CN106904271A - 一种用于垂直起降无人机的变体机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于垂直起降无人机的变体机构，设计于无人机机身后部，使无人机具有垂直起降和高效巡航两种飞行模态。变体机构又分为两个组成机构，一是变体驱动机构，用于后机身上下两部分间的同步转动动作；二是螺旋桨朝向约束机构，保证变体过程中，垂尾梢部螺旋桨朝向同机身轴向始终一致。本发明能够使无人机流畅地在垂直起降模态和高效巡航模态之间进行切换，同时使得模态转换过程控制难度降低，转换进程平稳安全。

Description

一种用于垂直起降无人机的变体机构

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，涉及一种变体机构，具体来说，是一种用于垂直起降无人机的变体机构。

背景技术

现有垂直起降飞行器布局方案多采用倾转旋翼、倾转机翼、旋定变翼、尾坐式或旋翼/固定翼复合式等。

其中，倾转旋翼方案面临模态转换复杂、控制难度大的问题；倾转机翼方案面临倾转机构承载高、重量大的问题；旋定变翼方案面临着旋翼机体气动力耦合复杂、控制难度大的问题；尾坐式方案面临垂直起降稳定性差的问题；复合式飞行器面临着巡航效率和悬停效率都较低的问题。因此，寻求一种既能稳定垂直起降又能高效巡航，且模态转换安全可靠，控制难度小，耗油率低的垂直起降飞行器成为当前航空领域的研究热点。

发明内容

为克服上述多种垂直起降飞行器的不足，本发明提出一种用于垂直起降无人机的变体机构，是一种应用于垂直起降飞行器的，以后机身变体方案满足双模态布局转换要求、降低转换控制难度的变体机构。

本发明用于垂直起降无人机的变体机构，包括变体驱动机构与螺旋桨朝向约束机构，安装于机身后部。同时设计机身由前机身与后机身构成；且后机身由水平横截面分割为后机身上部与后机身下部。

后机身上部和后机身下部的前端与前机身后端间铰接，通过变体驱动机构实现后机身上部与后机身下部相对前机身0～90°的同步转动。后机身上部与后机身下部末端设计有上下对称的垂直尾翼，两个垂直尾翼梢部前缘设计有电机舱，电机舱末端与垂直尾翼间铰接。同时位于后机身上部的垂直尾翼顶端两侧具有对称的水平尾翼，水平尾翼与位于上方的电机舱固接。电机舱内安装有电机，电机的输出轴安装有螺旋桨，由电子调速器对电机转速进行调整控制；

所述后机身上部与后机身下部进行旋转运动的过程中，通过螺旋桨朝向约束机构约束住垂直尾翼上的螺旋桨的朝向，使螺旋桨始终同无人机轴线朝向一致。

本发明用于垂直起降无人机的变体机构，使无人机具有垂直起降和高效巡航两种飞行模态。

在垂直起飞阶段，控制后机身上部与后机身下部相对前机身转动90°；两个垂直尾翼上的螺旋桨始终朝向无人机头部；同时无人机头部朝上，垂直起飞；当起飞至预定高度时，飞机进入过渡转换过程；此时控制后机身上部与后机身下部相对前机身逐渐旋转转动至初始状态；无人机头部由朝上状态逐渐转变为朝前状态，进入高效巡航模态。

当无人机需要降落时进入垂直降落阶段，控制后机身上部与后机身下部相对前机身转动90°，两个垂直尾翼上的螺旋桨始终朝向无人机头部；且无人机头部朝上。

本发明的优点在于：

1、本发明用于垂直起降无人机的变体机构，采用后机身变体技术，使得无人机能够从多旋翼布局形式切换为大展弦比正常式固定翼布局，使无人机既具有能稳定垂直起降的十字形多旋翼布局形式，又具有能高效巡航的大展弦比正常式布局，能够流畅地在垂直起降模态和高效巡航模态之间进行切换，同时使得模态转换过程控制难度降低，转换进程平稳安全。

