一种分布式太阳能倾转旋翼无人机

1.本发明涉及一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，属于无人机工程领域。

背景技术：

2.太阳能无人机由于具有绿、长续航、低噪音等优点，已成为当前飞行器的应用热点之一。随着太阳能转化效率和锂电池储能技术的发展，小型太阳能因具有环境监视、地理测绘和灾难援助等长航时应用能力，逐步进入人们视野。但是，作为以太阳能为主要能源的无人机，因其太阳能电池的铺片面积是决定太阳能供电能力的核心，因此，太阳能无人机一般采用固定翼模式，尤其是低空小型太阳无人机。所以，这种固定翼太阳能无人机限制了起降方法以及其在特定场景中的应用范围。
3.倾转旋翼无人机是一种综合旋翼和固定翼平台优势的无人机，一直以来受到研究人员和机构的关注。倾转旋翼无人机拥有旋翼模式、固定翼模式以及过渡模式三种模式。由于倾转旋翼无人机兼具垂直起降、定点悬停和快速巡航的能力，使其在军民领域具有广阔的应用前景。但是，垂直起降、悬停等工作模式，将耗费大量的能量，因此，无人机的悬停时间与巡航时间是一个矛盾。

技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，综合太阳能无人机绿、长航时的优势，同时发挥倾转旋翼无人机垂直起降、定点悬停的优势，实现电动无人机的垂直起降、长航时、多次悬停、执行任务多样化的优势。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
6.本发明公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，包括分布式机翼、分布式太阳能电池组件、后三点式三旋翼动力系统、短舱式机身、双腹鳍、水平尾翼。
7.分布式机翼主要由机翼中段和机翼外段组成。分布式太阳能电池组件主要由中段气动太阳能电池蒙皮组件和外段结构太阳能电池组件组成。所述机翼中段铺设气动太阳能电池蒙皮组件，所述太阳能电池组件兼具气动维形和发电两点作用。所述机翼外段上表面铺设结构太阳能电池组件，即太阳能电池组件嵌入机翼外段结构，所述太阳能电池组件兼具蒙皮结构和发电双重功能。分布式太阳能电池和机翼不仅能够节省重量、结构紧凑，而且能够避免太阳能电池组件之间的不均匀辐照引起功率失配问题。
8.后三点式三旋翼动力系统，采用三点式三旋翼布局利用三角稳定布局原理，保证三点式三旋翼动力系统工作稳定性，相较于多旋翼布局减少冗余度，相较于两旋翼布局更稳定、可靠性更高。三点式三旋翼动力系统包括前置的两点动力系统和后置的单点动力系统。前置的两点动力系统位于分布式机翼前缘之前，在垂直起降过程中，由储能电池供能，提供垂直方向的升力；在平飞过程之中，由太阳能电池供电，提供前向的拉力，多余的能量为储能电池充电；在悬停过程中，由储能电池和太阳能电池混合供能，提供垂直方向的升力。后置的单点动力系统位于机翼后缘和尾翼之间的机翼对称线处，在垂直起降过程中，由
储能电池供能，提供垂直方向的升力；在平飞过程之中，由太阳能电池供电，提供航向控制力矩；在悬停过程中，由储能电池和分布式太阳能电池机翼混合供能，提供垂直方向的升力。多次循环以上动力系统垂直和水平方向相互倾转，进而实现太阳能倾转旋翼无人机的多次倾转、多次悬停和长航时水平飞行的功能。
9.短舱式机身，位于机翼下侧的对称轴线上，具有装载有效载荷和机载设备的载荷舱功能，短舱式机身具有结构紧凑、灵活更换、纵向配平的功能，同时小巧紧凑的机身结构能够减少与机翼的气动干扰。
10.双腹鳍，没有控制舵面且位于机翼两侧。所述分布式双腹鳍取代无人机垂直面、方向舵和前起落架，有效避免垂尾对太阳能电池组件的遮挡；所述双腹鳍整体与尾部起落架支撑杆构成后三点式起落架使用；此外腹鳍内部空间具有载荷储能电池和有效载荷的载荷舱功能，所述双腹鳍沿着机翼展向与短舱式机身构成分布式载荷舱，减少了长距离的线缆质量同时避免无人机载荷集中问题。
11.水平尾翼，采用上置水平尾翼布局，避免机翼尾流对尾翼的干扰。所述水平尾翼包括水平面和升降舵，水平面提供纵向稳定，升降舵提供纵向稳定性的控制。
12.为了保证无人机升阻气动效率，避免展现比过大造成机翼结构较软不利于太阳能无人机垂直起降、倾转和悬停，作为优选，所述分布机翼的展弦比为6～14。
13.为了更好的实时监测和追踪分布式太阳能电池组件的参数，作为优选，所述分布式太阳能电池组件每个组件配备单个或多个最大功率点追踪器mppt，以实现系统的最大功率输出，同时改变太阳能电池组件的功率失配问题。
