CN111645860A - 一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，包括无人机主体，用于向无人机主体提供动力的三栖机动机构，用于改变三栖机动机构矢量方向的矢量调节机构，以及用于调节无人机飞行气动布局的折叠机翼总成；三栖机动机构包括用于平面爬行的轮毂以及兼具空中飞翔和水面航行的旋翼；折叠机翼总成包括翼根，翼梢，用于控制翼根角度变化的第一折翼机构，以及用于控制翼梢角度变化的第二折翼机构。本发明通过改变旋翼的倾转，可快速实现无人机垂直起降、悬停、飞行的转变，同时通过轮毂可在复杂地面上快速地爬行、吸附，便于完成追踪、巡检、安防、巡逻等任务。

Description

一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机。

背景技术

无人机是一种新型多功能的飞行平台，飞行操作智能化程度高，可按预定航线自主飞行、摄像，实时提供遥感监测数据和低空视频监控，具有机动性强、安全、便捷、成本低等特点。无人机通过搭载不同的任务设备可以完成诸如：娱乐、传播、运输、侦查、救援、巡检、安防、巡逻、军事任务等作业，因而广泛运用于生产、生活、科研国防等各个领域。

为了实现上述作业，无人机必须兼具实现垂直起降、悬停、快速飞行、依附等特殊飞行要求，但单靠已有的发动机装置和飞控系统难以实现无人机依附在路面和水面上。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，能够适应水陆空三栖作业，并提高飞行机动性和作业灵活度；解决了原先无人机难以实现垂直起降、悬停、快速飞行、依附等特殊飞行要求的问题。

（二）技术方案

为实现上述能够适应水陆空三栖作业，并提高飞行机动性和作业灵活度的目的，本发明提供如下技术方案：

一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，包括无人机主体，用于向所述无人机主体提供动力的三栖机动机构，用于改变所述三栖机动机构矢量方向的矢量调节机构，以及分布在所述无人机主体两侧且用于调节无人机飞行气动布局的折叠机翼总成；

所述三栖机动机构包括旋翼电机，所述旋翼电机的输出轴上固设有旋翼转轴，所述旋翼转轴轴上固设有用于平面爬行的轮毂以及兼具空中飞翔和水面航行的旋翼；

所述折叠机翼总成包括与所述无人机主体旋转配合的翼根，与所述翼根旋转配合的翼梢，用于控制所述翼根角度变化的第一折翼机构，以及用于控制所述翼梢角度变化的第二折翼机构。

可选的，所述矢量调节机构包括固设于无人机主体中的第一托架，所述第一托架上固设有旋翼杆舵机，所述旋翼杆舵机的输出轴固设有同步轴，所述同步轴旋转配合两个旋翼杆连接头，两个所述旋翼杆连接头分别旋转配合一个旋翼杆，且旋翼杆连接头固设有平飞矢量调节电机，所述平飞矢量调节电机通过齿轮传动连接旋翼杆，所述旋翼杆上设有旋翼面倾转机构，所述旋翼面倾转机构用于调节旋翼前后俯仰方向的的倾角。

可选的，所述旋翼面倾转机构包括固设于旋翼杆上的矢量调节电机，所述旋翼杆固设有万向接头A，所述万向接头A固设有铰轴，所述矢量调节电机的输出轴键连接主锥齿轮，所述铰轴键连接从锥齿轮，所述从锥齿轮啮合主锥齿轮，所述铰轴旋转配合配合万向接头B，所述万向接头B固设有旋翼电机。

可选的，所述第一折翼机构包括固设于无人机主体的第二托架，所述第二托架上设有第一机翼电机、第一丝杆传动副和第二丝杆传动副，所述第一机翼电机的输出轴通过齿轮传动连接中间轴，所述中间轴的两端分别与第一丝杆传动副的丝杆和第二丝杆传动副的丝杆固接，所述第一丝杆传动副和第二丝杆传动副的丝杆螺纹方向相反，且第一丝杆传动副和第二丝杆传动副的丝杆螺母均铰接有长连杆，所述长连杆铰接有翼根摇臂，所述翼根摇臂固定连接翼根。

可选的，所述第二折翼机构包括固设于翼根上的第二机翼电机，所述第二机翼电机的输出轴固设有电机摇臂，所述电机摇臂铰接有短连杆，所述短连杆铰接有翼梢摇臂，所述翼梢摇臂固定连接翼梢。

可选的，所述无人机主体截面采用船型；所述翼根和翼梢共同水平铺展的平面形状呈三角翼形，所述翼根所在平面与无人机主体所在平面的最大夹角为一百五十度，所述翼梢所在平面与翼根所在平面的最大夹角为九十度。

