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升力翼多旋翼

升力翼多旋翼（英語：lifting-wing multicopter）或叫多軸旋翼機是一種升力翼（翼身融合體）與多旋翼（多軸飛行器）的組合布局，旋翼槳盤平面與升力翼呈固定安裝角度（比如：30-45度左右），在保留多旋翼原本簡潔可靠的結構以及抗風穩定性的同時大幅度提高了前飛效率。獨特的總體布局顯著區別於現有的尾座式和固定翼-多旋翼複合式等常規垂直起降飛行器。目前基本所有的飛行器在絕大部分時間段皆處於多旋翼模態或者固定翼模態，而升力翼多旋翼在絕大部分時間段始終處於多旋翼模態和固定翼模態的混合階段。相比傳統固定翼和固定翼-多旋翼複合式飛行器，升力翼多旋翼的短小機翼和強勁的旋翼，使之具有較強的抗風性能[1]。

北航可靠飛行研究組設計的升力翼多旋翼

發展歷史

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2015年，比利時魯汶大學提出了帶有升力翼結構的混合布局飛行器VertiKUL2，其機翼與旋翼的安裝角為45度以提升抗風性[2]。

北京航空航天大學（北航）可靠飛行控制研究組在2018年正式提出升力翼多旋翼布局[3]，並開始升力翼多旋翼飛行器原型機設計和基本原理性驗證，通過實驗將升力翼與傳統布局多旋翼對比，得出結論：在一定巡航速度範圍內，升力翼的功耗可降低50%左右。

 
升力翼多旋翼原型機

2019年，北航可靠飛行控制研究組開始翼身融合升力翼多旋翼設計[4]，建立了升力翼系統的完整模型，進行了參數分析和設計，並開展了飛行測試，取得了良好效果[5]。

 
北航可靠飛行控制研究組設計的翼身融合升力翼多旋翼

2019年天峋創新設計了帶有升力翼結構的天蝠多旋翼無人機（VesperTilio）[6]。

同年亞馬遜設計了Prime Air（英語：Amazon Prime Air）用於送貨[7]。

2022年北航可靠飛行控制研究組進行了升力翼多旋翼的統一控制器驗證實驗[8]和精確軌跡跟蹤實驗[9]。

主要特點

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升力翼多旋翼與常見混合布局飛行器控制的不同之處在於，它可以從懸停狀態平滑地過渡到高效前飛狀態。在前飛過程中，多旋翼可提供無人機的前飛動力和部分升力，而另一部分升力由升力翼提供。同時，升力翼的優化設計降低了無人機的重心，增強了穩定性，避免尾座式多旋翼無人機降落時由於迎風面過大、重心過高而導致的傾倒危險。正因為升力翼的優點，它的機體設計和飛行控制設計較固定翼-多旋翼複合式飛行器和尾座式多旋翼要複雜，但使用效益要明顯優於後者[10]。

升力翼多旋翼與傳統多旋翼、傾轉旋翼/傾轉機翼混合布局飛行器、多旋翼-固定翼飛行器、尾座式飛行器相比，性能比較折中，是對當前混合布局飛行器的一個補充。

控制原理

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北航可靠飛行控制研究組針對升力翼多旋翼設計了全飛行階段的統一控制器，並且旋翼與升力翼上的副翼協同工作以節省能量。

全飛行階段統一控制。混合布局飛行器一般有三種飛行模式，即懸停，過渡階段和巡航。以傾轉旋翼/傾轉機翼，多旋翼-固定翼飛行器，以尾座式飛行器為例，他們的起飛和降落像多旋翼一樣控制，而在巡航階段則像固定翼一樣控制。

這兩種控制方式差異很大。而且由於模型不確定性和外部干擾存在，過渡階段的飛行控制具有很大的挑戰性。但是對升力翼多旋翼而言，其整個飛行階段都會受到旋翼推力和氣動力作用，所以可以認為升力翼多旋翼的整個飛行階段都處於過渡階段（懸停階段也會考慮氣動力，因為可能會存在風擾動）。不過，幸運的是，升力翼多旋翼只需傾斜一個相對較小的角度，通常小於45度，而不是尾座式飛行器的90度。

協同控制以節省能量。當前混合布局飛行器的過渡飛行時間較短，因此在這個飛行階段不會過於關注能量消耗。然而，考慮到升力翼多旋翼在整個飛行階段都處於過渡狀態，因此採用協同控制來節省能量顯得十分必要。舉例來說，滾轉角可以通過旋翼和舵面控制同時調整，並且更傾向於使用副翼，因為副翼更能夠有效地節省能量。

資料

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  1. ^ Xiao, Kun; Meng, Yao; Dai, Xunhua; Zhang, Haotian; Quan, Quan. A Lifting Wing Fixed on Multirotor UAVs for Long Flight Ranges. IEEE. 2021-06-15. ISBN 978-1-6654-1535-4. doi:10.1109/ICUAS51884.2021.9476859. 
  2. ^ Theys, B.; De Vos, G.; De Schutter, J. A control approach for transitioning VTOL UAVs with continuously varying transition angle and controlled by differential thrust. IEEE. 2016-06. ISBN 978-1-4673-9334-8. doi:10.1109/ICUAS.2016.7502519. 
  3. ^ CN 208165254U,「Wing body fuses many rotor crafts」,發行於2018-11-30 
  4. ^ CN 113830301A,「一種具有控制舵面的升力翼多旋翼飛行器」,發表於2021-12-24 
  5. ^ Zhang, Haotian; Tan, Shaochang; Song, Ziming; Quan, Quan. Performance Evaluation and Design Method of Lifting-Wing Multicopters. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2022-06, 27 (3). ISSN 1083-4435. doi:10.1109/TMECH.2021.3090667. 
  6. ^ 天峋创新亮相2019全球无人机应用及防控大会，两大最新机型全球首发. 無人機網. 2019-05-27 （中文）. 
  7. ^ Wilke, Jeff. A drone program taking flight. 亞馬遜公司. 2019-06-05 [2024-12-05] （英語）. 
  8. ^ Quan, Quan. Lifting-wing Quadcopter Modeling and Unified Control. arXiv:2301.00730  . 
  9. ^ Wang, Shuai. Differential Flatness of Lifting-Wing Quadcopters Subject to Drag and Lift for Accurate Tracking. arXiv:2212.12867  . 
  10. ^ Theys, B.; De Vos, G.; De Schutter, J. A control approach for transitioning VTOL UAVs with continuously varying transition angle and controlled by differential thrust. IEEE. 2016-06. ISBN 978-1-4673-9334-8. doi:10.1109/ICUAS.2016.7502519. 
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