CN110641694A - 一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，主要涉及一种无人机。包括机身、机翼和尾翼；所述机身尾部设有推进螺旋桨；所述机身两侧对称设有前侧起升装置总成，两个所述尾翼撑杆上设有后侧起升装置总成；所述前侧起升装置总成包括减速电机、推杆、连杆、曲柄、摇臂；所述后侧起升装置总成包括第二无刷电机和后侧升力螺旋桨。本发明的有益效果在于：它实现了旋翼折叠摇臂收放的功能，实现四旋翼和固定翼模式飞行；更好的兼具固定翼和直升机的双模态飞行。

Description

一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机

技术领域

本发明涉及一种无人机，具体是一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机。

背景技术

四旋翼无人机具有可垂直起降、可悬停、灵活性好的优势，但飞行速度和续航时间却远不如固定翼，固定翼飞机具有巡航速度髙、航时长的优势，但对起飞着陆对场地要求较高且不能空中悬停执行一些特殊的任务。于是人们为了“鱼和熊掌兼得”想出了各种同时具有垂直起降和高速巡航的飞行器设计方案。按照拉力(推力)的方向和变换方式的不同，目前绝大多数能垂直起降的固定翼飞机设计方案可以分为两大类：推力定向类和推力换向类。推力定向类推力方向固定，推力用于无人机垂直起降或前飞。常规固定翼无人机、无人直升机属于推力定向无人机，二者区别是固定翼无人机推力向前，无人直升机拉力向上，而垂直起降固定翼无人机具有两套推力装置，分别用于垂直起降和前飞。常见的推力定向垂直起降固定翼无人机主要为固定翼/旋翼复合式无人机。固定翼/旋翼复合式垂直起降固定翼无人机是在固定翼无人机平台上附加安装四旋翼***，由四旋翼***提供垂直起降所需升力，平飞时由机翼提供升力，兼具垂直起降性能及高速飞行能力，具有转换过渡稳定平滑、可控性强的特点，技术实现性好。推力换向类无人机通常带有“倾转”机构，垂直起降时推力方向向上，由垂起向平飞过渡时推力方向向前倾转，转入平飞后推力方向向前。常见的推力换向类无人机包括倾转旋翼式、倾转涵道式和倾转机翼式。

各类现有方案的实施方法和优缺点分析简述如下：

方案一：四旋翼固定翼复合型飞机。这种方案直接在固定翼布局的无人机机翼下方吊装四旋翼，结构设计方面相对简单，制造加工成本低，且翼吊载荷在飞机以固定翼模式飞行时还能起到对机翼根部卸载的作用，但这种飞机在以固定翼模式飞行时四个停转的旋翼会干扰机翼上的流场，降低了升力增加了阻力，不利于高速巡航。例如四川腾盾科技公司X-swift无人机：

方案二：倾转四旋翼。这种方案是通过翼尖可偏转旋翼的倾转来实现推力换向，一个典型的代表是中航工业提出的蓝鲸旋翼机。但倾转四旋翼在直升机模态和固定翼模态的空中切换过程中受气流环境影响控制复杂，事故率较高。而且倾转螺旋桨在垂直起降状态时的推重比要大于1，在桨盘面积不能像直升机那样做得很大的情况下，必须采用大功率发动机提高转速，而采用大功率发动机势必造成重量增加，加之倾转机构还要占据一定重量，飞机的有效载荷率不高。前飞时的推重比大概在0.1-0.3之间，发动机需用推力减小了很多，造成动力***功率浪费，加之桨盘迎风面积较大造成的阻力问题使得倾转旋翼的两种模式的总体效率都不高。例如：

方案三：倾转机翼。这种方案在小型无人机上应用较多，它和倾转旋翼机有着类似的缺点，而且用到大型的飞机上时，由于机翼整体倾转需要在翼根处向倾转机翼提供更大的旋转力和扭矩，因此受力情况复杂，还会出现机翼根部连接强度、刚度不够的问题。例如：

方案四：尾座式飞机。这类飞机机身上没有大型的可动部件，结构没有废重且故障率较低，但其在垂直起降时和过渡过程中机头朝上，机身机翼易受到侧风干扰，而且流过无人机舵面的气流速度较小，舵面产生的控制力和控制力矩较小控制稳定性受天气影响变化较大，在平飞转悬停的过程中容易出现事故。例如中航工业的VD200无人机：

