CN114889375A - 水空跨介质折叠翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水空跨介质折叠翼无人机，属于飞行器技术领域。无人机包括：头部段、机身中段和机尾；整体机身采用中空桁架结构；本发明公开的基于鲣鸟及鱼类的流线外形结构设计，采用仿生结构和鸭式布局设计，并将载荷利用率较好的椭圆翼外形与抗失速能力较大的矩形翼外形结合，分别在两端翼尖处对承受载荷较小的部分进行拟椭圆化处理，在气动外形上有效地解决跨介质无人机在变体时气动力突变及重心位置变化导致的操纵不稳定性与控制稳定性的设计目标之间的矛盾，进而提升了两栖活动的稳定性。

Description

水空跨介质折叠翼无人机

技术领域

本发明涉及一种水空跨介质折叠翼无人机，属于飞行器技术领域。

背景技术

跨介质折叠翼无人机是一种可以受控地自主实现水-空过渡及空-水过渡的无人机，其在遇到危险状况时，可以迅速入水，更为隐蔽安全。海上作战时，在无人机头部配备战斗部，则可以兼备巡航导弹机动性强、速度快和鱼雷隐蔽性好的特点。

目前相关无人机设计的特点是仿生，多采用扑翼式的机翼设计，不够灵活。且其机翼的结构强度低，不能适应多发的意外情况；结构上，由于在水下航行时水会对航行物产生浮力，导致航行物不得不采用增加自身重量的方式克服浮力顺利下沉，导致徒增额外无用的负载，或将自身体积降低使浮力降低，但这导致无人机无法携带更多的有效载荷，失去应用的价值；在动力配置上，许多设计依旧采用单一动力，如只有单一电机提供推力或拉力，导致水下移动速度过慢。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法满足使用需求的问题，提供一种水空跨介质折叠翼无人机；该无人机中空，机翼向后折叠快速入水；双动力***；承载设备；

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种水空跨介质折叠翼无人机，包括：头部段、机身中段和机尾；整体机身采用中空桁架结构；

所述头部段包括：可折叠螺旋桨、电机、电调、第一舵机、鸭翼、供电设备和电控设备置于防水盒中；电调将供电设备的直流电转换成交流电，用于驱动电机；电机带动可折叠螺旋桨提供拉力，提供空中飞行动力；第一舵机用于控制鸭翼的偏转，进而达到姿态控制的目的；电控设备用于整机控制；

所述机身中段包括：机翼和两机翼中间的变形机构；所述变形机构位于头部段和机尾段之间，用于控制机翼展开与折叠；

所述变形机构包括：变形机构底座、中心块、机翼支撑杆和第二舵机；变形机构底座固定在机身上；所述机翼支撑杆分别与机翼和中心块活动连接；所述第二舵机用于为变形段的变形活动提供动力；

所述变形机构底座包括：转轴连接杆、大转杆限位机构和变形驱动杆；转轴连接杆为两端粗，中段细的结构，用于连接中心块；大转杆限位机构为扇形结构，用于对大转杆进行限位，进而实现机翼的折叠；变形驱动杆是由大转杆和组合万向节构成；万向节对称布置在大转杆两侧；所述大转杆沿着大转杆限位机构滑动；万向节用于连接机翼支撑杆；

所述中心块为圆形结构；

机翼为双层结构，上层是泡沫板下层是3D打印件(光敏树脂)；

所述机尾为中空结构，第三舵机用于控制尾翼舵面的偏转；泵喷置于机尾靠近机身中段处，用于提供水下动力；

一种水空跨介质折叠翼无人机工作过程：

步骤一、无人机平飞阶段，以定速定攻角进行巡航

步骤二、无人机在进行“空-水”过渡时机体以负攻角姿态进行俯冲，同时机翼折叠。折叠过程如下：

从外部观看，无人机在空中入水时，主翼绕Y轴逆时针旋转至机翼弦线与X轴垂直后，再绕Z轴逆时针旋转直至机翼紧贴机身，完成“空-水”整机姿态转换，从内部看，舵机通过球头扣拉杆带动中心块转动，中心块再带动变形驱动杆转动。在中心块上滑槽和大转杆的运动限制下，变形驱动杆将机翼支撑杆拉向中心块。第一机翼支撑杆向中心块合拢的同时会拉动第二机翼支撑杆，带动机翼向下运动，实现机翼收缩。机翼的展开过程则为收缩过程的逆过程。同时尾舵和鸭翼对整机的姿态稳定性稳定性进行控制，当无人机在姿态转换时使机体俯仰角速度大于5m/s时，尾舵偏转产生气动力矩，降低俯仰角速度，保持整机姿态稳定；鸭翼攻角增大，提高姿态控制响应速度。入水过程中，入水孔进水，水流进机体内，加速机体下沉，同时水下动力泵喷开始工作。

