TailSitter四旋翼

一种垂直起降的飞翼式飞行器

这里设计了一款可以垂直起降的固定翼飞行器:既可以像多旋翼那样起降悬停,又可以使用固定翼的模式依靠机翼来进行飞行。
该飞行器属于Tail-Sitter式VTOL,在多旋翼模式下,依靠四个旋翼产生升力与控制,整机与地面垂直,机翼不产生升力;在固定翼模式下,机身与地面水平,旋翼产生推力给与飞机一定的空速,此时依靠机翼产生升力飞行。
当前该机制作已经告一段落并且成功试飞。下面从机身结构、动力系统、控制系统、参数配置与飞行实践等几个方面作简要介绍。

名词介绍:

HOV:hover的简称,也就是悬停模式。
FFF:Fast Forward Fly,快速飞行模式,也就是固定翼模式。

机身

在FFF模式向HOV模式切换的过程中,空速逐渐降为零,为了具备较好的抗失速与大迎角飞行能力,这里使用了小展弦比的飞翼式机翼布局(这种设计有着致命的bug,最后会讲到):
VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器
虽然,后续的实践证明小展弦比实际操作上上会恶化降落性能,这里暂不展开。
翼展65cm,最大弦长30cm,后掠17.5度。
建模效果如下:
VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器

VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器

最终完成效果如下:
VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器
机身使用PP发泡板制作,材质吸振柔韧,使之具备优异的抗毁性。两块侧板起到支撑和垂尾的作用,垂直的板开槽镶嵌,交点使用3D打印件辅助定位。机翼采用纯平板翼型,方便制作;预埋碳纤片增加强度。机翼使用鲜艳的颜色涂装,增加正反面辨识度。
电机座同样使用3D打印件,四个电机座彼此使用轻质竹棒彼此相连增加结构的稳定性。
VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器
电机使用典型的QUAX四旋翼布局,电机带有15度安装角,用来增加多旋翼模式下YAW以及固定翼模式下ROLL的控制力度。
VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器

动力系统

使用较为成熟的250多旋翼1806级电机,BLHeli12A电调,5*3双叶桨,单轴最大拉力400g+,采用三节锂电11.1V1300mAh电池。

控制系统

该飞行器使用的是经过修改的MWC飞控。
飞控硬件采用基于ATmega328p单片机的Crius飞控,和电调的连接使用了典型的四旋翼线序,注意旋翼旋转方向。
VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器
代码上增加了HOV、FFF与PAS三种飞行模式,可以通过三段开关进行切换。
其中HOV是多旋翼模式此时使用和四旋翼一样的控制方式,并且根据传感器类型,允许开启气压计定高以及罗盘锁向,如果使用基于ATmega2560的主控,同样可以开启基于GPS的定点悬停、自动返航功能。
FFF模式下,遥控信号的次序进行了调节,以符合固定翼的操纵习惯。
VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器
此时飞行器使用螺旋桨的差速进行姿态的控制,默认开启基于陀螺仪的角速度反馈,对固定翼模式的飞行有一定的辅助作用。
PAS模式和FFF模式基本相同,区别在于陀螺仪的反馈也被关闭,由操作者给定所有的控制量,飞机的动作更加灵敏。
当前该版本的代码没有使用舵机来控制舵面,包含舵机输出的版本可能会在将来推出。

参数配置

VTOL <wbr>Tail-Sitter <wbr>一种垂直起降的飞翼式飞行器
这里使用了一个三段开关进行切换。
高位时,进入HOV模式,并且根据使用习惯开启了HORI模式和 罗盘锁向;
中位时,进入FFF模式,并且要关闭其他和多旋翼相关的模式,避免功能冲突;
低位时,进入PAS模式,由于此时没有任何反馈控制,所有机翼设计、重心位置等潜在的问题都会暴露出来。
PID参数根据自己的需求可以微调。

飞行

起飞相当的简单,由于动力冗余足够,直接在FFF模式下推油门冲天即可,所有操控和固定翼一样。
要降落时,首先降低速度,然后在合适的高度切入HOV模式,此时飞机会自动拉起到垂直;注意补充油门,因为所有的升力从机翼转到了螺旋桨。随后待飞机姿态稳定以后,开始收油门,飞机下降并最后落地。
熟练的飞手也可以尝试使用吊机的手法来切入悬停,唯一要注意的是HOV和FFF下摇杆的控制对象是不一样的,什么时候是ROLL,什么时候是YAW,心里要有数。

注意点:

1.和多旋翼相比,机翼受风面积较大,HOV模式下侧风对飞机姿态影响十分显著,更大的风有可能超出四旋翼的自稳能力,直至把飞机掀翻。
2.固定翼模式下,由于使用了无舵面设计,螺旋桨需要保持一定的转速来控制姿态,切不可尝试无动力滑翔。
3.请在降落时留有能够维持基本悬停的电量。

缺点与改进:

这里使用了小翼展的设计,起先是为了抗失速、能够大迎角飞行,但问题是:第一,四旋翼根本不怕失速,四个发动机本身就具备充足的动力冗余,在任何情况下都可以把飞机拉起来,根本不用担心机翼是否产生升力。
第二,在较强的风中尝试降落会非常的困难。假设我们依照习惯顶风降落,切入悬停模式,为了抗衡迎面而来的气流,飞机会向前倾,角度一大,机翼就又开始产生升力,飞机很可能又会升起来;当你尝试减油门下落时,飞机的动力又不足以维持当前的姿态。这样的结果就是,飞机只能维持在一定的高度甚至越飞越高,没法在悬停模式下降落,最终只能使用FFF模式迫降。
改进的方式也很简单,直接使用后面图中这种常规的大展弦比布局,这样能够迅速的切换姿态,又减少了飞机整体纵向的长度,减少了悬停模式下侧风引入的扰动力矩。