一种喷气式无人机的控制方法与流程

[0001]
本发明属于飞行器技术领域，涉及一种喷气式无人机的控制方法。


背景技术：

[0002]
随着无人机在工业、农业等领域的广泛应用，无人机技术得到高速的发展，也面临诸多的问题，如续航问题、安全问题、载重问题等，尤其是无人机伤人事件屡屡出现，这是因为普遍采用的旋翼式结构(一个或多个旋翼)在翼片高速旋转时存在的安全隐患比较突出，包括翼片卷入其它物件而使无人机失控造成的安全隐患、高速旋转的翼片直接形成的安全隐患、多翼片互涉形成的安全隐患、失控后无导流缓降功能而造成的坠机的安全隐患等，这些安全隐患造成了现有民用无人机对空域缓降、无人机密度、起飞占用的空间等方面有较为严苛的要求，限制了其应用场景和应用方式。另外，现有的旋翼式无人机因翼片的存在，使外廓尺寸较大、翼片容易受损，使用寿命短、使用环境要求高、包装运输储存成本高等方面成为其重要的弊病，造成使用成本高、使用范围受限。
[0003]
喷气式飞行器在军工领域应用已久，使用喷气发动机作为推进力来源，喷气式飞行器所使用的喷气发动机靠燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用使飞行器向前飞行，可获得更大的推力和更快的飞行速度，作为民用无人机而言，其存在长距气浪、高温、控制难度大成为其突出的缺陷，如果解决其长距气浪、高温和控制难度，喷气式无人机可替代现有旋翼式无人机带来尺寸小、安全系数高、反应敏捷等方面的优势。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种喷气式无人机的控制方法，本发明所要解决的技术问题是如何在保障无人机灵敏性的前提下简化喷气式无人机的控制方式。
[0005]
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种喷气式无人机的控制方法，其特征在于，喷气式无人机包括机身、设置在机身两侧的两片导流翼和一个风机，所述风机包括风管、驱动电机和涡轮，所述涡轮固定连接驱动电机的输出轴，所述驱动电机的壳体固定在风管内，所述风管的尾部具有一半球形的蓄压罩，所述风管的尾部设置有两根处于同一直线上的转向喷气管，两根转向喷气管的轴线与风管的轴线垂直，所述蓄压罩上连接有一主喷气管，所述主喷气管的轴线与风管的轴线之间呈锐角；所述风管内设置有一通气控制电机，所述通气控制电机的壳体固定在风管内壁上，所述通气控制电机的输出轴与风管的轴线重合，所述通气控制电机的输出轴上固定设置有一个能够遮闭主喷气管入口和转向喷气管入口的遮风板，所述遮风板上开设有一转向通气孔和一主通气孔，所述主通气孔能够与主喷气管的入口对应而使风管内的气流进入主喷气管内，所述转向通气孔能够与其中一个转向喷气管的入口对应而使风管内的气流进入转向喷气管内，其中一个转向喷气管与转向通气孔对应时主喷气管的入口被遮风板遮挡，主通气孔与主喷气管对应时两个转向喷气管的入口被遮风板遮挡；
[0006]
所述风管转动连接在机身上，所述风管与机身之间设置有能够控制风管旋转以控制主喷气管的喷气方向的推力控制结构；所述主喷气管上设置有能够削弱主喷气管喷出气流的强度的气幕发生结构一，所述转向喷气管上设置有能够削弱转向喷气管喷出气流的强度的气幕发生结构二；
[0007]
