一种组合动力大机动无人机系统设计方法及系统

技术领域

本发明属于无人机技术领域，特别是涉及组合动力大机动无人机系统。

背景技术

目前，航空测绘飞行所用航空器，包括通用航空飞机和无人机。国内的通用航空飞机数量少，使用成本较高，因此大量使用无人机于航空测绘、遥感作业等。现役无人机应用于航空测绘，除了关注数据精度和作业效率外，比较突出的问题在于使用体验的差距较大。一是飞行安全性偏低，二是机场数量和航线应用不方便，三是抗侧风性能低，四是使用成本低于通航飞机但仍然较高。

以上问题的解决途径包括，一是采用组合动力的成熟技术集成创新，解决提高安全性的关切，同时解决依赖机场起降和航线应用不方便，以及抗侧风性能低的不足，二是以无人机必备的地面测控站为基础，采用系列化派生产品的设计方案，有效降低产品和作业成本，从而改变无人机一站通用的传统设计理念。

关于组合动力的航空器，现有技术中公开号为CN110182389A的发明专利公开了一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统，包括太阳能发电装置、内燃机(或燃料电池)发电装置、机载蓄电池组和电能分配装置、安装在机载计算机上的临近空间无人机全自动能量控制子系统；其特点是：所述机载蓄电池组重量等于或略大于太阳能高峰期储存剩余电能所需要的电池重量：当太阳能高峰期发电满足用电时，该发电装置把多余的发电用来给机载蓄电池组充电；还包括以下步骤：飞行中实时计算机载用电设备电能消耗量；飞行中实时提供等于该用电设备即时电能消耗量的发电量：飞行中实时储存等于该用电设备即时电能消耗量的电能。该方案侧重点在于利用太阳能实现能源的分配与控制。

又如，公开号为CN108394560A的发明专利公开了一种固定翼无人机及其起降方法，采用了多发动机的组合动力形式。无人机的起飞方法包括起飞前、起飞时、平飞时等步骤。无人机的降落方法包括滑行降落、失速下降、触地降落等步骤。该方案能够实现起飞重量较大的无人机的手抛起飞，且起飞时的辅助动力既能够辅助起飞，也能够辅助降落；系统简单；提升无人机性能；起降方式适应能力强。但该方案无法适用工业级无人机。

以上方案均有其不足之处，难以解决无人机采用组合动力的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合动力大机动无人机系统设计方法及系统，以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案如下：

本发明的组合动力大机动无人机系统设计方法，其基本理念是采用飞行动力与旋翼动力的组合，对飞行动力作了双发动力系统安全设计，对旋翼动力设计了水平侧力并灵活使用其垂直升力。

该方法设计的组合动力垂直起降大机动固定翼无人机系统由机体结构，组合动力，控制系统，地面系统组成；其中，机体结构包括机身，机翼和尾翼，其中，尾翼设计可选择多种布局。在固定翼无人机的机身或机翼上安装飞行动力。而起降旋翼动力并列安装在无人机机身两侧的尾撑杆上或撑杆上、且在机翼弦线的前后串列分布4组个旋翼及动力电动机，简称旋翼电机，构成起降旋翼动力的旋翼机构。旋翼机构的安装特点是，沿航向前置的旋翼电机安装在尾撑杆结构前端结构内部并能够垂直于尾撑杆的轴线转动，而后置的旋翼电机安装在机翼后缘的尾撑杆结构上的机翼后缘，也能够垂直于尾撑杆的轴线转动，见附图1、2。旋翼电机由安装在机身两侧尾撑杆结构内部或外部的一个共用的或一对各用的驱动舵机电机及传动机构执行转动，可驱动4组个旋翼电机转轴进行垂直于尾撑杆轴线的转动，且设计方案可以限制，旋翼电机的轴线只能从垂直方向朝向背离机身的方向转动约90度，即转动到水平方向。为应对起降旋翼动力的失效，可设计应急降落伞及设备舱且安装在机身上、可设计机翼的易损翼尖、可设计带机轮的起落架，或在起落架支柱上连接滑撬板。这些设备均由控制系统依据控制逻辑来协调控制。也可以人工遥控。

