CN106516080B - 具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机，包括机身，安装于机身上的前后机翼，其特征在于所述前后机翼上安装有前后位置错开的动力装置；在所述机身前后位置分别安装有可转动的倾转轴，所述前后倾转轴贯穿于所述机身，所述前后机翼分别固定于所述前后倾转轴两端；在位于所述机身内的前后转轴上分别设置有用于驱动所述前后机翼转动的倾转机构。同时，可以通过设置的机翼角度传感器检测机翼是否松脱。本发明相对于传统布局的倾转机翼无人机而言，可以显著提升该机型在固定翼模式下的气动效率以及飞行性能，非常具有应用价值。

Description

具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机

技术领域

本发明涉及无人机，尤其是指气动布局优化以及倾转机构优化的能够垂直起降的倾转机翼无人机。

技术背景

目前小型民用无人机大致可分为固定翼无人机和多旋翼无人机两大类型，固定翼无人机续航时间长，飞行能效比高，飞行速度快，具有能够大面积作业以及飞行效率高的优势，多旋翼无人机具有可以在空中悬停，实现定点观测，垂直起降的功能。由于固定翼无人机飞行速度快，起飞场地要求高，操作技术要求高，因此不适合初涉无人机的工程人员使用，多旋翼无人机由于续航时间短，巡航速度慢，飞行能效比低等原因，不能实现单次起飞大范围作业的功能。

传统的倾转机翼无人机由于前后机翼在固定翼模式下处于同一水平面，因此后机翼容易受到前机翼气流的影响，使翼面效率降低，并且后机翼容易因此产生震颤，导致整体飞行体验不佳。

传统的倾转旋翼无人机由于前后两对动力装置对称安装，导致后动力装置受前动力装置气流影响大，使得后动力装置效率降低并且容易产生震颤的现象。

传统的倾转旋翼无人机由于前后两对可倾转机翼的轴使用连杆机构进行协同转动，导致前后机翼倾角校准困难，操控灵活性不佳，前后机翼不能独立倾转，维护麻烦，并且前后机翼倾转机构的连接机构使用的连杆占用机身内部空间较大，不利于无人机机身内部空间充分利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无人机，其具有垂直起降模式和固定翼模式两个功能，可以实现在区域受限范围内垂直起降，同时，飞行过程中可转换为固定翼模式以提高续航时间。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机，包括机身和设置在机身上的前后机翼，其特征在于在所述前后机翼上分别设置有螺旋桨动力装置，所述前后机翼上的螺旋桨动力装置呈梯形布置且安装于前机翼的两个螺旋桨动力装置的轴距小于安装于后机翼的两个螺旋桨动力装置的轴距；在所述机身的前后位置分别设置有前后转轴，所述前后转轴分别贯穿所述机身，所述前后机翼分别固定安装在位于所述机身两侧的前后转轴的两端；在位于所述机身内的前后转轴上分别设置有用于驱动所述前后机翼转动的倾转机构。

所述倾转机构包括设置在机身上的伺服电机，所述伺服电机上的齿轮与设置在所述前后转轴上的齿轮相啮合以驱动所述前后机翼转动。

在所述前后转轴上设置有旋转角度限位装置。

所述旋转角度限位装置包括设置在前后转轴上的锁止销及设置在所述机身上的锁止弧；当所述前后转轴转动所需角度时，所述锁止销卡进所述锁止弧中进行限位。

在所述前后机翼上设置有用于测量所述前后机翼转动角度的机翼角度传感器。

所述前后机翼固定用的所述前后转轴在机身上安装高度不同。

所述前转轴在机身上安装高度低于后转轴在机身上的安装高度。

具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机的机翼是否松脱的检测方法，其检测方法如下：某时刻飞控控制的倾转机构将机翼倾转至倾转总范围的中值处时，此时飞控通过机翼上的机翼角度传感器检测到机翼相对于飞控的角度为α，之后飞控控制倾转机构按设定的方向倾转一定角度β，待执行完毕后检测机翼相对于飞控的角度α2，之后飞控控制倾转机构反方向倾转角度2β，待执行完毕后检测机翼相对于飞控的角度α3，之后判定（α2+α3）/2与α的差值是否超过某一设定阈值，如超过则认定机翼与转轴已经松脱。

本发明提供的倾转机翼无人机具有改良气动设计以及结构设计的机体结构，具有垂直模式和固定翼模式两个功能，垂直模式下可以进行悬停以及垂直起降，使得无人机可以在空间受限的环境中进行起降，固定翼模式下前后机翼可以同时或独立倾转一定角度，使得无人机可以像固定翼一样高速、高效飞行。本发明的螺旋桨动力装置在两对机翼上呈梯形分布，前两个螺旋桨动力装置轴距小于后两个螺旋桨动力装置的轴距以错开气流，使得无人机在固定翼模式下同时启动四个动力装置时机身后方两个螺旋桨动力装置不受前方两个螺旋桨动力装置气流影响，从而保持较高的力效比以及较高的推力。

