一种垂直起降高速无人机及其控制方法

1.本实用新型涉及无人机垂直升降技术领域，具体而言，涉及一种垂直起降高速无人机及其控制方法。


背景技术：

2.无人驾驶机身简称无人机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人机身，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。与有人驾驶机身相比，无人机往往适合更轻松隐蔽的任务，其按应用领域，可分为军用与民用，军用方面的无人机分为侦察机和靶机，民用方面是无人机真正的刚需，另一方面在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，无人机本身的用途在不断的扩宽。
3.近几年来，无人机在防震减灾中发挥着越来越大的作用，而目前关于垂直起飞无人机研究往往采用的螺旋桨动力，动力布局往往采用三角形布局，电机及螺旋桨在外，飞行时候的废阻大，而且螺旋桨动力的无人机飞行速度会有明显的限制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种垂直起降高速无人机及其控制方法，解决现有技术中飞行过程中废阻较大导致飞行速度较慢问题，攻克了五轴垂直起飞技术，同时具备高速奔袭的无人机。
5.本发明的目的通过以下述技术方案来实现，一种圆锥破碎机上机架用的车床加工，工装包括机身，所述机身内设置有一个主电机和四个副电机，所述主电机位于所述机身内部的中心位置，四个所述副电机均位于所述机身内且位于所述主电机的四周，所述主电机驱动五号主涵道涡扇转动，所述副电机驱动副涵道涡扇转动。
6.需要说明的是，提供动力布局为一个主电机和四个副电机配合五号主涵道涡扇转动和副涵道涡扇的无人机，降低无人机在飞行过程中产生的废阻，进一步提高无人机的飞行速度。
7.还包括安装架组，所述安装架组的制作材料为碳纤维，所述安装架组包括两个连接架，两个所述连接架结构相同且平行设置，两个所述连接架的中心转动连接有连接杆，所述连接杆上连接有所述主电机和所述五号主涵道涡扇；两个所述连接架的两端均设置有所述副电机和所述副涵道涡扇。
8.需要说明的是，通过将五号主涵道涡扇和主电机与转动杆之间固定连接，在通过连接杆与连接架之间的转动连接，实现对主电机和所述五号主涵道涡扇角度的控制。
9.所述安装架组还包括固定架，两个所述连接架之间设置有所述固定架，所述固定架上设置有控制模块，所述控制模块内具有信号接收器和调速器，所述调速器同于控制所述主电机和四个所述副电机的转动速度与转动方向，所述信号接收器被设置用于接收地面传送的信号。
10.需要说明的是，通过信号接收器和调速器实现对主电机和四个所述副电机转速和转向的控制，同时使用两种不同的控制路径分别对主电机和四个所述副电机进行控制，实现不同控制路径能够受同一信号接收器的控制但互不干扰的工作状态。
11.所述控制模块内还设置有驱动模式转换器，所述驱动模式转换器控制所述机身的飞行状态在全驱动模式、主驱动模式、混合驱动模式三种飞行模式中进行转换；所述信号接收器、所述调速器、所述驱动模式转换器之间信号连接。
12.需要说明的是，通过三种不同的驱动模式控制机身的飞行，使得无人机能够根据不同的飞行环境使用不同的驱动，减小能量损失的同时达到最佳的效果。
13.所述副涵道涡扇包括一号副涵道涡扇、二号副涵道涡扇、三号副涵道涡扇、四号副涵道涡扇，所述连接架包括一号连接架和二号连接架，所述一号连接架的两端设置有所述一号副涵道涡扇和所述二号副涵道涡扇，所述二号连接架的两端设置有所述三号副涵道涡扇和所述四号副涵道涡扇，所述二号副涵道涡扇和所述四号副涵道涡扇位于所述五号主涵道涡扇的同一侧。