通过通气控制电机控制的遮风板的旋转，使其上的主通气孔与主喷气管的入口对应时，在主喷气管的后方形成对机身的反向作用力下驱使机身动作；通过推力控制结构使风管旋转，以调整主喷气管的喷气方向，从而实现无人机的前后上下四个方向的动作；旋转遮风板，使主喷气管被遮挡，而其中一个转向喷气管与风管接通，以使转向喷气管在机身一侧喷出形成控制机身向喷气方向的反向移动的反向作用力，实现无人机的转向；通过对机身形成的反向推力的大小有两种方式：第一，控制驱动电机的转速；第二，控制转向喷气管或主喷气管的入口截面的大小。
[0008]
进一步的，两根转向喷气管均转动连接在机身上，所述推力控制结构包括两个分别与两根转向喷气管对应的伺服电机，所述伺服电机的输出轴上固定设置有一传动齿轮，所述转向喷气管上固定设置有与传动齿轮直接或间接啮合的减速齿圈。
[0009]
进一步的，所述气幕发生结构一包括与主喷气管固定相连、且位于主喷气管内的喷气内管一，所述喷气内管一与主喷气管之间的间隙形成一导流腔一，所述喷气内管一的入口处开设有若干与导流腔一相通的旁通进气孔，所述喷气内管一的内壁上设置有若干旁通喷气小孔一。
[0010]
进一步的，所述气幕发生结构二包括与转向喷气管固定相连、且位于转向喷气管内的喷气内管二，所述喷气内管二与转向喷气管之间的间隙形成一导流腔二，所述喷气内管二的入口处具有连通转向喷气管与导流腔二的旁通进气口，所述喷气内管二的内壁上设置有若干旁通喷气小孔二。
[0011]
进一步的，所述主喷气管内壁与喷气内管一的外壁之间的间距沿主喷气管的喷气方向逐渐减小；所述转向喷气管内壁与喷气内管二的外壁之间的间距沿转向喷气管的喷气方向逐渐减小。
[0012]
进一步的，所述喷气内管一和喷气内管二均包括孔径逐渐减小的蓄压段和直径逐渐增大的阻流段，所述旁通喷气小孔一和旁通喷气小孔二分别设置在喷气内管一和喷气内管二的阻流段处，所述喷气内管一和喷气内管二的蓄压段靠近风管。
[0013]
进一步的，两片导流翼的内端分别与两根转向喷气管的外端固定相连。
[0014]
具体的，所述转向喷气管的外端与导流翼的内端之间通过一连接轴相连，所述连接轴为中空轴，所述连接轴连接转向喷气管的一端具有一个与转向喷气管的出气口对应的承接口，所述承接口与连接轴的中空腔相通，所述连接轴的外壁面开设有若干与连接轴的中空腔相通的出气导气口。
[0015]
具体的，所述机身上开设有一个与风管的旋转轨迹适配的避让口。
[0016]
进一步的，所述导流翼为片状，所述主喷气管的轴线与导流翼处于同一平面内。
[0017]
进一步的，所述旁通喷气小孔一的喷气方向与主喷气管的喷气方向之间呈80～110
°
之间的倾角，优选为100
°
，所述旁通喷气小孔二的喷气方向与转向喷气管的喷气方向之间呈80～110
°
之间的倾角，优选为100
°
。
[0018]
进一步的，主喷气管的轴线与风管的轴线之间呈40～60
°
倾角。
[0019]
机身上携带锂电池，用于各用电设备的供电。
[0020]
作为可选方案，气幕发生结构一和气幕发生结构二均可以是采用独立鼓风装置在主喷气管和转向喷气管内产生气幕的结构。
[0021]
作为可选方案，控制风管旋转的推力控制结构还可以是齿轮齿条结构，即在转向喷气管上设置齿轮，在一气缸或液压缸的推杆上设置与齿轮配合的齿条，以驱使转向喷气管旋转，从而控制风管同步旋转。
[0022]
导流翼与主喷气管的轴线处于同一平面内，也就是说主喷气管对机身形成的反向推力能够始终与导流翼处于同一平面上，可使导流翼能够与主喷气管的喷气方向同步，从而使导流翼受到的因推动机身运行形成的风阻最小。
[0023]
在风管的入口处可设置锥形的滤网，一方面避免物件被吸入风管内，另一方面可使受到负压作用、吸附在滤网上的物件能够顺风管脱离滤网所在区域。
