CN112061376B - 一种自主定位可折叠货运滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自主定位可折叠货运滑翔机，包括机身、右机翼、左机翼、平尾、垂尾；机身中部两侧分别通过机翼折叠机构与右机翼、左机翼连接；机身尾部安装的平尾和垂尾为H型尾翼布局，且在机身尾部还设置有尾翼折叠机构；机身分为三个舱段：机头舱，机身舱和机尾舱；三个舱段相互独立，三个货舱可独立放置货物。滑翔机的飞行控制设备采用基于PIXHAWK飞控平台的无人滑翔机自主定位系统。本发明能够通过大型固定翼运输机进行范围性的投放，并实现无人滑翔机的自主定位和航迹规划，使其能够精准降落在既定地点，解决偏远地区最后运输阶段困难问题。

Description

一种自主定位可折叠货运滑翔机

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体为一种自主定位可折叠货运滑翔机。

背景技术

近些年来，随着无人机技术的发展，各种各样的无人机开始广泛应用于各个方面。在物流方面，随着配送需求激增、人力成本飙升、服务场景复杂等多因素驱动，加之相关软硬件的进步，使无人机达到了实用性的基本要求，无人机越来越受到人们的重视，促成了无人机物流配送业的迅速发展。

目前市场上出现的货运无人机主要为四旋翼和六旋翼，用于物流末端的配送服务。当然，也出现了一些大型的固定翼无人机，用于物流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、载荷量小、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。因此急需一种满足载重和续航要求的低成本自主定位货运无人机。在文献(武耀罡；魏新超；黄亚东；王帅琪；张辉.一种自动装卸垂直起降固定翼货运无人机[P].中国专利：CN208306996U，2019-01-01.)中提出了一种垂直起降固定翼无人机，将四旋翼与固定翼无人机融合，能够实现垂直起降；但该无人机升力有限，不能满负荷起飞；体积过大，运输较为不方便；维修维护成本较大。在文献(一种基于多旋翼布局的物流无人机[P].中国专利：CN209870732U，2019-12-31.)中则提出了一种基于多旋翼布局的物流无人机，机械结构简单、灵活性高；但该类无人机续航能力差，无法保证长时间、大航程的作业；载荷量小，多用于单件物品运输；抗干扰能力差。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，实现对偏远地区等交通不便利地区进行低成本、精定位的物资运输，本发明提出一种自主定位可折叠货运滑翔机，其能够通过大型固定翼运输机进行范围性的投放，并实现无人滑翔机的自主定位和航迹规划，使其能够精准降落在既定地点。

本发明的技术方案为：

所述一种自主定位可折叠货运滑翔机，包括机身、右机翼、左机翼、平尾、垂尾；

所述机身中部两侧分别通过机翼折叠机构与右机翼、左机翼连接；机身尾部连接平尾和垂尾；

所述机翼折叠机构，包括一次折叠驱动装置、二次折叠驱动装置和锁定支撑组件；

所述锁定支撑组件安装在机身内，用于在机翼正常展开状态下，对机翼进行支撑和承力，并对机翼的展开状态进行锁定；同时当需要机翼折叠时，能够对机翼进行解锁；

所述一次折叠驱动装置实现机翼相对滑翔机机体坐标系X轴的折叠转动，每侧机翼各对应安装有一组一次折叠驱动装置；

所述一次折叠驱动装置包括第一驱动装置和滑轨；第一驱动装置固定安装在机身内，滑轨平行于X轴并安装在机身一侧的滑槽内，且滑轨能够在第一驱动装置的驱动下，绕自身轴线转动；当机翼与机身解锁后，滑轨绕自身轴线的转动能够实现同一侧机翼相对X轴的折叠转动；

所述二次折叠驱动装置包括第二驱动装置、螺纹杆、滑块、前连杆和后连杆；螺纹杆平行于滑轨，并通过固定安装在滑轨上的前支架和后支架进行支撑，螺纹杆一端与前支架通过转动配合，螺纹杆另一端穿过后支架后与第二驱动装置固定连接，且螺纹杆与后支架转动配合，螺纹杆能够在第二驱动装置驱动下绕自身轴线转动；所述滑块既安装在螺纹杆上，也安装在滑轨上，滑块与螺纹杆螺纹配合，同时滑块也配合安装在滑轨上，通过滑轨限制滑块绕螺纹杆轴线的转动自由度，当第二驱动装置驱动螺纹杆转动时，能够带动滑块沿滑轨直线移动；

所述前连杆端部和后连杆端部之间通过铰链连接，前连杆另一端部与固定在滑轨上的前凸台铰链连接，后连杆另一端部与固定在滑块上的后凸台铰链连接，三个铰链轴均垂直于机翼展向平面；机翼靠近翼根部位的翼面上具有连接件，连接件与后连杆固定连接；

在机翼处于展开状态时，前连杆与后连杆处于最大展开状态；当机翼进行一次折叠时，滑轨绕自身转动时，前连杆与后连杆保持最大展开状态，同步随滑轨转动，带动机翼实现其相对X轴的折叠转动；当机翼一次折叠到位后，通过第二驱动装置带动螺纹杆转动，驱动滑块沿轴线运动，进而带动前连杆与后连杆相对折叠，后连杆在运动过程中带动机翼同步进行二次折叠。

