CN105711831B - 垂直起降的固定翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种垂直起降的固定翼无人机，包括机身，在机体上设有前行驱动，在机身的两侧设有机翼，在机身内设有可折叠的机身旋翼；在机身旋翼的两侧设有机身滑板；在机翼内设有多个可折叠的机翼旋翼，机翼旋翼的顶部设有可开合的机翼滑板装置。通过采用以上的结构，具有以下的有益效果：采用前行驱动和机身旋翼与机翼旋翼的组合，便于实现垂直起降与固定翼飞行之间的切换。由此结构的无人机，便于执行任务时随时悬停，以便摄影头能定点观察，同时起飞降落时无需跑道和弹射设备。采用机身旋翼与机翼旋翼的组合，便于控制整个机体的平衡。采用隐藏式的机身旋翼与机翼旋翼，使垂直起降模式与固定翼飞行模式之间没有干涉，无需增大机翼的体积。空气流体举升效率高。

Description

垂直起降的固定翼无人机

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其是一种垂直起降的固定翼无人机。

背景技术

垂直起降的固定翼飞机，这类飞机具有与直升机相似的功能，不需要借助跑道就能垂直起飞和降落，不同的是，这类飞机在空中能够从悬停状态通过动力倾转平飞加速并过渡到固定翼的飞行模式。对于无人机而言，垂直起降的固定翼方案能够使无人机降落在预定位置，完成设定任务后，自动起飞返回，使垂直起降的固定翼无人机具有无可比拟的自动控制优势。

目前，实用的垂直起降固定翼飞机主要是 AV-8 鹞式战斗机、V-22 鱼鹰倾转旋翼飞机、F-35 战机。AV-8 鹞式战机采用的是飞马发动机，在喷气式发动机基础上采用了排气喷管可旋转的推力换向方案，在实际使用中，这型飞机经常出现可靠性问题，也被称为“寡妇飞机”。V-22 鱼鹰式倾转旋翼机是由美国贝尔公司和波音公司联合设计制造的一款倾转旋翼机，也是一款中型运输机。它通过倾转机翼两端翼尖的两个直升机旋翼而实现旋翼在垂直和水平方向之间的转换，从而较完美地将直升机和固定翼飞机的特点融为一体。在垂直起降状态下，两个旋翼拉力方向垂直于地面，利用自动倾斜器保持机体纵向的姿态稳定。V-22 鱼鹰既具有普通直升机垂直起降和空中悬停的能力，又具有涡轮螺旋桨飞机的高速巡航飞行的能力，是一种军民两用的高新技术产品。目前，其主要用于军事需求，并能赋予战场指挥官更多的选择和更大的灵活性。它不需要专门的机场和跑道，维修简单，生存力强，特别适用于进行特种作战，可大大提高军队人员投送，布防，解救人质，灾难救援等行动的速度。

然而，由于 V-22 鱼鹰采用了两个直升机旋翼，在垂直起降模式下，旋翼需要自动倾斜器来控制飞行器姿态的稳定，增加了控制的难度，并且桨叶采用周期变距装置，也增加了成本；且鱼鹰在垂直起降模式下,旋翼滑流正面吹在机翼翼面之上,造成很大的压差阻力损失,并迫使机翼增加结构强度,进而导致飞行器结构重量增加，降低了飞机的性能。

中国专利文献CN 105083550 A公开了一种垂直起降固定翼飞行器，包括机身、尾翼和带有倾转机构的动力装置，所述带有倾转机构的动力装置包括固定桨距螺旋桨、发动机、发动机舱、滑流舵、机翼、倾转机翼和舵机，发动机安装于发动机舱内，固定桨距螺旋桨与发动机的输出轴连接，倾转机翼一端固定连接于发动机舱上，另一端可转动的连接于机翼上，滑流舵活动连接于倾转机翼上，舵机驱动所述滑流舵，所述带有倾转机构的动力装置对称设置于机身两侧，且为机翼水平设置，所述机身头部设有通孔，通孔内设函道风扇。本发明飞行器旋翼和飞行器的尺寸较小，且省去复杂的自动倾斜器和周期变距装置，结构简单，降低了配平的难度和飞行控制***的复杂度，***可靠性高、成本低。