方案五：分布式推进***倾转机翼飞机。这类飞机采用分布式电推进***，在垂直起降时由于存在射流引射作用其需用功率与平飞推进时相差不大，动力***输出的推力范围相对较好设计。而且这种飞机由于单个涵道转速不高，总体噪音也相对较小。然而其与倾转机翼有着相同的缺点，控制***还更加不成熟。这种类型的代表有美国极光飞行科学公司的“雷击”无人机：

方案六：复合型直升机。这种设计通过在常规直升机机身两侧安装机翼，通过机翼两侧的矢量推力装置平衡反扭矩，通过特型旋翼的减速、停转与锁定，实现垂直起降模式和平飞模式的转换。但这种飞机在垂直起降模式下，机翼与旋翼发生显著气动干扰现象：机翼影响旋翼入流和尾迹，使得旋翼尾迹在机翼附近产生严重畸变，非定常气动力作用使得旋翼产生高频震荡，***呈现出很强的非线性，控制***较难设计。

现已存在的倾转旋翼机能够实现直升机模态和固定翼模态的空中切换，但切换过程受气流环境影响控制复杂，事故率较高。VTOL型垂直起降固定翼目前有很多产品，但其在以固定翼模式飞行时四个停转的旋翼会产生较大的干扰阻力，同时也会导致机翼升力下降。现有的部分可收放桨叶无人机需要4个摇臂，固定翼模式飞行时废重较大。

在2019年5月的全球无人机应用与防控大会上，发明人考察了9种复合旋翼固定翼无人机，它们有的采用前部螺旋桨倾转，有的采用尾部螺旋桨倾转或者机翼嵌入涵道风扇的设计，种类非常丰富，足见其市场之广。不过尚未发现任何一种具有折叠旋翼设计的无人机，询问多家公司后我发现，由于以固定翼模式飞行时停转的旋翼会产生气动干扰阻力，因而现有无人机的速度上限普遍在70km/h左右，对于地图测绘工作还能胜任，但对于军方需求在海岛作战，能高速巡航的无人机显然是不能满足要求的。

综上，现有技术在解决兼具固定翼和直升机的双模态飞机的问题时都存在着一定缺陷，需要提出新的改进思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，它实现了旋翼折叠摇臂收放的功能，实现四旋翼和固定翼模式飞行；更好的兼具固定翼和直升机的双模态飞行。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，包括机身、机翼和尾翼；所述机身尾部设有推进螺旋桨；所述机翼与尾翼之间通过两个对称设置的尾翼撑杆连接；所述机身两侧对称设有前侧起升装置总成，两个所述尾翼撑杆上设有后侧起升装置总成；所述前侧起升装置总成包括减速电机、推杆、连杆、曲柄、摇臂；所述减速电机设置在机身上，所述减速电机通过螺纹传动方式或者丝杠丝母传动方式实现推杆的水平移动，所述连杆设置在推杆的末端，所述摇臂一端与连杆铰接，所述曲柄一端与机身铰接，所述曲柄另一端与摇臂中段铰接，所述摇臂末端设有第一无刷电机，所述第一无刷电机上连接有前侧升力螺旋桨；所述摇臂上设有螺旋桨定位传感器；所述后侧起升装置总成包括第二无刷电机和后侧升力螺旋桨，所述第二无刷电机驱动后侧升力螺旋桨的转动。

所述减速电机的两侧设有与机身固定连接的侧板，所述侧板上设有前侧导向槽和后侧导向槽，所述前侧导向槽与摇臂的运动轨迹相适应，所述后侧导向槽与曲柄的运动轨迹相适应；所述前侧导向槽两端设有限位开关。

所述螺旋桨定位传感器为红外测距传感器，所述红外测距传感器的感应头部朝上。

所述机身两侧设有与前侧起升装置总成相对应的前侧仓和前侧整流罩舱门，所述尾翼撑杆两侧设有与后侧起升装置总成相适应的后侧仓和后侧整流罩舱门。

所述尾翼包括一个水平尾翼以及水平尾翼两侧的两个垂直尾翼。

所述机身前侧下方设有前起落架，所述机翼下方设有主起落架。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