可选的，所述翼根在其竖直方向开设有容纳轮毂矢量方向变化的通道孔；所述翼根在其水平方向开设有用于避免遮挡旋翼的第一涵道和第二涵道。

可选的，所述轮毂固设有吸盘，所述吸盘沿轮毂的轮面呈环形均匀分布，且吸盘呈仿章鱼吸盘式结构。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，具备以下有益效果：

1.本发明目标小、重量轻，通过改变旋翼的倾转，可快速实现无人机垂直起降、悬停、飞行的转变，同时通过轮毂可在复杂地面上快速地爬行、吸附，便于完成追踪、巡检、安防、巡逻等任务；

2.旋翼倾斜角度和左右相邻旋翼的变距角度通过矢量调节机构控制，翼根和翼梢的折叠角度通过折叠机翼总成控制，无人机可以自适应不同的飞行状态，达到最优飞行效率以及最强机动性，可根据现场实际环境调整无人机的大小，具有很强的机动性以及环境适应性，与普通无人机相比，本发明具有更好的适应大风、大雨以及变速飞行的能力；

3.与以往无人机相比，本发明增加了陆地移动功能，大大提升了作业灵活性，弥补特种车辆作业的不足，通过独立换向的旋翼电机直驱轮毂，带来强劲的地面加速能力和低噪音，并通过轮毂独立控制，可实现小半径转弯和原地转向；

4.独立折叠的翼根和翼梢可提供重心偏移功能，一方面在中波浪状态时能避免无人机倒扣在水中，另一方面可在地面高速转弯时提供重心偏移支持，提高行走机动性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中无人机主体、三栖机动机构和矢量调节机构结构示意图；

图3为图2中三栖机动机构和矢量调节机构的俯视图；

图4为图2中三栖机动机构和矢量调节机构的右视图；

图5为本发明中旋翼杆、万向接头A和万向接头B的剖视图；

图6为本发明中无人机主体和折叠机翼总成结构示意图；

图7为本发明处于升降状态的结构示意图；

图8为本发明处于平面爬行状态的结构示意图。

图中：1无人机主体、2翼根、3翼梢、4第一托架、5旋翼杆舵机、6同步轴、7旋翼杆连接头、8旋翼杆、9平飞矢量调节电机、10矢量调节电机、11万向接头A、12铰轴、13主锥齿轮、14从锥齿轮、15万向接头B、16旋翼电机、17旋翼转轴、18轮毂、19旋翼、20第二托架、21第一机翼电机、22第一丝杆传动副、23第二丝杆传动副、24中间轴、25长连杆、26翼根摇臂、27第二机翼电机、28电机摇臂、29短连杆、30翼梢摇臂、31通道孔、32第一涵道、33第二涵道、34吸盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，包括无人机主体1，用于向无人机主体1提供动力的三栖机动机构，用于改变三栖机动机构矢量方向的矢量调节机构，以及分布在无人机主体1两侧且用于调节无人机飞行气动布局的折叠机翼总成。

请参阅图2至图4，矢量调节机构包括固设于无人机主体1中的第一托架4，第一托架4上通过螺栓与旋翼杆舵机5的外壳固定连接，旋翼杆舵机5的输出轴焊接有同步轴6，同步轴6旋转配合两个旋翼杆连接头7，两个旋翼杆连接头7分别旋转配合一个旋翼杆8，且旋翼杆连接头7上表面通过螺栓与平飞矢量调节电机9的外壳固定连接。平飞矢量调节电机9通过齿轮传动连接旋翼杆8，旋翼杆8上设有旋翼面倾转机构，旋翼面倾转机构用于调节旋翼19前后俯仰方向的的倾角。

请参阅图5，旋翼面倾转机构包括固设于旋翼杆8上的矢量调节电机10，旋翼杆8固定连接万向接头A11，万向接头A11固设有铰轴12，矢量调节电机10的输出轴键连接主锥齿轮13，铰轴12键连接从锥齿轮14，从锥齿轮14啮合主锥齿轮13，铰轴12旋转配合配合万向接头B15，万向接头A1和万向接头B15共同组合成万向接头，万向接头B15上设有三栖机动机构。

矢量调节电机10带动主锥齿轮13旋转，主锥齿轮13可以90°传递扭矩和旋转位置，从动角齿轮带动万向接头B15一同旋转。主动角齿轮13不断的旋转，旋翼19从图7中垂直起飞状态调整到图8中地面爬行状态。