进一步的，组合动力包括飞行动力和旋翼动力：

1)飞行动力用于无人机的飞行，选择双发动力布局。双发动力可在机身轴线的头部和尾部串列安装。也可在机翼上左右并列安装。还可以在机身结构的专用支架上左右并列安装。飞行动力的油机动力可配置启动器和发电机，可选配消声器。

2)旋翼动力既用于无人机垂直起飞或着陆的动力系统，也用于飞行阶段的辅助控制的动力系统，由前述的旋翼电机构成，旋翼电机安装在连接机翼上的尾撑杆或撑杆上，通过连接控制系统而构成旋翼机构。见附图1。旋翼机构的设计方案是，在控制垂直起降或垂直机动飞行的阶段，旋翼电机转轴被控而处于与无人机机体轴线的垂直方向，旋翼动力主要为固定翼无人机产生与机体轴线垂直方向的升力，用于无人机的起降或和改变飞行高度。在航线飞行阶段，可控制固定翼无人机水平机动飞行的阶段，旋翼电机转轴被控处于与无人机机体轴线的水平方向，旋翼动力主要给固定翼无人机产生与机体轴线水平方向的侧力，用于改变无人机的飞行航向，或偏航。旋翼电机的转轴方向可通过控制系统改变为垂直或水平两个方向，特殊用途可以设计转轴处于其它方向。作为设计方法，起降旋翼动力可优选用电动机，或选用燃油机作为动力。

进一步的，控制系统安装在机体结构上，通过多种控制模态管理飞行动力和起降旋翼动力，控制两者的独立运行或组合运行。控制系统通过连接机载数据链与地面系统链接。对飞行动力的控制，主要是对空中停车重新启动的控制，以及对单发状态的多系统协调控制。对起降旋翼动力可进行多种组合控制，本设计将起降旋翼动力的垂直升力和水平侧力应用于固定翼无人机的航姿控制和大机动飞行控制。见附图3-5。此外，通过设计一套动作组合的逻辑控制，可产生几项新颖性能，一是大机动飞行控制。二是改进飞行品质控制。三是安全控制。四是应急控制。五是电源管理。六是对起降及飞行全过程的自动及智能控制。

地面系统用于无线链接机载控制系统，对飞机的飞行进行控制与管理，以及教学培训。地面系统包括地面测控站，由地面测控站派生的地面作业站，地面指挥站，地面中继站，以及地面教练站，其中，所包括的每个站及站之间，可以通过光纤通信网络或5G通信网络连接而构成一种站内生态，即可以通过光纤网或5G网的连接而互联互通，互传指令或信息。也可以将站内的信息通过光纤网或5G网分发到站外，并接收站外指令或信息，构成站外生态。站内和站外的指令或信息，可以包含地面人员对无人机操作发送的遥控指令，无人机飞行下传的遥测信息及下传的一路或多路作业信息，以及无人机飞行所需的公共信息如航行态势及天气信息。地面系统的设计方法可以为地面测控站设计一套基本系统设备，地面测控站的硬件和软件架构可以通用或共享，便于快捷剪裁与增减调整，派生设计作业站、指挥站、中继站、教练站，形成系列产品，提高经济性。

本发明的机体布局可以改装为载人飞机，在机体上相应安装载人及操作的设备，飞行可以不依赖地面系统。构成一种组合动力垂直起降大机动固定翼有人驾驶飞机。

与现有技术相比，本发明的组合动力包含飞行动力和旋翼动力，前者支持飞行所需动力及飞行安全，后者支持大机动飞行。飞行动力采用双发配置，并采用空中停车重启控制，再以旋翼动力或应急降落伞备份，构建安全飞行动力系统，支持城市群航空测绘飞行所需的高安全性要求。旋翼动力作为传统的垂直起飞和着陆的可用动力，传统上采用电池供电，能源有限，限制了无人机的装载性能和续航时间，本发明采取用飞行动力发电为旋翼动力供电，支持其持续用电所需，使其能够在飞行全程使用旋翼动力辅助飞行控制，从而支持水平大机动飞行，还可以辅助飞行高度的急速升高，以及改善大迎角和失速特性。相比较，现役的有油电混合动力的旋翼固定翼无人机，旋翼桨叶朝上也可以产生偏航力矩，但是力矩比较弱，或供电不足；行业关注的高安全性和大机动性能没有给出新的解决方案。采用旋翼动力与固定翼无人机结合的复合翼构型的应用，正处于发展的初期，技术创新的不断出现，逐步提高和发挥这类构型无人机的应用场景和市场。