但是对于无人机而言，该结构仍过于复杂，且为达到具有实用性的刚度，对于结构精度和材料刚性要求过高，整体成本较高，且机体平衡难以控制。

现有技术中，也有将旋翼镶嵌在机翼中的方案，该方案中，在机体上设有硕大的机翼，机翼上设有上下贯通的通孔，旋翼设置在通孔内，该方案旋翼占用空间大，机翼的空气流体举升效率不理想，机体也较为笨重。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种垂直起降的固定翼无人机，兼具垂直起降易于远程操作的优点和固定翼便于高速巡航飞行的特点，并且结构简单，易于实现，便于控制机身的平衡。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种垂直起降的固定翼无人机，包括机身，在机身的两侧设有机翼，在机身前方设有前旋翼，在机身内设有可折叠的机身旋翼；在机身旋翼的两侧设有机身滑板；

在机翼内设有多个可折叠的机翼旋翼，机翼旋翼的前方和顶部设有可开合的机翼滑板装置。

所述的机身旋翼和机翼旋翼的结构为：

旋翼片通过销轴与旋翼座以可转动的方式连接，旋翼座与旋翼电机的输出轴固定连接。

所述的机身旋翼在展开时，机身旋翼的旋翼片的运动轨迹延伸到机身两侧的侧壁之外。

机身滑板的结构为，滑板活动安装在机身两侧侧壁上，并能够沿着机身两侧侧壁滑动，滑板内壁固设有齿条，机身滑板电机通过机身滑板传动机构与齿条连接。

在每侧机翼内设有1~4个机翼旋翼，机翼旋翼设置于旋翼仓内，旋翼仓的上侧和前侧开放，底侧、左右两侧和后侧封闭，机翼旋翼固设在旋翼仓的底壁。

当机翼旋翼展开时，机翼旋翼的旋翼片的运动轨迹延伸到旋翼仓前侧之外。

所述的机翼滑板装置包括相对滑动的机翼前滑板和机翼后滑板；

机翼前滑板的两侧位于固设在旋翼仓侧壁的机翼滑板导轨内，机翼前滑板一端与机翼滑板前辊连接，机翼滑板前辊与驱动装置连接，机翼前滑板的另一端设有机翼滑板搭接部；

机翼后滑板的两侧位于固设在旋翼仓侧壁的机翼滑板导轨内，机翼后滑板与机翼滑板后辊连接，机翼滑板后辊与驱动装置连接。

在机翼滑板前辊内设有驱使机翼前滑板关闭的前卷簧；

在机翼滑板后辊内设有驱使机翼后滑板关闭的后卷簧。

在每侧机翼内设有2个机身旋翼，机翼左滑板上设有机翼滑板左齿条，机翼滑板左齿条与机翼滑板左传动机构连接；

机翼右滑板上设有机翼滑板右齿条，机翼滑板右齿条与机翼滑板右传动机构连接；

机翼滑板左传动机构和机翼滑板右传动机构与驱动电机连接。

在旋翼仓的底部设有多个百叶片，多个百叶片沿着旋翼仓底壁前后方向布置，所述的百叶片中，叶片通过百叶销轴与旋翼仓连接，叶片的后部设有叶片搭接部。

本发明提供的一种垂直起降的固定翼无人机，通过采用以上的结构，具有以下的有益效果：

1、采用前行驱动和机身旋翼与机翼旋翼的组合，便于实现垂直起降与固定翼飞行之间的切换，获得垂直起降的便利性和固定翼的飞行速度。由此结构的无人机，便于执行任务时随时悬停，以便摄影头能定点观察，同时起飞降落时无需跑道和弹射设备。

2、采用机身旋翼与机翼旋翼的组合，便于控制整个机体的平衡。

3、采用隐藏式的机身旋翼与机翼旋翼，使垂直起降模式与固定翼飞行模式之间没有干涉，无需增大机翼的体积。空气流体举升效率高。

4、整体结构简洁，易于实现和制造，便于控制，能够降低生产成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中的垂直起降状态时的立体结构示意图。

