CN106143893A - 一种新型自适应飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机结构设计技术领域，具体涉及一种摆线桨和螺旋桨协同工作的新型自适应无人飞行器。大椭圆框架可通过转动轴绕小椭圆框架进行360度自由旋转；两个螺旋桨位于大椭圆框架外部且对称分布，两个摆线桨位于小椭圆框架的内部，共轴且旋转方向相反；能源装置位于小椭圆框架的内部对称分布；小椭圆框架上均布有四个支架系统可以进行收放运动；子控制系统位于小椭圆框架的内部对称分布，每个子控制系统控制一个螺旋桨以及一个摆线桨的转速及转向，同时还控制相邻的两个支架系统的收放运动，每个子控制系统还控制相邻旋转轴，使大椭圆框架可以在旋转轴作用下绕小椭圆框架自由旋转。本发明机动性好、可靠性高、巡航时间长。

Description

一种新型自适应飞行器

技术领域

本发明属于无人机结构设计技术领域，具体涉及一种摆线桨和螺旋桨协同工作的新型自适应无人飞行器。

背景技术

无人驾驶机是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人的飞行器。它的研制成功和战场运用揭开了以远距离攻击型智能化武器、信息化武器为主导的非接触性战争的新篇章。与载人飞行器相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点，因此，世界各主要军事国家都在加紧进行无人驾驶飞行器的研制工作。与此同时，机体微型化、综合集成化和机体隐身化将是无人驾驶飞行器的重要发展方向。微小型无人驾驶飞行器有着常规的无人驾驶飞行器所不具有的优点：目标小，噪音低，雷达可视信号弱，高度灵活性，能侦查卫星和侦察机不能探测的死角等。国内对微小型无人飞行器的研究成果主要分为三类：旋翼型、固定翼型、扑翼型。

与常规的微小型无人飞行器不同，本发明在已有的研究基础之上采用摆线桨与螺旋桨的合理配合来对飞行器进行控制。早在100年前，就有人提出了摆线桨飞行器的概念，所谓摆线型螺旋桨，是指将几个叶片安装在一个旋转的圆柱形框架的边缘，当每个叶片在空中运动起来时，将会产生升力和推力。摆线桨具有如下优点：1、可按需要产生360度的全矢量推力，而且瞬时可变；2、摆线桨比常规螺旋桨和涡轮发动机有更高的推力水平；3、推力垂直于螺旋桨转动轴线，当改变推力矢量的方向时摆线桨飞机物理位置不会改变；4、推力随着前飞速度的增加而增加，在速度为111.12km/h的时候达到最大，在巡航速度下耗油量小，这样就会加大航程；5、摆线桨不管以多大功率转动，噪音都非常低；6、摆线桨有很多种安装方法，它可以替代常规飞机平尾、方向舵和升降舵的作用；7、由于摆线桨的出现，飞机整体的机动性将大大提高，可能会出现一种新的姿态机动领域，它可以作为飞行器的姿态控制器。考虑到摆线桨叶片运动的复杂性，目前国际上尚没有成熟的分析理论，研究仍处于探索阶段。国外已经对摆线桨技术进行了半个多世纪的研究，但是由于摆线桨叶片运动时，叶片间存在强烈干扰，流场非常复杂，再加上控制机构和飞行稳定性等原因，世界上一直没有关于此类飞行器的可控飞行的记录。直到2011年我国首届大学生国际无人飞行器创新大赛上西工大本科生研制出风火轮滚翼机之后才标志着此类飞行器首次实现遥控飞行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、可靠性高、可实现性以及实用性高的新型自适应飞行器。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种新型自适应飞行器，包括机身、动力装置、能源装置、控制系统、支架系统；所述的机身包括大椭圆框架和小椭圆框架，大椭圆框架可通过转动轴绕小椭圆框架进行360度自由旋转；所述的动力装置由两个摆线桨和两个螺旋桨组成，两个螺旋桨位于大椭圆框架外部且对称分布，两个摆线桨位于小椭圆框架的内部，两个摆线桨共轴且旋转方向相反；所述的能源装置位于小椭圆框架的内部对称分布；小椭圆框架上均布有四个支架系统可以进行收放运动；所述的控制系统包括两个子控制系统，子控制系统位于小椭圆框架的内部对称分布，每个子控制系统控制一个螺旋桨以及一个摆线桨的转速及转向，同时还控制相邻的两个支架系统的收放运动，每个子控制系统还控制相邻旋转轴，使大椭圆框架可以在旋转轴作用下绕小椭圆框架自由旋转。