14.需要说明的是，通过对副涵道涡扇进行编号，再结合五号涵道涡扇，实现对具体涵道涡扇的具体控制，进而实现对机身飞行姿态、飞行速度的控制。
15.本技术还提供一种垂直起降高速无人机的控制方法，包括速度和转向控制、信号控制和飞行模式控制；速度和转向控制，所述一号副涵道涡扇和四号副涵道涡扇的转动时间相同、所述三号副涵道涡扇和二号副涵道涡扇的转动时间相同，所述一号副涵道涡扇和四号副涵道涡扇的转动方向相同、所述二号副涵道涡扇和三号副涵道涡扇的转动方向相同，且所述一号副涵道涡扇和二号副涵道涡扇的转动方向相反；信号控制，所述信号接收器接受到底面发送的信号，并将无线电信号转化分流为pwm信号与sbus信号输出，所述pwm信号控制所述主主电机和所述调速器，所述sbus信号控制所述一号副涵道涡扇、所述二号副涵道涡扇、所述三号副涵道涡扇、所述四号副涵道涡扇；飞行模式控制，包括垂直起飞模式和固定翼模式；垂直起飞模式时，主电机接收到信号接收器发送的信号，其转动角度由0度变化为90度，所述机身起飞时，四个所述辅副电机启动，为所述机身提供竖直方向的升力，完成垂直起飞；当所述机身达到一定高度时切换为固定翼模式，调节所述主电机的喷口方向逐渐由竖直方向转变为水平方向，所述机身在水平方向的速度增加，当达到一定速度时四个所述副电机通知运行。
16.需要说明的是，通过对一号副涵道涡扇、二号副涵道涡扇、三号副涵道涡扇、四号副涵道涡扇以及五号涵道涡扇转动时间见、转动方向等的控制，实现对机身产生阻力的抵消或削弱，提高机身飞行的速度。通过两种不同的控制通道分别控制主电机和副电机，实现飞机飞行状态的快速且有效的转换。
17.在所述信号控制中，所述pwm信号为8通的pwm信号，其中3通道的pwm信号被设置用于控制调速器；所述sbus信号通过与f4飞行控制器连接控制所述一号副涵道涡扇、所述二号副涵道涡扇、所述三号副涵道涡扇、所述四号副涵道涡扇。
18.需要说明的是，通过不同通道实现对调速器和飞行控制器的控制，实现各个电机能够各自工作且控制者控制自由。
19.在所述速度和转向控制中，在垂直起飞时，所述五号主涵道涡扇的转动方向与所述三号副涵道涡扇相同，且所述主电机的喷口垂直向下；在水平飞行时，所述主电机的喷口
朝向所述机体的后方。
20.需要说明的是，通过对副电机转动方向与主电机喷口方向的调节实现对主电机自身产生的阻碍机身飞行的作用力的削弱。
21.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
22.1.通过一个主电机和四个副电机配合五号主涵道涡扇转动和副涵道涡扇的无人机动力布局方式，降低无人机在飞行过程中产生的废阻，进一步提高无人机的飞行速度；
23.2.通过三种不同的驱动模式控制机身的飞行，使得无人机能够根据不同的飞行环境使用不同的驱动，减小能量损失的同时达到最佳的效果。
附图说明
24.图1是发明的结构示意图之一；
25.图2是发明的结构示意图之二；
26.图3是发明中固定架的结构示意图；
27.图4是发明中一号连接架的结构示意图；
28.图5是发明的结构示意图之三；
29.图6是发明的结构示意图之四；
30.图7是发明的结构示意图之五；
31.图8是发明的结构示意图之六；
32.图9是发明的结构示意图之七；
33.图10是本发明控制方法的流程示意图之一；
34.图11是本发明控制方法的流程示意图之二。
