[0001] 本申请涉及一种无人飞行器，具体涉及一种基于分布式涵道风扇的垂直起降无人机以及基于该无人机的航拍系统、航拍方法。

[0002] 我国拥有漫长的海岸线和辽阔的海洋疆域，因而对海洋区域的有力监管和有效控制显得尤为重要。无人机以其具备高可靠性、高准确性和实时性强等特点被广泛应用于生产和生活中。相比于巡逻船，无人机航拍覆盖面广、机动灵活、成本损耗小，更能满足海事监管的需要。但同时，海上环境又较为错综复杂，对无人机也提出了一定要求。

[0003] 随着影像采集传感器技术的发展，航拍已被广泛应用在农林资源调查、城镇布局规划、水域拍摄勘测、气象环境监测等多个方面。由于地物结构的复杂性，单一角度观测无法获得地物真实目标特征参数，利用多角度倾斜摄影来获取多角度地物影像，从而建立地物的三维模型是获取多角度遥感信息的重要手段。但随着对影像资料要求的提高和拍摄环境的多样化，无人机航拍系统也面临着更多的挑战。

[0004] 垂直起降无人机在面对复杂地形起降航拍作业时表现十分突出。目前针对不同的任务有多种不同布局方式的垂直起降式无人机可供选择，一些已被广泛采用的布局有直升机微缩版，四旋翼，倾转翼，倾转旋翼，倾转涵道和尾座式等。然而，直升机类飞行器的前飞时速度较低，难适应短时大范围航拍需求；倾转翼无人机需要机翼倾斜，机械连接机构设计复杂，控制难度较大，同时因为机翼面积较大，悬停时对气流敏感，给海上悬停精细航拍勘测带来不便；倾转旋翼无人机旋翼与机翼之间的气动干扰较大，同时还有较大的工作噪声。涵道风扇式无人机可以获得更高的拉力，同时还能降低工作噪声，涵道还能一定程度隔离工作产生的热，提高飞行器的隐蔽性，增加特种航拍作业适应性。涵道风扇无人机也有多种分类，如共轴双桨涵道式、双涵道式等，与这些布局相比，分布式涵道的冗余度大幅提高，工作安全性得到极大的增强，越来越得到人们的关注。

[0005] 例如，有研究人员提出了一种采用分布式涵道动力的垂直起降无人机，该无人机为二翼面设计，其鸭翼整体可倾转，机翼为固定翼但后缘襟翼的涵道动力组可随后缘襟翼的倾转改变推力方向，当起飞质量较大时，该无人机需要在机翼上增加涵道数量，一方面使整机尺寸较大，对起降场地要求较高；另一方面使机翼受到更大载荷，对材料的强度要求较高。又例如，有研究人员提出了一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，其采用三翼面固定翼，前、后机翼均采用两层布置，上、下层机翼各设置有电推进涵道风扇，中机翼主要用于固定翼飞行时产生升力，该飞行器通过前后机翼整体倾转来改变飞行状态，对倾转机构的输出要求高，导致倾转机构的质量较大，对整机性能不利。

[0019] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0020] 本实施例提供的一种无人飞行器为基于分布式涵道风扇的垂直起降无人机，其包括机身1、机翼、多个涵道风扇3以及倾转机构。

[0021] 其中，所述机身为流线型机身，机身高度从前向后先逐渐增大再逐渐减小。机身中部为存储空间，用于容纳其他机载部件和货物。

[0022] 其中，所述机翼包括从前至后依次安装在机身上的前翼2、中翼4、尾翼6，所述前翼、中翼和尾翼均为单层结构。

[0023] 其中，所述前翼、中翼和尾翼中的每个机翼包括相对于机身轴线对称分布的两个翼面，在一些情况下可以认为是左右两个翼面，每一翼面上设有一个涵道风扇组，每一涵道风扇组包括多个所述涵道风扇，且同一机翼上的多个所述涵道风扇相对于机身轴线对称分布，每个机翼内还安装有所述倾转机构，所述倾转机构至少用于调整对应涵道风扇组的倾转角度。所述涵道风扇3均包含涵道、电机和螺旋桨等。