[0024]
气幕发生结构一和气幕发生结构二均采用了旁通分流的方式，即同一风机即产生推力气流，也产生阻力气流，简化了结构。阻力气流旨在削弱推力气流排出管外时的气流压力，同时增强反向推力气流能够对机身形成的反向作用力，这是因为推力气流在排出后受到阻力气流作用而在推力气流的喷出路径上形成一道“气幕阻挡墙”，由于该“气幕阻挡墙”在阻力气流喷出后影响了推力气流的喷出，从而使推力气流喷出后形成对机身的反向作用力更大；另外，由于阻力气流的存在，排出顺畅性受影响后造成管内的空气密度更大，也是能够增大推力气流推动机身的反向作用力；还有，由于阻力气流从管壁均匀散点式向管的中心方向喷出，使气流密度较大，且在管内一定长度内对推力气流进行持续拦截，可大幅降低喷出后气流的强度和压力；阻力气流对管壁的反向作用力因管内周向均匀分布而被相互抵消，也就是说阻力气流不对机身形成非推力气流方向的作用力。
[0025]
设置旁通的阻力气流，实际上是对推力气流的分流，而阻力气流能够对推力气流形成的“气幕阻挡墙”的效果，一方面是阻力气流的密度，另一方面是阻力气流的强度，为了尽可能的减少对推力气流的分流，而保障较大的阻力气流喷出强度，主喷气管内壁与喷气内管一的外壁之间的间距沿主喷气管的喷气方向逐渐减小，转向喷气管内壁与喷气内管二的外壁之间的间距沿转向喷气管的喷气方向逐渐减小，使阻力气流在本来就很高压力的情况下进一步蓄压，也能够增大阻力气流的喷出阻力，从而减小阻力气流对推力气流的分流量。
[0026]
检索到申请号为【cn201510894310.7】的中国专利，其公开了一种利用在喷气管后方设置水幕墙以增大喷气阻力而增大气垫船运行推力的方案，首先，该方案中水幕由下至上，对气垫船形成反向推力，且该种推力是不利于船体运行的外力，由于气幕形成的反向作用力的存在，船体尾部与水面的压紧力增大，水阻会增大；水幕需要单独的机构进行控制和发生，结构复杂；水幕由一个方向发出后形成对气流的阻力不均匀，如远离水幕发出位置和喷气的中心位置等，因水幕受干扰后在某个区域内形成“空洞”，气流会形成趋向，即向水压较小的位置流动，使其水幕的效果削弱；单一平面内的水幕对强气流的拦截效果显然单薄，效果较差；通过水幕的发生装置来提供喷气的阻力屏，能量浪费较大，且控制气垫船转向的方式复杂，气垫船最重要的是减小气垫与水的接触强度，而气幕的存在无疑是加大了气垫船的运行阻力。
[0027]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0028]
1、在主喷气管和转向喷气管上分别设置气幕发生结构一和气幕发生结构二，从而使主喷气管和转向喷气管内喷出的气流受到气幕的阻碍作用，一方面可增大喷出后气流受到的阻力，从而增大反向推力，进而实现增大对机身的推力；另一方面减小了主喷气管和转向喷气管喷出至管外的气流的强度，即无人机机身外域受到喷气气流的影响较小，气流的压力削弱后因气流强度较大形成的安全隐患可大幅降低。
[0029]
2、本无人机采用喷气式结构，利用风机实现对冷空气增压后对喷气方向后方的冲击力，从而形成推动机身动作的反向作用力，由于取消了旋转桨，其外廓尺寸同比减小，结合对气流的削弱，可消除传统无人机在运行过程中、起步过程中形成的旋转翼的安全隐患。
[0030]
3、喷气方向的控制更加简单可靠，转向的控制更加直接，极大的提高了无人机的灵敏度和可控性。
[0031]
4、导流翼与风管同步，最大程度的减小导流翼的风阻，同时提高无人机的运行平稳性，尤其是加速时的平稳性。
[0032]