14.为了保证无人机旋翼和倾转模式的高功率放电，作为优选，所述储能电池选用高能量、高倍率、长寿命的锂电池。
15.为了提高无人机的垂直起降、长航时、多次悬停、执行任务多样化的飞行能力，作为优选，所述混合动力系统主要由分布式太阳能电池、mppt、储能电池、能源管理系统、后三点式三旋翼动力系统构成。所述混合动力系统采用串联式太阳能电池/储能电池混合动力系统拓扑方案对无人机的多模式和多工况进行供电。所述分布式太阳能电池组件、mppt和能源管理系统连接为无人机提供固定翼模式飞行所需的能量，多余的能量为储能电池充电；所述储能电池与能源管理系统连接为旋翼模式中的垂直起降供电；所述太阳能电池/储能电池混合能源为旋翼模式中的悬停供电。多次循环以上能量交互过程，进而实现分布式太阳能倾转旋翼无人机的垂直起降、多次悬停、长航时飞行。
16.为了减轻结构质量和成本，作为优选，所述无人机的连接装置包括尾翼与机翼、短舱机身与机连接采用一体式碳纤维管进行连接，机翼后缘和尾翼前缘的中间碳纤维管连接后置单点动力系统，所述前置的两点动力系统与机翼连接的动力短舱也采用碳纤维管。
17.本发明公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机的工作方法为：
18.在旋翼飞行模式下，分为纯储能电池供电和混合能源供电两种。由于无人机垂直起降过程时间较短、侧飞和前后机动飞行都不利于太阳能电池发电，所述旋翼的飞行工况由储能电池供电；在悬停过程中，飞行较稳定由储能电池供电为主和太阳能电池供电为辅的混合能源供能。所述三旋翼动力系统在旋翼模式中都位于垂直方向，提供垂直方向的升力。
19.在固定翼飞行模式下，由分布式太阳能电池组件供能，多余的能量为储能电池充
电。所述三旋翼动力系统中的前置两点动力系统位于水平方向，为无人机前飞提供拉力；后置的单点动力系统进行航向偏转，为无人机提供航向控制力矩。
20.在倾转飞行模式下，由纯储能电池供电。所述三旋翼动力系统中的前置两点动力系统在垂直和水平方向的交替转换，实现固定翼模式和旋翼模式的相互切换。
21.多次循环以上飞行模式的切换、动力系统的倾转、能量的交互过程，进而实现分布式太阳能倾转旋翼无人机的垂直起降、多次倾转、多次悬停、长航时飞行功能。
22.有益效果：
23.1、本发明公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，充分发挥固定翼太阳能无人机绿、长航时的优势，又可发挥倾转旋翼无人机垂直起降、定点悬停的优势，实现电动无人机的垂直起降、长航时、多点悬停、执行任务多样化的优势。
24.2、本发明公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，采用分布式太阳能电池机翼，机翼外段采用太阳能电池组件嵌入机翼结构，兼具蒙皮结构和发电双重功能，机翼中段采用气动太阳能电池组件，兼具气动维形和发电两点作用，中段和外段机翼共同构成了分布式太阳能电池机翼，不仅节省重量、结构紧凑，而且避免太阳能电池组件之间的不均匀辐照引起功率失配问题。
25.3、本发明公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，具有多次倾转、多次悬停和长航时平飞的后三点式三旋翼动力系统拓扑，保证动力系统工作稳定性和操纵性的同时减少冗余动力系统。在垂直起降的过程中，由储能供电，三旋翼动力系统提供垂直方向的升力；在平飞的过程中，由太阳能电池供电，多余的能量为储能电池充电，前置的两点动力系统提供拉力，后置的单点动力系统提供航向控制力矩；在悬停阶段，由储能电池和太阳能电池混合供能，三旋翼动力系统提供垂直方向的升力。多次循环以上拓扑系统中的动力切换和能量交互过程，进而实现分布式太阳能倾转旋翼无人机的垂直起降、多次倾转、多次悬停、长航时飞行功能
26.4、本发明公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，采用多功能双腹鳍和分布式载荷舱，多功能腹鳍布局取代传统的垂尾、方向舵及前起落架，有效避免了垂尾对太阳能电池的遮挡，利用腹鳍内部空间设计为载荷舱，整体与尾部起落架支撑杆构成后三点式起落架使用，提高飞机部件的多功能使用性能同时减少部件质量。双腹鳍沿着机翼展向与短舱式机身构成分布式载荷舱，减少长距离的线缆质量同时能够避免无人机载荷集中问题。
附图说明
27.图1为本发明的一个实施例的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机处于倾转状态时的侧视图(过渡模式)；