图2为本发明中的固定翼飞行状态时的立体结构示意图。

图3为本发明中机身滑板的俯视结构示意图。

图4为本发明中机身旋翼和机翼旋翼的俯视结构示意图。

图5为本发明中机翼滑板装置的结构示意图。

图6为图5中A处的局部放大示意图。

图7为本发明中机翼滑板装置的局部结构示意图。

图8为本发明中固定翼飞行状态时的另一立体结构示意图。

图9为本发明中机翼滑板装置的另一结构示意图。

图10为本发明中机翼滑板装置的另一局部结构示意图。

图中：机体1，机身2，机身旋翼3，机身滑板4，滑板41，齿条42，机身滑板电机43，机身滑板传动机构44，机翼5，旋翼仓6，百叶片7，百叶销轴71，叶片72，叶片搭接部73，机翼旋翼8，旋翼片81，销轴82，旋翼座83，旋翼电机84，机翼滑板装置9，机翼前滑板901，机翼后滑板902，机翼滑板导轨903，机翼滑板前辊904，机翼滑板后辊905，前卷簧906，后卷簧907，分断处908，机翼滑板搭接部909，机翼左滑板910，机翼右滑板911，机翼滑板左齿条912，机翼滑板右齿条913，机翼滑板左传动机构914，机翼滑板右传动机构915，前旋翼10。

具体实施方式

本发明中，以机体1的方位进行说明，即以图1为例，机体1的头部为前方，尾部为后方，机体1上部为上方。本发明中的附图均为示意图，为便于观察，省略了部分辅助结构，仅突出与本发明相关的部分结构，为特别注明的部分结构，为现有技术中常用的结构。

如图1、2中，一种垂直起降的固定翼无人机，包括机身2，在机身2的两侧设有机翼5，在机身2前方设有前旋翼10，或者设于机翼下方或前方的旋翼，或者设于机翼下方涡轮发动机。

在机身2内设有可折叠的机身旋翼3；在机身旋翼3的两侧设有机身滑板4；

在机翼5内设有多个可折叠的机翼旋翼8，机翼旋翼8的前方和顶部设有可开合的机翼滑板装置9。由机身旋翼3和机翼旋翼8的组合，使整个机体1获得垂直升降的举升力，而当完成垂直升降到预定高度后，启动前行驱动，然后使机身旋翼3和机翼旋翼8收起，机身滑板4和机翼滑板装置9关闭，即完成从垂直升降到固定翼飞行之间的转换。降落时，开启机身滑板4和机翼滑板装置9，启动机身旋翼3和机翼旋翼8，实现垂直降落。

优选的方案如图4中，所述的机身旋翼3和机翼旋翼8的结构为：

旋翼片81通过销轴82与旋翼座83以可转动的方式连接，旋翼座83与旋翼电机84的输出轴固定连接。当旋翼电机84启动时，旋翼片81在离心力的作用下张开，并获得举升力，当旋翼电机84停止时，旋翼片81在风力的作用下折叠，从而便于收入到机身2内和机翼5的旋翼仓6内。由此结构降低机身旋翼3和机翼旋翼8的空间需求。

优选的方案如图1中，所述的机身旋翼3在展开时，机身旋翼3的旋翼片81的运动轨迹延伸到机身2两侧的侧壁之外。由此结构，使机身旋翼3获得足够的举升力，而所需的空间不大。

优选的方案如图3中，机身滑板4的结构为，滑板41活动安装在机身2两侧侧壁上，并能够沿着机身2两侧侧壁滑动，滑板41内壁固设有齿条42，机身滑板电机43通过机身滑板传动机构44与齿条42连接。本例中的机身滑板传动机构44优选为减速器和齿轮，具体为机身滑板电机43与减速器连接，减速器的输出轴与齿轮固定连接，齿轮与齿条42啮合连接，通过控制机身滑板电机43的正反转，控制滑板41的开合，由滑板41的开合，使机身旋翼3的旋翼片81便于伸展到机身2的侧壁之外，从而获得足够的举升力。

优选的方案如图1~2中，在每侧机翼5内设有1~4个机翼旋翼8，本例中为每侧机翼5内设置2个机翼旋翼8，机翼旋翼8设置于旋翼仓6内，旋翼仓6的上侧和前侧开放，底侧、左右两侧和后侧封闭，机翼旋翼8固设在旋翼仓6的底壁。具体的机翼旋翼8的旋翼电机84固定安装在旋翼仓6的底壁靠近前侧的位置，这样当旋翼电机84带动旋翼片81因旋转而展开时，机翼旋翼8的旋翼片81的运动轨迹延伸到旋翼仓6前侧之外。由此结构，获得较大的举升力，而占用较小的空间，无需将机翼设计成笨重的结构。