2、本发明用于垂直起降无人机的变体机构，相较于倾转机翼、倾转旋翼等方案，本发明中的变体机构承载小、结构紧凑、机构重量轻、易于布置。

附图说明

图1为具有本发明变体机构的垂直起降无人机整体结构示意图；

图2为具有本发明变体机构的垂直起降无人机机身结构示意图；

图3为具有本发明变体机构的垂直起降无人机机身旋转方式示意图；

图4为具有本发明变体机构的垂直起降无人机的水平尾翼及螺旋桨安装方式示意图；

图5为本发明变体机构中变体驱动机构示意图；

图6为本发明变体机构中螺旋桨朝向约束机构结构示意图；

图7为本发明具有本发明变体机构的垂直起降无人机由垂直起降模态向高效巡航模态的变体过程示意图。

图中：

1-前机身 2-左机翼 3-右机翼

4-后机身 5-水平尾翼 6-垂直尾翼

7-电机 8-电子调速器 9-螺旋桨

10-步进电机 11-丝杠 12-丝杠螺母

13-驱动连杆 14a-平行四连杆 14b-拉杆

401-后机身上部分 402-后机身下部分

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明用于垂直起降无人机的变体机构，安装于无人机机身后部，包括变体驱动机构与螺旋桨朝向约束机构。

所述无人机结构包括前机身1、左机翼2、右机翼3、后机身4、水平尾翼5与垂直尾翼6，如图1所示。前机身1左右两侧分别安装有对称的左机翼2与右机翼3。后机身4由水平横截面分割为后机身上部401与后机身下部402。本发明中前机身1后部设计为由上下两个相交平面构成的尖端结构，夹角为45度，如图2所示；同时，后机身上部401与后机身下部402的前端设计为斜面，夹角为45度；且前机身1后端端部与后机身上部401和后机身下部402前端端部间铰接。由于上述前机身1后部与后机身1前部结构，使两者间周向具有空缺部分，该空缺部分通过周向上安装的蒙皮7包覆，实现前机身1与后机身2间的柔性连接及空缺部分的密封。由此，使后机身上部401相对前机身1具有0～+90°的转动自由度，后机身下部402相对前机身1具有0～-90°的转动自由度。如图3所示，当后机身上部401与后机身下部402转动角度为0°时，后机身上部401底面与后机身下部402顶面相接，形成整体机身结构；当后机身上部401与后机身下部402转动至+90度与-90度时，后机身上部401与后机身下部402前端平面部分分别与前机身1后部上下平面贴合。上述后机身上部401与后机身下部402末端设计有上下对称的垂直尾翼6；同时位于后机身上部401的垂直尾翼6顶端两侧具有水平尾翼5。

如图4所示，上述两个垂直尾翼6梢部前缘设计有电机舱，电机舱末端与垂直尾翼6间铰接，使电机舱可转动；同时将水平尾翼5左右两部分分别与位于上方的电机舱左右两侧固接，使得在电机舱转动过程中，水平尾翼5一同转动。

上述两个电机舱内安装有电机7，电机7的输出轴安装有螺旋桨9，螺旋桨15的桨毂同轴固定于电机7的输出轴上，通过螺旋桨15为无人机运动提供拉力和功率。每个电机7还配有电子调速器8，电子调速器8的输出端与电机7相连，对电机7转速进行调整控制。由此通过电子调速器8调节电机7转速，并控制垂直尾翼5梢部的两个电机7彼此反向转动。