35.图标：1-一号副涵道涡扇；2-二号副涵道涡扇；3-三号副涵道涡扇；4-四号副涵道涡扇；5-五号主涵道涡扇；6-机身；7-一号连接架；8-二号连接架；9-连接杆；10-固定架；11-调速器。
具体实施方式
36.请一并参考说明附图1-10，本实施例提供了一种垂直起降高速无人机，该一种垂直起降高速无人机主要用于解决现有技术飞行过程中废阻较大导致飞行速度较慢的问题，该一种垂直起降高速无人机已经处于实际使用阶段。
37.本技术通过以下实施例进行，
38.实施例1
39.一种垂直起降高速无人机，包括机身6，所述机身6内设置有一个主电机和四个副电机，所述主电机位于所述机身6内部的中心位置，四个所述副电机均位于所述机身6内且位于所述主电机的四周，所述主电机驱动五号主涵道涡扇5转动，所述副电机驱动副涵道涡扇转动。
40.需要说明的是，垂直起降高速无人机，是利用垂直起降技术起降得无人机，其不需要滑跑就可以起飞和着陆，对起飞与降落场地要求低，适应能力强，应用范围广。本技术提供一种垂直起降高速无人机，其设置一个主电机在机体中心，四个副电机围绕主电机的周围进行动力布局，本技术通过实现对五轴飞行器动力的调整，在动力布局上抛弃无人机常
规方使中使用螺旋桨动力的方式，通过在机身6内部设置高转速涵道涡扇为机身6的飞行提供动力，降低了机身6外部在飞行过程中所产生得废阻，提高了无人机在飞行时的时长与速度，另一方面，机身6计划布局采取f35的串列式气动布局，机体外形设计为翼身融合气动的方式。对于机身6外部突发应急情况，也可以做到随时起飞与高速奔袭，解决现有技术中飞行过程中废阻较大导致飞行速度较慢问题。
41.本技术还设置安装架组，所述安装架组的制作材料为碳纤维，所述安装架组包括两个连接架，两个所述连接架结构相同且平行设置，两个所述连接架的中心转动连接有连接杆9，所述连接杆9上连接有所述主电机和所述五号主涵道涡扇5；两个所述连接架的两端均设置有所述副电机和所述副涵道涡扇。
42.需要说明的是，通过安装架实现对一个主电机、四个副电机、五号主涵道涡扇5转动以及四个副涵道涡扇的连接与设置，使得五号主涵道涡扇5转动以及四个副涵道涡扇的排布之间呈h型排布，具体的，连接杆9两端转动连接有连接耳，连接耳的两端分别与连接架固定连接，连接杆9能在转动而开设的连接孔中欢动，详细的，连接耳外连接有驱动凸轮，驱动凸轮与连接杆9伸出连接耳的一端连接，驱动凸轮连接有驱动电机，驱动电机控制驱动凸轮进行转动，驱动凸轮带动连接杆9进行转动，主电机和所述五号主涵道涡扇5与连接杆9为固定连接，则连接杆9的转动带动着能够实现主电机和所述五号主涵道涡扇5角度的调节，进而实现对机身6飞行状态的调整与控制。
43.所述安装架组还包括固定架10，两个所述连接架之间设置有所述固定架10，所述固定架10上设置有控制模块，所述控制模块内具有信号接收器和调速器11，所述调速器11同于控制所述主电机和四个所述副电机的转动速度与转动方向，所述信号接收器被设置用于接收地面传送的信号。
44.需要说明的是，通过固定架10的设置将信号接收器和调速器11设置在主电机和副电机之间，保证信号传输的及时性，同时还能够有效利用机身6内的空间，减小机身6整体的体积，进而减小机身6在飞行过程中受到的阻力，具体的，调速器11具有两个，一个用于控制主电机转速和转向，一个用于控制四个副电机的转速与转向，但是两个调速器11均与同一个信号接收器进行信号连接，整个无人机仅使用一个信号接收器对信号进行控制与传送，主电机和四个所述副电机收到的关于油门的响应一致的，即主电机与四个副电机使用的是两种不同的路径进行控制，但是两者彼此之间的响应是一致，同时也不互相干扰的。优选的，固定架10上开设有若干异形孔或圆孔或三角孔，能够减轻机身6质量的同时，还能够起到散热的作用。