28.图2为本发明的一个实施例的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机处于旋翼状态时的侧视图(旋翼模式)；
29.图3为根据本发明的一个实施例的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机处于固定翼状态时的俯视图(固定翼模式)；
30.图4为根据本发明的一个实施例的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机的左视图(固定翼模式)；
31.图5为根据本发明的一个实施例的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机的正视图
(旋翼模式)；
32.其中：1、分布式机翼；2、分布式太阳能电池组件；3、后三点式三旋翼动力系统；4、短舱式机身；5、双腹鳍；6、水平尾翼；7、副翼；8、机载设备；9、储能电池；10、起落架支撑杆；1.1、机翼中段；1.2、机翼外段；2.1、中段气动太阳能电池蒙皮组件；2.2、外段结构太阳能电池组件、3.1、倾转机构；3.2、电驱动器；3.3、螺旋桨；6.1、水平面；6.2、升降舵。
具体实施方式
33.为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合实施例对本发明内容作进一步说明。
34.实施例1：
35.本实施例公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，图1至图3分别为所述无人机的垂起、倾转和平飞示意图。图4为根据本发明的一个实施例的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机的左视图(动力系统处于水平的固定翼状态)。图5为根据本发明的一个实施例的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机的正视图(动力系统处于垂直旋翼状态)。结合图1至图5，所述实例无人机包括分布式机翼1、分布式太阳能电池组件2、后三点式三旋翼动力系统3、短舱式机身4、双腹鳍5、水平尾翼6。
36.所述分布式机翼1主要由机翼中段1.1和机翼外段1.2组成。所述分布式太阳能电池组件2主要由中段气动太阳能电池蒙皮组件2.1和外段结构太阳能电池组件2.2组成。所述机翼中段1.1铺设气动太阳能电池蒙皮组件2.1，所述太阳能电池组件兼具气动维形和发电两点作用。所述机翼外段1.2上表面铺设结构太阳能电池组件2.2，即太阳能电池组件嵌入机翼外段1.2结构，所述太阳能电池组件兼具蒙皮结构和发电双重功能。分布式太阳能电池和机翼不仅可以节省重量、结构紧凑，而且可以避免太阳能电池组件之间的不均匀辐照引起功率失配问题。
37.后三点式三旋翼动力系统3主要由倾转机构3.1、电驱动器3.2和螺旋桨3.3构成，实现无人机在固定翼模式的水平飞行、旋翼模式的垂直飞行以及两种模式之间的倾转飞行。所述三点式三旋翼动力系统包括前置的两点动力系统和后置的单点动力系统。在旋翼飞行过程中，前置的两点动力系统位于分布式机翼前缘之前，倾转机构3.1带动电驱动器3.2和螺旋桨3.3偏转至垂直方向，提供垂直方向的升力；在固定翼模式中，倾转机构3.1驱动电驱动器3.2和螺旋桨3.3偏转至水平方向，提供前向的拉力。后置的单点动力系统位于机翼后缘和尾翼之间的机翼对称线处，在旋翼飞行过程中，动力系统提供垂直方向的升力；在固定翼模式中，倾转机构3.1驱动电驱动器3.2和螺旋桨3.3在偏航方向转动，提供航向控制力矩。多次循环以上动力系统垂直和水平方向相互倾转，进而实现太阳能倾转旋翼无人机的多次倾转、多次悬停和长航时水平飞行的功能。
38.短舱式机身4，位于机翼下侧的对称轴线上，具有装载机载设备8和储能电池9的功能，其中机载设备包括有效载荷、自动驾驶仪、太阳能/储能电池能源管理器、最大功率点追踪器(mppt)。短舱式机身具有结构紧凑、灵活更换、纵向配平的功能，同时小巧紧凑的机身结构可减少与机翼的气动干扰。
39.双腹鳍5，无控制舵面且位于机翼两侧。所述分布式双腹鳍取代无人机垂直面、方向舵和前起落架，有效避免垂尾对太阳能电池组件的遮挡；所述双腹鳍整体与起落架
支撑杆10构成后三点式起落架使用；此外腹鳍内部空间具有机载设备8和储能电池9的载荷舱功能，所述双腹鳍沿着机翼展向与短舱式机身构成分布式载荷舱，减少长距离的线缆质量同时避免无人机载荷集中问题。