进一步的，所述锁定支撑组件包括支撑梁和折叠展开锁定组件；支撑梁安装在机身内部，是机翼正常展开状态下的主承力结构；所述折叠展开锁定组件采用电磁锁定和解锁方式，在支撑梁端面安装有折叠展开锁以及第一铁块，折叠展开锁与第一铁块之间通过套有第一弹簧的导杆连接，导杆一端与第一铁块固连，另一端能够向支撑梁内部滑动；折叠展开锁非通电状态下，第一弹簧提供推力将第一铁块推出，第一铁块伸入机翼翼根端面对应形状的凹槽中，将机翼与支撑梁刚性连接；当折叠展开锁通电后，折叠展开锁吸引第一铁块克服第一弹簧的推力向支撑梁方向移动，使第一铁块脱离机翼根部对应的凹槽，解开机身对机翼的锁定。

进一步的，在机身内还安装了电磁锁定设备，对一次折叠驱动装置进行电磁锁定和释放；所述电磁锁定设备包括电磁锁、第二铁块和第二弹簧；电磁锁固定在机身内部，具有轴向通孔，第二铁块上具有导杆，导杆伸入电磁锁的轴向通孔内，且导杆上套有第二弹簧；电磁锁非通电状态下，第二弹簧提供推力将第二铁块推出，第二铁块伸入一次折叠驱动装置中滑轨侧面的对应凹槽或通孔内，将滑轨锁定；而当电磁锁通电后，电磁锁吸引第二铁块克服第二弹簧推力向电磁锁方向移动，使第二铁块脱离滑轨，解开对滑轨的锁定。

进一步的，在机身内部安装了两组电磁锁定设备，分别对应在滑轨两端侧面对其进行转动自由度的锁定和释放。

进一步的，所述第一驱动装置采用舵机，第二驱动装置采用步进电机。

进一步的，在前连杆端部和后连杆端部之间的连接铰链处可以设置限位装置，使前连杆与后连杆只能向外折叠。

进一步的，机身分为三个舱段：机头舱，机身舱和机尾舱；三个舱段相互独立，机头舱与机身舱通过第一挡板相隔离，机身舱与机尾舱通过第二挡板相隔离，两个挡板与机身固连，三个货舱可独立放置货物。

进一步的，对于机头舱而言，机头舱舱门一侧上下两端与机头舱通过弧形卡槽连接，机头舱舱门另一侧装有机头舱舱门磁铁，机头舱舱门磁铁能够与机头舱舱内磁铁相互吸引，以达到关闭舱门的效果；

对于机身舱而言，机身舱舱门前端两侧与机身舱通过弧形卡槽连接，机身舱舱门另一端装有机身舱舱门磁铁，机身舱舱门磁铁能够与机身舱舱内磁铁相互吸引，以达到关闭舱门的效果；

对于机尾舱而言，机尾舱舱门后端两侧与机尾舱通过弧形卡槽连接，机尾舱舱门另一端装有机尾舱舱门磁铁，机尾舱舱门磁铁能够与机尾舱舱内磁铁相互吸引，以达到关闭舱门的效果；

关闭所有舱门后，机身外部保证连续光滑，对于气流的影响降到最小。

进一步的，在机身尾部安装的平尾和垂尾为H型尾翼布局，且在机身尾部还设置有尾翼折叠机构；

所述尾翼折叠机构包括机身卡槽、电磁锁、前滑块、后滑块、连接滑块、齿轮组、电机；电磁锁固连在机身卡槽上，在展开状态下，电磁锁将平尾与机身锁定；当需要平尾折叠时，电磁锁将平尾解锁；两侧平尾伸入机身内部的一端具有连接滑块，一侧平尾的连接滑块连接前滑块，另一侧平尾的连接滑块连接后滑块，前滑块与后滑块相对的一侧均具有齿条；电机连接齿轮组，齿轮组与前滑块以及后滑块上的齿条配合，通过电机驱动齿轮组传动，能够带动前滑块以及后滑块同向或反向运动，实现两侧平尾的收缩和伸展。

进一步的，滑翔机的飞行控制设备采用基于PIXHAWK飞控平台的无人滑翔机自主定位系统，包括PIXHAWK飞行控制器、传感器系统、飞行控制系统、数据传输系统；

传感器系统包括RTK差分GPS定位系统和三套三余度惯性导航系统IMU，用于测量滑翔机飞行时方向、速度、加速度、位置、高度的飞行状态信息，并传输至PIXHAWK飞行控制器与数据传输系统；

数据传输系统用于传输传感器系统的信号反馈，并从PIXHAWK飞行控制器和飞行控制系统中读取信息传输至地面站，同时从地面站接收航迹规划信息；

飞行控制系统根据飞行信息反馈对操纵面舵机进行控制，实时调整姿态，实现自主定位，按照航迹自动飞行。

有益效果

本发明提出一种自主定位可折叠货运滑翔机，能够通过大型固定翼运输机进行范围性的投放，并实现无人滑翔机的自主定位和航迹规划，使其能够精准降落在既定地点，解决偏远地区最后运输阶段困难问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为全机等轴侧视图；