请参阅图3，三栖机动机构包括固设在万向接头B15上的旋翼电机16，旋翼电机16的输出轴上固设有旋翼转轴17，旋翼转轴17轴上固设有用于平面爬行的轮毂18以及兼具空中飞翔和水面航行的旋翼19。轮毂18固设有吸盘34，吸盘34沿轮毂18的轮面呈环形均匀分布，且吸盘34呈仿章鱼吸盘式结构。

平飞矢量调节电机9带动旋翼杆8同步旋转，共计四组平飞矢量调节电机9带动四套旋翼杆8旋转，每个平飞矢量调节电机9均由无人机中飞控系统发出PWM信号独立控制。旋翼杆8通过旋翼杆连接头7和同步轴6连接，同步轴6在旋翼杆舵机5驱动下正向和反向旋转时，旋翼杆连接头7和旋翼杆8就会上下摆动。单独通过旋翼杆舵机5可以改变相邻旋翼19之间的变距角度；单独通过平飞矢量调节电机9改变旋翼19前后俯仰方向的的倾角；单独通过矢量调节电机10可将旋翼19从水平状态变为竖直状态。

请参阅图6，折叠机翼总成包括与无人机主体1旋转配合的翼根2，与翼根2旋转配合的翼梢3，用于控制翼根2角度变化的第一折翼机构，以及用于控制翼梢3角度变化的第二折翼机构。

第一折翼机构包括固设于无人机主体1的第二托架20，第二托架20上设有第一机翼电机21、第一丝杆传动副22和第二丝杆传动副23，第一机翼电机21的输出轴通过齿轮传动连接中间轴24，中间轴24的两端分别与第一丝杆传动副22的丝杆和第二丝杆传动副23的丝杆固接，由于第一丝杆传动副22和第二丝杆传动副23的丝杆螺纹方向相反，第一丝杆传动副22和第二丝杆传动副23的丝杆螺母做同步反向运动。第一丝杆传动副22和第二丝杆传动副23的丝杆螺母均铰接有长连杆25，长连杆25铰接有翼根摇臂26，翼根摇臂26固定连接翼根2。

通过第一机翼电机21驱动第一丝杆传动副22和第二丝杆传动副23的丝杆螺母做同步反向运动，与丝杆螺母固接的长连杆25牵引翼根摇臂26，实现改变翼根2与水平面之间的夹角，设计翼根2所在平面与无人机主体1所在平面的最大夹角为一百五十度。

第二折翼机构包括固设于翼根2上的第二机翼电机27，第二机翼电机27的输出轴固设有电机摇臂28，电机摇臂28铰接有短连杆29，短连杆29铰接有翼梢摇臂30，翼梢摇臂30固定连接翼梢3。

第二机翼电机27选用蜗杆舵机，信号由无人机中飞控系统发出，蜗杆舵机可实现自动锁止，外部力距不会传动到蜗杆舵机上。通过第二机翼电机27驱动电机摇臂28旋转，牵引短连杆29并拉动翼梢摇臂30，实现改变翼梢3与翼根2之间的夹角，设计翼梢3所在平面与翼根2所在平面的最大夹角为九十度。

通过折叠机翼总成，改变翼根2和翼梢3的角度，提供重心偏移功能，一方面在中波浪状态时能避免无人机倒扣在水中，另一方面可在地面高速转弯时提供重心偏移支持，提高无人机行走机动性。

请参阅图1，无人机主体1截面采用船型。翼根2和翼梢3共同水平铺展的平面形状呈三角翼形，翼根2在其竖直方向开设有容纳轮毂18矢量方向变化的通道孔31。翼根2在其水平方向开设有用于避免遮挡旋翼19的第一涵道32和第二涵道33，当翼根2水平铺展时，第一涵道32和第二涵道33避免翼根2遮挡旋翼19，保证旋翼19旋转时具有足够的进气量。

请参阅图1，本发明中的无人机处于飞行或水面航行状态。此时，旋翼19正向朝向前进方向，且旋翼19处于竖直状态，利用旋翼19旋转产生的推动力，推动无人机在水面航行，无人机成为了船体。此时，翼根2和翼梢3相当于无人机的“固定翼”，利用旋翼19产生的推动力，根据伯努利原理，翼根2和翼梢3产生向上的升力，无人机可以高速飞行。