[0024] 该无人飞行器通过采用分布式涵道风扇构成动力系统，有效避免了单个发动机发生故障导致无人机失控的问题，提高了无人机的工作可靠性。同时，通过利用倾转机构带动涵道风扇转动，可以改变涵道风扇的倾转角度，使涵道风扇提供不同方向的拉力，从而满足无人飞行器在起降、悬停、巡航等不同飞行状态下的动力需求。

[0025] 进一步的，所述中翼、尾翼、前翼的安装高度依次降低，即，所述尾翼安装高度高于所述前翼，所述中翼安装高度高于所述尾翼，这种布局可以减少前方机翼上面的涵道风扇组合产生的尾流影响后方机翼上涵道风扇的进气质量，避免进气质量差导致涵道风扇无法正常工作，特别是可以大幅减少中翼涵道系统尾流对于尾翼涵道系统的影响。

[0026] 进一步的，在所述机身的轴向上，所述前翼、中翼和尾翼中相邻机翼的间距在其中任一机翼宽度的1倍以上。这种轴向上的大间距可以保证前方机翼上的涵道风扇组产生的尾流在掠过后方机翼时，不会过大改变机翼翼身附近的气流状态以至于升力不稳定，进而提高飞行过程的安全性。

[0027] 进一步的，在所述机身的高度方向上，所述前翼、中翼和尾翼中相邻机翼的间距在100mm以上。这种高度上的差异布置可以进一步减少前方段机翼上面的涵道风扇组合产生的尾流影响后方机翼上涵道风扇的进气质量，避免进气质量差导致涵道风扇无法正常工作。

[0028] 进一步的，所述前翼与尾翼的翼展相等，所述中翼的翼展为前翼翼展的2倍以上。

[0029] 进一步的，所述涵道风扇安装于相应机翼的后缘部并与襟翼连接，且能随所述襟翼整体倾转，倾转角度为0°90°。~

[0030] 优选的，所述涵道风扇下部与相应机翼的襟翼融合，如此可以使得控制对象的数量由原本的涵道风扇和襟翼两个变为一个，使得飞行控制更加简单，同时这种融合可以产生抽吸增升效应，使无人飞行器的升力增大。以及，所述涵道风扇及所述机翼的上翼面为流线型结构，从而使得机翼和涵道风扇外壳表面处气流不发生明显分离，当无人飞行器相对气流运动时，所受气流阻力会被大幅减小，由此可以大幅减小燃料消耗或电池电量消耗，从而延长单次航拍时的摄影覆盖面积，提高单次飞行的经济性。

[0031] 进一步的，设置在所述前翼上的涵道风扇数量与设置在所述尾翼上的涵道风扇数量相等，设置在所述中翼上的涵道风扇数量为设置在所述前翼上的涵道风扇数量的2倍以上。示例性的，对前翼、后翼来说，每个涵道风扇组包含六个涵道风扇，而中翼上每个涵道风扇组包含十二个涵道风扇。通过采用这样的涵道风扇布置方式，有利于无人飞行器的静稳定性设计，使得飞行过程中的姿态调节更加容易。同时，这种涵道布局方式较为对称，在有涵道风扇失去动力时，可以很轻易地通过调节其他涵道风扇的输出来实现力矩平衡。

[0032] 在本实施例中，不同翼面上的涵道风扇可以分别控制，通过所述涵道风扇的差动，还能使该无人飞行器实现转向、滚转等机动动作。

[0033] 进一步的，所述涵道风扇的直径为机身高度的最大值的1/8 1/10，采用这样的设~计可以提升无人飞行器的升阻特性，并减小相邻机翼上涵道风扇之间的气动干扰。

[0034] 该无人飞行器通过采用上述的三翼面布局，且不同翼面的位置安排和结构设计有效减小了三排机翼之间的干扰，显著提高了无人机的稳定性，明显改善了全机的气动载荷分布，进而大幅减轻了机翼上的气动载荷和机翼结构重量。

[0035] 该无人飞行器通过在机翼后缘安装可倾转的涵道风扇，无人机可以实现垂直起降和巡航，对起降环境的要求降低，应用范围得到了极大扩展；同时使每一段机翼都保留大部分翼身以在巡航阶段提供升力，并利用涵道风扇的抽吸效应产生机翼的附加升力，可以有效提高机翼升阻比和整机的巡航效率，使之更适应远距离海岛航拍任务等。