所述的螺旋桨包括三叶桨以及小型发动机，三叶桨与小型发动机连接，小型发动机通过固定支架固定在大椭圆框架两侧。

所述的摆线桨包括叶片、偏心轮、控制杆、叶片驱动杆、驱动轴，驱动轴与叶片驱动杆连接，叶片驱动杆与叶片连接，驱动轴还与偏心轮连接，偏心轮与控制杆连接，控制杆与叶片连接，驱动轴与小椭圆框架连接，两个摆线桨的驱动轴共轴且旋转方向相反；两个摆线桨由驱动轴带动叶片驱动杆，最叶片驱动杆带动叶片进行相应的旋转运动，同时驱动轴带动偏心轮运动，偏心轮带动控制杆运动，控制杆带动叶片，进而改变叶片的迎角值。

所述的能源装置由两个氢燃料电池组成。

所述的支架系统包括联动轴、轻质金属杆以及弹性橡胶球，小椭圆框架上均布有四个联动轴，联动轴与轻质金属杆连接，轻质金属杆下部设置有弹性橡胶球；当该飞行器位于地面时，支架系统放下，当该飞行器运动时，支架收入小椭圆框架的内部。

当飞行器垂直起飞时，子控制系统控制转动轴，大椭圆框架在转动轴的作用下和小椭圆框架处于同一水平面内，在子控制系统的作用下，相应的摆线桨进行不同方向的同速转动，飞行器进行垂直起飞，离地之后，在两个子控制系统的作用下，支架系统收入小椭圆框架内；飞行器降落时，在两个子控制系统的作用下，支架系统放下，同时摆线桨转速降低，飞行器缓缓飘落。

当飞行器进行偏转时，两个子控制系统分别控制相应的摆线桨进行不同方向的差速转动，机身受到扭矩的作用发生翻转，飞行器到达预定方向之后，子控制系统将控制两个摆线桨做同速转动，产生的扭矩相互抵消使飞行器按预定方向飞行。

当飞行器处于巡航状态时，子控制系统控制旋转轴，旋转轴带动大椭圆框架旋转，使其所在平面和小椭圆框架所在平面呈90度分布，此时飞行器拥有最大推力。

当飞行器的爬升和俯冲时，子控制系统控制旋转轴，旋转轴带动大椭圆框架旋转，使其所在平面和小椭圆框架平面夹角在0度到90度之间，螺旋桨将提供水平方向的推力和竖直方向的部分升力。

本发明所取得的有益效果为：

(1)本发明采用摆线桨和螺旋桨组合形式，噪音小、能提供较大的升力和推力；(2)本发明结构简单、体积小、质量轻；(3)本发明机动性好、可靠性高、巡航时间长。

附图说明

图1为本次发明的新型飞行器的总体结构示意图；

图2为本次发明的新型飞行器的摆线桨结构示意图；

图中：1、联动轴；2、弹性橡胶球；3、大椭圆框架；4、驱动轴；5、小椭圆框架；6、子控制系统；7、转动轴；8、小型发动机；9、三叶桨；10、氢燃料电池；11、轻质金属杆；12、叶片；13、固定支架；14、控制杆；15、偏心轮；16、叶片驱动杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明所述新型自适应飞行器包括机身、动力装置、能源装置、控制系统、支架系统。所述的机身包括大椭圆框架3和小椭圆框架5，且大椭圆框架3可通过转动轴7绕小椭圆框架5进行360度自由旋转。