请参阅图7，本发明中的无人机处于升降状态。此时，旋翼19处于水平状态，旋翼19旋转产生对空气向下的推动，在空气的反作用力下，无人机可以向上起升。

请参阅图8，本发明中的无人机处于平面爬行状态。此时，旋翼19平行与前进方向，且旋翼19处于竖直状态，利用旋翼19旋转产生的推动力，无人机在平面上可以滚动前进。轮毂18上的吸盘34可在让无人机在光滑陡峭的墙面依然行走自如。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，其特征在于：包括无人机主体(1)，用于向所述无人机主体(1)提供动力的三栖机动机构，用于改变所述三栖机动机构矢量方向的矢量调节机构，以及分布在所述无人机主体(1)两侧且用于调节无人机飞行气动布局的折叠机翼总成；

所述三栖机动机构包括旋翼电机(16)，所述旋翼电机(16)的输出轴上固设有旋翼转轴(17)，所述旋翼转轴(17)轴上固设有用于平面爬行的轮毂(18)以及兼具空中飞翔和水面航行的旋翼(19)；

所述折叠机翼总成包括与所述无人机主体(1)旋转配合的翼根(2)，与所述翼根(2)旋转配合的翼梢(3)，用于控制所述翼根(2)角度变化的第一折翼机构，以及用于控制所述翼梢(3)角度变化的第二折翼机构。

2.根据权利要求1所述的一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，其特征在于：所述矢量调节机构包括固设于无人机主体(1)中的第一托架(4)，所述第一托架(4)上固设有旋翼杆舵机(5)，所述旋翼杆舵机(5)的输出轴固设有同步轴(6)，所述同步轴(6)旋转配合两个旋翼杆连接头(7)，两个所述旋翼杆连接头(7)分别旋转配合一个旋翼杆(8)，且旋翼杆连接头(7)固设有平飞矢量调节电机(9)，所述平飞矢量调节电机(9)通过齿轮传动连接旋翼杆(8)，所述旋翼杆(8)上设有旋翼面倾转机构，所述旋翼面倾转机构用于调节旋翼(19)前后俯仰方向的的倾角。

3.根据权利要求2所述的一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，其特征在于：所述旋翼面倾转机构包括固设于旋翼杆(8)上的矢量调节电机(10)，所述旋翼杆(8)固设有万向接头A(11)，所述万向接头A(11)固设有铰轴(12)，所述矢量调节电机(10)的输出轴键连接主锥齿轮(13)，所述铰轴(12)键连接从锥齿轮(14)，所述从锥齿轮(14)啮合主锥齿轮(13)，所述铰轴(12)旋转配合配合万向接头B(15)，所述万向接头B(15)固设有旋翼电机(16)。

4.根据权利要求1所述的一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，其特征在于：所述第一折翼机构包括固设于无人机主体(1)的第二托架(20)，所述第二托架(20)上设有第一机翼电机(21)、第一丝杆传动副(22)和第二丝杆传动副(23)，所述第一机翼电机(21)的输出轴通过齿轮传动连接中间轴(24)，所述中间轴(24)的两端分别与第一丝杆传动副(22)的丝杆和第二丝杆传动副(23)的丝杆固接，所述第一丝杆传动副(22)和第二丝杆传动副(23)的丝杆螺纹方向相反，且第一丝杆传动副(22)和第二丝杆传动副(23)的丝杆螺母均铰接有长连杆(25)，所述长连杆(25)铰接有翼根摇臂(26)，所述翼根摇臂(26)固定连接翼根(2)。

5.根据权利要求1所述的一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，其特征在于：所述第二折翼机构包括固设于翼根(2)上的第二机翼电机(27)，所述第二机翼电机(27)的输出轴固设有电机摇臂(28)，所述电机摇臂(28)铰接有短连杆(29)，所述短连杆(29)铰接有翼梢摇臂(30)，所述翼梢摇臂(30)固定连接翼梢(3)。

6.根据权利要求1所述的一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，其特征在于：所述无人机主体(1)截面采用船型；所述翼根(2)和翼梢(3)共同水平铺展的平面形状呈三角翼形，所述翼根(2)所在平面与无人机主体(1)所在平面的最大夹角为一百五十度，所述翼梢(3)所在平面与翼根(2)所在平面的最大夹角为九十度。

7.根据权利要求1所述的一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，其特征在于：所述翼根(2)在其竖直方向开设有容纳轮毂(18)矢量方向变化的通道孔(31)；所述翼根(2)在其水平方向开设有用于避免遮挡旋翼(19)的第一涵道(32)和第二涵道(33)。

8.根据权利要求1所述的一种旋翼三轴倾转且机翼折叠的空地多栖无人机，其特征在于：所述轮毂(18)固设有吸盘(34)，所述吸盘(34)沿轮毂(18)的轮面呈环形均匀分布，且吸盘(34)呈仿章鱼吸盘式结构。

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