CN109080825A - 一种垂直起降固定翼货运无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种垂直起降固定翼货运无人机，包括机身，所述机身的中部梁下方挂载机械臂，上方设有货仓，两侧对称安装小翼和起落架，两个起落架呈A字形，两个起落架的斜撑通过连接杆与中部梁固定，平行于机身的第一动力系统通过第一碳杆与中部梁固定连接，垂直于机身的第二动力系统通过第二碳杆与机身的上部梁固定连接，上部梁上方设有设备舱，设备舱内装载飞控、接收机、GPS和电池，飞控信号连接至接收机和GPS，所述电池为飞控、接收机和GPS供电。本发明所述的垂直起降固定翼货运无人机，将旋翼类无人机与固定翼无人机的优势相结合，既可以实现垂直起降，又可以转为平飞利用机翼升力，大大增加了续航里程。

Description

一种垂直起降固定翼货运无人机
技术领域
本发明属于无人机领域，尤其是涉及一种垂直起降固定翼货运无人机。
背景技术
利用无人机来实现货物的运输，已经越来越受到人们的重视。目前市场上出现的货运无人机主要为四旋翼和六旋翼，用于物流体系末端的配送服务。也出现了一些大型的固定翼无人机，用于物流体系支干线级的运输服务。但是传统的旋翼类无人机普遍存在着价格高昂、飞行速度低、续航里程短等问题，极大地限制了旋翼类无人机应用于物流运输体系的适用范围。而传统的固定翼货运无人机，虽然有着非常可观的载重量和续航里程，但固定翼货运无人机往往需要一段非常平整的跑道滑跑才能实现起降，对于环境提出了非常高的要求，这也就使它在很多情况下并不能适用。同时，目前的无人机装货卸货依赖人工来完成，在某些交通不便的偏远地区或者不便于人类进入接触的场所，无法实现正常的装卸。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种垂直起降固定翼货运无人机，以提供一种将四旋翼与固定翼无人机融合，能够垂直起降，起飞后转换飞控模式并自动巡航，适应绝大多数场所起降的，具有货物的自动抓取和投放功能的垂直起降固定翼货运无人机。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种垂直起降固定翼货运无人机，包括机身、小翼、第一动力系统、第二动力系统、机械臂和起落架，所述机身的中部梁下方挂载用于抓取货物的所述机械臂，所述机械臂由四个舵机控制，每个所述舵机具有四个关节，拥有四个自由度；所述中部梁的上方设有货仓，所述机身的两侧对称安装所述小翼和所述起落架，所述小翼采用翼身融合式“S”型翼,两个所述起落架呈A字形，两个所述起落架的斜撑固定连接至连接杆的两端，所述连接杆安装在所述中部梁上，平行于所述机身的所述第一动力系统通过第一碳杆与所述中部梁固定连接，垂直于所述机身的所述第二动力系统通过第二碳杆与所述机身的上部梁固定连接，所述上部梁上方设有设备舱，所述设备舱内装载飞控、接收机、GPS和电池，所述飞控信号连接至所述接收机和所述GPS，所述电池为所述飞控、所述接收机和所述GPS供电，所述机身和所述小翼均采用2mm轻木制作，所述中部梁和所述上部梁采用2mm层板制作，所述第一动力系统包括安装在所述机身前后两端的一号动力装置和二号动力装置，所述一号动力装置和所述二号动力装置的结构完全相同，所述一号动力装置由第一电子调速器、第一螺旋桨和第一电机组成，所述第一电子调速器信号连接至所述第一电机，所述第一电机的一端连接至所述第一螺旋桨，另一端通过所述第一碳杆与所述中部梁固定连接；所述第二动力系统包括安装在所述机身左右两侧的三号动力装置和四号动力装置，所述三号动力装置和所述四号动力装置的结构完全相同，所述三号动力装置由第二电子调速器、第二螺旋桨和第二电机组成，所述第二电子调速器信号连接至所述第二电机，所述第二电机的一端连接至所述第二螺旋桨，另一端通过所述第二碳杆与所述上部梁固定连接，所述第一螺旋桨的桨平面高于所述第二螺旋桨的桨平面。
进一步的，所述小翼的上反角不大于3°。
进一步的，所述连接杆为圆形碳杆。
进一步的，所述飞控的控制平台为PIXHAWK开源飞控平台。
进一步的，所述机械臂的型号为螃蟹王国机械臂99号。
进一步的，所述设备舱的材质为铝合金。
相对于现有技术，本发明所述的垂直起降固定翼货运无人机具有以下优势：
(1)本发明所述的垂直起降固定翼货运无人机，第一动力系统和第二动力系统螺旋桨的桨面不在同一平面内，降低了无人机升力的重心，减少了桨叶平面到机身的力臂，有利于该无人机即时姿态的改变。
(2)本发明所述的垂直起降固定翼货运无人机，将旋翼类无人机与固定翼无人机的优势相结合，既可以实现垂直起降，又可以转为平飞利用机翼升力，大大增加了续航里程。
(3)本发明所述的垂直起降固定翼货运无人机，采用翼身融合式“S”型翼，增大了升力面积，俯仰姿态容易改变，利于垂直模式与平飞模式之间进行转换。