步骤三、无人机水下潜航时，由泵喷提供动力，机翼保持折叠状态，由尾翼和鸭翼共同作用控制无人机姿态的稳定；

步骤四、无人机“水-空”过渡时，外部看机翼绕y轴顺时针旋转至机翼弦线与X轴平行，机翼再X轴旋转至机翼平展，内部机构运动过程为上述“空-水”逆过程；过渡同时，尾舵负方向偏转产生抬头力矩，并通过偏转鸭翼防止机体滚转，水下动力泵喷油门值增至最大，使无人机以大攻角姿态出水。

有益效果：

(1)本发明公开的基于鲣鸟及鱼类的流线外形结构设计，采用仿生结构和鸭式布局设计，并将载荷利用率较好的椭圆翼外形与抗失速能力较大的矩形翼外形结合，分别在两端翼尖处对承受载荷较小的部分进行拟椭圆化处理，在气动外形上有效地解决跨介质无人机在变体时气动力突变及重心位置变化导致的操纵不稳定性与控制稳定性的设计目标之间的矛盾，进而提升了两栖活动的稳定性。

(2)本发明公开的舵机连杆联动的飞行器变形机构设计，通过结构较强的连杆机构保证了飞行的平稳性，具有易装配，机构紧凑，传动和变形效率高的优点。

(3)本发明公开的机体进水下沉结构设计，将机身、机翼、尾翼均做成中空互通的壳体，并设计进水、出水口。在潜航状态下，水流由进水口流入机身，经泵喷加速后从机尾的出水口喷出；在出水起飞时，无人机以大仰角的姿态起飞，从出水口排出机身里的水，并设计了排水管用于导流，满足两种介质对飞机重量的要求，并有效减小了无人机体积。

(4)传统的单一动力***存在水下移动速度过慢的问题，本发明公开的“空中-水下双动力***”，采用桨叶可折叠螺旋搭配电机和泵喷作为整机的动力***，在空中的时候由高转速的可折叠式螺旋桨与电机提供动力，在水下的时候由双泵喷进行推进，相比单一电机提供推力或拉力的方案，有效提升了水下移动速度。

附图说明

图1为本发明水空跨介质折叠翼无人机的机头段外部结构示意图；

图2为本发明水空跨介质折叠翼无人机的机头段内部结构示意图；

图3为本发明水空跨介质折叠翼无人机的变形机构内部结构示意图；

图4为本发明水空跨介质折叠翼无人机的变形机构外部结构示意图；

图5为本发明水空跨介质折叠翼无人机的机尾段结构示意图；

图6为本发明水空跨介质折叠翼无人机的空中水下动力示意图；

图7为本发明水空跨介质折叠翼无人机的机翼示意图；

图8为本发明水空跨介质折叠翼无人机的机翼折叠示意图；

图9为本发明水空跨介质折叠翼无人机的机翼展开示意图；

图10为本发明水空跨介质折叠翼无人机的无人机工作示意图；

图11为本发明水空跨介质折叠翼无人机的机尾段结构补充示意图；

其中，1—可折叠旋翼、2—鸭翼、3—机头段蒙板外壳、4—整流罩、5—电机、6—空中电调、7—第一舵机、8—电控设备(飞控板)、9—电池、10—电控设备(接收机)、11—防水盒、12—变形驱动杆、13—组合万向节、14—变形机构底座、15—中心块支撑座、16—第二舵机、17—中心快支撑座、18—机翼(主翼)、19—4mm碳管、20—舵机拉杆、21—中心块连杆、22—中心块、23—T型杆(变形驱动杆)、24—机翼支撑杆、24a—第二机翼支撑杆、24b—第一机翼支撑杆、25—第三舵机、26—泵喷、26a—进水口、27—垂尾、28—机尾段蒙板外壳、29—泵喷固定件、30—平尾、31—空中动力装置(电机)、32—水中动力装置(双泵喷)、33—机翼舵机、34—副翼、35—主翼、36—中心块连接件、37—大转杆。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图8、图9所示，本实例公开了水空跨介质折叠翼无人机的折叠与展开的姿态，包括了图1图2机头段结构、图3图4变形段结构、图5机尾段结构和图7机翼结构。。

如图1所示，鸭翼2的主轴与机头蒙板骨架3的侧板上的小孔形成同轴配合，在内部与蒙板骨架3的固定件形成固定，由舵机7进行驱动。整流罩4则通过与蒙板骨架形成的榫卯结构进行配合，通过胶水进行固定。