45.所述控制模块内还设置有驱动模式转换器，所述驱动模式转换器控制所述机身6的飞行状态在全驱动模式、主驱动模式、混合驱动模式三种飞行模式中进行转换；所述信号接收器、所述调速器11、所述驱动模式转换器之间信号连接。
46.需要说明的是，设置三种驱动模式，详细的，全驱动模式为主电机和四个副电机同时工作对机身6提供升力以使机身6成功完成垂直起飞与降落；主驱动模式为主电机提供动力，依靠机身6机翼产生的升力实现固定翼飞行模式；混合驱动模式是主电机和四个副电机同时工作并对机身6提供向后和向下的推力，并在机翼产生一定升力的作用下实现飞行。
47.所述副涵道涡扇包括一号副涵道涡扇1、二号副涵道涡扇2、三号副涵道涡扇3、四号副涵道涡扇4，所述连接架包括一号连接架7和二号连接架8，所述一号连接架7的两端设
置有所述一号副涵道涡扇1和所述二号副涵道涡扇2，所述二号连接架8的两端设置有所述三号副涵道涡扇3和所述四号副涵道涡扇4，所述二号副涵道涡扇2和所述四号副涵道涡扇4位于所述五号主涵道涡扇5的同一侧。
48.需要说明的是，通过对副涵道涡扇进行编号，再结合五号涵道涡扇，实现对具体涵道涡扇的具体控制，具体的，主电机为无刷电机，同时，主电机通过伺服电机实现其喷气方向的改变。
49.实施例2
50.提供一种垂直起降高速无人机的控制方法，包括速度和转向控制、信号控制和飞行模式控制。
51.速度和转向控制：所述一号副涵道涡扇1和四号副涵道涡扇4的转动时间相同、所述三号副涵道涡扇3和二号副涵道涡扇2的转动时间相同，所述一号副涵道涡扇1和四号副涵道涡扇4的转动方向相同、所述二号副涵道涡扇2和三号副涵道涡扇3的转动方向相同，且所述一号副涵道涡扇1和二号副涵道涡扇2的转动方向相反。
52.需要说明的是，通过控制一号副涵道涡扇1、二号副涵道涡扇2、三号副涵道涡扇3、四号副涵道涡扇4的转动时间、转动方向、，进而实现一个主电机和四个副电机之间产生的反作用力矩进行抵抗或削弱，再通过控制一个主电机和四个副电机的转速让机身6能够在空间范围内实现六自由度上的自由飞翔。
53.信号控制：所述信号接收器接受到地面发送的信号，并将无线电信号转化分流为pwm信号与sbus信号输出，所述pwm信号控制所述主主电机和所述调速器11，所述sbus信号控制所述一号副涵道涡扇1、所述二号副涵道涡扇2、所述三号副涵道涡扇3、所述四号副涵道涡扇4。
54.在所述信号控制中，所述pwm信号为8通的pwm信号，其中3通道的pwm信号被设置用于控制调速器11；所述sbus信号通过与f4飞行控制器连接控制所述一号副涵道涡扇1、所述二号副涵道涡扇2、所述三号副涵道涡扇3、所述四号副涵道涡扇4。
55.需要说明的是，机身6上的信号接收器收到地面传来的信号，将无线电信号转化分流为8通的pwm信号与sbus信号输出，其中3通道的pwm信号将传递给控制主电机的调速器11，实现主电机油门大小的控制，即主电机的控制由信号接收器发出的pwm信号来控制，而其他四个副电机通过飞行控制器进行控制，本无人机中主电机和副电机通过同一个信号接收器的控制信号，所以控制油门的第三通道pwm与f4飞行控制器接收到的sbus信号中油门响应一致，即主电机与四个副电机使用两种不同路径得到控制，但对信号接收器的响应是一致的，同时也不互相干扰。