(4)本发明所述的垂直起降固定翼货运无人机，以PIXHAWK开源飞控为平台，接收GPS定位服务，根据地面站规划的航迹，按照航迹进行自动巡航。
(5)本发明所述的垂直起降固定翼货运无人机，以PIXHAWK开源飞控为平台，飞控接收内置的加速度计、陀螺仪的信号反馈，实时调整姿态，实现自稳。
(6)本发明所述的垂直起降固定翼货运无人机，设置的机械臂，能够使无人机在地面上实现货物的自动抓取与投放。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的垂直起降固定翼货运无人机结构示意图；
图2为本发明实施例所述的垂直起降固定翼货运无人机俯视图；
图3为本发明实施例所述的垂直起降固定翼货运无人机侧视图。
附图标记说明：
1-机身；11-中部梁；12-上部梁；2-小翼；3-一号动力装置；4-二号动力装置；5-三号动力装置；6-四号动力装置；7-机械臂；8-货仓；9-起落架；10-设备舱。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种垂直起降固定翼货运无人机，如图1至图3所示，包括机身1、小翼2、第一动力系统、第二动力系统、机械臂7和起落架9，所述机身1的中部梁11下方挂载用于抓取货物的所述机械臂7，所述机械臂7的型号为螃蟹王国机械臂，所述机械臂7由四个舵机控制，每个所述舵机具有四个关节，拥有四个自由度；所述中部梁71的上方设有货仓8，所述机身1的两侧对称安装所述小翼2和所述起落架9，所述小翼2采用翼身融合式“S”型翼,两个所述起落架9呈A字形，两个所述起落架9的斜撑固定连接至连接杆的两端，所述连接杆安装在所述中部梁11上，无人机平飞时用于增加无人机的横侧稳定；平行于所述机身1的所述第一动力系统通过第一碳杆与所述中部梁11固定连接，垂直于所述机身1的所述第二动力系统通过第二碳杆与所述机身1的上部梁12固定连接，所述上部梁12上方设有设备舱10，所述设备舱10内装载飞控、接收机、GPS和电池，所述飞控信号连接至所述接收机和所述GPS，所述电池为所述飞控、所述接收机和所述GPS供电。所述小翼2的上反角不大于3°，平飞时机翼带有上反角可以增加无人机的横侧稳定性。
所述第一动力系统包括安装在所述机身1前后两端的一号动力装置3和二号动力装置4，所述一号动力装置3和所述二号动力装置4的结构完全相同，所述一号动力装置3由第一电子调速器、第一螺旋桨和第一电机组成，所述第一电子调速器信号连接至所述第一电机，所述第一电机的一端连接至所述第一螺旋桨，另一端通过所述第一碳杆与所述中部梁11固定连接；所述第二动力系统包括安装在所述机身1左右两侧的三号动力装置5和四号动力装置6，所述三号动力装置5和所述四号动力装置6的结构完全相同，所述三号动力装置5由第二电子调速器、第二螺旋桨和第二电机组成，所述第二电子调速器信号连接至所述第二电机，所述第二电机的一端连接至所述第二螺旋桨，另一端通过所述第二碳杆与所述上部梁12固定连接，所述第一螺旋桨的桨平面高于所述第二螺旋桨的桨平面，不在同一平面内，降低了升力的重心，减少了桨叶平面到机身的力臂，有利于无人机即时姿态的改变。
所述机身1和所述小翼2的材质均为2mm的轻木。
所述上部梁12和所述中部梁11的材质均为2mm的层板。
所述连接杆为圆形碳杆。
所述飞控的控制平台为PIXHAWK开源飞控平台，飞控接收内置的加速度计、陀螺仪的信号反馈，实时调整姿态，实现自稳，接收GPS定位服务，根据地面站规划的航迹，按照航迹进行自动巡航。
所述机械臂7的型号为螃蟹王国机械臂99号，通用性强。
所述设备舱10的材质为铝合金，大大降低了无人机的重量。
一种垂直起降固定翼货运无人机的工作原理为：
无人机将传统的四旋翼无人机与固定翼无人机的优势相结合，采用两对垂直且不在同一平面的动力装置作为无人机的动力系统。该无人机利用四个动力装置的四个螺旋桨产生拉力，飞控能根据接收机收到的不同信号，反馈到电子调速器，驱动电机带动螺旋桨产生不同的拉力与扭矩。无人机在垂直状态下相当于一架四旋翼无人机，当无人机悬停时，飞控默认无人机的稳定状态为垂直方向，四个螺旋桨的拉力抵消了重力，且四个电机转速相同，滚转、俯仰、偏航力矩均为零，四个螺旋桨反扭矩效应均被抵消。当四个电机转速同时增大或者减小，反扭矩效应也被抵消，拉力大于或者小于重力，实现无人机的升降运动。
1、当无人机处于垂直模式时