如图2所示，可折叠旋翼5与电机31通过螺钉进行固定，而电机31则与蒙板骨架3所形成的圆孔式结构形成配合，并用胶水进行固定；电调6则与蒙板骨架3所固定的连接件形成外形配合并用胶水进行完全固定，其中左侧电调由上向下安装，右侧电调从右向左***后用胶水进行固定。舵机7同样与蒙板骨架3形成形状配合，如图2所示从右向左***后用胶水进行固定。电控设备8、9、10则从防水盒11的开口处放入，依靠防水盒11内的配合结构进行固定，上盖后防水盒11盖子处用防水胶进行密封，同时其四周开插电处在连接电路后用防水胶进行密封，防水盒11由右往左放入蒙板骨架3内部，其中左侧与碳板紧贴，用胶水固定，底部与骨架3的配合结构由胶水进行固定。

如图3图4所示，中心块支撑座15通过与4mm碳管19、机头段蒙板骨架3、机尾段蒙板骨架28形成配合，并由胶水进行固定。变形机构底座14则由底部与中心块支撑座15形成的榫卯结构形成配合，并由胶水进行固定。舵机16则与中心块支撑座15通过螺栓结构进行固定。舵机16通过球头扣拉杆21带动中心块22转动，其中舵机拉杆20与球头扣拉杆21在端孔形成同轴配合，球头扣拉杆21与中心块22通过孔状结构形成同轴配合。中心块22再带动变形驱动杆12转动。其中中心块连接件36与两侧的中心块22通过插孔结构形成配合，并由胶水进行固定，组合万向节13中部凹槽处与大转杆37用胶水固定，大转杆37则与变形机构底座14左侧的扇型结构的圆心形成同轴配合。在中心块22上滑槽和变形机构底座14的运动限制下，变形驱动杆12将机翼支撑杆24拉向中心块。第一机翼支撑杆24b向中心块合拢的同时会拉动第二机翼支撑杆24a，带动机翼18向下运动，实现机翼18收缩。其中机翼支撑杆24之间，以及其与中心块22以及机翼18上的突起配合结构分别形成同轴配合，用不锈钢光轴进行固定。

如图5所示，舵机25与机尾蒙板骨架28的连接件形成配合，左侧一个控制垂尾27舵面的舵机25自下向上***后由胶水进行固定，右侧两个控制平尾30舵面的舵机25底部对底部对称放置，由右向左***连接件，用胶水固定。泵喷26由泵喷固定件29用螺钉固定在机尾蒙板骨架28上。垂尾27和平尾30则通过蒙板骨架28的特殊开孔以及自身对骨架的开槽形成配合，并由胶水进行固定。以下是水空跨介质折叠翼无人机的折叠与展开步骤。

步骤一、无人机平飞阶段，以定速定攻角进行巡航；

步骤二、无人机在进行“空-水”过渡时机体以负攻角姿态进行俯冲，同时机翼18折叠；折叠过程如下：

如图8所示，从外部观看，无人机在空中入水时，主翼18绕Y轴逆时针旋转至机翼弦线与X轴垂直后，再绕Z轴逆时针旋转直至机翼紧贴机身，完成“空-水”整机姿态转换，从内部看，舵机16通过球头扣拉杆21带动中心块22转动，中心块22再带动变形驱动杆12转动；在中心块22上滑槽和大转杆37的运动限制下，变形驱动杆12将机翼18支撑杆24拉向中心块；第一机翼支撑杆24b向中心块合拢的同时会拉动第二机翼支撑杆24a，带动机翼向下运动，实现机翼18收缩；机翼18的展开过程则为收缩过程的逆过程；同时尾舵30和鸭翼2对整机的姿态稳定性稳定性进行控制，当无人机在姿态转换时使机体俯仰角速度大于5m/s时，尾舵30偏转产生气动力矩，降低俯仰角速度，保持整机姿态稳定；鸭翼2攻角增大，提高姿态控制响应速度；入水过程中，入水孔进水，水流进机体内，加速机体下沉，同时水下动力泵喷26开始工作；

步骤三、如图6所示，无人机水下潜航时，由泵喷26提供动力，机翼18保持折叠状态，由尾翼30和鸭翼2共同作用控制无人机姿态的稳定；

步骤四、如图9所示，无人机“水-空”过渡时，外部看机翼18绕y轴顺时针旋转至机翼弦线与X轴平行，机翼再X轴旋转至机翼平展，内部机构运动过程为上述“空-水”逆过程；过渡同时，尾舵30负方向偏转产生抬头力矩，并通过偏转鸭翼2防止机体滚转，水下动力泵喷26油门值增至最大，使无人机以大攻角姿态出水。