本装置设置了前侧起升装置总成、后侧起升装置总成和推进螺旋桨；垂直起降时前侧起升装置总成、后侧起升装置总成的螺旋桨工作，向前推进时，前侧起升装置总成折叠收放到前侧仓，并由前侧整流罩舱门封闭，后侧起升装置总成收放到后侧仓，并由后侧整流罩舱门封闭，推进螺旋桨工作。实现了旋翼折叠摇臂收放的功能，实现四旋翼和固定翼模式飞行；更好的兼具固定翼和直升机的双模态飞行。

附图说明

附图1是本发明结构示意图。

附图2是本发明结构示意图。

附图3是本发明结构示意图。

附图4是本发明前侧起升装置总成结构原理示意图。

附图5是本发明前侧起升装置总成结构原理示意图。

附图6是本发明前侧起升装置总成、后侧起升装置总成展开状态示意图。

附图7是本发明前侧起升装置总成、后侧起升装置总成收起状态示意图。

附图8是本发明连杆、曲柄连接处结构示意图。

附图9是本发明螺旋桨定位传感器工作原理流程图。

附图中所示标号：

1、机身；2、机翼；3、尾翼；4、推进螺旋桨；5、尾翼撑杆；6、减速电机；7、推杆；8、连杆；9、曲柄；10、摇臂；11、第一无刷电机；12、前侧升力螺旋桨；13、螺旋桨定位传感器；14、第二无刷电机；15、后侧升力螺旋桨；16、侧板；17、前侧导向槽；18、后侧导向槽；19、限位开关；20、前侧仓；21、前侧整流罩舱门；22、后侧仓；23、后侧整流罩舱门；24、水平尾翼；25、垂直尾翼；26、前起落架；27、主起落架。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

本发明所述是一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，主体结构包括机身1、机翼2和尾翼3；所述机身1尾部设有推进螺旋桨4；所述机翼2与尾翼3之间通过两个对称设置的尾翼撑杆5连接；所述机身1两侧对称设有前侧起升装置总成，两个所述尾翼撑杆5上设有后侧起升装置总成；所述前侧起升装置总成包括减速电机6、推杆7、连杆8、曲柄9、摇臂10；所述减速电机6设置在机身1上，所述减速电机6通过螺纹传动方式或者丝杠丝母传动方式实现推杆7的水平移动，所述连杆8设置在推杆7的末端，所述摇臂10一端与连杆8铰接，所述曲柄9一端与机身1铰接，所述曲柄9另一端与摇臂10中段铰接，所述摇臂10末端设有第一无刷电机11，所述第一无刷电机11上连接有前侧升力螺旋桨12；所述摇臂10上设有螺旋桨定位传感器13；所述后侧起升装置总成包括第二无刷电机14和后侧升力螺旋桨15，所述第二无刷电机14驱动后侧升力螺旋桨15的转动。所述减速电机6的两侧设有与机身1固定连接的侧板16，所述侧板16上设有前侧导向槽17和后侧导向槽18，所述前侧导向槽17与摇臂10的运动轨迹相适应，所述后侧导向槽18与曲柄9的运动轨迹相适应；所述前侧导向槽17两端设有限位开关19。所述螺旋桨定位传感器13为红外测距传感器，所述红外测距传感器的感应头部朝上。所述机身1两侧设有与前侧起升装置总成相对应的前侧仓20和前侧整流罩舱门21，所述尾翼撑杆5两侧设有与后侧起升装置总成相适应的后侧仓22和后侧整流罩舱门23。所述尾翼包括一个水平尾翼24以及水平尾翼24两侧的两个垂直尾翼25。所述机身1前侧下方设有前起落架26，所述机翼2下方设有主起落架27。

本设计具体原理详解：

这架飞机时双尾撑构型，与大多数同类飞机不同的是，机身1两侧设有与前侧起升装置总成相对应的前侧仓20和前侧整流罩舱门21，尾翼撑杆5两侧设有与后侧起升装置总成相适应的后侧仓22和后侧整流罩舱门23，用于收纳前侧升力螺旋桨12、后侧升力螺旋桨15。全机有四个升力螺旋桨，两个前侧升力螺旋桨12固定在可折叠收放的摇臂10末端，两个后侧升力螺旋桨15则固定在后侧仓22中。另有一个推进螺旋桨4固定在机身1尾部，用于驱动飞机平飞。

