[发明专利]一种无舵面垂直起降微型飞行器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型飞行器，特别是一种不需要通过气动舵面进行操纵，具备垂直起降、平飞、悬停能力的尾坐式微型飞行器。

背景技术

微型飞行器（Micro Aerial Vehicle,MAV）的概念二十世纪90年代首次提出，随后就在世界范围内掀起了延续至今的研究热潮。随着二十多年来技术水平的提高和使用经验的积累，人们对MAV的认识和需求也进入了新的阶段。任务功能多样化成为了MAV的发展趋势，这要求MAV既能够以较快速度巡航飞行，在有限的时间内尽可能扩大搜索区域，又能够在任务区域尽可能降低飞行速度甚至悬停飞行，获得稳定而持续的传感信息。同时，垂直起降能力对于在森林、城市建筑群等特殊环境下使用MAV具有重要的实际意义，是提高MAV实用性的重要方面。

为此，出现了旋翼与固定翼结合的复合布局形式，能够兼顾旋翼飞行器的低速和悬停飞行能力与固定翼飞行器的高效巡航能力，具体包括倾转旋翼布局、倾转机翼布局和尾坐式布局。倾转旋翼布局和倾转机翼布局都使用相对重量和尺寸较大、复杂度较高的倾转机构驱动动力装置（旋翼或喷气发动机）进行90°左右的偏转以完成平飞与悬停状态的转换，不适合严格限制尺寸和重量的微型飞行器使用。尾坐式布局利用螺旋桨产生的拉力平衡飞行器重量实现悬停；利用机翼产生气动升力，由螺旋桨拉力克服气动阻力实现平飞；整个飞行过程中借助气动舵面提供所需操纵力矩，是一种不需要额外倾转机构、适合微型飞行器使用的复合布局形式。

然而，现有的尾坐式垂直起降布局用于微型飞行器时也存在明显的局限。中国专利公开号CN102514712A，公开日2012年6月27日，发明创造的名称为“一种垂直起降飞行器”，该发明公开的垂直起降飞行器通过前方对称安装的两个马达驱动反转的螺旋桨，使用位于螺旋桨滑流区内的升降舵和方向舵进行操纵，能够实现垂直起降和高速巡航。其不足之处在于，舵面尺寸难以同时满足气动效率和操纵性的要求。若舵面尺寸较大，则升降舵作动时对机翼气动外形影响较大，导致飞行器阻力增加，升阻比减小，气动效率降低；若舵面尺寸较小，由于这种布局形式升降舵和方向舵的力臂比常规布局飞行器小，导致飞行器操纵性不足，难以维持悬停状态。另外，电机安装角难以同时满足悬停和平飞两种飞行状态的要求。该发明的飞行器电机安装角固定，为了悬停状态力和力矩的平衡，期望电机安装角接近0°，而为了前飞状态具有较高的推进效率，希望螺旋桨拉力线与飞行方向一致，对应负的电机安装角。

发明内容

为了克服现有技术中依据气动效率和操纵性权衡舵面尺寸的矛盾，以及依据悬停稳定性和平飞效率权衡电机安装角的矛盾，本发明旨在提供一种无需气动舵面，通过简单调整螺旋桨拉力方向和大小实现操纵，更适合实现平飞、悬停和垂直起降的尾坐式微型飞行器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括机翼、可动电机架、转轴、电机、螺旋桨和作动器。所述机翼左右对称，机翼内部的空间容纳机载设备和能源设备；所述转轴安装于机翼内部，位于飞行器重心之前，平行于体轴系Y轴；所述可动电机架、电机、螺旋桨和作动器均为左右对称的一对，所述可动电机架安装于所述转轴上，所述作动器能够左右独立的调整所述可动电机架轴线与机翼弦线的夹角，所述电机安装于所述可动电机架上，左右电机能够独立调整转速，所述螺旋桨安装于所述电机枢轴上。

所述电机的旋转方向与飞行过程中机翼产生翼尖涡的方向相反，亦即从后向前看，右侧电机带动螺旋桨顺时针旋转，左侧电机带动螺旋桨逆时针旋转。这样，巡航飞行状态两支螺旋桨转速相同，转矩相互抵消；同时，螺旋桨滑流的旋转运动能够削弱翼尖涡，减小诱导阻力，增加机翼的等效展弦比，提高气动效率。