CN109878700A - 一种变桨距组合翼垂直起降无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变桨距组合翼垂直起降无人机，包括飞机主体结构和动力系统。主体结构包括机身、机翼、机臂、尾翼；动力系统包括安装在机臂上的变桨距垂直起飞动力单元和安装在机身上的水平动力单元。所述变桨距垂直起飞动力单元包括垂直起飞螺旋桨、垂直起飞电机、垂直起飞电调和变桨距连接装置，所述水平动力单元包括前飞螺旋桨、前飞电机和前飞电调。变桨距连接装置可以控制垂直起飞螺旋桨的桨叶角，实现对垂直起飞螺旋桨的桨距的控制，从而控制垂直起飞螺旋桨拉力，为无人机的悬停和姿态变化提供所需力和力矩。本发明可为悬停和低速状态下组合翼无人机的姿态变化提供一种更加有效的解决途径。

Description

一种变桨距组合翼垂直起降无人机

技术领域

本发明属于无人机技术领域。

背景技术

目前应用最为广泛的无人机包括两类：固定翼无人机和多旋翼无人机。其中，固定翼无人机具有高效率、长航时、高航速、大里程等优势，多旋翼无人机具有操作简单、起降方便、精准悬停等优势。为结合上述两种无人机的优势，可垂直起降固定翼无人机应运而生，这种飞机既能实现固定翼飞机的飞行品质，又能像旋翼飞机一样便捷起降，已经在军用和民用领域大放异彩。

目前，固定翼无人机的垂直起降技术主要有两种。一种是倾转旋翼技术，依靠垂直起飞螺旋桨实现起飞，达到一定高度后，垂直起飞螺旋桨逐渐倾转至90度，使飞机具有一定前飞速度，机翼依靠空气动力产生升力。这种技术理念先进，但目前仍存在诸多技术难点：倾转机构的结构设计、倾转过程的气动干扰研究尚不成熟，严重影响了飞行品质和安全性能。另外一种组合翼技术，变桨距垂直起飞动力单元和水平动力单元分别负责提供起降过程和平飞过程的动力，这种技术方式结构设计简单，导航算法解算难度大大降低，可靠性高。目前，组合翼无人机已在测绘、安防等多个领域逐渐得到深入应用。

相比于多旋翼无人机，组合翼无人机的尺寸和重量都较大。在无人机悬停和低速飞行阶段，需要依靠垂直起飞螺旋桨提供姿态变化或速度改变所需的力和力矩，现阶段的方法是通过改变不同垂直起飞螺旋桨的转速产生差额拉力、从而产生姿态变化或速度改变所需的力和力矩。如前所述，由于固定翼无人机质量较大，所安装的螺旋桨尺寸也较大，因此整机惯量和螺旋桨惯量都很大，通过改变转速调整姿态的方法存在反应迟缓、电机容易过饱和导致效率下降等显著缺点。

发明内容

为实现组合翼无人机在悬停和低速飞行状态能够快速、灵敏地实现姿态控制和飞行状态变化，本发明提供一种变桨距组合翼垂直起降无人机。所述无人机在悬停和低速飞行状态，依靠变桨距装置改变四个垂直起飞螺旋桨的桨距，为无人机提供姿态控制和改变飞行状态所需的力和力矩，能够实现有效的姿态控制和速度变化。相比与传统的变转速技术方法，本发明反应更加灵敏，同时有效降低电机过饱和工作的概率和时间，使得电机效率更高、寿命更长。另外，在螺旋桨数量与尺寸相等的情况下，与传统技术方法相比，本发明可以提供更大的载重范围。

所述组合翼垂直起降无人机包括飞机主体结构、动力系统和动力单元连接装置。

所述主体结构包括机身、机翼、机臂和尾翼。所述动力系统包括安装在机臂上的变桨距垂直起飞动力单元和机身上的水平动力单元，所述变桨距垂直起飞动力单元包括垂直起飞螺旋桨、垂直起飞电机、垂直起飞电调和变桨距连接装置，所述水平动力单元包括前飞螺旋桨、前飞电机和前飞电调。

所述机翼位于所述机身中部靠前位置，所述副翼位于机翼后缘外部，为无人机高速飞行阶段提供滚转力矩。

所述机臂位于机翼中部位置，与机身平行并关于机身对称分布，所述变桨距垂直起飞动力单元位于机臂两端，数量为四个。所述变桨距垂直起飞动力单元的垂直起飞螺旋桨与所述机臂通过变桨距连接装置连接。