可选的方案如图5、7中，所述的机翼滑板装置9包括相对滑动的机翼前滑板901和机翼后滑板902；

机翼前滑板901的两侧位于固设在旋翼仓6侧壁的机翼滑板导轨903内，机翼前滑板901一端与机翼滑板前辊904连接，机翼滑板前辊904与驱动装置连接，进一步优选的方案如图7中，在机翼前滑板901的另一端设有机翼滑板搭接部909；

机翼后滑板902的两侧位于固设在旋翼仓6侧壁的机翼滑板导轨903内，机翼后滑板902与机翼滑板后辊905连接，机翼滑板后辊905与驱动装置连接，本例中的驱动装置为电机和传动机构，电机与传动机构连接，传动机构与机翼滑板后辊905连接，驱动机翼滑板后辊905旋转。机翼滑板前辊904的驱动方式相同。由此结构，机翼滑板前辊904和机翼滑板后辊905驱动机翼前滑板901和机翼后滑板902开合，并在分断处908结合。分断处908选择机翼截面曲线变化较大的位置。本例中，机翼后滑板902的长度大于机翼前滑板901的长度，以便于控制机翼后滑板902和机翼前滑板901的机械强度。本例中，机翼后滑板902和机翼前滑板901采用具有挠性的材质，例如铝镁合金板、钛合金板或者尼龙与钛合金复合板。由于机翼后滑板902和机翼前滑板901的两侧由机翼滑板导轨903支承，因此具有足够的强度，根据需要，还可以在机翼后滑板902和机翼前滑板901的底面设置沿机翼滑板前辊904和机翼滑板后辊905轴线的强化筋。

设置的机翼滑板搭接部909为向上方弯折的一个阶台，使机翼后滑板902与机翼前滑板901之间的搭接更为可靠，同时还增强了机翼前滑板901的强度。

在机翼滑板前辊904内设有驱使机翼前滑板901关闭的前卷簧906；

在机翼滑板后辊905内设有驱使机翼后滑板902关闭的后卷簧907。由此结构，能够快速从垂直升降状态转换到固定翼飞行状态，缩短转换时间，提高机体1的安全性。

另一可选的结构如图8~9中，在每侧机翼5内设有2个机身旋翼3，机翼左滑板910上设有机翼滑板左齿条912，机翼滑板左齿条912与机翼滑板左传动机构914连接；

机翼右滑板911上设有机翼滑板右齿条913，机翼滑板右齿条913与机翼滑板右传动机构915连接；

机翼滑板左传动机构914和机翼滑板右传动机构915与驱动电机连接。由此结构，以左右滑动的方式，开启旋翼仓6的上侧和前侧。适于机翼5空间相对加大的无人机。由于机翼5从翼根至翼尖的厚度逐渐变薄，因此机翼左滑板910与机翼右滑板911在开启旋翼仓6的状态下，能够被上下堆叠的布置。

进一步优选的结构如图10中，通过将机翼滑板左齿条912竖直的设置在机翼左滑板910的端部，机翼滑板右齿条913竖直的设置在靠近机翼右滑板911端部的位置，机翼滑板左齿条912与机翼滑板右齿条913的齿相对布置，由此结构，能够由一个齿轮同时驱动机翼左滑板910和机翼右滑板911动作。

优选的方案如图5、6中，在旋翼仓6的底部设有多个百叶片7，多个百叶片7沿着旋翼仓6底壁前后方向布置，所述的百叶片7中，叶片72通过百叶销轴71与旋翼仓6连接，叶片72的后部设有叶片搭接部73，叶片搭接部73为一个向下弯折的阶台部，以使在前的叶片72搭接在在后的叶片72的端部，形成类似鱼鳞的结构，以减小风阻，并强化结构。百叶片7与百叶销轴71的连接位置位于百叶片7中间靠前的位置，以使在默认状态下，百叶片7处于开启的状态。由此结构，便于在垂直升降状态下使空气从百叶片7处排出，而当转入固定翼飞行模式时，则在风力的作用，各个百叶片7搭接在一起，提供举升力。