起飞降落过程：

起飞时四个升力螺旋桨展开，以四旋翼模态垂直升空。起飞后在尾部推进螺旋桨4驱动飞机加速前飞，同时四个升力螺旋桨逐渐减速，当前飞速度足够快，机翼2上产生的升力足够维持平飞时，四个升力螺旋桨停止转动，两个前侧升力螺旋桨12在摇臂10的带动下折叠收回前侧仓20内，两个后侧升力螺旋桨15则锁定到与尾翼撑杆5平行的状态，然后后侧整流罩舱门23关闭将其遮罩。这样无人机便能以更小的阻力进行巡航，有利于增加航速和提升航程。

此外在无人机起飞后，前起落架26向后转动到与机身1平行的状态，两根主起落架27则向机身1转动到端部与机身1尾部接触为止，这样的设计能提高平飞状态时尾撑杆与机身1连接部分的刚度，以达到减小全机振动的目的。

降落时，前部摇臂10展开，后部整流罩舱门打开，四个升力螺旋桨启动，同时尾部推进螺旋桨4停转，飞机平飞速度逐渐减慢最终进入悬停状态，然后起落架打开，无人机以四旋翼模式垂直降落。

机构原理附加说明:

第一、独特的摇臂10收放机构：

这套摇臂10收放机构以推杆7作为主动件，一根推杆7即能驱动两个摇臂10同时收放，且推杆7是螺纹传动或者丝杠丝母传动方式，具有反行程自锁的特点，摇臂10上受到的无规律的气动力不会反传到电机上。最重要的是这套机构能保证旋翼摇臂10在收放的过程中全机重心位置不发生改变。

说明：两块侧板16四周与机身1刚性连接，中间开有上下两个滑槽，即前侧导向槽17和后侧导向槽18，前侧导向槽17作为连杆8的导轨，后侧导向槽18作为曲柄9的导向槽。曲柄9一端铰接在机身1上，另一端与摇臂10中部铰接，中部弯曲成一定角度，可以避免与前侧导向槽17干涉。摇臂10端部固定着第一无刷电机11和前侧升力螺旋桨12，中部与曲柄9铰接，根部与连杆8铰接。连杆8位于机身1中部，受到前侧导向槽17约束，只能在平行机身1轴线方向运动，起运动导向作用，连杆8另一个重要的作用是平衡两侧摇臂10传递来的弯矩，增大机构刚度，使得电机引起的摇臂10振动幅度减小，避免干扰机身1内置的惯性导航元件测量精度。

摇臂10与连杆8的铰接轴比曲柄9与机身1的铰接轴靠外侧一些，这样能消除机构运动中的死点，确保摇臂10收放过程不会出现卡阻的现象。

工作原理：

推杆7作为主动件，由固定在机身1上的减速电机6驱动。推杆7驱动连杆8向前平移，摇臂10收回，由于摇臂10根部向前运动，带有第一无刷电机11和前侧升力螺旋桨12的端部却在向后运动，因此，通过设计曲柄9的长度，可以使得整个折叠过程中机构重心位置不发生改变，从而提高了无人机飞行过程中控制的稳定性。

当推杆7驱动连杆8向后平移时，摇臂10则展开。当摇臂10到达前后极限位置时会触发固定于侧板16上的限位开关19，控制***根据限位开关19反馈的信息使减速电机6停止转动。

优先使用推杆7和减速电机6之间是螺纹传动，螺纹的导程角不大于推杆7和减速电机6之间的摩擦角，因此只能单向传动。这样的传动方式可以保证电机停转后整套折叠机构可以在任意位置锁止，摇臂10上受到的不确定的气动力不会反传到电机上，因此无需为电机持续供电保持力矩，能起到降低能耗的目的。

第二、顺桨结构：

在摇臂10折叠前，需要先使升力螺旋桨方向平行于摇臂10，这样才不会在折叠过程中与机身1发生碰撞而卡阻。在后侧整流罩舱门关闭前，也需要进行顺桨，因此发明人在摇臂10和尾撑杆5上设有螺旋桨定位传感器13，螺旋桨定位传感器13为红外测距传感器。