40.水平尾翼6主要由水平面6.1和升降舵6.2组成，用于控制和配平无人机的水平面飞行。所述水平尾翼采用上置布局，避免机翼尾流对尾翼的干扰，所述水平面6.1保证无人机的水平稳定，所述升降舵6.2用于无人机的纵向操作。
41.所述无人机控制系统包括一对副翼9，一个升降舵6.2和后置的单点动力系统3，所述副翼设置于机翼外侧的后缘，用于控制无人机的滚转操作；所述升降舵6.2用于控制无人机的纵向操作；所述后置的单点动力系统3在固定翼模式时用于控制无人机的航向操作。
42.本实施例公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机的工作方法为：
43.在旋翼飞行模式下，分为纯储能电池9供电和混合能源供电两种。由于无人机垂直起降过程时间较短、侧飞和前后机动飞行都不利于分布式太阳能电池2发电，所述旋翼的飞行工况由储能电池9供电；在悬停过程中，飞行较稳定由储能电池9供电为主和分布式太阳能电池供电2为辅的混合能源供能。所述后三点式三旋翼动力系统3在旋翼模式中都位于垂直方向，提供垂直方向的升力。
44.在固定翼飞行模式下，由分布式太阳能电池组件2供能，多余的能量为储能电池9充电。所述分布式机翼1提供垂直方向的升力；所述后三点式三旋翼动力系统3中的前置两点动力系统位于水平方向，为无人机前飞提供拉力；后置的单点动力系统进行航向偏转，为无人机提供航向控制力矩。
45.在倾转飞行模式下，由纯储能电池供电。所述后三点式三旋翼动力系统3中的前置两点动力系统通过倾转机构3.1驱动电驱动器3.2和螺旋桨3.3在垂直和水平方向进行交替转换，实现无人机固定翼模式和旋翼模式的相互切换。
46.多次循环以上飞行模式的切换、动力系统的倾转、能量的交互过程，进而实现分布式太阳能倾转旋翼无人机的垂直起降、多次倾转、多次悬停、长航时飞行功能。
47.以上的具体描述，是对发明的目的、技术方案和有益效果的进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例，仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，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。

技术特征：

1.一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，其特征在于：包括分布式机翼、分布式太阳能电池组件、后三点式三旋翼动力系统、短舱式机身、双腹鳍、水平尾翼；分布式机翼主要由机翼中段和机翼外段组成；分布式太阳能电池组件主要由中段气动太阳能电池蒙皮组件和外段结构太阳能电池组件组成；所述机翼中段铺设气动太阳能电池蒙皮组件，所述太阳能电池组件兼具气动维形和发电两点作用；所述机翼外段上表面铺设结构太阳能电池组件，即太阳能电池组件嵌入机翼外段结构，所述太阳能电池组件兼具蒙皮结构和发电双重功能；分布式太阳能电池和机翼不仅能够节省重量、结构紧凑，而且能够避免太阳能电池组件之间的不均匀辐照引起功率失配问题；后三点式三旋翼动力系统，采用三点式三旋翼布局利用三角稳定布局原理，保证三点式三旋翼动力系统工作稳定性，相较于多旋翼布局减少冗余度，相较于两旋翼布局更稳定、可靠性更高；三点式三旋翼动力系统包括前置的两点动力系统和后置的单点动力系统；前置的两点动力系统位于分布式机翼前缘之前，在垂直起降过程中，由储能电池供能，提供垂直方向的升力；在平飞过程之中，由太阳能电池供电，提供前向的拉力，多余的能量为储能电池充电；在悬停过程中，由储能电池和太阳能电池混合供能，提供垂直方向的升力；后置的单点动力系统位于机翼后缘和尾翼之间的机翼对称线处，在垂直起降过程中，由储能电池供能，提供垂直方向的升力；在平飞过程之中，由太阳能电池供电，提供航向控制力矩；在悬停过程中，由储能电池和分布式太阳能电池机翼混合供能，提供垂直方向的升力；多次循环以上动力系统垂直和水平方向相互倾转，进而实现太阳能倾转旋翼无人机的多次倾转、多次悬停和长航时水平飞行的功能；短舱式机身，位于机翼下侧的对称轴线上，具有装载有效载荷和机载设备的载荷舱功能，短舱式机身具有结构紧凑、灵活更换、纵向配平的功能，同时小巧紧凑的机身结构能够减少与机翼的气动干扰；双腹鳍，无控制舵面且位于机翼两侧；所述分布式双腹鳍取代无人机垂直面、方向舵和前起落架，有效避免垂尾对太阳能电池组件的遮挡；所述双腹鳍整体与尾部起落架支撑杆构成后三点式起落架使用；此外腹鳍内部空间具有载荷储能电池和有效载荷的载荷舱功能，所述双腹鳍沿着机翼展向与短舱式机身构成分布式载荷舱，减少长距离的线缆质量同时避免无人机载荷集中问题。