CN107985583A - 倾转旋翼无人机 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种倾转旋翼无人机，包括机身(10)、主翼(20)、旋翼组件(30)、贯穿于所述机身的倾转轴(40)以及驱动所述倾转轴转动的驱动机构，所述旋翼组件固定在所述倾转轴的两端并且包括桨叶(31)和驱动所述桨叶的第一电机(32)，所述驱动机构包括固定在所述机身内的舵机(51)、连接在所述舵机的输出轴的第一皮带轮(52)以及套设在所述倾转轴外周的第二皮带轮(53)，所述第一皮带轮和所述第二皮带轮之间通过皮带(54)传动。将旋翼组件设置在倾转轴的端部，只需在机身内部驱动倾转轴转动即可使得无人机在固定翼模式与多旋翼模式之间切换，通过皮带传动的方式，倾转轴转动平稳，工作时无噪音，设备运转可靠。

Description

倾转旋翼无人机
技术领域
本公开涉及无人机技术领域，具体地，涉及一种倾转旋翼无人机。
背景技术
倾转旋翼无人机是一种兼具旋翼机和固定翼机优点，既可以如旋翼机一样垂直起降、空中悬停、低速前飞，又可以像固定翼机一样高速巡航飞行的飞行器。倾转旋翼无人机在类似于固定翼机机体上安装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼组件，当旋翼组件中的桨叶平面处于水平状态时，旋翼轴垂直于地面，无人机为多旋翼模式，可在空中悬停、前后飞行和侧飞，通过改变桨叶上升力的大小和桨叶升力的倾转方向，以使无人机保持或改变飞行状态；当桨叶平面处于竖直状态时，旋翼轴呈水平状态，桨叶则当作拉力螺旋桨使用，无人机为固定翼模式，依靠主翼产生升力可高速巡航飞行。
发明内容
本公开的目的是提供一种倾转旋翼无人机，该倾转旋翼无人机兼具固定翼无人机与多旋翼无人机的优点，并且旋翼转动平稳，工作时无噪音。
为了实现上述目的，本公开提供一种倾转旋翼无人机，包括机身、主翼、旋翼组件、贯穿于所述机身的倾转轴以及驱动所述倾转轴转动的驱动机构，所述旋翼组件固定在所述倾转轴的两端并且包括桨叶和驱动所述桨叶的第一电机，所述驱动机构包括固定在所述机身内的舵机、连接在所述舵机的输出轴的第一皮带轮以及套设在所述倾转轴外周的第二皮带轮，所述第一皮带轮和所述第二皮带轮之间通过皮带传动。
可选地，所述舵机包括外壳、第二电机、连接在所述第二电机的输出轴的蜗杆、与所述蜗杆配合传动的蜗轮，以及由所述蜗轮驱动的齿轮系，所述第一皮带轮连接在所述齿轮系的输出轴。
可选地，所述桨叶通过所述第一电机安装在所述倾转轴的端部，所述倾转轴为空心管以形成走线通道。
可选地，所述倾转轴的端部形成有用于容纳安装所述第一电机的凹槽。
可选地，所述倾转轴包括位于外周的玻璃纤维层、位于内周的碳纤维层以及夹在二者之间的PMI泡沫芯层。
可选地，所述桨叶的背部设置有整流罩。
可选地，所述机身内设置有用于固定所述驱动机构的底座，所述底座上设置有用于支撑所述第一皮带轮的第一支架和与所述第一支架间隔设置并与其紧固连接的第二支架，所述第二支架和所述第二皮带轮分设于所述第一皮带轮的对侧。
可选地，还包括水平尾翼和垂直尾翼，所述水平尾翼和所述主翼在高度方向错开设置。
可选地，所述倾转轴包括圆轴段和翼型段，所述圆轴段伸入到所述机身中以与所述第二皮带轮同轴转动，所述翼型段位于所述机身的外侧，在所述桨叶的平面处于水平状态时，所述翼型段剖面的高度方向的长度大于前后方向的长度。
可选地，所述倾转轴还包括位于所述机身内侧的圆管，所述第二皮带轮套设在所述圆管的外周，所述圆轴段可拆卸地插入到所述圆管中。
