CN109878710A - 一种碟形涵道式无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碟形涵道式无人机，包括机壳、涵道、旋翼，所述机壳为碟形结构，所述涵道贯穿所述机壳，与所述壳体为一体结构，所述涵道内设置有所述旋翼。本发明所述的碟形涵道式无人机具有安全性高、悬停升力高和抗摔性能优越的特点，能够在低空人员密集的复杂环境下飞行。

Description

一种碟形涵道式无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种碟形涵道式无人机。

背景技术

涵道多旋翼无人机具有安全高效、气动效率高、结构紧凑等特点。由于其动力系统在涵道内，其整机的运行噪音被阻隔，旋翼桨叶尖的冲击气流也可被涵道壁有效约束，某种程度上，还可以降低热辐射，使其具备更好的隐蔽性。与直升机相比，涵道多旋翼无人机可以在更加狭小的环境进行起降与作业，其飞行时空气阻力也更小。跟传统外露的多旋翼无人机相比，涵道无人机安全性更高，抗摔性能好，能够在低空人员密集的复杂环境下飞行。

与传统多旋翼无人机相比，涵道多旋翼无人机体积和重量相对较大，对无人机整体的刚度和动力系统会有更高的要求，而现有的涵道大多采用简单的圆柱形结构，反而会降低无人机飞行性能。

目前传统多旋翼无人机没有任何防护措施，安全性很差，无法保证人员安全。

设计一种能克服上述问题的涵道无人机是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种碟形涵道式无人机，通过将无人机机壳设计成碟形结构，涵道贯穿碟形的上下表面，旋翼设置在涵道内，涵道与机壳一体成型，对涵道参数进行精确计算，不仅利用了涵道无人机的优点，更减小了无人机的飞行阻力，提高飞行性能。

本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种碟形涵道式无人机，包括机壳、涵道、旋翼，所述机壳为碟形结构，所述涵道贯穿所述机壳，与所述壳体为一体结构，所述涵道内设置有所述旋翼。

本发明进一步设置为：所述涵道的数量至少为三个，各所述涵道的圆心均匀分布在以所述碟形中心为圆心的同一圆周上。

本发明进一步设置为：所述涵道的两端为喇叭形开口。

本发明进一步设置为：所述涵道涵道展弦比值为0.2～0.4。

本发明进一步设置为：所述涵道唇口直径为所述涵道直径的1.2～1.25倍。

本发明进一步设置为：所述旋翼的桨盘位于涵道内距离上表面唇口30%～35%的位置。

本发明进一步设置为：所述旋翼的桨叶尖端和涵道内壁间隙是涵道直径的0.02～0.025倍。

本发明进一步设置为：所述碟形包括上表面、下表面，在所述上表面的中心位置设置有顶盖；在所述下表面的中心位置设置有开口向下的凹槽，所述凹槽的内沿为第一斜边。

本发明进一步设置为：在所述凹槽的外侧，设置有起落架，所述起落架前沿为第二斜边，所述第二斜边与第一斜边的斜率相同，所述起落架位于两相邻涵道之间的机壳上。

本发明进一步设置为：所述机壳的外边沿、顶部和底部，均匀分布有指示灯，用于指示无人机电源、运行状态，或用于报警。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

1.本申请将涵道嵌入碟形机壳的一体化设计，一方面碟形机壳减小了机壳异形产生的阻力，另一方面涵道减小了无人机的重量，提高飞行能力，从而使本申请的无人机具有阻力小，提升能力高的优点；

2.进一步地，通过精确计算涵道的参数，大幅度提高涵道在低来流迎角下对无人机的升力特性，增加涵道螺旋桨的升力；

3.进一步地，机壳与涵道的一体化设计，能够大幅度增加无人机机壳的刚度。

4.进一步地，通过壳体的上表面、下表面、壳体边缘设置指示灯，在，无论无人机处于空中或地面，都可以观察到指示灯，及时了解无人机的状态。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例的碟形涵道式无人机的结构示意图。