图2为机翼折叠机构图；

图3为机翼一次折叠过程图；

图4为机翼二次折叠过程图；

图5为机翼折叠展开锁和电磁锁的零件图；

图6为尾翼折叠机构图；

图7为尾翼折叠过程图；

图8为飞机机身剖视图；

图9为机头舱和飞控系统结构图；

图10为机身舱门、机尾舱门打开整体图；

图11为操纵面等轴侧视图；

图标:1—前连杆；2—后连杆；3—步进电机；4—舵机；5—铁块；6—弹簧；7—电磁锁；8—弹簧；9—滑块；10—滑轨；11—右机翼；12—支撑梁；13—铁块；14—铁块；15—凹槽；

16—前支架；17—后支架；18—螺纹杆；19—折叠展开锁；20—电磁锁；21—弹簧；

22—前凸台；23—后凸台；24—左机翼；25—机身；26—平尾；27—垂尾；28—机头舱；

29—机身舱；30—机尾舱；31—机头舱舱门；32—弧形卡槽；33—机头舱舱门磁铁；

34—机头舱舱内磁铁；35—机身舱舱门；36—弧形卡槽；37—机身舱舱门磁铁；38—机身舱舱内磁铁；39—机尾舱舱门；40—弧形卡槽；41—机尾舱舱门磁铁；42—机尾舱舱内磁铁；43—1号挡板；44—2号挡板；45—电源系统；46—电调；47—电磁锁；48—机身卡槽；49—电机；50—齿轮组；51—前滑块；52—后滑块；53—连接滑块；54—机翼舵机；55—平尾舵机；56—垂尾舵机；57—Arduino板；58—陀螺仪模块；59—GPS模块；

具体实施方式

本发明的首要目的是为了实现对于偏远地区的货物运输，为此本发明的总体方案是：

该货运滑翔机通过从大型运输机上投放，用于对偏远地区的货物运输，解决偏远地区最后运输阶段困难问题。

该投放型货运滑翔机采用折叠机翼和折叠尾翼式设计，运输前折叠，投放前展开，从而减少在运输机中的占有空间。飞机的主要结构由机身(货运储存箱)、折叠机翼、折叠尾翼组成，控制系统硬件方面由主控制模块、传感器模块及I/O接口模块等组成。

机身采用箱体结构设计，头部为半球形结构，主要用于放置货物，并且能够保证在放置货物的过程中，滑翔机的重心在一定范围内移动。机身主要分为三个舱段，机头舱、机身舱和机尾舱，这三个舱段相互独立，通过挡板相互隔离，可独立放置货物并防止货物散落。在放置货物的过程中，由于机尾内部空间的限制，可以存放一些较小的包裹；机身舱由于舱门大小的限制，可以存放一些中等大小的包裹；机头处可以完全打开，所以机头可以存放较大的包裹。进一步可利用磁铁控制舱门开合，磁力相对较大，可以保证在滑翔机飞行过程中受到气流颠簸时舱门处于关闭状态。

滑翔机主翼为可折叠、大展弦比的平直翼，具体可采用翼型为MH32，机翼通过折叠机构与机身相连，折叠作业时，首先将机翼折叠展开锁、电磁锁收回，解锁机翼；然后通过舵机驱动滑轨旋转105度从而带动机翼旋转；最后电机驱动滑块前移从而带动机翼旋转，直至机翼与机身完全贴合。

尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，具体可采用翼型为NACA0012，呈H型分布在机身两侧，通过折叠机构与机身相连。折叠作业时，通过电机驱动齿轮组旋转带动滑块移动，从而收回尾翼。

控制系统需要保证动态稳定性和静态稳定性，保证滑翔机飞行时的稳定性，控制系统包括了姿态控制系统、位置控制系统等系统，由于滑翔机大多时间处于对流层，对于气流扰动，采用改变航向和高度等办法尽快脱离，在算法的设计上充分考虑气流对滑翔机的影响。

具体实现时，本发明从机翼折叠机构、尾翼折叠机构、自主定位和机身货舱四个方面进行了设计：

1、机翼折叠机构设计

由于滑翔机需要由运载母机在空中投放，为了减少运输时占用空间，提高空间利用率，滑翔机采用了一种新式的机翼折叠结构。

以往折叠机大致可分为两种:1)平行于翼轴在水平面内折叠；2)垂直于翼轴在竖直面上折叠。这类折叠机构大多只提供一个自由度使机翼在一个平面进行折叠。为了进一步提高空间利用率，减少滑翔机运输时占用的空间，新型折叠机构在以往折叠机翼的基础上增加了一个自由度。

为达到上述目的，滑翔机主翼翼根与机身不采用传统的固定连接，而是连接在可绕机身轴向旋转的滑轨上，同时滑轨上布置有沿机身轴向移动的滑块。该折叠机构可以实现利用折叠滑块实现机翼水平方向的折叠；利用可旋转的滑轨实现垂直方向的折叠。最终可实现机翼折叠放置于机身上表面，极大地减少了收纳状态下占用的空间。

由于该机构需要翼根与机身脱离，无法布置传统形式的机翼主梁，可能导致飞行过程中滑翔机框架所受应力过大，为此专门设计针对翼根的锁定装置，可以起机翼主梁的作用，减少了翼根处应力，利于飞行状态下主翼卸载。同时锁定装置可以确保折叠机构在飞行状态下不会意外收回，提高安全性。与锁定装置配合的还有在机身上加工出卡槽，与机翼翼根处椭圆配合，防止机翼在垂直方向的摆动。