56.飞行模式控制：包括垂直起飞模式和固定翼模式；垂直起飞模式时，主电机接收到信号接收器发送的信号，其转动角度由0度变化为90度，所述机身6起飞时，四个所述辅副电机启动，为所述机身6提供竖直方向的升力，完成垂直起飞；当所述机身6达到一定高度时切换为固定翼模式，调节所述主电机的喷口方向逐渐由竖直方向转变为水平方向，所述机身6在水平方向的速度增加，当达到一定速度时四个所述副电机同时运行。
57.需要说明的是，机身6为垂直起飞状态时，控制主电机的伺服电机接收到信号接收器传输的信号，然后将主电机的转动角度由0度调整为90度，详细的，机身6为起飞状态时，控制副电机的控制器被解锁，使得四个副电机位为启动状态，则四个副电机为机身6提供竖
直方向的升力，使得机身6成功完成起飞。当达机身6飞行到一定高度后期飞行模式切换为固定翼模式，伺服电机控制主电机的喷口方向逐渐由竖直转变为水平向，此时机身6会逐渐在水平方向进行加速，当水平方向的速度达到特定值时，则机身6机翼产生升力大于机身6重力，此时飞行控制器控制四个副电机停止工作转换为关闭状态，由于主电机和副电机的控制路径不同，此时主电机让在持续工作，维持机身6推力的输出。
58.在所述速度和转向控制中，在垂直起飞时，所述五号主涵道涡扇5的转动方向与所述三号副涵道涡扇3相同，且所述主电机的喷口垂直向下；在水平飞行时，所述主电机的喷口朝向所述机体的后方。
59.需要说明的是，在机身6为垂直起飞的状态时，主电机的喷口为垂直向下的状态，使得能够对整个机身6会产生顺时针方向的作用力，并且通过f4飞行控制器加强二号副涵道涡扇2和三号副涵道涡扇3所连接的副电机转速、同时通过f4飞行控制器削弱一号副涵道涡扇1和四号副涵道涡扇4所连接的副电机转速，进而实现对该作用力的抵抗与削弱。在机身6为水平飞行的状态时，主电机的喷口为朝向后方的状态，此时会通过加强三号副涵道涡扇3和四号副涵道涡扇4所连接的副电机的驱动力来实现对主电机因自身而产生的扭力的抵抗。具体的，垂直起飞的控制过程中，可以选用stm32芯片的f4v3飞行控制器，并且烧入inav固件已达到支持后期调参与功能开发的作用。本技术提供的无人机结构突发紧急情况如森林火情等具备远程起飞，快速奔袭至预定地点进行数据采集，同时在垂直起降时，其使用的固定翼模式能够长时间续航，增强飞行器适应性。
60.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种垂直起降高速无人机，其特征在于，包括：机身(6)，所述机身(6)内设置有一个主电机和四个副电机，所述主电机位于所述机身(6)内部的中心位置，四个所述副电机均位于所述机身(6)内且位于所述主电机的四周，所述主电机驱动五号主涵道涡扇(5)转动，所述副电机驱动副涵道涡扇转动。2.根据权利要求1所述的一种垂直起降高速无人机，其特征在于，还包括安装架组，所述安装架组的制作材料为碳纤维，所述安装架组包括两个连接架，两个所述连接架结构相同且平行设置，两个所述连接架的中心转动连接有连接杆(9)，所述连接杆(9)上连接有所述主电机和所述五号主涵道涡扇(5)；两个所述连接架的两端均设置有所述副电机和所述副涵道涡扇。3.根据权利要求2所述的一种垂直起降高速无人机，其特征在于，所述安装架组还包括固定架(10)，两个所述连接架之间设置有所述固定架(10)，所述固定架(10)上设置有控制模块，所述控制模块内具有信号接收器和调速器(11)，所述调速器(11)同于控制所述主电机和四个所述副电机的转动速度与转动方向，所述信号接收器被设置用于接收地面传送的信号；所述控制模块内还设置有驱动模式转换器，所述驱动模式转换器控制所述机身(6)的飞行状态在全驱动模式、主驱动模式、混合驱动模式三种飞行模式中进行转换；所述信号接收器、所述调速器(11)、所述驱动模式转换器之间信号连接。