通过上述技术方案，将旋翼组件设置在倾转轴的端部，只需在机身内部驱动倾转轴转动即可使得无人机在固定翼模式与多旋翼模式之间切换，通过皮带传动的方式，倾转轴转动平稳，工作时无噪音，设备运转可靠，并且通过调整第一皮带轮与第二皮带轮的直径比，可以很方便地调节传动比。此外，第一皮带轮和第二皮带轮之间的距离可以根据实际机型调整，只需更换皮带的长度即可，从而提高驱动机构的通用性。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据本公开的一个实施方式的倾转旋翼无人机在多旋翼模式下的示意图；
图2是根据本公开的一个实施方式的倾转旋翼无人机在固定翼模式下的示意图；
图3是根据本公开的一个实施方式的倾转旋翼无人机中，驱动机构与旋翼组件配合的示意图；
图4是图3中驱动机构所对应位置的另一个角度的示意图；
图5是图3中舵机的内部结构示意图；
图6是图3中倾转轴的结构示意图；
图7是根据本公开的一个实施方式的倾转旋翼无人机中，倾转轴的剖面图。
附图标记说明
10 机身
20 主翼
30 旋翼组件 31 桨叶 32 第一电机
40 倾转轴 401 玻璃纤维层 402 碳纤维层
403 PMI泡沫芯层 41 圆轴段 42 翼型段
43 圆管
51 舵机 511 外壳 512 第二电机
513 蜗杆 514 涡轮 515 齿轮系
52 第一皮带轮 53 第二皮带轮 54 皮带
60 整流罩
70 底座 71 第一支架 72 第二支架
73 第三支架
81 水平尾翼 82 垂直尾翼 83 尾舵
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是以无人机正常平飞状态时的上下方向定义的，“内、外”通常是针对相应零部件的本身轮廓而言的。此外，本公开中使用的术语“第一”、“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。
如图1和图2所示，本公开提供的倾转旋翼无人机包括机身10、主翼20、旋翼组件30、贯穿于机身10两侧的倾转轴40以及驱动倾转轴40转动的驱动机构，旋翼组件30固定在倾转轴40的两端并且包括桨叶31和驱动桨叶31的第一电机32。当桨叶31如图1所示地在水平平面旋转时，无人机处于多旋翼模式，可以垂直起降、空中悬停、低速前飞；当桨叶32如图2所示地在竖直平面旋转时，无人机处于固定翼模式，可以高速巡航。即，通过倾转轴40的转动即可实现无人机在多旋翼模式和固定翼模式之间切换。如图3和图4所示，本公开提供的驱动机构包括固定在机身10内的舵机51、连接在舵机51的输出轴的第一皮带轮52以及套设在倾转轴40外周的第二皮带轮53，第一皮带轮52和第二皮带轮53之间通过皮带54传动。这样，通过皮带传动的方式，倾转轴40转动平稳，工作时无噪音，设备运转可靠，并且通过调整第一皮带轮52与第二皮带轮53的直径比，可以很方便地调节传动比。此外，第一皮带轮52和第二皮带轮53之间的距离可以根据实际机型调整，只需更换皮带54的长度即可，从而提高驱动机构的通用性。
进一步地，如图5所示，舵机51可以包括外壳511、第二电机512、连接在第二电机512的输出轴的蜗杆513、与蜗杆513配合传动的蜗轮514，以及由蜗轮514驱动的齿轮系515，第一皮带轮52连接在齿轮系515的输出轴。通过设置蜗轮蜗杆组件，使得舵机51具有自锁功能。具体而言，由于蜗轮蜗杆传动形式的单向性，只能有蜗杆513驱动涡轮514，动力传动的方向为第二电机512-蜗杆513-涡轮514-齿轮系515，这样，当舵机51在某一角度位置负载持续工作时，输入端可以切断输入，也即可以切断第二电机512的动力输入，不需要再持续消耗能量维持位置，避免舵机51长时间负载时由于温升过高而无法正常工作。在这种情况下，倾转轴40可以在可倾转角度内的任意位置持续稳定工作。另一方面，涡轮514驱动齿轮系515，可以在满足自锁性能的前提下进一步放大输出扭矩，具有传动比准确，效率高，结构紧凑，工作可靠的特点，同时由于负载连接在齿轮系515的输出轴，使得负载传递到蜗轮蜗杆组件的作用力很小，这样，在本实施方式中，蜗轮蜗杆组件只需提供较小的自锁力，便可以实现舵机的自锁，防止负载作用到第二电机512上，尤其在无人机飞行姿态改变时，高频交变载荷产生的振动冲击被缓冲，可以延长第二电机512的使用寿命，降低能耗。