使用时，机翼滑板装置9和机身滑板4开启，机身旋翼3和机翼旋翼8旋转，机翼旋翼8产生的风从百叶片7排出，使机体1升起，离开地面一定高度后，前旋翼10启动，使机体1向前飞行，逐渐降低机身旋翼3和机翼旋翼8的转速直至停止，机身旋翼3和机翼旋翼8在风力作用下折叠，关闭机翼滑板装置9和机身滑板4，机体1转入固定翼飞行状态。

降落时，机翼滑板装置9和机身滑板4开启，机身旋翼3和机翼旋翼8旋转，逐渐降低前旋翼10的转速直至停止，机体1进入悬停状态，使整个机体1从固定翼飞行转为垂直升降状态直至降落。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种垂直起降的固定翼无人机，包括机身（2），在机身（2）的两侧设有机翼（5），在机身（2）前方设有前旋翼（10），其特征是：在机身（2）内设有可折叠的机身旋翼（3）；在机身旋翼（3）的两侧设有机身滑板（4）；

在机翼（5）内设有多个可折叠的机翼旋翼（8），机翼旋翼（8）的前方和顶部设有可开合的机翼滑板装置（9）；

所述的机身旋翼（3）和机翼旋翼（8）的结构为：

旋翼片（81）通过销轴（82）与旋翼座（83）以可转动的方式连接，旋翼座（83）与旋翼电机（84）的输出轴固定连接；

在每侧机翼（5）内设有1~4个机翼旋翼（8），机翼旋翼（8）设置于旋翼仓（6）内，旋翼仓（6）的上侧和前侧开放，底侧、左右两侧和后侧封闭，机翼旋翼（8）固设在旋翼仓（6）的底壁；

所述的机翼滑板装置（9）包括相对滑动的机翼前滑板（901）和机翼后滑板（902）；

机翼前滑板（901）的两侧位于固设在旋翼仓（6）侧壁的机翼滑板导轨（903）内，机翼前滑板（901）一端与机翼滑板前辊（904）连接，机翼滑板前辊（904）与驱动装置连接，机翼前滑板（901）的另一端设有机翼滑板搭接部（909）；

机翼后滑板（902）的两侧位于固设在旋翼仓（6）侧壁的机翼滑板导轨（903）内，机翼后滑板（902）与机翼滑板后辊（905）连接，机翼滑板后辊（905）与驱动装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种垂直起降的固定翼无人机，其特征是：所述的机身旋翼（3）在展开时，机身旋翼（3）的旋翼片（81）的运动轨迹延伸到机身（2）两侧的侧壁之外。

3.根据权利要求1所述的一种垂直起降的固定翼无人机，其特征是：机身滑板（4）的结构为，滑板（41）活动安装在机身（2）两侧侧壁上，并能够沿着机身（2）两侧侧壁滑动，滑板（41）内壁固设有齿条（42），机身滑板电机（43）通过机身滑板传动机构（44）与齿条（42）连接。

4.根据权利要求1所述的一种垂直起降的固定翼无人机，其特征是：当机翼旋翼（8）展开时，机翼旋翼（8）的旋翼片（81）的运动轨迹延伸到旋翼仓（6）前侧之外。

5.根据权利要求1所述的一种垂直起降的固定翼无人机，其特征是：在机翼滑板前辊（904）内设有驱使机翼前滑板（901）关闭的前卷簧（906）；

在机翼滑板后辊（905）内设有驱使机翼后滑板（902）关闭的后卷簧（907）。

6.根据权利要求1所述的一种垂直起降的固定翼无人机，其特征是：在每侧机翼（5）内设有2个机身旋翼（3），机翼左滑板（910）上设有机翼滑板左齿条（912），机翼滑板左齿条（912）与机翼滑板左传动机构（914）连接；

机翼右滑板（911）上设有机翼滑板右齿条（913），机翼滑板右齿条（913）与机翼滑板右传动机构（915）连接；

机翼滑板左传动机构（914）和机翼滑板右传动机构（915）与驱动电机连接。

7.根据权利要求1所述的一种垂直起降的固定翼无人机，其特征是：在旋翼仓（6）的底部设有多个百叶片（7），多个百叶片（7）沿着旋翼仓（6）底壁前后方向布置，所述的百叶片（7）中，叶片（72）通过百叶销轴（71）与旋翼仓（6）连接，叶片（72）的后部设有叶片搭接部（73）。