[0036] 进一步的，设置在同一翼面上的相邻涵道风扇之间采用形如图3气动修形处理。通过对两个涵道风扇之间采用流线型修型，不仅使得气流更不易发生分离，减小了气流通过时的阻力，还使得两个涵道风扇之间没有留下缝隙，防止了可能出现的气流通过狭小缝隙而带来的整体气动性能干扰。

[0037] 进一步的，该无人飞行器还包括两个竖直挡板7，两个竖直挡板7沿与机身轴线垂直的方向分别固定在尾翼6的两端，并相对于机身轴线对称分布，通过设置该两个竖直挡板7，可以有效提高无人飞行器的飞行稳定性。

[0038] 进一步的，该无人飞行器还包括前起降架和后起降架，前起落架8安装在机身1的前部下方，轴向位置基本与前翼2相等。后起落架5安装在机身1的中部下方，轴向位置基本与中翼4相等，且一对后起落架5相对机身轴线对称分布。

[0039] 此外，该无人飞行器的整机结构中没有裸露的螺旋桨结构或任何危险的活动构件，使用安全性提高。

[0040] 根据该无人飞行器上的涵道风扇的位置布局，同一翼面上的所有分布式涵道风扇可近似为一个旋翼，则悬停时该无人飞行器可近似为类六旋翼飞行器。结合类六旋翼飞行器的结构特点，各力矩与转速的关系容易得出，由此得到映射方程为：其中， 是无人飞行器电机生成推力的效率系数，k为电机生成偏航力矩的效率
系数，  为机臂长度，ωi为某一排分布式涵道风扇的转速，推力力矩为T，横滚力矩为L，俯仰力矩为M，偏航力矩为N。

[0041] 通过控制该无人飞行器的六个翼面上的共六个涵道风扇组的转速与四个力矩形成映射关系，与现有的四组涵道风扇转速与四个力矩的映射关系相比，具有较好的冗余性。在某涵道风扇发生故障时，也可调整同一组内其他分布式涵道风扇的转速进行力与力矩的平衡，有效提高无人机的工作可靠性。

[0042] 进一步的，该无人飞行器在飞行时的动力学方程为：式中：k =1、2、3、4、5、6，为翼面编号； 、 分别为对应编号的气动部件相对重心的纵向坐标、垂向坐标；为涵道拉力中心到倾转轴的距离； 为第k个翼面后缘涵道风扇组的倾转角，直升机模式时为90°，固定翼飞机模式时为0°， 为第k个翼面后缘涵道风扇组的拉力； 为对应编号的翼面迎角； 分别为机身的升力、阻
力、攻角、俯仰力矩；G为固定翼飞机总体的重力。

[0043] 在针对海上航拍任务的强海风环境，无人机既可以调节涵道拉力，也可以通过调节六组涵道风扇的倾转角快速产生抗风的侧向力，提高对风向时变风干扰的响应速度，抗风能力强，受天气影响更小。

[0044] 本实施例的无人飞行器至少有垂直起飞、巡航和垂直降落三个工作状态。在垂直起飞阶段，该无人飞行器停置于地面，前翼2、中翼4、尾翼6所搭载的涵道动力组中的每一个涵道风扇3都处于铅垂位置，起飞时涵道动力组产生拉力，用于克服飞行器自身重力，实现垂直起飞。当进行飞行模式的转换时，布置于前翼2、尾翼6上的涵道风扇在机翼内倾转机构的作用下绕倾转轴向前转动。在转动过程中，涵道动力组产生拉力的水平分量使该无人飞行器产生加速度。无人飞行器向前加速飞行时，机翼产生一定的升力，与涵道动力组产生拉力的竖直分量共同克服飞行器自身重力。当无人飞行器速度达到最低巡航速度时，涵道风扇均倾转至水平状态，如图1、图2所示，无人飞行器的过渡模式结束，完全转换成巡航模式，涵道动力组产生的拉力抵消飞行器阻力，机翼产生的升力克服无人飞行器自身重力，此时位于机翼后缘位置的涵道风扇通过抽吸机翼上表面的附面层气流提高机翼的气动效率。在巡航模式下，由涵道动力组差动的方式控制无人飞行器的姿态。从巡航状态转换至定点悬停或垂直降落过程与垂直起飞的过程正好相反，涵道风扇在倾转机构的作用下绕倾转轴向后转动。当转换过程结束时，涵道风扇回到铅垂状态，拉力轴线沿竖直方向，用于克服无人飞行器重力实现定点悬停。分布式涵道动力组均处于铅垂状态时，逐渐增大各涵道风扇的功率使无人飞行器逐渐减速并降低高度至触地完成垂直降落。在飞行过程中涵道动力组上的某一涵道风扇发生故障时，该无人飞行器可以通过调节其余各电机的输出功率，使无人飞行器前后、左右两侧的拉力均保持平衡，保证无人飞行器的飞行安全。