2、尾翼折叠机构设计

为了进一步减小运输时的空间占用，在机翼折叠的基础上，滑翔机采用了一种新型的尾翼折叠机构。

为达到上述目的，尾翼翼根不直接与机身固连，而是与连接滑块固连，两侧的连接滑块通过齿轮组联系在一起，共同构成了尾翼折叠机构，安置在机身卡槽中。为了避免飞行过程中尾翼意外收回，我们设置了锁定装置，由电磁锁与机身卡槽固连，通过对电磁锁的通电断电完成机身卡槽对折叠机构的约束。折叠作业时，该折叠机构可以通过齿轮组实现尾翼的平移收缩，利用电机驱动齿轮组转动从而带动前后滑块的平移，进而完成尾翼的折叠。

3、自主定位设计

鉴于现有技术存在一定缺陷，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供了一种无人滑翔机自主定位系统，该系统运行稳定，可靠性高，能够使无人机在一定的路线下自主前行。

为达到上述目的，本发明的采用两种技术方案如下：

(1)基于PIXHAWK飞控平台的无人滑翔机自主定位系统

包括PIXHAWK飞行控制器、传感器系统、飞行控制系统、数据传输系统。

传感器系统包括RTK差分GPS定位系统和三套三余度惯性导航系统(IMU)，用于测量无人机飞行时方向、速度、加速度、位置、高度的飞行状态信息，并传输至PIXHAWK飞行控制器与数据传输系统。

数据传输系统，用于传输传感器系统的信号反馈，并从PIXHAWK飞行控制器和飞行控制系统中读取信息传输至地面站，同时从地面站接收航迹规划信息。

飞行控制系统，根据飞行信息反馈对操纵面舵机进行控制，实时调整姿态，实现自主定位，按照航迹自动飞行。

当无人运输滑翔机从大型运输机中投放后，其控制方式如下：

无人机开始滑翔后，传感器系统将反馈给飞控无人机的实时飞行信息，包括其速度、加速度、高度、姿态等，飞控通过对无人机副翼舵机、方向舵机、升降舵机的控制，改变无人机姿态，使无人机总能处于一种稳定的状态，飞控通过RTK差分GPS提供实时位置，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。

(2)纯模块自主定位设计

包括Arduino板，陀螺仪模块(JY901用于测量滑翔机三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场)，GPS模块(ATK1218BD用于定位滑翔机位置)三者构成滑翔机的主控板，用来测量滑翔机的位置和飞行姿态，电源、电调、舵机(ES08MDⅡ)三者用来调整滑翔机的飞行姿态。

当无人运输滑翔机从大型运输机中投放后，其控制方式如下：

在滑翔机投放初始阶段，并不需要过于精确的控制，只需通过滑翔机位置和目的地位置，调整滑翔机的飞行姿态，使其向着目的地附近滑行即可。滑翔机经过航向调整飞行后，沿直线下滑进入能量管理过程。在此过程中，滑翔机沿着闭合路径盘旋下滑，调整飞行高度，并消耗过剩能量。在最后的一到两公里的阶段，通过主控测得的滑翔机位置和飞行姿态，迭代计算得最佳航线路径，以此调整滑翔机飞行姿态，使其能够精准降落在既定地点。遇到突发情况时，可通过无线通信，人工控制滑翔机的降落。

4、机身货舱设计

机身主体用作货物储存，通过1号挡板将机头舱和机身舱进行分割，2号挡板将机身舱和机尾舱进行分割，两个挡板将整个机身分割为三段：机头舱，机身舱，机尾舱。三个舱段的设计方式使得在装载货物的过程中，通过对于三个舱段货物重量的比例控制，保证整个飞机的重心处于使飞机保持静稳定的范围内。在每个舱段的舱门设计时，固定轴端采用180度的弧形卡槽进行连接，活动端采用磁性锁进行锁死。舱门锁死的时，磁铁异性相吸，弧形卡槽闭合，保证飞机在飞行过程中舱门可以紧闭，保持飞机机身的流线完整性；在装载货物和卸货物时，舱门打卡，通过人为操作外力将磁铁分离开，以弧形卡槽一侧为轴，舱门打开，此时弧形卡槽逐渐张开，保证滑翔机在装载货物和卸货物时舱门不会有阻碍。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

本实施例中的自主定位可折叠货运滑翔机包括机身25、右机翼11、左机翼24、平尾26、垂尾27。

所述机身25主要分为三个舱段：机头舱28，机身舱29，机尾舱30，三个舱段相互独立，机头舱28与机身舱29通过1号挡板43相隔离，机身舱29与机尾舱30通过2号挡板44相隔离，两个挡板与机身固连，三个货舱可独立放置货物。由于三个货物舱舱内结构不同，其中机头舱28主要放置大件的货物，机身舱29主要放置中件的货物，机尾舱30主要放置小件的货物。

对于机头舱28整体，机头舱舱门31一侧上下两端与机头舱通过180度的弧形卡槽32连接，另一侧存在机头舱舱门磁铁33，机头舱舱门磁铁33可以与机头舱舱内磁铁34相互吸引，以达到关闭舱门的效果。关闭舱门后，机身外部保证连续光滑，对于气流的影响降到最小。进一步的，机头舱舱门31截面为半圆形结构。