如图1至图3所示，桨叶31通过第一电机32安装在倾转轴40的端部，倾转轴40为空心管以形成走线通道，从而可以提高空间利用率。具体地，第一电机32的电线可以从该走线通道中延伸至机身10的内部，以与无人机飞控等部件电连接。此外，用于控制第一电机转速的电子调速器等零部件的线路也可以从上述的走线通道中延伸。由于线缆隐藏在倾转轴40的内部，使得整体结构紧凑，且不会影响无人机的气动性能。
进一步地，如图6所示，倾转轴40的端部形成有用于容纳安装第一电机32的凹槽，该凹槽可以作为第一电机32的电机座，使得第一电机32能够稳定地置于倾转轴40的端部。此外，通过采用这种凹槽设计，旋翼组件30的中心可以接近倾转轴40的轴线，减小旋翼组件40在进行模式切换时产生的偏心力矩和偏心惯性矩。
倾转轴40可以采用复合材料热压罐工艺一体成型，减少连接结构件，避免二次装配，保证成型精度，满足强度刚度性能指标的同时，大幅降低了该倾转轴40的结构重量。具体地，如图7所示，倾转轴40可以包括位于外周的玻璃纤维层401、位于内周的碳纤维层402以及夹在二者之间的PMI泡沫芯层，具有比强度、比刚度高的特性，可以使机体实现轻量化。此外，碳纤维层402可以包括多层，以提高强度。
如图1至图3所示，桨叶31的背部设置有整流罩60，以减轻桨叶31产生的涡流对无人机机体的冲击。当第一电机32连接有电子调速器时，电子调速器可以容纳在整流罩中。这里的背部是相对于桨叶31能够产生涡流的方向定义的，具体而言，在图1中，桨叶31的背部指的是下方，在图2中，无人机的背部指的是后方。
上述的驱动机构通过适当的支架固定在机身10的内部，如图3和图4所示，机身10内设置有用于固定驱动机构的底座70，底座70上设置有第一支架71、第二支架72以及第三支架73，第一皮带轮52和舵机51分别被支撑在第一支架71上，第三支架73中设置有轴承，倾转轴40穿过轴承以安装在第三支架73上，以能够平稳转动。第二支架72与第一支架71间隔设置且二者紧固，第二支架72和第二皮带轮53分设于第一皮带轮52的对侧，这样，第二支架72可以作为同步带的胀紧机构，以提高同步带传动过程的可靠性。
如图1和图2所示，本公开提供的倾转旋翼无人机还包括水平尾翼81和垂直尾翼82，水平尾翼81和垂直尾翼82上分别设置有尾舵83，以能够提高无人机飞行的稳定性，控制无人机的俯仰和偏转运动。进一步地，水平尾翼81和主翼20在高度方向错开设置，以减小主翼20产生的气流对水平尾翼81动作的影响。
此外，如图3和图6所示，倾转轴40包括圆轴段41和翼型段42，圆轴段41伸入到机身10中以与第二皮带轮53同轴转动，翼型段42位于机身10的外侧。这里的翼型指的是倾转轴40的剖面具有与机翼类似的流线型剖面，以能够减少倾转轴40上的气动阻力。尤其固定翼模式下，无人机通常在高速巡航，需要减小各部分的阻力，在该模式下，桨叶31的平面处于竖直状态，此时，翼型段42剖面的高度方向的长度小于前后方向的长度；相应地，在多旋翼模式下，桨叶31的平面处于水平状态，此时，翼型段42剖面的高度方向的长度大于前后方向的长度。具体地，如图7所示，图面上下方向为固定翼模式时翼型段42剖面的高度方向，图面左右方向为固定翼模式时翼型段42剖面的前后方向。