本发明的技术解决方案，将推动这类无人机构型的智能技术应用和扩大通航作业应用，为用户提供更好的作业效益和应用体验。本发明的技术成果，支持广阔的优势应用场景：支持大于8小时中等航时飞行、适合城市高安全航空测绘获取3D数据、支持大曲率道路的航空测绘作业、支持各类巡线作业、支持应急出动作业飞行、支持对地目标跟踪伴飞、支持无人机飞行竞技、支持无人机飞手的操作培训，适合军民融合应用等。这种构型也可以支持改装为有人驾驶飞机的需求。

附图说明

图1为旋翼机构在固定翼无人机尾撑杆上的安装及水平侧力示意；

图2为旋翼机构在固定翼无人机撑杆上的安装及水平侧力示意；

图3为城市井字街区与飞行转弯示意图(向上的为传统航线，向下的为侧力航线)；

图4为城市井字街区与飞行转弯示意图(向左航线右盘旋后切入向下的侧力航线)；

图5为山区道路航测与大机动航线示意图(实线为传统航线，点画线为侧力航线)。

图中标记分别为：1-前置飞行动力，2-控制系统及机载设备舱，3-前置旋翼机构垂直位置，4-前置旋翼机构水平位置，5-整流罩，6-起落架，7-机身，8-机翼，9-尾撑杆，10-尾翼，11-后置旋翼机构垂直位置，12-撑杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。

如图1-5所示，本发明的无人机系统的组成包括机体结构，组合动力，控制系统，地面系统。其中，组合动力包括飞行动力和起降动力。机体结构及总体布局解决组合动力和控制系统在无人机上的安装。机身7，机翼8和尾翼10都是机体结构的组成。其中，尾翼10可选择T型、V型及尾撑杆9布局。

具体结构如下：

1)在固定翼无人机的机身7或机翼8上安装飞行动力。而旋翼动力并列安装在无人机机身7两侧的尾撑杆9或撑杆12上、且优选在机翼8弦线的前后串列分布的4组旋翼及电动机，简称旋翼电机，构成起降动力的旋翼机构。旋翼机构的安装特点是优先安装在尾撑杆9轴线上以减小气动阻力，前置的旋翼电机安装在尾撑杆9结构航向前端，能够以套管形式方便垂直于尾撑杆9的轴线转动。而后置的旋翼电机的安装，为了不削弱尾撑杆9的工程力学性能，设计方案可将旋翼电机安装在尾撑杆9外侧，即背离机身7的外侧，并通过安装旋翼电机的结构连接在尾撑杆9上，可附加整流罩5减少气动阻力；后置的旋翼电机也可设计为安装在撑杆12结构的后端，见附图1、2。旋翼电机由安装在尾撑杆9内部或外部的共用的或各用的驱动舵机及传动机构执行，可同步或分别驱动机身7两侧的旋翼电机进行垂直于尾撑杆9轴线转动，并可设计由控制系统或限位结构的限制只能朝背离机身7的外侧方向从垂直方向转动约90度，即转到水平方向，且每侧的2组旋翼电机轴线的转动方向相同。

2)为了应对旋翼动力的失效，可设计并安装抛伞传感器和应急降落伞及设备舱、可设计机翼8的易损翼尖、可设计带宽软机轮的起落架6，可在起落架6支柱上安装独立的或与同侧前后起落架6支柱连接的滑撬板，以承受陷入软土的阻力。这些设备的使用均由控制系统依据设计的控制逻辑来协调控制。也可以选择人工遥控。