5、避让口的存在能够在无人机纵向运行时减小机身的阻力承受面，因为此时风管为纵向设置的，避让口大部分区域为通透结构。
[0033]
6、风管的入口始终朝向无人机预运行方向，如上升时风管的入口朝上，急速下降时风管入口朝下，使风阻能够为风管的进气进行增压，降低无人机的能耗，间接的延迟了其续航。
[0034]
7、可在导流翼上安装摄像头，使拍摄方向与无人机的运行同步，也可以将摄像头等电子设备安装在非避让口的机身上，包括锂电池。
附图说明
[0035]
图1是喷气式无人机前行时的俯视图。
[0036]
图2是喷气式无人机上升时的俯视图。
[0037]
图3是图1状态下机身的截面图。
[0038]
图4是风管的截面图(主喷气管喷气时)。
[0039]
图5是遮风板的立体结构示意图。
[0040]
图6是机身的截面图(无人机转向时)。
[0041]
图7是图6中局部a的放大图。
[0042]
图8是阻力气流与喷气气流的喷气方向示意图(阻力气流的方向与喷气气流的方向成锐角时)。
[0043]
图9是阻力气流与喷气气流的喷气方向示意图(阻力气流的方向与喷气气流的方向成钝角时)。
[0044]
图中，1、机身；11、避让口；2、导流翼；31、风管；32、驱动电机；33、涡轮；34、蓄压罩；35、通气控制电机；36、遮风板；37、转向通气孔；38、主通气孔；4、主喷气管；41、喷气内管一；42、导流腔一；43、旁通进气孔；44、旁通喷气小孔一；5、转向喷气管；51、喷气内管二；52、导流腔二；53、旁通进气口；54、通喷气小孔二；55、连接轴；56、承接口；57、出气导气口；61、伺服电机；62、传动齿轮；63、减速齿圈。
具体实施方式
[0045]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0046]
如图1～图7所示，本喷气式无人机包括机身1、设置在机身1两侧的两片导流翼2和一个风机，风机包括风管31、驱动电机32和涡轮33，涡轮33固定连接驱动电机32的输出轴，驱动电机32的壳体固定在风管31内，风管31的尾部具有一半球形的蓄压罩34，风管31的尾部设置有两根处于同一直线上的转向喷气管5，两根转向喷气管5的轴线与风管31的轴线垂直，蓄压罩34上连接有一主喷气管4，主喷气管4的轴线与风管31的轴线之间呈锐角；风管31内设置有一通气控制电机35，通气控制电机35的壳体固定在风管31内壁上，通气控制电机35的输出轴与风管31的轴线重合，通气控制电机35的输出轴上固定设置有一个能够遮闭主喷气管4入口和转向喷气管5入口的遮风板36，遮风板36上开设有一转向通气孔37和一主通气孔38，主通气孔38能够与主喷气管4的入口对应而使风管31内的气流进入主喷气管4内，转向通气孔37能够与其中一个转向喷气管5的入口对应而使风管31内的气流进入转向喷气管5内，其中一个转向喷气管5与转向通气孔37对应时主喷气管4的入口被遮风板36遮挡，主通气孔38与主喷气管4对应时两个转向喷气管5的入口被遮风板36遮挡；
[0047]
风管31转动连接在机身1上，风管31与机身1之间设置有能够控制风管31旋转以控制主喷气管4的喷气方向的推力控制结构；主喷气管4上设置有能够削弱主喷气管4喷出气流的强度的气幕发生结构一，转向喷气管5上设置有能够削弱转向喷气管5喷出气流的强度的气幕发生结构二。
[0048]
两根转向喷气管5均转动连接在机身1上，推力控制结构包括两个分别与两根转向喷气管5对应的伺服电机61，伺服电机61的输出轴上固定设置有一传动齿轮62，转向喷气管5上固定设置有与传动齿轮62直接或间接啮合的减速齿圈63，两个推力控制结构相同，能够同步控制两个导流翼2动作。