对于机身舱29整体，机身舱舱门35前端两侧与机身舱通过180度的弧形卡槽36连接，另一端存在机身舱舱门磁铁37，机身舱舱门磁铁37可以与机身舱舱内磁铁38相互吸引，以达到关闭舱门的效果。关闭舱门后，机身外部保证连续光滑，对于气流的影响降到最小。

对于机尾舱30整体，机尾舱舱门39后端两侧与机尾舱通过180度的弧形卡槽40连接，另一端存在机尾舱舱门磁铁41，机尾舱舱门磁铁41可以与机尾舱舱内磁铁42相互吸引，以达到关闭舱门的效果。关闭舱门后，机身外部保证连续光滑，对于气流的影响降到最小。所述机尾舱30底部从前向后上反倾斜延伸。

在机身25中部两侧分别通过机翼折叠机构与右机翼11、左机翼24连接，而且机翼嵌入机身的凹槽为椭圆槽，展开状态机翼下表面与机身不完全重合。本实施例中右机翼(11)、左机翼(24)为大展弦比的平直翼，其翼型为MH32翼形。

所述机翼折叠机构主要包括一次折叠驱动装置、二次折叠驱动装置和锁定支撑组件。

所述锁定支撑组件安装在机身25内，用于在机翼正常展开的非折叠状态下，对机翼进行支撑和承力，并对机翼的展开状态进行锁定；同时当需要机翼折叠时，可以对机翼进行解锁。

具体而言，本实施例中，锁定支撑组件包括支撑梁12和折叠展开锁定组件；所述支撑梁12安装在机身内部，是机翼正常展开状态下的主承力结构；本实施例中，支撑梁12采用一根整体工字梁垂直于机身对称面安装在机身内。所述折叠展开锁组件采用电磁锁定和解锁方式，在支撑梁12两端安装有折叠展开锁19以及铁块13，折叠展开锁19与铁块13之间通过套有压缩弹簧8的导杆连接，导杆一端与铁块13固连，另一端能够向支撑梁12内部滑动；折叠展开锁19非通电状态下，压缩弹簧8提供推力将铁块13推出，铁块13伸入机翼根部对应的凹槽，将机翼与支撑梁刚性连接；而当折叠展开锁19通电后，折叠展开锁19吸引铁块13克服压缩弹簧8推力向支撑梁12方向移动，使铁块13脱离机翼根部对应的凹槽，解开机身对机翼的锁定。

所述一次折叠驱动装置主要实现机翼相对滑翔机机体坐标系X轴的折叠转动，每侧机翼各对应一组一次折叠驱动装置。一次折叠驱动装置主要包括驱动舵机4和滑轨10；舵机4安装在机身内部，滑轨10也平行于X轴并安装在机身上部一侧的滑槽内，且滑轨10能够在舵机4的驱动下，带动滑轨10绕自身轴线转动；而滑轨10通过一系列结构(之后详细说明)能够与同一侧机翼连接，从而在机翼与机身解锁后，带动机翼实现其相对X轴的折叠转动。

本实施例中，为了避免支撑梁12与机翼之间采用单一一组折叠展开锁可能存在的可靠性不足问题，进一步在机身内还安装了电磁锁定设备，对一次折叠驱动装置进行可控的电磁锁定和释放。电磁锁定设备包括电磁锁7、吸引铁块5和压缩弹簧6；电磁锁7固定在机身内部，具有轴向通孔，吸引铁块5上具有导杆，导杆伸入电磁锁7的轴向通孔内，且导杆上套有压缩弹簧6；电磁锁7非通电状态下，压缩弹簧6提供推力将吸引铁块5推出，吸引铁块5伸入一次折叠驱动装置中滑轨10侧面的对应凹槽或通孔内，将滑轨10锁定，防止其转动，而当电磁锁7通电后，电磁锁7吸引铁块5克服压缩弹簧6推力向电磁锁7方向移动，使铁块5脱离滑轨10，解开对滑轨10的转动自由度锁定。进一步的，本实施例中，在机身内部安装了两组电磁锁定设备，分别对应在滑轨10两端侧面对其进行转动自由度的锁定和释放。

所述二次折叠驱动装置包括步进电机3、螺纹杆18、滑块9、前连杆1和后连杆2。螺纹杆18平行于滑轨10，并固定在滑轨10上，具体而言就是在滑轨10上固定前支架16和后支架17，在前支架16和后支架17之间安装螺纹杆18，螺纹杆18一端与前支架16通过光轴配合或通过轴承配合，螺纹杆18另一端穿过后支架17后与步进电机3固定连接，且螺纹杆18与后支架17通过光轴配合或通过轴承配合，这样螺纹杆18能够在步进电机3驱动下绕自身轴线转动。所述滑块9既安装在螺纹杆18上，也安装在滑轨10上，滑块9与螺纹杆18螺纹配合，同时滑块9也配合安装在滑轨10上，通过滑轨10限制滑块9绕螺纹杆18轴线的转动自由度，这样当步进电机3驱动螺纹杆18转动时，能够带动滑块9沿滑轨10直线移动。