3)此外，无人机系统的电源系统及充电装置，以及其它系统设备安装在机体结构上，如组合动力的燃料舱或电池舱、任务载荷设备舱、防除冰设备舱。

组合动力包括飞行动力和旋翼动力，具体设置方案如下：

1)飞行动力用于无人机的飞行，可选择单发动力或双发动力。双发动力可在机身7轴线的航向头部和尾部串列安装，形成前拉后推的布局。也可在机翼8上设计左右对称的并列安装，形成前拉或后推的布局。还可以安装在机身7结构的专用支架上左右并列布局。飞行动力的燃油系统或电动能源，安装在机体结构上。飞行动力的燃油动力配置发电机或设计空中启动控制器，可选配消声器，可选适合功能的桨叶。双发串列安装的布局是本发明的优选方案。

2)旋翼动力是主要用于无人机垂直起飞或着陆的动力系统，由前述的旋翼电机构成。旋翼电机安装在机身7两侧连接机翼8上的尾撑杆9或撑杆12上，通过与控制系统的连接构成旋翼机构。见附图1、2。旋翼机构的动作设计方案是，在控制固定翼无人机垂直起降或垂直机动飞行的阶段，旋翼电机转轴被控处于无人机机体轴线的垂直方向，旋翼动力主要为无人机产生机体轴线垂直方向的升力，用于无人机的起降或改变飞行高度，也可用于飞行动力空中停车启动失败的应急情况，以及提供偏航力矩和滚转力矩。在控制无人机水平机动飞行的阶段，旋翼电机的转轴被控处于无人机机体轴线的水平方向，旋翼动力主要给固定翼无人机产生机体轴线水平方向的侧力，用于改变无人机的飞行航向，或偏航，典型的设计方案是，旋翼电机转轴可以通过控制系统在垂直和水平两个位置转动约90度。为减少气动阻力，可选配桨叶停止角位置管理器。旋翼电机的转轴针对特殊用途可以设计转动到其它方向。

归纳起来，旋翼电机轴线所处位置及其提供的控制力，典型情况如下：

(1)处于垂直位置，四组旋翼电机同时启动，提供升力；(2)处于水平位置并且同侧的旋翼电机同时启动，提供侧向力；(3)处于水平位置并且两侧的前后各一个旋翼电机同时启动，提供偏航力；(4)处于其他位置，则提供其它控制力。

3)旋翼动力除了可优选电动机，也可以选择燃油发动机，并为其配置相应的油门，以及发动机所需的附件连接。每组旋翼动力的电动机数量可以1个。附图1示意的旋翼动力为每组1个电动机。选择2个电动机时，2个电动机可在撑杆12上方设计前后串列安装；选择3个时可以在撑杆12上方设计三角形排布安装且1个电动机在前端；并且都可以从机身7上引出安装电动机的撑杆12以替代机翼8上的尾撑杆9或撑杆12。

控制系统设计如下：

控制系统安装在机体结构上，通过多种控制模态管理飞行动力和旋翼动力，控制两者的独立运行或组合运行。控制系统通过连接机载数据链与地面系统链接，接受地面系统对机载系统的控制与管理。对飞行动力的控制，包括正常地面启动，对空中停车重新启动的控制，以及对单发状态的多系统协调控制，也包含燃油释放管理和偏航力矩控制。对旋翼动力进行多种组合模态的控制，设计方案将旋翼动力的垂直升力和水平侧力应用于固定翼无人机的航向或航线控制，航姿控制。在组合动力下，航姿控制包含调整俯仰角、偏航角及滚转角，也可以辅助调整飞行高度和航线侧偏的位置。为此，旋翼机构将动态调整旋翼电机转轴方向，实现无人机大机动飞行控制，特别是水平大机动。此外，设计动作组合的逻辑控制，产生几项新颖性能，一是大机动飞行控制，借助旋翼机构的水平侧力或垂直升力，实施水平偏航控制或俯仰控制或两者的组合控制，获得小半径的水平大机动转弯或盘旋所需的侧力特性，以及矩形航线飞行和陡升爬高或下降。见附图3-5。二是改进飞行品质，借助旋翼机构的多向动力作用，增强保持航姿处在所需控制范围的性能。三是强化动力安全性管控，可以对组合动力的多种组合控制来实现，包括借助飞行动力的双发或单发状态的协调控制、空停重启、应急降落伞、旋翼升力辅助以放宽飞行迎角或失速边界、旋翼水平侧力以抵抗大侧风、着陆阶段的纠偏控制。四是多重应急控制，包括单发超重处置、着陆侧风纠偏、应急滑降控制。五是电源电能管理，包括启发电机检测管理、电池及充电器管理、应急电源管理、核心系统供电保护、任务载荷电源管理，其中，电池及电池组的管理策略可以采用优先保证起飞和着陆阶段用电量的保底策略，其余电量及充电电量用于飞行阶段。六是对起降及飞行的全过程设计操作逻辑以支持智能控制，包括旋翼机构自动实施对飞行品质的辅助控制、强化动力安全控制和故障应对策略的应急控制、自动优化电源管理。