综上的整体变形过程如图10所示

实施例2：

如图6所示，双泵喷32的进水口与机尾蒙板骨架28上的进水口26a形成位置配合，双泵喷32的出水口则与机尾蒙板骨架28右上和右下的碳板上的圆孔形成同轴配合。

在潜航状态下，水流由进水口26a，如图11所示，流入机身，经泵喷30加速后从机尾的出水口喷出；在出水起飞时，无人机以大仰角的姿态起飞，从出水口排出机身里的水，并设计了排水管用于导流，满足两种介质对飞机重量的要求，并有效减小了无人机体积，对比其他跨介质无人机，本发明在保证体积的约束同时保证的装载的能力。

实施例3：

如图6所示，空中-水下双动力***”是采用可折叠螺旋桨叶5搭配电机31和泵喷26作为整机的动力***，在空中的时候由高转速的可折叠式螺旋桨5与电机31提供动力；在无人机入水时，电机31停转，动力切换至泵喷26，在水下的时候由双泵喷32进行推进。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水空跨介质折叠翼无人机，其特征在于：包括：头部段、机身中段和机尾；

所述头部段包括：可折叠螺旋桨、电机、电调、第一舵机、鸭翼、供电设备和电控设备置于防水盒中；电调将供电设备的直流电转换成交流电，用于驱动电机；电机带动可折叠螺旋桨提供拉力，提供空中飞行动力；第一舵机用于控制鸭翼的偏转，进而达到姿态控制的目的；电控设备用于整机控制；

所述机身中段包括：机翼和两机翼中间的变形机构；所述变形机构位于头部段和机尾段之间，用于控制机翼展开与折叠；

所述机尾为中空结构，第三舵机用于控制尾翼舵面的偏转；泵喷置于机尾靠近机身中段处，用于提供水下动力。

2.如权利要求1所述一种水空跨介质折叠翼无人机，其特征在于：整体机身采用中空桁架结构。

3.如权利要求1所述一种水空跨介质折叠翼无人机，其特征在于：所述变形机构包括：变形机构底座、中心块、第一和第二机翼支撑杆、球头扣拉杆和第二舵机；变形机构底座固定在机身上；所述机翼支撑杆分别与机翼和中心块活动连接；所述第二舵机用于为变形段的变形活动提供动力；

所述变形机构底座包括：转轴连接杆、大转杆限位机构和变形驱动杆；转轴连接杆为两端粗，中段细的结构，用于连接中心块；大转杆限位机构为扇形结构，用于对大转杆进行限位，进而实现机翼的折叠；变形驱动杆是由大转杆和组合万向节构成；万向节对称布置在大转杆两侧；所述大转杆沿着大转杆限位机构滑动；万向节用于连接第一和第二机翼支撑杆；

所述中心块为圆形结构。

4.如权利要求3所述一种水空跨介质折叠翼无人机，其特征在于：所述变形机构包括：机翼为双层结构，上层为泡沫板，下层是光敏树脂3D打印件而成。

5.如权利要求1所述一种水空跨介质折叠翼无人机，其特征在于：所述机尾上开设有入水口。

6.如权利要求1至5任意一项所述水空跨介质折叠翼无人机，其特征在于：工作过程：

步骤一、无人机平飞阶段，以定速定攻角进行巡航；

步骤二、无人机在进行“空-水”过渡时机体以负攻角姿态进行俯冲，同时机翼折叠；折叠过程如下：

从外部观看，无人机在空中入水时，主翼绕Y轴逆时针旋转至机翼弦线与X轴垂直后，再绕Z轴逆时针旋转直至机翼紧贴机身，完成“空-水”整机姿态转换，从内部看，舵机通过球头扣拉杆带动中心块转动，中心块再带动变形驱动杆转动；在中心块上滑槽和大转杆的运动限制下，变形驱动杆将机翼支撑杆拉向中心块；第一机翼支撑杆向中心块合拢的同时会拉动第二机翼支撑杆，带动机翼向下运动，实现机翼收缩；机翼的展开过程则为收缩过程的逆过程；同时尾舵和鸭翼对整机的姿态稳定性稳定性进行控制，当无人机在姿态转换时使机体俯仰角速度大于5m/s时，尾舵偏转产生气动力矩，降低俯仰角速度，保持整机姿态稳定；鸭翼攻角增大，提高姿态控制响应速度；入水过程中，入水孔进水，水流进机体内，加速机体下沉，同时水下动力泵喷开始工作；

步骤三、无人机水下潜航时，由泵喷提供动力，机翼保持折叠状态，由尾翼和鸭翼共同作用控制无人机姿态的稳定；

步骤四、无人机“水-空”过渡时，外部看机翼绕y轴顺时针旋转至机翼弦线与X轴平行，机翼再X轴旋转至机翼平展，内部机构运动过程为上述“空-水”逆过程；过渡同时，尾舵负方向偏转产生抬头力矩，并通过偏转鸭翼防止机体滚转，水下动力泵喷油门值增至最大，使无人机以大攻角姿态出水。

Images