所述变体驱动机构用来驱动后机身上部与后机身下部的转动，包括步进电机10、丝杠11、丝杠螺母12与驱动连杆13，如图5所示。其中，步进电机10刚性固定安装于前机身1内部，输出轴朝向整个无人机后方。丝杠11通过轴承安装于前机身1内部的轴承座上，前端与步进电机10的输出轴通过联轴器同轴连接，后端穿过前机身1后端。丝杠15前半段为光滑段，后半段为螺纹段；丝杠螺母18螺纹套接于丝杠11后半段上，丝杠11的旋转运动可转换为丝杠螺母12的前后直线运动。驱动连杆13为两根，分别位于丝杠11上下相对位置，一端与丝杠螺母12铰接，形成转动副A；驱动连杆13的另一端分别与后机身上部401和后机身下部402内设计的铰接架铰接，形成转动副B；且转动副A与转动副B的转动轴均沿无人机左右方向。由此，通过步进电机10运转启动，驱动丝杠11旋转，使得丝杠螺母12沿丝杠11轴向进行直线运动，拉动铰接在丝杠螺母12上的驱动连杆13直线运动，结合连杆18、后机身上部401、后机身下部402间的铰接连接方式，后机身上部401、后机身下部402与前机身1间的铰接连接方式，以及行程的几何约束，驱使后机身上部401与后机身下部402同步进行旋转运动，实现了将步进电机16的转动转变为后机身上部401与后机身下部402的旋转运动的目的。

所述螺旋桨朝向约束机构19包括两套平行四连杆14a与两根拉杆14b，如图6所示。其中，两套平行四连杆14a中，相邻两连杆间通过铰接轴铰接。两套平行四连杆14a分别设置于后机身上部401与后机身下部402的垂直尾翼6内部，上下对称，且两套平行四连杆14a所在平面与垂直尾翼6的纵截面共面。两套平行四连杆14a的安装方式相同，令两套平行四连杆14a的四个顶点分别为顶点A、B、C、D；其中，连杆AB与连杆CD平行，均平行于无人机轴线设置。顶点A与顶点D相对，顶点A与顶点D处的铰接轴同时与垂直尾翼6内部支架间铰接，实现平行四连杆14a与垂直尾翼6间的定位。其中，顶点A位于垂直尾翼6梢部前缘，与电机舱末端固连，且使连杆AB与垂直尾翼6处的螺旋桨15同轴。两根拉杆14b的输出端分别固定于两套平行四连杆中顶点C处的铰接轴，输入端分别铰接于一个环形安装架上的相对位置，铰接轴沿无人机左右方向；该环形安装架滑动套接在丝杠17的前半段上，可沿丝杠17轴向滑动。通过上述螺旋桨朝向约束机构，使得在后机身上部401与后机身下部402进行旋转运动的过程中，连杆AB始终平行于无人机轴线，约束住垂直尾翼6上方与下方的螺旋桨15的朝向，使螺旋桨15始终同无人机轴线朝向一致。

本发明变体高效小型垂直起降无人机，在执行飞行任务时，需经过垂直起飞、高效巡航、垂直降落三个阶段，如图7所示，三阶段的工作流程为：

垂直起飞阶段，通过变体驱动机构控制后机身上部401与后机身下部402相对前机身转动90°，由螺旋桨朝向约束机构对垂直尾翼6处的两个螺旋桨9朝向进行约束，使两个螺旋桨9始终朝向无人机头部；此时无人机头部朝上，垂直起飞。当起飞至预定高度时，飞机进入过渡转换过程；此时通过变体驱动机构控制后机身上部401与后机身下部402相对前机身逐渐旋转转动至初始状态，即后机身上部401、后机身下部402与前机身间夹角为0度。整个过渡转换过程中，由螺旋桨朝向约束机构对垂直尾翼6处的两个螺旋桨9朝向进行约束，使两个螺旋桨9始终朝向无人机头部；无人机头部由朝上状态逐渐转变为朝前状态，进入高效巡航模态。

当无人机准备降落时进入垂直降落阶段，通过变体驱动机构控制后机身上部401与后机身下部402相对前机身转动90°，此时由螺旋桨朝向约束机构对垂直尾翼6处的两个螺旋桨9朝向进行约束，使两个螺旋桨9始终朝向无人机头部；此时无人机头部朝上，并控制各个螺旋桨的转速满足垂直降落的拉力和功率，完成垂直降落。

Claims (5)