所述前连杆1和后连杆2是实现机翼二次折叠的主要传动机构。其中前连杆1端部和后连杆2端部之间通过铰链连接，前连杆1另一端部与固定在滑轨10上的前凸台22铰链连接，后连杆2另一端部与固定在滑块9上的后凸台23铰链连接，三个铰链轴均垂直于机翼展向平面。机翼靠近翼根部位的翼面上具有连接凹槽15，连接凹槽15与后连杆2固定连接。在机翼处于展开状态时，前连杆1与后连杆2处于最大展开状态，此时前连杆1与后连杆2可以是180度夹角，也可以是接近180度的很大钝角。当机翼进行一次折叠时，滑轨10绕自身转动时，前连杆1与后连杆2保持最大展开状态，同步随滑轨10转动，从而带动机翼实现其相对滑翔机机体坐标系X轴的折叠转动。当机翼一次折叠到位后，通过步进电机3带动螺纹杆18转动，驱动滑块9轴线运动，进而带动前连杆1与后连杆2相对折叠，此时后连杆2在运动过程中带动机翼同步进行二次折叠。当然，为了使前连杆1与后连杆2相对折叠时，朝向准确的折叠方向，在前连杆1端部和后连杆2端部之间的连接铰链处可以设置限位装置，使前连杆1与后连杆2只能向外折叠。

在机身25尾部安装有平尾26和垂尾27，其分布为H型尾翼布局，平尾26和垂尾27的翼型采用NACA0012翼型。

在机身25尾部还设置有尾翼折叠机构，用于进行平尾26、垂尾27的折叠工作，减小其所占用体积。

所述尾翼折叠机构由机身卡槽48、电磁锁47、前滑块51、后滑块52、连接滑块53、齿轮组50、电机49组成。电磁锁47固连在机身卡槽48上，具体形式与机翼折叠机构中的电磁锁形式相同，在展开状态下，电磁锁47不通电，电磁锁47内部弹簧推动相应铁块与机身配合连接，将平尾锁定；当需要平尾折叠时，电磁锁47通电，克服弹簧力将相应铁块吸引与机身脱离，将平尾解锁；两侧平尾伸入机身内部的一端具有连接滑块53，一侧平尾的连接滑块53进一步连接前滑块51，另一侧平尾的连接滑块53进一步连接后滑块52，前滑块51与后滑块52相对的一侧均具有齿条；电机49连接齿轮组50，齿轮组50与前滑块51以及后滑块52上的齿条配合，通过电机49驱动齿轮组50传动，能够带动前滑块51以及后滑块52同向或反向运动，进一步实现两侧平尾的收缩和伸展。

本实施例中，飞行控制设备中控制系统安装在无人货运滑翔机机头舱舱门31内。

具体而言，飞行控制设备可以采用基于PIXHAWK飞控平台的无人滑翔机自主定位系统，包括PIXHAWK飞行控制器、传感器系统、飞行控制系统、数据传输系统。

传感器系统包括RTK差分GPS定位系统和三套三余度惯性导航系统(IMU)，用于测量无人机飞行时方向、速度、加速度、位置、高度的飞行状态信息，并传输至PIXHAWK飞行控制器与数据传输系统。

数据传输系统，用于传输传感器系统的信号反馈，并从PIXHAWK飞行控制器和飞行控制系统中读取信息传输至地面站，同时从地面站接收航迹规划信息。

飞行控制系统，根据飞行信息反馈对操纵面舵机进行控制，实时调整姿态，实现自主定位，按照航迹自动飞行。

此外，飞行控制设备也可以采用纯模块自主定位设计，包括Arduino板，陀螺仪模块(JY901用于测量滑翔机三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场)，GPS模块(ATK1218BD用于定位滑翔机位置)三者构成滑翔机的主控板，用来测量滑翔机的位置和飞行姿态，电源、电调、舵机(ES08MDⅡ)三者用来调整滑翔机的飞行姿态。

本实施例中的无人货运滑翔机在运输过程中，首先要进行装货。如前所述无人货运滑翔机机身主要分为三个舱段，机头舱28，机身舱29，机尾舱30，机头舱28与机身舱29通过1号挡板43相隔离，机身舱29与机尾舱30通过2号挡板44相隔离，两个挡板与机身25固连，三个货舱可独立放置货物。其中机头舱28主要放置大件的货物，机身舱29主要放置中件的货物，机尾舱30主要放置小件的货物。货物放置完毕后，三个货舱舱门结构均通过货舱180度的弧形卡槽连接，舱门一端存在磁铁，可以和货舱内磁铁相互吸引，以达到锁定舱门的效果。

然后折叠机翼和尾翼。机翼折叠时，首先给机翼展开锁19通电使其带有磁性，吸引铁块13向支撑梁12的方向移动，压缩弹簧8，从而解开机身对机翼的锁定；给电磁锁7和20通电使其带有磁性，吸引铁块5向电磁锁7的方向移动、铁块14向电磁锁20移动，压缩弹簧6和21，从而解开机身对滑轨的锁定，使滑轨可以旋转；然后给舵机4通电，控制其中转盘旋转105度，从而控制滑轨10绕着自身轴线旋转105度，完成机翼的一次折叠，同时使机翼离开机身的束缚，解开机翼X轴的锁定；最后给步进电机3通电，控制螺纹杆18转动，从而使滑块9沿着滑轨10向前移动，滑块9的移动会通过后凸台23带动与凸台相连的后连杆2转动，从而带动与后连杆固连的机翼11绕Y轴转动，完成机翼的二次折叠。尾翼折叠时，电磁锁47通电收回，解开机身卡槽48对尾翼折叠机构的约束。而后电机49工作，驱动与之相连的齿轮组50旋转，与齿轮配合的前滑块51和后滑块52沿着机身卡槽48分别向左右两侧移动，直至尾翼收回到机身内部，断开电磁锁47的电源。