当两个第一电机和两个第二电机的转速相同，带动第一螺旋桨和第二螺旋桨产生的拉力和等于无人机的重力时，无人机处于悬停状态；当两个第一电机和两个第二电机的转速相同，带动第一螺旋桨和第二螺旋桨的拉力和大于无人机的重力时，无人机处于上升状态；当两个第一电机和两个第二电机的转速相同，带动第一螺旋桨和第二螺旋桨的拉力和小于无人机的重力时，无人机处于下降状态。当三号动力装置5的电机转速增大，四号动力装置6的电机转速减小，一号动力装置3的电机和二号动力装置4的电机转速保持不变，无人机产生向前的分力，无人机向前运动；当四号动力装置6的电机转速增大，三号动力装置5的二电机转速减小，一号动力装置3的电机转速和二号动力装置4的电机转速保持不变，无人机产生向后的分力，无人机向后运动；当一号动力装置3的电机转速增大，二号动力装置4的电机转速减小，三号动力装置5的电机和四号动力装置6的电机转速保持不变，无人机产生向右的分力，无人机向右运动；当一号动力装置3的电机转速减小，二号动力装置4的电机转速增大，三号动力装置5的电机转速和四号动力装置6的电机转速保持不变，无人机产生向左的分力，无人机向左运动。
2、当无人机处于平飞模式时
当无人机起飞达到一定的高度，无人机设定的程序控制四个电机的转速使飞机产生向前的倾角，此时切换飞控的飞行模式为平飞模式，飞控指定平飞姿态为无人机的稳定状态，使无人机转换到平飞模式。在此模式下利用机翼产生的升力平衡自重，两个第一螺旋桨和两个第二螺旋桨产生的拉力为无人机提供前飞动力。无人机内部设定的程序控制一号动力装置3的电机和二号动力装置4的电机转速不同，从而利用差速原理为无人机提供左右偏航姿态改变；无人机内部设定的程序控制三号动力装置5中第二电机的和四号动力装置6中第二电机的转速不同，从而利用差速原理为无人机前后俯仰姿态改变；当无人机起飞后，飞控的加速度计、陀螺仪以及连接的空速计反馈给飞控无人机的实时姿态信息，飞控通过输出电子调速器信号，改变无人机姿态，使无人机总能处于一种稳定的状态，飞控加载了GPS，提供实时位置信息，通过地面站航迹规划，可让无人机沿着规划的航迹进行飞行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种垂直起降固定翼货运无人机，其特征在于：包括机身(1)、小翼(2)、第一动力系统、第二动力系统、机械臂(7)和起落架(9)，
所述机身(1)的中部梁(11)下方挂载所述机械臂(7)，所述机械臂(7)由四个舵机控制，每个所述舵机具有四个关节，拥有四个自由度，所述中部梁(71)的上方设有货仓(8)，所述机身(1)的两侧对称安装所述小翼(2)和所述起落架(9)，所述小翼(2)采用翼身融合式“S”型翼,两个所述起落架(9)呈A字形，两个所述起落架(9)的斜撑固定连接至连接杆的两端，所述连接杆安装在所述中部梁(11)上，平行于所述机身(1)的所述第一动力系统通过第一碳杆与所述中部梁(11)固定连接，垂直于所述机身(1)的所述第二动力系统通过第二碳杆与所述机身(1)的上部梁(12)固定连接，所述上部梁(12)上方设有设备舱(10)，所述设备舱(10)内装载飞控、接收机、GPS和电池，所述飞控信号连接至所述接收机和所述GPS，所述电池为所述飞控、所述接收机和所述GPS供电，所述机身(1)和所述小翼(2)均采用2mm轻木制作，所述中部梁(11)和所述上部梁(12)采用2mm层板制作，所述第一动力系统包括安装在所述机身(1)前后两端的一号动力装置(3)和二号动力装置(4)，所述一号动力装置(3)和所述二号动力装置(4)的结构完全相同，所述一号动力装置(3)由第一电子调速器、第一螺旋桨和第一电机组成，所述第一电子调速器信号连接至所述第一电机，所述第一电机的一端连接至所述第一螺旋桨，另一端通过所述第一碳杆与所述中部梁(11)固定连接；所述第二动力系统包括安装在所述机身(1)左右两侧的三号动力装置(5)和四号动力装置(6)，所述三号动力装置(5)和所述四号动力装置(6)的结构完全相同，所述三号动力装置(5)由第二电子调速器、第二螺旋桨和第二电机组成，所述第二电子调速器信号连接至所述第二电机，所述第二电机的一端连接至所述第二螺旋桨，另一端通过所述第二碳杆与所述上部梁(12)固定连接，所述第一螺旋桨的桨平面高于所述第二螺旋桨的桨平面。
2.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼货运无人机，其特征在于：所述小翼(2)的上反角不大于3°。
3.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼货运无人机，其特征在于：所述连接杆圆形碳杆。
4.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼货运无人机，其特征在于：所述飞控的控制平台为PIXHAWK开源飞控平台。
5.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼货运无人机，其特征在于：所述机械臂(7)的型号为螃蟹王国机械臂99号。
6.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼货运无人机，其特征在于：所述设备舱(10)的材质为铝合金。
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