[0045] 本实施例的无人飞行器可以在小区域实现起飞降落，可用于恶劣条件货物运载、边远地区救灾、农业灌溉、气候监测、海上巡航等任务。

[0046] 示例性的，本实施例的无人飞行器可以用于构建无人航拍系统。参阅图4，该无人航拍系统包括该无人飞行器（图中简称为无人机）、无线通信模块、影像摄录模块、航拍信息模块、数据存储模块以及控制单元；其中，所述航拍信息模块、无线通信模块和影像摄录模块均设置在所述无人飞行器上；所述控制单元设置于地面站，并通过无线通信模块与所述影像摄录模块及无人飞行器进行信息交互；所述控制单元至少用于控制所述无人飞行器的飞行状态、所述影像摄录模块的工作状态以及对所述影像摄录模块采集的信息（即，影像信息）进行处理，并将处理后的数据存储至数据存储模块；所述航拍信息模块至少用于在所述影像摄录模块工作时记录对应的航拍工作数据（简称“工作信息”），所述航拍工作数据包括航拍时间、无人飞行器的空间位置信息以及无人飞行器的姿态信息。所述控制单元是通过向无人飞行器及影像摄录模块等发送控制指令的方式控制这些功能部分的工作状态。

[0047] 其中，可以在所述无人飞行器的机身内部设置载物舱，并至少将所述航拍信息模块和无线通信模块装载在所述载物舱内，所述影像摄录模块安装于所述机身下部中轴线上。

[0048] 优选的，请再次参阅图2，所述影像摄录模块包括倾斜摄影装置9，所述倾斜摄影装置包括至少一个垂直摄像头和多个倾斜摄像头。示例性的，所述倾斜摄影装置由一个垂直摄像头和四个倾斜摄像头组成。

[0049] 其中，所述无线通信模块可以为Wifi、蓝牙通信模块等。所述数据存储模块可以为硬盘等本领域常用的存储元件。所述控制单元可以是个人计算机或智能手机、平板电脑等智能终端设备。

[0050] 相应地，本实施例还提供了一种无人航拍方法，该方法基于所述无人航拍系统实施，并且该方法包括如下步骤：S1：以控制单元确定航拍任务起始点，并为无人飞行器设计飞行路线。在一些情况下，也可以通过手动控制的方法对无人飞行器进行操纵。

[0051] S2：在无人飞行器到达航拍任务起始点后，使影像摄录模块开始工作并拍摄所需的影像数据，同时航拍信息模块开始记录对应的航拍工作数据，并将所述影像数据及航拍工作数据通过无线通信模块传达至控制单元，再由控制单元处理所述影像数据以及航拍工作数据以获得需要的图像格式。

[0052] 在该步骤中，为获得一选定地点的清晰图像数据，可以使无人飞行器减速并在该选定地点上方悬停，再使无人飞行器垂直下降至设定高度处，然后使影像摄录模块拍摄所需的影像数据，在完成对该选定地点的拍摄任务后，再使无人飞行器垂直上升至原规划高度，并进行后续拍摄任务。

[0053] S3：在航拍任务全部结束后，使影像摄录模块与航拍信息模块停止工作，并使无人飞行器返回规定降落点，并在规定地点垂直降落。

[0054] 以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的保护范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。