本发明改变了倾转机翼无人机前后两对机翼转轴的安装高度，使得机身前部机翼的气流能够降低对机身后部机翼气动效果的影响，使得无人机在固定翼模式下巡航时效率更高，续航时间更长。

本发明的机翼倾转机构采用前后两套独立的倾转机构进行机翼倾转角度控制，并且配有旋转角度限位装置。在前后机翼的转轴上固定设置有齿轮，在伺服电机上设置有与转轴上的齿轮相啮合的齿轮，通过伺服电机驱动安装于其上的齿轮从而带动前后机翼转动。由于前后机翼转轴上设置的倾转机构为独立的两套驱动机构，在前后机翼上的角度传感器配合下由飞控进行控制，可以驱动前后两对机翼在同一时刻倾转不同的角度，并且可以实现机翼与转轴的松脱检测、自动校准等功能。

本发明的优点在于，既能在空间受限的环境中以多旋翼的垂直模式起飞并在空中悬停，又能在空中以固定翼的平飞模式进行高速巡航。优化的气动结构可以使得无人机以固定翼模式飞行时气动性能更加优秀，能效比增高，巡航时间更长。独立的两套机翼倾转齿轮机构配合机翼角度传感器能够单独控制每一对机翼的倾转角度，使得控制更加灵活，控制精度更高，故障诊断更加容易，本发明相对于传统无人机机型具有非常明显的技术优势。

附图说明

图1，本发明整体结构以及动力装置安装示意图。

图2，本发明倾转驱动机构示意图。

图3，本发明前后机翼转轴安装高度位置差示意图。

图4，本发明角度限位装置结构示意图。

图5，本发明机翼垂直、45度角、水平三种倾转状态示意图。

具体实施方式

针对上述技术方案，现举一较佳实施例并结合图示进行具体说明。参看图1至图5，本发明包括机身、前机翼、后机翼、螺旋桨动力装置、倾转机构，其中。

在机身1的前后安装有前转轴11和后转轴12，前转轴和后转轴分别横向贯穿机身，使前后转轴的两端分别位于机身两侧。在前、后转轴所在的机身内两侧安装有支承轴承座13，用于支承前转轴和后转轴，使前转轴和后转轴在轴承座的支承下可以转动。在机身内，前转轴安装高度低于后转轴的安装高度。在前转轴位于机身外侧的两端分别固定安装有前机翼2，在后转轴位于机身外侧的两端分别固定安装有后机翼3，由于前转轴和后转轴的安装高度不同，因此，在机翼安装后，相对于机身，前机翼高度低于后机翼高度。前机翼和后机翼的安装高度差，使得通过前机翼的气流在垂直方向上能够一定程度远离后机翼，将后机翼受前机翼气流的影响大幅降低，提高无人机在固定翼飞行状态下时稳定性。在机身后部上面安装有尾翼14。

在前机翼和后机翼上分别安装有螺旋桨动力装置4。螺旋桨动力装置为四个，在每个机翼上均安装有一个。在前机翼安装的螺旋桨动力装置与在后机翼安装的螺旋桨动力装置呈梯形错位安装，且前机翼上的螺旋桨动力装置轴距小于后机翼上的螺旋桨动力装置的轴距，即沿着机身的长度平行方向观察，前机翼上的螺旋桨动力装置和后机翼上的螺旋桨动力装置未有重叠，即错开一定距离设置。如此错位安装，可减小前机翼的螺旋桨动力装置气流对后机翼上的螺旋桨动力装置造成气流影响，从而增加后机翼上的螺旋桨动力装置的气动效率以及减轻后机翼上螺旋桨动力装置因为前方动力装置产生的乱流而可能产生的震颤现象，提升整体飞行效率以及操控性能。螺旋桨动力装置可以是安装有螺旋桨的无刷电机或涵道风机。通过驱动电机驱动螺旋桨转动为无人机提供飞行动力。本发明相对于动力装置前后左右对称分布的传统倾转机翼无人机的动力装置布局而言，在固定翼模式下巡航时同时开启四个螺旋桨动力装置的情况下，能够在提升推力的同时很大程度降低动力装置间气流影响而带来的飞行效率损失。