最后将装好货物且折叠完毕的滑翔机装到运输机上即可。

当需要对滑翔机进行投放时，在投放之前，先要展开机翼和尾翼。机翼展开时，首先给步进电机3通电，使螺纹杆18反转，从而使与螺纹杆18螺纹配合的滑块9向机身后方移动，带动与滑块9通过后凸台23相连的后连杆2转动，进而带动与后连杆2固连的机翼11转动，直到前连杆1和后连杆2形成一条直线，完成对折叠机翼的一次展开。而后给舵机4通电，控制其中转盘反向旋转105度，从而控制滑轨10绕着自身轴线反向旋转105度，此时滑轨与机身在同一平面，完成折叠机翼的第二次展开。机翼11完全展开后，断开电磁锁7和20的电源，此时铁块5和14分别在弹簧6和21的弹性作用下移动到滑轨对应凹槽内，从而将滑轨锁定；最后断开折叠展开锁19的电源，使铁块13在弹簧8的作用下移动到机翼翼根端面凹槽内，完成机身对机翼的锁定。尾翼展开时，电机49工作，驱动与之相连的齿轮组(50)旋转，与齿轮配合的前滑块(51)和后滑块(52)沿着机身卡槽(48)分别向左右两侧移动，直至尾翼完全展开，电磁锁(47)与机身卡槽(48)配合，完成机身卡槽(48)对尾翼折叠机构的约束。

在投放之后的初始阶段，滑翔机并不需要过于精确的控制，只需通过滑翔机位置和目的地位置，调整滑翔机的飞行姿态，使其向着目的地附近滑行即可。滑翔机经过航向调整后，沿直线下滑进入能量管理过程。在此过程中，滑翔机沿着闭合路径盘旋下滑，调整飞行高度，并消耗过剩能量。在最后的一到两公里的阶段，通过主控测得的滑翔机位置和飞行姿态，迭代计算得最佳降落路径，以此调整滑翔机飞行姿态，使其能够精准降落在既定地点。遇到突发情况时，可通过无线通信，人工控制滑翔机的降落。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种自主定位可折叠货运滑翔机，包括机身、右机翼、左机翼、平尾、垂尾；其特征在于：所述机身中部两侧分别通过机翼折叠机构与右机翼、左机翼连接；机身尾部连接平尾和垂尾；

所述机翼折叠机构，包括一次折叠驱动装置、二次折叠驱动装置和锁定支撑组件；

所述锁定支撑组件安装在机身内，用于在机翼正常展开状态下，对机翼进行支撑和承力，并对机翼的展开状态进行锁定；同时当需要机翼折叠时，能够对机翼进行解锁；

所述一次折叠驱动装置实现机翼相对滑翔机机体坐标系X轴的折叠转动，每侧机翼各对应安装有一组一次折叠驱动装置；

所述一次折叠驱动装置包括第一驱动装置和滑轨；第一驱动装置固定安装在机身内，滑轨平行于X轴并安装在机身一侧的滑槽内，且滑轨能够在第一驱动装置的驱动下，绕自身轴线转动；当机翼与机身解锁后，滑轨绕自身轴线的转动能够实现同一侧机翼相对X轴的折叠转动；

所述二次折叠驱动装置包括第二驱动装置、螺纹杆、滑块、前连杆和后连杆；螺纹杆平行于滑轨，并通过固定安装在滑轨上的前支架和后支架进行支撑，螺纹杆一端与前支架通过转动配合，螺纹杆另一端穿过后支架后与第二驱动装置固定连接，且螺纹杆与后支架转动配合，螺纹杆能够在第二驱动装置驱动下绕自身轴线转动；所述滑块既安装在螺纹杆上，也安装在滑轨上，滑块与螺纹杆螺纹配合，同时滑块也配合安装在滑轨上，通过滑轨限制滑块绕螺纹杆轴线的转动自由度，当第二驱动装置驱动螺纹杆转动时，能够带动滑块沿滑轨直线移动；

所述前连杆端部和后连杆端部之间通过铰链连接，前连杆另一端部与固定在滑轨上的前凸台铰链连接，后连杆另一端部与固定在滑块上的后凸台铰链连接，三个铰链轴均垂直于机翼展向平面；机翼靠近翼根部位的翼面上具有连接件，连接件与后连杆固定连接；

在机翼处于展开状态时，前连杆与后连杆处于最大展开状态；当机翼进行一次折叠时，滑轨绕自身转动时，前连杆与后连杆保持最大展开状态，同步随滑轨转动，带动机翼实现其相对X轴的折叠转动；当机翼一次折叠到位后，通过第二驱动装置带动螺纹杆转动，驱动滑块沿轴线运动，进而带动前连杆与后连杆相对折叠，后连杆在运动过程中带动机翼同步进行二次折叠；