地面系统设计如下：

所述地面系统用于通过数据链而链接机载控制系统，对飞机的飞行进行控制与管理，以及教学培训。地面系统包括地面测控站，由地面测控站派生的地面作业站，地面指挥站，地面中继站，以及地面教练站系列产品，其中，所包括的每个站及站之间，可以通过地面的光纤通信网络或5G通信网络的连接而构成一种站内信息生态，即可以通过光纤网或5G网的连接而互联互通，互传指令或信息。也可以将站内的信息通过光纤网或5G网分发到站外，接收站外指令或信息，构成站外信息生态。站内和站外的指令或信息，可以包含地面人员对无人机操作发送的遥控指令，无人机飞行下传的遥测信息及下传的一路或多路作业信息，作业信息主要是通航作业图像或媒体新闻信息，以及无人机飞行所需的公共信息如航行态势及天气信息。地面系统的系列产品和信息生态设计方法可以为地面测控站设计一套基本系统设备，实现对起降及飞行全过程的自动及智能的控制，地面测控站的硬件和软件架构可以通用或共享，便于快捷剪裁与增减调整，派生设计作业站、指挥站、中继站、教练站，形成系列产品及信息生态应用场景，提高经济性。

1)地面测控站用于测控无人机的起飞降落，布置在机场附近并可以连通光纤网或5G网的位置，可根据在起降场的使用，可选择适合的设备配置，如设计车载测控站，或设计便携测控站，并连接地面网络如5G网设备。地面测控站内控制器的设计与机载控制系统相互协调，分为垂直起降控制、飞行控制、应急控制，以及与航管协同的控制，设计一组模态设置、模态转化、模态控制的开关界面，以便操作控制所需的各种动作指令及其逻辑组合，并由控制器产生控制指令及自动组合且优化控制，支持人工-自动-智能的操控响应，通过测控链路与机载控制系统互联互通。

2)地面作业站用于在作业地点测控无人机的飞行，可以布置在作业地点附近并可以连接光纤网或5G网的位置。设计方案是以地面测控站系统设备为基础，针对作业场景及作业设备的功能划设，增减定制所需作业站设备，可以对无人机组合动力进行管控。

3)地面指挥站用于协调指挥飞行及作业，布置在任何可以连接光纤网或5G网的位置。

4)地面中继站用于接收无人机的遥测数据或下传的作业信息，上传指令或信息，布置在飞行航线经过的沿途地点并连接光纤网或5G网。中继站配置的设备经过剪裁后主要保留数据链，和可加装视频自动跟踪器，其工作可以无人值守。

5)地面教练站可以用于测控无人机的飞行，特别是对组合动力进行模拟控制和培训，布置在任何实施驾驶教学的地点并连接光纤网或5G网。设计方案采用至少1名操作手席位和至少1名教练员席位的布置。

机体布局可以改装为载人飞机，在机体上重心附近相应安装载人设备，如座舱和仪表，以及安装操作设备，可保留控制系统的动作组合的逻辑控制，且进行适应性改装设计，保留部分新颖性能，比如对起降及飞行全过程的自动及智能的控制，飞行控制可以不依赖地面系统。扩展为一种组合动力垂直起降大机动固定翼有人驾驶飞机。

实施例1，城市航空测绘与高安全大机动飞行作业

1)本实施例无人机主要性能指标如下：起飞重量130kg，双发+应急伞布局，电池重量7kg，燃油重量2515kg，任务载荷重量6kg，最大速度150km，巡航速度80-120km，最小速度60km，双发最大航时8h，单发最大航时12h，双发最大航程900km，升限＞5000m，作业高度500-2000m，起降场高度4500m。