进一步地，倾转轴40还包括位于机身10内侧的圆管43，第二皮带轮53套设在圆管43的外周，圆轴段41可拆卸地插入到圆管43中。这样，倾转轴40在安装时，首先将圆管43与驱动机构连接，再将圆轴段41插入到圆管43中并紧固连接。这种将倾转轴40设计为分体结构的设计可以使得装配工艺简单，组装方便。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种倾转旋翼无人机，其特征在于，包括机身(10)、主翼(20)、旋翼组件(30)、贯穿于所述机身(10)的倾转轴(40)以及驱动所述倾转轴(40)转动的驱动机构，所述旋翼组件(30)固定在所述倾转轴(40)的两端并且包括桨叶(31)和驱动所述桨叶(31)的第一电机(32)，所述驱动机构包括固定在所述机身(10)内的舵机(51)、连接在所述舵机(51)的输出轴的第一皮带轮(52)以及套设在所述倾转轴(40)外周的第二皮带轮(53)，所述第一皮带轮(52)和所述第二皮带轮(53)之间通过皮带(54)传动。
2.根据权利要求1所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述舵机(51)包括外壳(511)、第二电机(512)、连接在所述第二电机(512)的输出轴的蜗杆(513)、与所述蜗杆(513)配合传动的蜗轮(514)，以及由所述蜗轮(514)驱动的齿轮系(515)，所述第一皮带轮(52)连接在所述齿轮系(515)的输出轴。
3.根据权利要求1所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述桨叶(31)通过所述第一电机(32)安装在所述倾转轴(40)的端部，所述倾转轴(40)为空心管以形成走线通道。
4.根据权利要求3所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转轴(40)的端部形成有用于容纳安装所述第一电机(32)的凹槽。
5.根据权利要求3所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转轴(40)包括位于外周的玻璃纤维层(401)、位于内周的碳纤维层(402)以及夹在二者之间的PMI泡沫芯层。
6.根据权利要求1所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述桨叶(31)的背部设置有整流罩(60)。
7.根据权利要求1所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述机身(10)内设置有用于固定所述驱动机构的底座(70)，所述底座(70)上设置有用于支撑所述第一皮带轮(52)的第一支架(71)和与所述第一支架(71)间隔设置并与其紧固连接的第二支架(72)，所述第二支架(72)和所述第二皮带轮(53)分设于所述第一皮带轮(52)的对侧。
8.根据权利要求1所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，还包括水平尾翼(81)和垂直尾翼(82)，所述水平尾翼(81)和所述主翼(20)在高度方向错开设置。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转轴(40)包括圆轴段(41)和翼型段(42)，所述圆轴段(41)伸入到所述机身(10)中以与所述第二皮带轮(53)同轴转动，所述翼型段(42)位于所述机身(10)的外侧，在所述桨叶(31)的平面处于水平状态时，所述翼型段(42)剖面的高度方向的长度大于前后方向的长度。
10.根据权利要求9所述的倾转旋翼无人机，其特征在于，所述倾转轴(40)还包括位于所述机身(10)内侧的圆管(43)，所述第二皮带轮(53)套设在所述圆管(43)的外周，所述圆轴段(41)可拆卸地插入到所述圆管(43)中。
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