所述的动力装置由两个摆线桨和两个螺旋桨组成。两个螺旋桨位于大椭圆框架3外部，且对称分布。螺旋桨包括三叶桨9以及小型发动机8，三叶桨9与小型发动机8连接，小型发动机8通过固定支架13固定在大椭圆框架3两侧。摆线桨位于小椭圆框架5的内部，摆线桨包括叶片12、偏心轮15、控制杆14、叶片驱动杆16、驱动轴4，驱动轴4与叶片驱动杆16连接，叶片驱动杆16与叶片12连接，驱动轴4还与偏心轮15连接，偏心轮15与控制杆14连接，控制杆14与叶片12连接，驱动轴4与小椭圆框架5连接，两个摆线桨的驱动轴4共轴且旋转方向相反。两个摆线桨首先由驱动轴4带动叶片驱动杆16，最后叶片驱动杆16带动叶片12进行相应的旋转运动，同时驱动轴4带动偏心轮15运动，偏心轮15带动控制杆14运动，控制杆14带动叶片12，进而改变叶片12的迎角值，故所述的摆线桨时刻进行变化攻角的旋转运动，以达到较大的升力的目的。

所述的能源装置由两个氢燃料电池10组成，它们是整个飞行器的动力来源，能源装置位于小椭圆框架5的内部，对称分布。

所述的支架系统包括联动轴1、轻质金属杆11以及弹性橡胶球2，小椭圆框架5上均布有四个联动轴1，联动轴1与轻质金属杆11连接，轻质金属杆11下部设置有弹性橡胶球2。在飞行器降落时，弹性橡胶球2起到一定的缓冲作用，从而减小撞击对内部设备的影响。支架系统可以进行收放运动，当该飞行器位于地面时，由轻质金属杆11以及弹性橡胶球组成的支架放下起到支撑机身的作用，当该飞行器运动时，支架收入小椭圆框架5的内部。

所述的控制系统包括两个子控制系统6，子控制系统6位于小椭圆框架5的内部，成对称分布。每个子控制系统6控制一个螺旋桨以及一个摆线桨的转速及转向，同时还控制相邻的两个支架系统的收放运动，另外每个子控制系统6还控制相邻旋转轴7，使大椭圆框架3可以在旋转轴7作用下绕小椭圆框架5自由旋转。每个摆线桨的驱动轴4共轴且转动方向相反，进而防止两个摆线桨因旋转方向不同产生的扭矩造成飞行器的翻转。

工作原理及过程：

当飞行器垂直起飞时，子控制系统6控制转动轴7，大椭圆框架3在转动轴7的作用下和小椭圆框架5处于同一水平面内，在子控制系统6的作用下，每个驱动轴4带动相应的摆线桨进行不同方向的同速转动，因为转速相同，所以两个摆线桨转动产生的扭矩相互抵消，从而使得飞行器进行垂直起飞，离地之后，在两个子控制系统6的作用下，支架系统通过联动轴1作用使由轻质金属杆11以及弹性橡胶球2构成的支架收入小椭圆框架5内。飞行器降落时，在两个子控制系统6的作用下，支架系统通过联动轴1使由轻质金属杆11以及弹性橡胶球2构成的支架放下，同时摆线桨转速降低，飞行器缓缓飘落，着陆时弹性橡胶球2具有一定的缓冲作用，从而增加了该新型飞行器的可靠性。

当飞行器进行偏转时，两个子控制系统6分别控制两个驱动轴4，每个驱动轴4带动相应的摆线桨进行不同方向的差速转动，因两个摆线桨因旋转产生的扭矩无法抵消，故机身将受到一个扭矩的作用，该扭矩使飞行器发生翻转，飞行器到达预定方向之后，子控制系统6将控制两个摆线桨做同速转动，使产生的扭矩相互抵消，最终使飞行器按预定方向飞行。

当飞行器处于巡航状态时，子控制系统6控制旋转轴7，旋转轴7带动大椭圆框架3旋转，使其所在平面和小椭圆框架5所在平面呈90度分布，此时飞行器可拥有最大推力；

当飞行器的爬升和俯冲时，子控制系统6控制旋转轴7，旋转轴7带动大椭圆框架3旋转，使其所在平面和小椭圆框架5平面夹角在0度到90度之间，螺旋桨将提供水平方向的推力和竖直方向的部分升力已达到飞行姿态要求。

Claims (9)