图2是本发明的一个具体实施例的碟形涵道式无人机的仰视结构示意图。

图3是本发明的一个具体实施例的碟形涵道式无人机的俯视结构示意图。

图4是本发明的一个具体实施例的碟形涵道式无人机的左视结构示意图。

图5是本发明的一个具体实施例的碟形涵道式无人机的后视结构示意图。

图6是本发明的一个具体实施例的涵道截面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种碟形涵道式无人机，如图1、2、3、4、5所示，其中，图1为立体图，图2为仰视图，图3俯视图，图4为左视图，图5为后视图，因无人机的碟形结构，左视图与右视图相同，前视图与后视图相同，包括机壳4、涵道6、旋翼3，机壳4为碟形结构，包括上表面、下表面，机壳4仰视图与俯视图的外围为圆形，上表面向上凸起，下表面向下凸起，上表面与下表面的侧视面具有一定弧度，其俯视图为圆形结构。

在机壳4上表面的中心位置设置有顶盖1，顶盖1的侧视图为向上凸起的结构，凸起方向与上表面的凸起方向一致。

顶盖1上设置有GPS装置2，GPS装置2通过连接杆与机壳连接。

在本发明的另一个实施例中，GPS装置至少有一个，当有多个时，GPS装置均匀分布在顶盖边缘。

在机壳内，设置有无人机机体，在无人机机体上设置有控制电路板；无人机的电池模组设置在控制电路板上。

在本发明的另一个实施例中，无人机机体设置在顶盖下方。

在机壳4下表面的中心位置设置有开口向下的凹槽8，凹槽8的开口处与机壳下表面连接，凹槽8的内沿为斜边，凹槽8的底部陷入机壳内部。

机壳4上设置有四个涵道6，对称分布在机壳上，涵道6截面的圆心均匀分布在以机壳横截面中心为圆心的圆周上。

在凹槽8的外侧，设置有起落架7，在本实施例中，起落架7的数量为4个，分别设置在两相邻涵道6之间的外壳上，介于两相邻涵道6之间。

起落架7靠近凹槽8的前沿也为斜边，前沿斜边的斜率与凹槽8内沿斜边的斜率相同。

当无人机降落到起飞平台上时，起落架7前沿的斜边相当于延长了凹槽8的内沿斜边，相应增加了凹槽8的深度，无人机凹槽8与起升平台契合度增加，使无人机更加平稳。

机壳4的外边缘，均匀分布有指示灯5，具体地，指示灯5位于两相邻涵道6之间的机壳4边沿，或位于涵道6外侧的机壳边沿。

涵道6贯穿机壳4的上表面、下表面。即涵道6嵌入机壳4中。涵道6为圆柱形结构，其两端为喇叭形开口，其截面图如图6所示。

旋翼3设置在涵道内，旋翼下方设置有动力模块，动力模块固定在一固定架的一端，固定架的另一端固定在机壳内。

在本发明的另一个实施例中，涵道的数量是为3个，或多于3个，其在机壳上均匀分布。

在本发明的另一个实施例中，起落架的数量是为3个，或多于3个，其在机壳上均匀分布。

在本发明的另一个实施例中，起落架与涵道的数量是相同的，或是不相同的，如涵道为6个时，起落架是6个或是3个，均匀分布即可。

在本发明的另一个实施例中，涵道外括与壳体4为一体结构。

在本发明的另一个实施例中，指示灯设置在壳体的上表面、下表面、壳体边缘，此时，无论无人机是处于空中，或是放置在地面，都可以观察到指示灯，及时了解无人机的状态。

在本发明的另一个实施例中，在下表面上，均匀分布有摄像头9。

指示灯用于电源指示、运行状态指示、报警指示。

指示灯均匀分布在以壳体中心为圆心的圆周上。

在壳体边沿部分，涵道的外括61突出于壳体4。

采用以下方法，实现对涵道的设计：

对于流体力学来说可以理解为将流体流动简化为随流体流动的有限微小单元（有限差分法）或有限体积的控制体（有限体积法）。两种方法是计算流体力学引出的不同求解流体方程的方式，有限差分法对应求解微分形式的控制方程，有限体积法对应求解积分形式的方程。前者易于编程实现，后者兼容性更强，因为对于微分方程来说要求要保证连续不可间断，但是对于激波等特定的非连续流体问题，用微分形式非常难求解。然而积分形式的体积法对连续性无要求，间断仍可积。本申请采用有限体积法作为涵道尺寸的计算方法。

