一种新型垂直起降固定翼无人机及应用

宋志鹏+肖长天+马雅琪

摘 要：鉴于现有传统无人机的优势如：四旋翼无人机使用灵活，固定翼无人机航速快、航程远等优势不集中的问题，本文提出了一种新型垂直起降固定翼无人机，该垂直起降固定翼无人机有多种飞行模式，结构简单，具有失稳保护功能。并分析了该垂直起降固定翼无人机工作原理。同时，分析了现有无人机物流业的现状，展望该垂直起降固定翼无人机在物流业的应用。

关键词：无人机；垂直起降；物流业

1 背景环境

近年来，随着大疆无人机等优秀企业的影响力不断扩大，无人机开始被人们所熟知。与此同时，无人机在民用领域、商用领域开始展露头角。但现有的各种无人机，各自有各自的优点，难以做到优势集中。譬如：传统的无人机如四旋翼具有垂直起降、空中悬停功能的功能，虽然灵活性强，能够完成短距离小范围的飞行任务，但是由于续航问题和旋翼机的爬升原理的限制其在中高空、远航程、高航速应用领域表现欠佳；传统的无人机如固定翼具有载重量大、远程快速的特点，但是起飞条件严苛，往往需要长距离的平直跑道，这对发挥固定翼飞机的性能，是不利的，会造成使用场地受限，增加使用成本的问题。

2 方案介绍

本方案的目的使为了克服已有技术的不足之处，提供一种垂直起降固定翼无人机，下面将简要介绍其结构特点：其结构包括机身1、推进装置2、第一机翼3、第二机翼4、脚架5、机身固定件6、机身固定板7、连翼杆8、电池9、飞控10、整流罩11、摄像头12。其特征在于：所述推进装置2包括四个装有螺旋桨的电机，分别与第一机翼3、第二机翼4固接，安装位置分别占据与机身1轴向垂直的平面上正方形的四个顶点，正方形的边长等于第一机翼3、第二机翼4的间距。

本方案具有如下有益的效果与明显的特点：

（1）该垂直起降固定翼无人机有多种飞行模式，既能以垂直方式实现起降，也能以水平姿态实现高速航行，同时还能以四旋翼模式飞行，并可以实现飞行模式之间的快速转换；

（2）该垂直起降固定翼無人机简化掉固定翼无人机的舵，采用一套推进装置进行驱动，采用差速控制无人机的转向和俯仰，无需复杂的控制系统和无人机结构；

（3）该垂直起降固定翼无人机具有失稳保护功能，因人为因素无法控制无人机时，拨动遥控器预设开关，即可自动转化为四旋翼模式并悬停或可供选择地返航到遥控器所在位置，增加无人机的安全性和可操作性。

现具体介绍无人机的控制方法：起飞时，由推进装置2中四个电机带动螺旋桨产生竖直向上的升力带起整个无人机。此时，无人机处于飞控的作用之下，可进行四旋翼模式下的飞行；当无人机到达适宜高度后，操作员操控遥控器切断飞控10对无人机的影响，并调整无人机的飞行状态由起降模式下机身1处于竖直方向至航行模式机身1处于水平方向。此时无人机的第一机翼3、第二机翼4处于水平状态，可进行高速航行，完成预期任务。欲降落或因人为原因使无人机失控时，操作手通过设置遥控，恢复飞控10对无人机的控制，飞机由航行模式恢复至起降模式，实施降落。

3 应用领域

伴随无人机技术的飞速发展和日益扩大的市场需求，无人机在民用领域发挥的作用将越来越大，尤其是在物流业。目前国内快递市场容量全球第一，并且以非常高的速度在发展。关于“最后一公里”的问题迟迟没有得到解决，但总体的趋势是明确的，即科技化、自动化、绿色化。目前，农村快递可行的一大关键问题是，如何降低远离仓储空间的偏远地区的快递成本？一些地区基础设施差，以划算的价格抵达这些地点几乎不可能。而无人机能改变这一切，在路修好前把货物送达。

作为中国最具认可度的快递公司，顺丰速运在无人机物流上走在了国内无人机物流业的前列。根据顺丰相关负责人表示，应用于无人机物流的无人机由顺丰自主研发，为八旋翼无人机，下设有载物台，飞行高度约在百米左右。具体方案如下：首先，在两地之间规划了一条固定的航线，避开学校、居民区等人员密集的场所；其次，无人机运输全程通过GPS进行定位和监控。再者，无人机配送模式，并非真正通过无人机把快递直接送到村民的家里，而是会首先配送到各个村的“乡村推广员”手中；最后，由各个村的“乡村推广员”将货物送到村民手中。

采用八旋翼无人机的优势在于，可以垂直起降，不受地表条件限制。但在飞行过程中，大量的电能消耗在了产生竖直向上的力以平衡自身的重力，机身发生倾斜以使机体获得水平分力，但随之而来的是旋翼迎风面积增加，受阻增大。因此多旋翼无人机航速慢、续航能力不强，无法应对日益增长的物流行业的需求，具有一定局限性。而本文提出的一种垂直起降固定翼无人机，既具备垂直起降功能，由具备固定翼飞机航速快、航程远的特点，并且具有多模式转换，有利于应变多种航行条件。在未来的无人机物流行业有望占有一席之地。

4 结束语

本文对传统无人机特点进行了简要的总结，提出了一种新型的垂直起降固定翼无人机并对其原理和功能做出了详细介绍。通过对无人机物流市场前景的分析，认为倘若主要靠人力解决问题，那么这个行业的发展将是十分缓慢的，势必走向科技化、自动化、绿色化。而传统的多旋翼无人机无法应对日益增长的物流行业的需求，由此我们认为，垂直起降固定翼无人机的投入和使用，必将为物流业带来巨大变化。

参考文献

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