2.如权利要求1所述的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，其特征在于：水平尾翼，采用上置水平尾翼布局，避免机翼尾流对尾翼的干扰；所述水平尾翼包括水平面和升降舵，水平面提供纵向稳定，升降舵提供纵向稳定性的控制。3.如权利要求1所述的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，其特征在于：为了保证无人机升阻气动效率，避免展现比过大造成机翼结构较软不利于太阳能无人机垂直起降、倾转和悬停，所述分布式机翼的展弦比为6～14。4.如权利要求1所述的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，其特征在于：为了更好的实时监测和追踪分布式太阳能电池组件的参数，所述分布式太阳能电池组件每个组件配备单个或多个最大功率点追踪器mppt，以实现系统的最大功率输出，同时改变太阳能电池组件的功率失配问题。5.如权利要求1所述的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，其特征在于：为了保证无人机旋翼和倾转模式的高功率放电，所述储能电池选用高能量、高倍率、长寿命的锂电池。
6.如权利要求1所述的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，其特征在于：为了提高无人机的垂直起降、长航时、多次悬停、执行任务多样化的飞行能力，所述混合动力系统主要由分布式太阳能电池、mppt、储能电池、能源管理系统、后三点式三旋翼动力系统构成；所述混合动力系统采用串联式太阳能电池/储能电池混合动力系统拓扑方案对无人机的多模式和多工况进行供电；所述分布式太阳能电池组件、mppt和能源管理系统连接为无人机提供固定翼模式飞行所需的能量，多余的能量为储能电池充电；所述储能电池与能源管理系统连接为旋翼模式中的垂直起降供电；所述太阳能电池/储能电池混合能源为旋翼模式中的悬停供电；多次循环以上能量交互过程，进而实现分布式太阳能倾转旋翼无人机的垂直起降、多次悬停、长航时飞行。7.如权利要求1所述的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，其特征在于：为了减轻结构质量和成本，所述无人机的连接装置包括尾翼与机翼、短舱机身与机连接采用一体式碳纤维管进行连接，机翼后缘和尾翼前缘的中间碳纤维管连接后置单点动力系统，所述前置的两点动力系统与机翼连接的动力短舱也采用碳纤维管。8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，其特征在于：工作方法为，在旋翼飞行模式下，分为纯储能电池供电和混合能源供电两种；由于无人机垂直起降过程时间较短、侧飞和前后机动飞行都不利于太阳能电池发电，所述旋翼的飞行工况由储能电池供电；在悬停过程中，飞行较稳定由储能电池供电为主和太阳能电池供电为辅的混合能源供能；所述三旋翼动力系统在旋翼模式中都位于垂直方向，提供垂直方向的升力；在固定翼飞行模式下，由分布式太阳能电池组件供能，多余的能量为储能电池充电；所述三旋翼动力系统中的前置两点动力系统位于水平方向，为无人机前飞提供拉力；后置的单点动力系统进行航向偏转，为无人机提供航向控制力矩；在倾转飞行模式下，由储能电池供电；所述三旋翼动力系统中的前置两点动力系统在垂直和水平方向的交替转换，实现固定翼模式和旋翼模式的相互切换；多次循环以上飞行模式的切换、动力系统的倾转、能量的交互过程，进而实现分布式太阳能倾转旋翼无人机的垂直起降、多次倾转、多次悬停、长航时飞行功能。

技术总结

本发明公开的一种分布式太阳能倾转旋翼无人机，属于无人机工程领域。本发明包括分布式机翼、分布式太阳能电池组件、后三点式三旋翼动力系统、短舱式机身、双腹鳍、水平尾翼。本发明综合太阳能无人机绿、长航时的优势，发挥倾转旋翼无人机垂直起降、定点悬停的优势，实现电动无人机的垂直起降、长航时、多次悬停、执行任务多样化的优势。本发明采用分布式太阳能电池机翼，机翼外段采用太阳能电池组件嵌入机翼结构，兼具蒙皮结构和发电双重功能，机翼中段采用气动太阳能电池组件，兼具气动维形和发电两点作用，中段和外段机翼共同构成分布式太阳能电池机翼，不仅节省重量、结构紧凑，而且避免太阳能电池组件之间的不均匀辐照引起功率失配问题。率失配问题。率失配问题。