[0049]
气幕发生结构一包括与主喷气管4固定相连、且位于主喷气管4内的喷气内管一41，喷气内管一41与主喷气管4之间的间隙形成一导流腔一42，喷气内管一41的入口处开设有若干与导流腔一42相通的旁通进气孔43，喷气内管一41的内壁上设置有若干旁通喷气小孔一44。
[0050]
气幕发生结构二包括与转向喷气管5固定相连、且位于转向喷气管5内的喷气内管二51，喷气内管二51与转向喷气管5之间的间隙形成一导流腔二52，喷气内管二51的入口处具有连通转向喷气管5与导流腔二52的旁通进气口53，喷气内管二51的内壁上设置有若干旁通喷气小孔二54。
[0051]
主喷气管4内壁与喷气内管一41的外壁之间的间距沿主喷气管4的喷气方向逐渐减小；转向喷气管5内壁与喷气内管二51的外壁之间的间距沿转向喷气管5的喷气方向逐渐减小。
[0052]
喷气内管一41和喷气内管二51均包括孔径逐渐减小的蓄压段和直径逐渐增大的阻流段，旁通喷气小孔一44和旁通喷气小孔二54分别设置在喷气内管一41和喷气内管二51的阻流段处，喷气内管一41和喷气内管二51的蓄压段靠近风管31。
[0053]
两片导流翼2的内端分别与两根转向喷气管5的外端固定相连。
[0054]
具体的，转向喷气管5的外端与导流翼2的内端之间通过一连接轴55相连，连接轴
55为中空轴，连接轴55连接转向喷气管5的一端具有一个与转向喷气管5的出气口对应的承接口56，承接口56与连接轴55的中空腔相通，连接轴55的外壁面开设有若干与连接轴55的中空腔相通的出气导气口57。
[0055]
具体的，机身1上开设有一个与风管31的旋转轨迹适配的避让口11。
[0056]
导流翼2为片状，主喷气管4的轴线与导流翼2处于同一平面内。
[0057]
旁通喷气小孔一44的喷气方向与主喷气管4的喷气方向之间呈80～110
°
之间的倾角，旁通喷气小孔二54的喷气方向与转向喷气管5的喷气方向之间呈80～110
°
之间的倾角，如图9所示，该角度α为100
°
左右时，阻力气流着重于减小动能的浪费，即阻力气流也能够提供推动力，但是该状态下阻力气流对推力气流的“拦截效果”相对较差，如图8所示，该角度α为85
°
左右，该状态下阻力气流对推力气流的“拦截效果”更佳，但是该阻力气流会对推动机身1移动的动能有所损耗。
[0058]
主喷气管4的轴线与风管31的轴线之间呈40～60
°
倾角，机身1上携带锂电池，用于各用电设备的供电。
[0059]
无人机的飞行控制：通过通气控制电机35控制的遮风板36的旋转，使其上的主通气孔38与主喷气管4的入口对应时，在主喷气管4的后方形成对机身1的反向作用力，从而驱使机身1动作，通过推力控制结构使风管31旋转，以调整主喷气管4的喷气方向，从而实现无人机的前后上下四个方向的动作；旋转遮风板36，使主喷气管4被遮挡，而其中一个转向喷气管5与风管31接通，以使转向喷气管5在机身1一侧喷出形成控制机身1向喷气方向的反向移动的反向作用力，实现无人机的转向；通过对机身1形成的反向推力的大小有两种方式：第一，控制驱动电机32的转速；第二，控制转向喷气管5或主喷气管4的入口截面的大小。
[0060]
导流翼2与主喷气管4的轴线处于同一平面内，也就是说主喷气管4对机身1形成的反向推力能够始终与导流翼2处于同一平面上，可使导流翼2能够与主喷气管4的喷气方向同步，从而使导流翼2受到的因推动机身1运行形成的风阻最小。