工作原理：红外测距传感器采用三角测量法，能够避免阳光直射的干扰。测距传感器头部朝上固定在摇臂10上，当检测到桨叶经过其上方是会输出一个低电平给控制器。顺桨程序启动后，由控制***输出信号给电子调速器控制无刷电机单相通电，每0.5s换一次相，使得无刷电机呈步进式转动，当桨叶转动到红外测距传感器上方时，传感器检测到信号反馈给控制***(在本实例中是一块STM32单片机)，控制***通过给电调输入pwm波控制电机停转完成顺桨，工作流程图如附图图9所示。

第三、独特的尾撑杆整流罩舱设计：

这种设计利用了机身1结构的支持，将后部的两个后侧升力螺旋桨15安装在尾翼撑杆5中，只需在尾翼撑杆5上增设后侧仓22和一个轻薄的后侧整流罩舱门23，就能实现该无人机以固定翼模式飞行时后侧升力螺旋桨15收入后侧仓22内的目的，相对于设置两个摇臂10的方案要少很多废重，有利于提高无人机的有效载荷。整流罩舱门是通过舵机实现开闭的。

综上所述，本装置设置了前侧起升装置总成、后侧起升装置总成和推进螺旋桨4；垂直起降时前侧起升装置总成、后侧起升装置总成的螺旋桨工作，向前推进时，前侧起升装置总成折叠收放到前侧仓20，并由前侧整流罩舱门21封闭，后侧起升装置总成收放到后侧仓22，并由后侧整流罩舱门23封闭，推进螺旋桨4工作。实现了旋翼折叠摇臂10收放的功能，实现四旋翼和固定翼模式飞行；更好的兼具固定翼和直升机的双模态飞行。

Claims (6)

1.一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，包括机身(1)、机翼(2)和尾翼(3)；其特征在于：所述机身(1)尾部设有推进螺旋桨(4)；所述机翼(2)与尾翼(3)之间通过两个对称设置的尾翼撑杆(5)连接；

所述机身(1)两侧对称设有前侧起升装置总成，两个所述尾翼撑杆(5)上设有后侧起升装置总成；

所述前侧起升装置总成包括减速电机(6)、推杆(7)、连杆(8)、曲柄(9)、摇臂(10)；所述减速电机(6)设置在机身(1)上，所述减速电机(6)通过螺纹传动方式或者丝杠丝母传动方式实现推杆(7)的水平移动，所述连杆(8)设置在推杆(7)的末端，所述摇臂(10)一端与连杆(8)铰接，所述曲柄(9)一端与机身(1)铰接，所述曲柄(9)另一端与摇臂(10)中段铰接，所述摇臂(10)末端设有第一无刷电机(11)，所述第一无刷电机(11)上连接有前侧升力螺旋桨(12)；所述摇臂(10)上设有螺旋桨定位传感器(13)；

所述后侧起升装置总成包括第二无刷电机(14)和后侧升力螺旋桨(15)，所述第二无刷电机(14)驱动后侧升力螺旋桨(15)的转动。

2.根据权利要求1所述一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述减速电机(6)的两侧设有与机身(1)固定连接的侧板(16)，所述侧板(16)上设有前侧导向槽(17)和后侧导向槽(18)，所述前侧导向槽(17)与摇臂(10)的运动轨迹相适应，所述后侧导向槽(18)与曲柄(9)的运动轨迹相适应；所述前侧导向槽(17)两端设有限位开关(19)。

3.根据权利要求1所述一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述螺旋桨定位传感器(13)为红外测距传感器，所述红外测距传感器的感应头部朝上。

4.根据权利要求1所述一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述机身(1)两侧设有与前侧起升装置总成相对应的前侧仓(20)和前侧整流罩舱门(21)，所述尾翼撑杆(5)两侧设有与后侧起升装置总成相适应的后侧仓(22)和后侧整流罩舱门(23)。

5.根据权利要求1所述一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述尾翼包括一个水平尾翼(24)以及水平尾翼(24)两侧的两个垂直尾翼(25)。

6.根据权利要求1所述一种自动折叠旋翼的垂直起降固定翼无人机，其特征在于：所述机身(1)前侧下方设有前起落架(26)，所述机翼(2)下方设有主起落架(27)。

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