在前转轴和后转轴上分别设置有相互独立的倾转机构5。前后转轴上的倾转机构5结构相同，在此，以后转轴上的倾转机构5为例进行介绍。倾转机构5包括设置在位于机身内的前转轴和后转轴上的齿轮121，在齿轮121一侧分别安装有伺服电机51，在伺服电机的驱动轴上安装有齿轮511，位于后转轴一侧的伺服电机上的齿轮511与齿轮121啮合，通过伺服电机的输出轴转动驱动后转轴转动。通过前转轴和后转轴的倾转机构带动前机翼和后机翼倾转一定角度，转动的角度可使前后机翼从水平状态旋转至垂直状态，也可以从垂直状态倾转至水平状态。当前机翼和后机翼处于垂直状态时，前机翼和后机翼上的螺旋桨动力装置位于前机翼和后机翼的上面。在前后机翼处于垂直状态时，无人机可以在螺旋桨动力装置作用下进行垂直起降。由于前机翼和后机翼的倾转机构为独立设置，因此，前后机翼可以同时倾转一定角度，也可以分别倾转不同的角度，以方便飞行姿态的控制。

在前转轴和后转轴上还安装有倾转角度限位装置6。倾转角度限位装置6包括分别设置在前转轴和后转轴上的锁止销61，锁止销61沿前转轴和后转轴的长度方向平行固定有限位横杆，在机身上的轴承座一侧固定设置有锁止弧62，该锁止弧具有弧形凹槽，当前转轴和后转轴转动带动锁止销上的限位横杆进入锁止弧中的弧形凹槽中时，就可以阻止前转轴和后转轴进一步转动，从而实现限位作用。

在前机翼和后机翼上设置有机翼角度传感器7，当机翼转动一定角度时，可通过机翼角度传感器测量机翼转动的角度，实现在飞行过程中，对前机翼和后机翼倾转角度的精确控制。由于前后两套倾转机构以及机翼上的机翼角度传感器是相对独立的，故前后两套倾转机构可以在飞控控制下只倾转一对机翼，或同时倾转两对机翼，从而实现同一时刻前后机翼倾转角度不同。

还可以通过设置在前后机翼上的机翼角度传感器进行前后机翼与转轴是否松脱的检测。其检测方法是：某时刻飞控控制的倾转机构将机翼倾转至倾转总范围的中值处时，此时飞控通过机翼上的机翼角度传感器检测到机翼相对于飞控的角度为α，之后飞控控制倾转机构按设定的方向倾转一定角度β，待执行完毕后检测机翼相对于飞控的角度α2，之后飞控控制倾转机构反方向倾转角度2β，待执行完毕后检测机翼相对于飞控的角度α3，之后判定（α2+α3）/2平均值与α的差值是否超过某一设定阈值，如超过则认定机翼与转轴已经松脱。

通过机翼上的机翼角度传感器还可以实现机翼角度自动校准功能，其实现方法为：当检测到机翼与其转轴无松脱后，飞控根据安装于机翼上经过工厂校准的机翼角度传感器数据控制倾转机构自动微调机翼角度，使其达到预设水平或垂直状态。

无人机以垂直模式起飞时，参看图5，其机翼角度为前后机翼垂直状态所示角度进行起飞，起飞后前后机翼由倾转机构带动前后机翼缓慢从所示垂直状态切换图中所示45°状态，进入过渡模式，之后前后机翼由倾转机构带动由图中所示45°状态缓慢旋转至水平状态，完成无人机垂直模式切换至固定翼模式的功能。同理，固定翼模式亦可由上所述切换过程反向切换至垂直模式。

Claims (4)

1.具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机，包括机身和设置在机身上的前后机翼，其特征在于在所述前后机翼上分别设置有螺旋桨动力装置，所述前后机翼上的螺旋桨动力装置呈梯形布置且安装于前机翼的两个螺旋桨动力装置的轴距小于安装于后机翼的两个螺旋桨动力装置的轴距；在所述机身的前后位置分别设置有前后可转动转轴，所述前后转轴分别贯穿所述机身，所述前后机翼分别固定安装在位于所述机身两侧的前后转轴的两端；在位于所述机身内的前后转轴上分别设置有用于驱动所述前后机翼转动的倾转机构；所述倾转机构包括设置在机身上的伺服电机，所述伺服电机上的齿轮与设置在所述前后转轴上的齿轮相啮合以驱动所述前后机翼转动；在所述前后转轴上的齿轮一侧设置有旋转角度限位装置；所述旋转角度限位装置包括设置在前后转轴上的锁止销及设置在所述机身上的锁止弧；当所述前后转轴转动所需角度时，所述锁止销卡进所述锁止弧中进行限位。

2.根据权利要求1所述的具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机，其特征在于在所述前后机翼上设置有用于测量所述前后机翼转动角度的机翼角度传感器。

3.根据权利要求1所述的具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机，其特征在于所述前后机翼固定用的所述前后转轴在机身上安装高度不同。

4.根据权利要求3所述的具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机，其特征在于所述前转轴在机身上的安装高度低于后转轴在机身上的安装高度。