[0061]
在风管31的入口处可设置锥形的滤网，一方面避免物件被吸入风管31内，另一方面可使受到负压作用、吸附在滤网上的物件能够顺风管31脱离滤网所在区域。
[0062]
气幕发生结构一和气幕发生结构二均采用了旁通分流的方式，即同一风机即产生推力气流，也产生阻力气流，简化了结构。阻力气流旨在削弱推力气流排出管外时的气流压力，同时增强反向推力气流能够对机身1形成的反向作用力，这是因为推力气流在排出后受到阻力气流作用而在推力气流的喷出路径上形成一道“气幕阻挡墙”，由于该“气幕阻挡墙”在阻力气流喷出后影响了推力气流的喷出，从而使推力气流喷出后形成对机身1的反向作用力更大；另外，由于阻力气流的存在，排出顺畅性受影响后造成管内的空气密度更大，也是能够增大推力气流推动机身1的反向作用力；还有，由于阻力气流从管壁均匀散点式向管的中心方向喷出，使气流密度较大，且在管内一定长度内对推力气流进行持续拦截，可大幅降低喷出后气流的强度和压力；阻力气流对管壁的反向作用力因管内周向均匀分布而被相互抵消，也就是说阻力气流不对机身1形成非推力气流方向的作用力。
[0063]
设置旁通的阻力气流，实际上是对推力气流的分流，而阻力气流能够对推力气流形成的“气幕阻挡墙”的效果，一方面是阻力气流的密度，另一方面是阻力气流的强度，为了尽可能的减少对推力气流的分流，而保障较大的阻力气流喷出强度，主喷气管4内壁与喷气内管一41的外壁之间的间距沿主喷气管4的喷气方向逐渐减小，转向喷气管5内壁与喷气内
管二51的外壁之间的间距沿转向喷气管5的喷气方向逐渐减小，使阻力气流在本来就很高压力的情况下进一步蓄压，也能够增大阻力气流的喷出阻力，从而减小阻力气流对推力气流的分流量。
[0064]
在主喷气管4和转向喷气管5上分别设置气幕发生结构一和气幕发生结构二，从而使主喷气管4和转向喷气管5内喷出的气流受到气幕的阻碍作用，一方面可增大喷出后气流受到的阻力，从而增大反向推力，进而实现增大对机身1的推力；另一方面减小了主喷气管4和转向喷气管5喷出至管外的气流的强度，即无人机机身1外域受到喷气气流的影响较小，气流的压力削弱后因气流强度较大形成的安全隐患可大幅降低。
[0065]
本无人机采用喷气式结构，利用风机实现对冷空气增压后对喷气方向后方的冲击力，从而形成推动机身1动作的反向作用力，由于取消了旋转桨，其外廓尺寸同比减小，结合对气流的削弱，可消除传统无人机在运行过程中、起步过程中形成的旋转翼的安全隐患。
[0066]
喷气方向的控制更加简单可靠，转向的控制更加直接，极大的提高了无人机的灵敏度和可控性。
[0067]
导流翼2与风管31同步，最大程度的减小导流翼2的风阻，同时提高无人机的运行平稳性，尤其是加速时的平稳性。
[0068]
避让口11的存在能够在无人机纵向运行时减小机身1的阻力承受面，因为此时风管31为纵向设置的，避让口11大部分区域为通透结构。
[0069]
风管31的入口始终朝向无人机预运行方向，如上升时风管31的入口朝上，急速下降时风管31入口朝下，使风阻能够为风管31的进气进行增压，降低无人机的能耗，间接的延迟了其续航。
[0070]
可在导流翼2上安装摄像头，使拍摄方向与无人机的运行同步，也可以将摄像头等电子设备安装在非避让口11的机身1上，包括锂电池。
[0071]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

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