2)主要应用：城市群航测，特别是3D高精度测绘。对于大块城区或全城区航测，可以安排井字航线，如东西和南北的往返航测，这类测绘不采用大机动飞行也可以胜任，但是本方案的高安全性是实施城市上空飞行的基础。本方案的特点是高安全性，特点是对组合动力的安全控制，特别是设计完善飞行动力的空停重启的控制，以及旋翼动力的水平侧力控制的应用，可以形成转弯半径较小的侧力航线。其中，旋翼动力的电能会受到飞行高度引起的低气温或低气压的影响，当电能不足需要节能的情况，以及转弯半径较小即偏航角大于45度到60度(根据详细设计结果)的情况，飞机的转弯控制方式可以“二选一”，即对于航线出现小于到60度的偏航角，可选择直接转弯，对于更大的偏航角，可选择反向转弯(或称为反向盘旋)。在对城市部分地段、街道、街区进行的补充航测、临时航测、应急航测等小地块急转弯的作业环境，所需航线的转弯半径比较小，传统航线的作业时间较长，采用本方案的大机动直接转弯或反向转弯的水平侧力航线进行的作业时间较短、效率较高，见附图3、4。

3)本实施例也可以对城市街道、街区的移动目标进行大机动航线的灵活巡查、跟踪。

4)应用说明：对街的区道路航测，需要飞行平台较高的抗侧风性能。借助旋翼电机的动力可以抵抗侧风。详细设计可以让左侧的电机轴线向左侧(外侧)转动从垂直转到水平停止，而右侧的电机轴线可以向右侧(外侧)转动从垂直转到水平停止。电机轴线的侧转可以由控制系统自动或遥控操作。当旋翼电机启动，获得旋翼侧力。左侧的旋翼同时转动，对机体产生向左移动的侧力。相反，可产生向右移动的侧力。而同侧旋翼不同时转动，则对机体产生转弯的偏航力矩。比如左前和右后的旋翼转动，产生向左侧的偏航力矩，形成向左侧转向的侧力航线。相反，可以产生向右侧的偏航力矩，及形成向右侧转向的侧力航线。旋翼电机的轴线转动到水平位置，执行某一侧旋翼同时转动、两侧的前后旋翼交叉转动，或者旋翼电机的轴线转动到垂直位置，起动旋翼电机产生升力，控制系统对旋翼机构的这些控制操作，可以通过控制模态的设计，构建组合动作，然后可以自动或遥控操作。

实施例2，大机动飞行道路航测及扩展作业

本实施例的无人机指标如上实施例1，对组合动力的安全控制参考实施例1。

1)主要应用：城市间道路包含水平曲率较大、坡地高程变化的路段，常规航测的航线会因为飞机转弯半径较大而脱离测绘范围，造成漏测。补飞比较麻烦。再就是进行道路交通状况的巡查及移动目标的跟踪，容易“脱靶”。采用大机动飞行，可以精确跟踪曲率变化，高质量完成测绘、跟踪。

2)扩展应用：可以使用大机动飞行实施航空遥感、地理国情监测中基础测绘、大气污染监测、林区火警监测等。特别是林区的监测，需要飞行平台具备高安全性和大机动性。

3)应用说明：同实施例1。

实施例3，大机动高安全航空巡线作业

本实施例无人机指标如前实施例1，对组合动力的安全控制参考实施例1。

1)主要应用：电力线、光纤、管线等的架线、敷线路径，受道路、山地、河流、城镇等影响，非大机动的常规飞行航线的转弯半径较大，航摄范围容易脱离巡线目标。在陡坡多、高度变化大，特别是崇山峻岭中巡查电力线，采用传统飞机航摄无法执行崇山峻岭中的电力线。采用本方案的大机动无人机，使用旋翼动力的向上辅助动力，可以快速升高或下降，适应一部分电力线高度变化。使用旋翼机构的电机侧力控制，可以实现水平大机动的转弯，更好跟随线路改变。对部分不算太陡的山区地段，可以按高度特征分段执行航测任务，从而扩大执行任务的范围，提高无人机的应用价值。所有巡线飞行都要求飞行平台具备高安全性，避免意外产生的电力线、油管线等附带损失。

2)应用说明：同方案1。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。