1.一种新型自适应飞行器，其特征在于：包括机身、动力装置、能源装置、控制系统、支架系统；所述的机身包括大椭圆框架(3)和小椭圆框架(5)，大椭圆框架(3)可通过转动轴(7)绕小椭圆框架(5)进行360度自由旋转；所述的动力装置由两个摆线桨和两个螺旋桨组成，两个螺旋桨位于大椭圆框架(3)外部且对称分布，两个摆线桨位于小椭圆框架(5)的内部，两个摆线桨共轴且旋转方向相反；所述的能源装置位于小椭圆框架(5)的内部对称分布；小椭圆框架(5)上均布有四个支架系统可以进行收放运动；所述的控制系统包括两个子控制系统(6)，子控制系统(6)位于小椭圆框架(5)的内部对称分布，每个子控制系统(6)控制一个螺旋桨以及一个摆线桨的转速及转向，同时还控制相邻的两个支架系统的收放运动，每个子控制系统(6)还控制相邻旋转轴(7)，使大椭圆框架(3)可以在旋转轴(7)作用下绕小椭圆框架(5)自由旋转。

2.根据权利要求1所述的新型自适应飞行器，其特征在于：所述的螺旋桨包括三叶桨(9)以及小型发动机(8)，三叶桨(9)与小型发动机(8)连接，小型发动机(8)通过固定支架(13)固定在大椭圆框架3两侧。

3.根据权利要求1所述的新型自适应飞行器，其特征在于：所述的摆线桨包括叶片(12)、偏心轮(15)、控制杆(14)、叶片驱动杆(16)、驱动轴(4)，驱动轴(4)与叶片驱动杆(16)连接，叶片驱动杆(16)与叶片(12)连接，驱动轴(4)还与偏心轮(15)连接，偏心轮(15)与控制杆(14)连接，控制杆(14)与叶片(12)连接，驱动轴(4)与小椭圆框架(5)连接，两个摆线桨的驱动轴(4)共轴且旋转方向相反；两个摆线桨由驱动轴(4)带动叶片驱动杆(16)，最叶片驱动杆(16)带动叶片(12)进行相应的旋转运动，同时驱动轴(4)带动偏心轮(15)运动，偏心轮(15)带动控制杆(14)运动，控制杆(14)带动叶片(12)，进而改变叶片(12)的迎角值。

4.根据权利要求1所述的新型自适应飞行器，其特征在于：所述的能源装置由两个氢燃料电池(10)组成。

5.根据权利要求1所述的新型自适应飞行器，其特征在于：所述的支架系统包括联动轴(1)、轻质金属杆(11)以及弹性橡胶球(2)，小椭圆框架(5)上均布有四个联动轴(1)，联动轴(1)与轻质金属杆(11)连接，轻质金属杆(11)下部设置有弹性橡胶球(2)；当该飞行器位于地面时，支架系统放下，当该飞行器运动时，支架收入小椭圆框架(5)的内部。

6.根据权利要求1所述的新型自适应飞行器，其特征在于：当飞行器垂直起飞时，子控制系统(6)控制转动轴(7)，大椭圆框架(3)在转动轴(7)的作用下和小椭圆框架(5)处于同一水平面内，在子控制系统(6)的作用下，相应的摆线桨进行不同方向的同速转动，飞行器进行垂直起飞，离地之后，在两个子控制系统(6)的作用下，支架系统收入小椭圆框架(5)内；飞行器降落时，在两个子控制系统(6)的作用下，支架系统放下，同时摆线桨转速降低，飞行器缓缓飘落。

7.根据权利要求1所述的新型自适应飞行器，其特征在于：当飞行器进行偏转时，两个子控制系统(6)分别控制相应的摆线桨进行不同方向的差速转动，机身受到扭矩的作用发生翻转，飞行器到达预定方向之后，子控制系统(6)将控制两个摆线桨做同速转动，产生的扭矩相互抵消使飞行器按预定方向飞行。

8.根据权利要求1所述的新型自适应飞行器，其特征在于：当飞行器处于巡航状态时，子控制系统(6)控制旋转轴(7)，旋转轴(7)带动大椭圆框架(3)旋转，使其所在平面和小椭圆框架(5)所在平面呈90度分布，此时飞行器拥有最大推力。

9.根据权利要求1所述的新型自适应飞行器，其特征在于：当飞行器的爬升和俯冲时，子控制系统(6)控制旋转轴(7)，旋转轴(7)带动大椭圆框架(3)旋转，使其所在平面和小椭圆框架(5)平面夹角在0度到90度之间，螺旋桨将提供水平方向的推力和竖直方向的部分升力。