将计算区域划分为网格，桨叶周边采用边界层网格，旋转区域内平均网格，并使每个网格点周围都有一个互不重复的控制体，用控制方程对每一个控制体积分。

有限元仿真涵道无人机气动性能涵道外形参数对无人机性能的影响，带涵道状态下无人机飞行的仿真结果对无人机涵道进行指导设计，通过对涵道涵道展弦比值、涵道唇口直径、桨盘涵道内纵向分布位置、桨尖与喊道内壁间隙等参数对无人机气动力性能的影响的计算，对无人机涵道外形尺寸进行参数化设计，在不同的参数下进行气动仿真计算，得到每个外形优化参数，从而大幅度提高涵道在低来流迎角下对无人机的升力特性。

对有涵道和无涵道情形的螺旋桨状态仿真，首先分别建立其三维模型，模型中仅涉及螺旋桨状态和带涵道状态，然后对其流体域进行网格划分，最后计算求解其整体流场。对于有涵道和无涵道两种情况，为比较方便，设边界条件一致，即：一致的水平风速，一致的离地高度，一致的转速，以及相同的外流场边界。在此情形下进行仿真分析，通过仿真计算得到：

A1、涵道展弦比值即Hd（涵道高度）/Dd（涵道宽度）的值增大，涵道产生的升力也增加，经计算涵道展弦比在0.2～0.4左右时，升力有较大幅度提升并且气动阻力增幅较小。

A2、涵道唇口直径Rd增大,能够改善入口流场绕流环境，减少了气流分离和失速的发生，唇口半径过大会产生动量阻力变大，过小则会致使绕流失速，设计为1.2～1.25倍涵道直径时，效果较好。

A3、桨盘位置hd在涵道内的纵向分布会影响涵道内部的静压分布，桨盘与涵道上唇口的距离为涵道高度的30%～35%时，产生的俯仰力矩最小，升力增升效果良好。

A4、桨叶尖端和涵道内壁间隙减小能够增加增升效果，但是间隙过小会产生更大的内壁静压，考虑加工制造等因素，间隙值取涵道直径的0.02～0.025倍。

其中，涵道高度用Hd表示、涵道宽度用Dd表示、涵道唇口直径用Rd表示、桨盘位置用hd表示。

无人机机壳与涵道融合一体化结构，涵道结构能够提供很强的刚度，如图5，无人机机壳受到的应力通过涵道机身融合可传导到涵道，涵道提供的刚度大幅度降低无人机机壳的应变，所以涵道及无人机机壳一体能够大幅度增加无人机机壳的刚度，并且一体融合结构能够降低无人机机体废阻。

经过优化设计，对比仅螺旋桨状态和带涵道状态下无人机的气动特性，涵道螺旋桨能够较常规螺旋桨提升12~16%左右的升力。

在本发明的一个具体实施例中，无人机机壳与涵道采用碳纤维芳纶材质，碳纤维具有耐高温、抗摩擦、高强度、高模量等特点，芳纶具备非常强的抗冲击能力，采用碳纤维芳纶材质能够提供无人机机壳抗冲击、轻质、抗腐蚀等优点，无人机机壳强度重量比高，在发生碰撞冲击时不发生破坏，能够保护机体结构。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碟形涵道式无人机，其特征在于：包括机壳、涵道、旋翼，所述机壳为碟形结构，所述涵道贯穿所述机壳，与所述壳体为一体结构，所述涵道内设置有所述旋翼。

2.根据权利要求1所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：所述涵道的数量至少为三个，各所述涵道的圆心均匀分布在以所述碟形中心为圆心的同一圆周上。

3.根据权利要求1所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：所述涵道的两端为喇叭形开口。

4.根据权利要求3所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：所述涵道涵道展弦比值为0.2～0.4。

5.根据权利要求3所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：所述涵道唇口直径为所述涵道直径的1.2～1.25倍。

6.根据权利要求3所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：所述旋翼的桨盘位于涵道内距离上表面唇口30%～35%的位置。

7.根据权利要求3所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：所述旋翼的桨叶尖端和涵道内壁间隙是涵道直径的0.02～0.025倍。

8.根据权利要求1所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：所述碟形包括上表面、下表面，在所述上表面的中心位置设置有顶盖；在所述下表面的中心位置设置有开口向下的凹槽，所述凹槽的内沿为第一斜边。

9.根据权利要求8所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：在所述凹槽的外侧，设置有起落架，所述起落架前沿为第二斜边，所述第二斜边与第一斜边的斜率相同，所述起落架位于两相邻涵道之间的机壳上。

10.根据权利要求1所述的碟形涵道式无人机，其特征在于：所述机壳的外边沿、顶部和底部，均匀分布有指示灯，用于指示无人机电源、运行状态，或用于报警。