1.一种用于垂直起降无人机的变体机构，其特征在于：包括变体驱动机构与螺旋桨朝向约束机构，安装于机身后部；同时设计机身由前机身与后机身构成；且后机身由水平横截面分割为后机身上部与后机身下部；后机身上部和后机身下部的前端与前机身后端间铰接，通过变体驱动机构实现后机身上部与后机身下部相对前机身0～90°的同步转动；后机身上部与后机身下部末端设计有上下对称的垂直尾翼，两个垂直尾翼梢部前缘设计有电机舱，电机舱末端与垂直尾翼间铰接；同时位于后机身上部的垂直尾翼顶端两侧具有对称的水平尾翼，水平尾翼与位于上方的电机舱固接；电机舱内安装有电机，电机的输出轴安装有螺旋桨，由电子调速器对电机转速进行调整控制；

所述后机身上部与后机身下部进行旋转运动的过程中，通过螺旋桨朝向约束机构约束住垂直尾翼上的螺旋桨的朝向，使螺旋桨始终同无人机轴线朝向一致。

2.如权利要求1所述一种用于垂直起降无人机的变体机构，其特征在于：前机身后端设计为由上下两个相交平面构成的尖端结构；同时，后机身上部与后机身下部的前端设计为斜面；且当后机身上部与后机身下部转动角度为0°时，后机身上部底面与后机身下部顶面相接，形成整体机身结构；当后机身上部与后机身下部转动至+90度与-90度时，后机身上部与后机身下部前端平面部分分别与前机身后部上下平面贴合。

3.如权利要求1所述一种用于垂直起降无人机的变体机构，其特征在于：变体驱动机构包括步进电机、丝杠、丝杠螺母与驱动连杆；其中，步进电机刚性固定安装于前机身内部，输出轴朝向无人机后方；丝杠通过轴承安装于前机身内部的轴承座上，前端与步进电机的输出轴通过联轴器同轴连接，后端穿过前机身后端；丝杠螺母螺纹套接于丝杠后部，丝杠的旋转运动可转换为丝杠螺母的前后直线运动；驱动连杆为两根，分别位于丝杠上下相对位置，一端与丝杠螺母铰接，形成转动副A；驱动连杆的另一端分别与后机身上部和后机身下部内设计的铰接架铰接，形成转动副B；且转动副A与转动副B的转动轴均沿无人机左右方向。

4.如权利要求1所述一种用于垂直起降无人机的变体机构，其特征在于：螺旋桨朝向约束机构包括两套平行四连杆与两根拉杆；其中，两套平行四连杆中，相邻两连杆间通过铰接轴铰接；两套平行四连杆分别设置于后机身上部与后机身下部的垂直尾翼内部，上下对称，且两套平行四连杆所在平面与垂直尾翼的纵截面共面；两套平行四连杆的安装方式相同，与垂直尾翼间铰接，同时其中一根连杆与垂直尾翼处的螺旋桨同轴，且平行于无人机轴线，同时端部与电机舱末端固连；两根拉杆的输出端分别固定于两套平行四连杆中一顶点处的铰接轴，输入端分别铰接于一个环形安装架上的相对位置，铰接轴沿无人机左右方向；环形安装架具有沿机身前后的移动自由度。

5.如权利要求1所述一种用于垂直起降无人机的变体机构，其特征在于：具有垂直起飞阶段、高效巡航阶段与垂直降落阶段；

其中，垂直起飞阶段，控制后机身上部与后机身下部相对前机身转动90°；两个垂直尾翼上的螺旋桨始终朝向无人机头部；同时无人机头部朝上，垂直起飞；当起飞至预定高度时，飞机进入过渡转换过程；此时控制后机身上部与后机身下部相对前机身逐渐旋转转动至初始状态；无人机头部由朝上状态逐渐转变为朝前状态，进入高效巡航模态；

当无人机需要降落时进入垂直降落阶段，控制后机身上部与后机身下部相对前机身转动90°，两个垂直尾翼上的螺旋浆均朝向无人机头部；且无人机头部朝上。