垂直起降固定翼无人机螺旋桨减租装置及其控制方法

  完成单位：国网电力空间技术有限公司

  主要完成人：杜伟、程海涛、邹彪、叶剑锋、任伟达、朱晓康、杜玉玺、刘俊男、王泽昭、王宁

一、研发背景

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，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飞机。随着我国社会的进步和科学技术的发展，无人机技术在社会当中应用日渐广泛,比如：航拍、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄等。无人机按平台构型分类主要分多旋翼和固定翼两种。多旋翼无人机虽具有成本低，操作简单灵活等特点，但续航时间和飞行距离短，无法按时完成特定区域条件下的飞行任务。而现有的固定翼无人机因为巡航距离远，飞行速度快，越来越多的进入民用和军用领域，但固定翼无人机相较于垂直起降的螺旋桨无人机，具有起飞和降落要求较高，整体设计较为复杂等问题。针对垂直起降固定翼无人机主要存在以下两大难题：①螺旋桨带来的阻力较大，航巡时间较短；②机体结构变化较大，设计过于复杂，项目团队从减少复合翼无人机飞行阻力入手，发明了垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置，研发了垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置控制方法。

本技术属于中大型垂起固定翼无人机设计基础型专利，解决了垂直起降固定翼结构复杂，受风阻影响、能源消耗高等难题。本专利提供的装置和方法可以推广到不同型号的垂直起降固定翼无人机，用于垂直起降固定翼无人机在各行各业的应用。

二、发明团队介绍

团队成员包括电力、无人机专业等多领域高素质人才，在多个电力公司开展了大量的现场作业，无人机飞行，应急巡查、数据处理均积累了丰富的经验，将电网与无人机应用有效融合，作业效果得到电力运维单位的高度认可,同时团队同时拥有丰富的专利经验，团队累计授权专利20余项，获省部（行业）级奖项10余项。

团队集成了各个专业领域的人才，在输电运维、航空飞行、无人机、测绘应用、计算机等各专业都有丰富经验；同时也是一支年轻的团队，平均年龄仅30岁，充满活力、朝气和创新精神，拥有丰富的现场实践、生产一线经验。

三、成果(专利)简介

1.技术背景

本发明专利属于无人机技术领域，主要用于减小飞行过程产生的旋翼阻力，提高无人机整体续航时间，降低了无人机的整体结构复杂度。

2.现有的技术方案

针对现有技术的不足，本发明提供了垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置及其控制方法，与以前技术方案相比，本专利多项技术特征是以前从未公开过的，也是非显而易见的，需要付出创造性劳动才能获得，解决之后具有突出的有益效果。

3.本专利的技术方案

针对现有技术所存在的不足，本专利提出了垂直起降固定翼无人机螺旋桨的相关减阻装置及其控制方法，实现了减小垂直起降固定翼无人机飞行中产生的旋翼阻力，大大提升了飞行航时。

一是发明了垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置，其中减阻装置包括：

（1）垂直起降螺旋桨：能产生向上或向下的动力，用于无人机的起飞和降落，垂直起降螺旋桨的数量为2组、4组、6组或8组。

（2）线性霍尔电机位置感知单元：用于接收所述运算处理单元发出的调整指令后，控制电机驱动单元输出轴的转动量。

（3）电机驱动单元：接收线性霍尔电机位置感知单元输出的角度调整信号，调整输出轴上的螺旋桨转动幅度。

（4）运算处理单元：根据接收到的感知结果值，输出计算分析后得到的调整指令，内置有实时测量计算机。

（5）风速传感器单元：感知飞行中的风向参数，并将感知结果实时传送至所述运算处理单元，包括：风速管、压力传感器，所述压力传感器内置在风速管的内侧。

二是提出了垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置控制方法。当无人机处于起飞和降落状态时，由于运算处理单元处在状态封锁系统的控制下不工作；垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置也处于待机状态。而当无人机进入巡航状态时，风速管中内置的压力传感器会感应到空气气流并将测量的感知数据实时传输至运算处理单元。运算处理单元会根据收到的感知数据，实时计算出调整指令，并发送至线性霍尔电机位置感知单元处。然后霍尔电机位置感知单元则会通过接收到的调整指令，进行旋翼的角度调整。