所述变桨距连接装置一端连接所述伺服舵机的摇臂，另外一端连接所述垂直起飞螺旋桨，因此，所述伺服舵机可以驱动作动机构改变所述垂直起飞螺旋桨的桨叶角，从而改变所述垂直起飞螺旋桨的桨距。

所述变桨距垂直起飞动力单元的数量为四个，在起飞、悬停和低速飞行阶段为无人机提供克服自身重力的拉力，所述垂直起飞电机的转速在无人机由低速向高速过渡过程中逐渐降低，并最终降为零。

所述前飞电机在在无人机由低速向高速过渡过程中逐渐提高，是无人机前飞速度不断增大，直到最终机翼所产生的气动升力足以克服整机重力。

本发明的有益效果是：

提高了姿态变化和速度变化响应速度。通过控制伺服舵机控制四个垂直起飞螺旋桨的桨距，响应速度远高于控制转速的响应速度，因此，本发明提供的技术方法响应速度更快，灵敏度更高。

另外，在螺旋桨数量与尺寸相等的情况下，与传统技术方法相比，本发明可以提供更大的载重范围。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图

图2是本发明一种实施例的侧视图

图3是本发明一种实施例的俯视图

附图标号：

1	机翼
		2	机身
3	垂尾
		4	平尾
5	机臂
		6	变桨距垂直起飞动力单元
7	水平动力单元

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明进行更全面的描述。

实施例：

一种变桨距组合翼垂直起降无人机，包括机翼1、机身2、垂尾3、平尾4、机臂5、变桨距垂直起飞动力单元6和水平动力单元7。

所属机翼1位于所述机身2中部靠前位置，关于所述机身2对称。所述机翼1的后缘外部设有副翼，在高速飞行阶段为无人机提供滚转力矩。

所述垂尾3和平尾4共同构成尾翼，尾翼副翼位于所述垂尾3后缘，尾翼副翼在高速飞行阶段为无人机提供偏航力矩。所述平尾4是全动平尾，所述平尾4在高速飞行阶段为无人机提供俯仰力矩。

所述机臂5位于所述机翼1的中部，所述机臂5关于所述机身2对称。

所述变桨距垂直起飞动力单元6的数量为4个，位于所述机臂5的两端。

所述变桨距垂直起飞动力单元6包括垂直起飞螺旋桨、垂直起飞电机、垂直起飞电调和变桨距连接装置。所属垂直起飞螺旋桨的固定方式为变桨距连接装置。

所述水平动力单元7包括前飞螺旋桨、前飞电机和前飞电调。所述水平动力单元7位于机身2的前端，所述水平动力单元7与所述机身2固定连接。

本实施例中，所述变桨距垂直起飞动力单元6在起飞、悬停和低速飞行阶段为无人机提供克服整机重力的拉力。所述变桨距装置控制只在无人机悬停和低速飞行阶段工作。

本实施例中，变桨距连接装置形式是伺服舵机驱动连杆的作动机构，所述连杆一端连接所述伺服舵机的摇臂，另外一端连接所述垂直起飞螺旋桨。

本实施例中，工作过程中，操作人员发出指令，所述伺服舵机驱动所述连杆，使得所述垂直起飞螺旋桨的桨叶角发生改变，从而使得所述垂直起飞螺旋桨的桨距发生改变，最终使得相应所述变桨距垂直起飞动力单元6产生的拉力发生改变，不同变桨距垂直起飞动力单元的改变值不同，从而产生改变飞行状态所需的控制力矩。

Claims (4)

1.本发明提供了一种变桨距组合翼垂直起降无人机，包括飞机主体结构和动力系统。主体结构包括机身、机翼、机臂、尾翼；动力系统包括安装在机臂上的变桨距垂直起飞动力单元和安装在机身上的水平动力单元，所述变桨距垂直起飞动力单元包括垂直起飞螺旋桨、垂直起飞电机、垂直起飞电调和变桨距连接装置，所述水平动力单元包括前飞螺旋桨、前飞电机和前飞电调。

2.根据权利要求1所述的一种组合翼无人机，其特征在于，机臂固定在机翼上，机臂相对于机身对称分布，垂直起飞螺旋桨分布在机臂两端。

3.根据权利要求1所述的一种组合翼无人机，其特征在于垂直起飞螺旋桨的固定方式为变桨距连接装置。

4.根据权利要求1所述的一种组合翼无人机，其特征在于，变桨距连接装置可以控制改变螺旋桨的桨叶角大小，实现对垂直起飞螺旋桨的桨距的控制，从而控制垂直起飞螺旋桨旋转产生的拉力。