4.根据权利要求3所述的一种垂直起降高速无人机，其特征在于，所述副涵道涡扇包括一号副涵道涡扇(1)、二号副涵道涡扇(2)、三号副涵道涡扇(3)、四号副涵道涡扇(4)，所述连接架包括一号连接架(7)和二号连接架(8)，所述一号连接架(7)的两端设置有所述一号副涵道涡扇(1)和所述二号副涵道涡扇(2)，所述二号连接架(8)的两端设置有所述三号副涵道涡扇(3)和所述四号副涵道涡扇(4)，所述二号副涵道涡扇(2)和所述四号副涵道涡扇(4)位于所述五号主涵道涡扇(5)的同一侧。5.一种垂直起降高速无人机的控制方法，其特征在于，基于权利要求4所述的一种垂直起降高速无人机，包括，速度和转向控制：所述一号副涵道涡扇(1)和四号副涵道涡扇(4)的转动时间相同、所述三号副涵道涡扇(3)和二号副涵道涡扇(2)的转动时间相同，所述一号副涵道涡扇(1)和四号副涵道涡扇(4)的转动方向相同、所述二号副涵道涡扇(2)和三号副涵道涡扇(3)的转动方向相同，且所述一号副涵道涡扇(1)和二号副涵道涡扇(2)的转动方向相反；信号控制：所述信号接收器接受到地面发送的信号，并将无线电信号转化分流为pwm信号与sbus信号输出，所述pwm信号控制所述主主电机和所述调速器(11)，所述sbus信号控制所述一号副涵道涡扇(1)、所述二号副涵道涡扇(2)、所述三号副涵道涡扇(3)、所述四号副涵道涡扇(4)；飞行模式控制：包括垂直起飞模式和固定翼模式；垂直起飞模式时，主电机接收到信号接收器发送的信号，其转动角度由0度变化为90度，所述机身(6)起飞时，四个所述辅副电机启动，为所述机身(6)提供竖直方向的升力，完成垂直起飞；当所述机身(6)达到一定高度时切换为固定翼模式，调节所述主电机的喷口方向逐渐由竖直方向转变为水平方向，所述机身(6)在水平方向的速度增加，当达到一定速度时四个所述副电机通知运行。6.根据权利要求5所述的一种垂直起降高速无人机的控制方法，其特征在于，在所述信
号控制中，所述pwm信号为8通的pwm信号，其中3通道的pwm信号被设置用于控制调速器(11)；所述sbus信号通过与f4飞行控制器连接控制所述一号副涵道涡扇(1)、所述二号副涵道涡扇(2)、所述三号副涵道涡扇(3)、所述四号副涵道涡扇(4)。7.根据权利要求5所述的一种垂直起降高速无人机的控制方法，其特征在于，在所述速度和转向控制中，在垂直起飞时，所述五号主涵道涡扇(5)的转动方向与所述三号副涵道涡扇(3)相同，且所述主电机的喷口垂直向下；在水平飞行时，所述主电机的喷口朝向所述机体的后方。

技术总结
本发明涉及无人机垂直升降技术领域，尤其涉及一种垂直起降高速无人机，其包括机身，所述机身内设置有一个主电机和四个副电机，所述主电机位于所述机身内部的中心位置，四个所述副电机均位于所述机身内且位于所述主电机的四周，所述主电机驱动五号主涵道涡扇转动，所述副电机驱动副涵道涡扇转动。还提供一种垂直起降高速无人机的控制方法，包括速度和转向控制、信号控制和飞行模式控制。本发明解决了现有技术的结构飞行过程中废阻较大导致飞行速度较慢的问题。度较慢的问题。度较慢的问题。


技术研发人员：李斌 全杰 熊伦
受保护的技术使用者：四川文理学院
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/3/8