所述锁定支撑组件包括支撑梁和折叠展开锁定组件；支撑梁安装在机身内部，是机翼正常展开状态下的主承力结构；所述折叠展开锁定组件采用电磁锁定和解锁方式，在支撑梁端面安装有折叠展开锁以及第一铁块，折叠展开锁与第一铁块之间通过套有第一弹簧的导杆连接，导杆一端与第一铁块固连，另一端能够向支撑梁内部滑动；折叠展开锁非通电状态下，第一弹簧提供推力将第一铁块推出，第一铁块伸入机翼翼根端面对应形状的凹槽中，将机翼与支撑梁刚性连接；当折叠展开锁通电后，折叠展开锁吸引第一铁块克服第一弹簧的推力向支撑梁方向移动，使第一铁块脱离机翼根部对应的凹槽，解开机身对机翼的锁定；

在机身内还安装了电磁锁定设备，对一次折叠驱动装置进行电磁锁定和释放；所述电磁锁定设备包括电磁锁、第二铁块和第二弹簧；电磁锁固定在机身内部，具有轴向通孔，第二铁块上具有导杆，导杆伸入电磁锁的轴向通孔内，且导杆上套有第二弹簧；电磁锁非通电状态下，第二弹簧提供推力将第二铁块推出，第二铁块伸入一次折叠驱动装置中滑轨侧面的对应凹槽或通孔内，将滑轨锁定；而当电磁锁通电后，电磁锁吸引第二铁块克服第二弹簧推力向电磁锁方向移动，使第二铁块脱离滑轨，解开对滑轨的锁定。

2.根据权利要求1所述的一种自主定位可折叠货运滑翔机，其特征在于：在机身内部安装了两组电磁锁定设备，分别对应在滑轨两端侧面对其进行转动自由度的锁定和释放。

3.根据权利要求1所述的一种自主定位可折叠货运滑翔机，其特征在于：所述第一驱动装置采用舵机，第二驱动装置采用步进电机。

4.根据权利要求1所述的一种自主定位可折叠货运滑翔机，其特征在于：在前连杆端部和后连杆端部之间的连接铰链处设置限位装置，使前连杆与后连杆只能向外折叠。

5.根据权利要求1所述的一种自主定位可折叠货运滑翔机，其特征在于：机身分为三个舱段：机头舱，机身舱和机尾舱；三个舱段相互独立，机头舱与机身舱通过第一挡板相隔离，机身舱与机尾舱通过第二挡板相隔离，两个挡板与机身固连，三个货舱能够独立放置货物。

6.根据权利要求5所述的一种自主定位可折叠货运滑翔机，其特征在于：对于机头舱而言，机头舱舱门一侧上下两端与机头舱通过弧形卡槽连接，机头舱舱门另一侧装有机头舱舱门磁铁，机头舱舱门磁铁能够与机头舱舱内磁铁相互吸引，以达到关闭舱门的效果；

对于机身舱而言，机身舱舱门前端两侧与机身舱通过弧形卡槽连接，机身舱舱门另一端装有机身舱舱门磁铁，机身舱舱门磁铁能够与机身舱舱内磁铁相互吸引，以达到关闭舱门的效果；

对于机尾舱而言，机尾舱舱门后端两侧与机尾舱通过弧形卡槽连接，机尾舱舱门另一端装有机尾舱舱门磁铁，机尾舱舱门磁铁能够与机尾舱舱内磁铁相互吸引，以达到关闭舱门的效果；

关闭所有舱门后，机身外部保证连续光滑，对于气流的影响降到最小。

7.根据权利要求1所述的一种自主定位可折叠货运滑翔机，其特征在于：在机身尾部安装的平尾和垂尾为H型尾翼布局，且在机身尾部还设置有尾翼折叠机构；

所述尾翼折叠机构包括机身卡槽、电磁锁、前滑块、后滑块、连接滑块、齿轮组、电机；电磁锁固连在机身卡槽上，在展开状态下，电磁锁将平尾与机身锁定；当需要平尾折叠时，电磁锁将平尾解锁；两侧平尾伸入机身内部的一端具有连接滑块，一侧平尾的连接滑块连接前滑块，另一侧平尾的连接滑块连接后滑块，前滑块与后滑块相对的一侧均具有齿条；电机连接齿轮组，齿轮组与前滑块以及后滑块上的齿条配合，通过电机驱动齿轮组传动，能够带动前滑块以及后滑块同向或反向运动，实现两侧平尾的收缩和伸展。

8.根据权利要求1所述的一种自主定位可折叠货运滑翔机，其特征在于：滑翔机的飞行控制设备采用基于PIXHAWK飞控平台的无人滑翔机自主定位系统，包括PIXHAWK飞行控制器、传感器系统、飞行控制系统、数据传输系统；

传感器系统包括RTK差分GPS定位系统和三套三余度惯性导航系统IMU，用于测量滑翔机飞行时方向、速度、加速度、位置、高度的飞行状态信息，并传输至PIXHAWK飞行控制器与数据传输系统；

数据传输系统用于传输传感器系统的信号反馈，并从PIXHAWK飞行控制器和飞行控制系统中读取信息传输至地面站，同时从地面站接收航迹规划信息；

飞行控制系统根据飞行信息反馈对操纵面舵机进行控制，实时调整姿态，实现自主定位，按照航迹自动飞行。

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