向滚转，在此过程中，控制第一、第二机翼翼身的舵面逐步回中，以完成滚转动作；

步骤c.1.4)，如果需要使无人机向第一机翼方向滚转：

控制第一机翼翼身的舵面向上偏转，同步控制第二机翼翼身的舵面向下偏转，无人机绕逐渐向第一机翼方向滚转，在此过程中，控制第一、第二机翼翼身的舵面逐步回中，以完成滚转动作。

本发明中无人机折叠状态时的控制律如下：

整个逆时针旋转周期内舵面的控制采用航向角的余弦函数来控制，控制律：

其中为航向角；φ与ψ为控制输入信号，分别控制前后方向和左右方向，其都由飞行控制器根据飞行状态生成；k为比例系数，控制舵面偏转量的大小。

其高度主要影响因素为第一、第二动力单元电机的转速，高度控制律：

其中δn为第一、第二动力单元电机的转速控制信号pid输出，eh为期望高度hq与实际高度h的差即eh＝hq-h,khp、khi、khd分别是比例、积分、微分参数。

如图4所示，本发明中无人机展开状态时的控制律如下：

为便于工程实现，采用传统pid控制方式，其中纵向通道控制律与横向通道控制律均采用传统比例、积分、微分环节。

其纵向通道控制律：

δe＝kzp(δθg-δθ)+kzi∫(δθg-δθ)dt+kzdδq

上式中，δe为升降舵输出控制量，控制无人机高度与俯仰；kzp为高度环比例环节系数，kzi为高度环积分环节系数，kzd为高度环微分环节系数；δθg、δθ分别表示期望控制信号与实际控制信号量；δq为控制信号变化速率。

其横向通道控制律：

δa＝khp(δφg-δφ)+khi∫(δφg-δφ)dt+khdδp

其中，δa为方向舵输出控制量，δa控制无人机滚转与航向；φg、φ为期望控制信号与实际信号之差；khp、khi、khd分别为比例、积分、微分环节系数；δp为控制信号速率变化。

展开状态的总体控制方式纵向通道与横向通道混合差动控制方法，第一机翼舵面控制律为：

δδleft＝δδe+δδa

第二机翼舵面控制律：

δδright＝δδe-δδa

飞机在执行任务过程中，需要随时从折叠状态和展开状态之间切换，从折叠状态向展开状态转换或从展开状态向折叠状态转换均存在过渡模态，如图5所示。

该飞行器折叠状态与展开状态差别较大，从折叠状态过渡到展开状态和从展开状态过渡到折叠状态判断要素为飞行速度与高度，满足适当高度与速度后，可进行相应地切换。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。