4.国内外同类技术性能参数对比

该专利中的垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置及其控制方法，计算方法简便，结构设计科学合理，可实现无人机巡航状态下全时段的旋翼风阻最小化，降低了能源消耗，从而提升了整体的续航时间，且易于操作者对后台数据进行维护、升级及管理。

表1  国内外同类技术性能参数对比

 5.本专利的新颖性和创造性

基于现有专利技术无法真正实现无人机螺旋桨降低风阻和简化飞行器结构的技术难点，本专利提出了一种垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置及其控方法。推动了无人机行业技术的发展。该专利的技术新颖性和创造性主要体现在以下：

（1）本发明提供了垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置及其控制方法，通过简单的算法逻辑结构设计，实时控制螺旋桨朝向风速方向，最终实现全时段的旋翼风阻最小化，计算方法简便，结构设计科学合理，易于实现，大大提高了固定翼无人机的飞行航时，降低了无人机的整体结构复杂度。

（2）本发明提出了垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻装置，包括垂直起降螺旋桨、线性霍尔电机位置感知单元、电机驱动单元、运算处理单元以及风速传感器单元，各传感器间相互配合实现旋翼风阻最小化，无人机的整体结构简便化。

（3）本发明提出了垂直起降固定翼无人机螺旋桨减阻方法，通过无人机螺旋桨减阻装置，实现实时测量感知风速信息，实时计算出调整指令，霍尔电机位置感知单元采用磁场定向控制方式进行旋翼的角度调整，从而达到减阻目的。计算方法简便，结构设计科学合理，使用的比例积分微分控制使得计算时间减少，提高效率，同时使得无人机的整体结构得到简化，操作者对后台数据进行维护、升级及管理。

四、成果（专利）转化情况介绍

1.保护规范化，形成专业管理团队。成立了企业专利管理机构与专利管理人员，分工协作，更好地开展各项专利工作；确保专利保护措施全面、有效且落实到位，利用已授权专利和已发表论文等多种方式切实维护专利权人的合法权益；在专利利益分配与奖励的管理方面，建立发明创造的利益分配与奖励制度，能激发企业全体员工从事发明创造的积极性，强化企业的专利意识，提高专利利用效率，为企业创造更好的经济效益。

2.专利标准化，推动专利全面应用。推进专利和标准的融合，通过技术标准、技术论文的编写，推动专利的推广应用。通过发布企业标准《架空输电线路密集通道大中型无人机防山火巡视技术规范》等4项的形式使专利运用标准化，使专利权人在国内外获得行业话语权和产业化收益。

3.组织专利成果孵化转移及推广应用。结合客户需求，顺利将本专利成果应用到安徽池州-九华通道、环京通道等密集输电通道中大型无人机防山火巡视，并融合到公司其他相关业务，扩大专利使用范围。在河北、安徽、山东、山西、湖南、甘肃等六省份19条重要输电线路通道开展垂起固定翼无人机不间断防山火巡视常态化、规模化作业，发现隐患239处，其中火情隐患186处、线下施工隐患34处，本体及通道其他隐患19处，所巡视线路无一发生山火跳闸事故，为输电线路通道春季防火提供了坚实保障。全时螺旋桨阻力减小和简易化后的构件带来的续航时间速度与时间的大幅增加保证了该项目快速高质量的完成，也验证了该专利形成的技术方案切实可行。

五、经济效益与社会效益介绍

1.经济效益：运用本技术成果共开展19个超特高压密集输电通道防山火巡视，新增销售额为2611万元。

2.社会效益：本专利提供装置及控制方法可改善飞行器性能，增加巡航时间，提高经济效益。

（1）作业效率高，降低螺旋桨风阻，延长续航，提升作业效率。

（2）节约资金平均每架次增加航时15分钟，在同等时间内作业里程数增加，缩短巡航工期，节约生产成本，降低安全风险。