CN113148136B - 一种具有固定翼和多旋翼切换功能的无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有固定翼和多旋翼切换功能的无人机，包括机身、左机翼、右机翼、尾翼、左旋翼机构、右旋翼机构、尾旋翼机构、辅助支臂、左右旋翼倾转机构、尾旋翼倾转机构；左右旋翼倾转机构的动力输出装置安装在机身内，左倾转轴、右倾转轴穿过机身设置在左机翼、右机翼的下方；动力输出装置包括基座、壳体、四个电机、两根蜗杆、十字轴、两个蜗轮、两个伞齿轮、两个伞形齿；尾旋翼倾转机构用于控制尾旋翼机构倾转，并作为机身和辅助支臂的连接骨架，平衡无人机整体重量；尾旋翼倾转机构包括四个支座、形成闭环矩形结构的动力轴、第一传动轴、第二传动轴、倾转轴。该无人机的空间布局合理，重量分布均匀，能够保证旋翼倾转的动力和精准性。

Description

一种具有固定翼和多旋翼切换功能的无人机

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种具有固定翼和多旋翼切换功能的无人机。

背景技术

现有市场主要有多旋翼无人机和固定翼无人机两大类无人机。多旋翼无人机具有操作相对简单，不受场地限制，可以垂直起降，可以空中悬停，生产成本低等优势；但也存在续航时间短，不能长时间飞行，飞行速度慢，控制范围和工作效率都不高的缺点。固定翼无人机具有飞行速度快，可以长恒时远距离飞行等优势；但缺点是起飞需要长跑道或者弹射起飞，降落只能采用滑降或者伞降，安全性和灵活性都比较差。

为了克服现有多旋翼无人机和固定翼无人机的缺点，市场上推出了多种型号的多旋翼和固定翼相结合的无人机，其融合了多旋翼和固定翼各自的优点。但现有多旋翼和固定翼相结合的无人机主要是将多旋翼和固定翼的动力系统分别安装在无人机上，在不同的工作状态下，意味着另一套动力系统将成为多余的负载，严重影响无人机飞行效率。例如：中国专利CN205113706U公开的“一种带可自动收放多旋翼的垂直起降固定翼飞机”。

中国专利CN 210526849U公开了“一种可倾转动力的固定翼无人机”，中国专利CN206552261U公开了“一种倾转旋翼无人机”，上述两种无人机均是通过倾转机构、倾转舵机改变旋翼的方向，理论上实现了多旋翼与固定翼的切换，且实现了多旋翼与固定翼共用一套动力系统。但该无人机不同旋翼改变方向时仍需独立的驱动机构，不仅成本高，而且增加无人机负载；另外，由于无人飞机在高速飞行过程中，气流对机翼两端的螺旋桨产生冲击而产生逆向旋转力，因此在改变旋翼方向时，螺旋桨需要克服气流产生的逆向旋转力，所以如果直接采用倾转舵机来改变旋翼的方向，由于倾转舵机动力输出有限，自锁稳定性差，所以无法保证左右侧倾转舵机动力输出平衡一致，无法保证螺旋桨能够精确的旋转到指定位置。

发明内容

鉴于上述技术问题和缺陷，本发明的目的在于提供一种具有固定翼和多旋翼切换功能的无人机，该无人机可以根据无人机旋翼机构需要旋转的动能和转速启动旋转电机的数量，保证左右侧旋翼机构改变方向时具有足够的动力及动力的一致性，从而使旋翼机构能够精确的旋转到指定位置并保持机械锁死，而且通过对左右旋翼倾转机构和尾旋翼倾转机构的合理设计，使得无人机机身的空间布局平面化，重量分布均匀化，为长恒时续航提供了保证。

为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种具有固定翼和多旋翼切换功能的无人机，包括机身、左机翼、右机翼、尾翼、左旋翼机构、右旋翼机构、尾旋翼机构、辅助支臂、左右旋翼倾转机构、尾旋翼倾转机构；其中，所述左右旋翼倾转机构的动力输出装置安装在机身内，左右旋翼倾转机构的左倾转轴、右倾转轴穿过机身侧壁设置在左机翼、右机翼的下方，通过轴承与左机翼、右机翼下方的凸块连接，左倾转轴的端部安装有左旋翼机构，右倾转轴的端部安装有右旋翼机构；

所述左右旋翼倾转机构的动力输出装置包括基座、壳体、四个电机、两根蜗杆、十字轴、两个蜗轮、两个伞齿轮、两个伞形齿；其中，所述基座固定在机身内，所述壳体、四个电机均安装在基座上，两根所述的蜗杆平行设置在壳体内，蜗杆的两端穿过壳体后与电机的驱动轴同轴连接；所述十字轴设置在两根蜗杆之间，十字轴的四个轴上均安装有轴承，两个所述蜗轮的内侧安装有与蜗轮同轴的伞齿轮，装配蜗轮后的两个所述伞齿轮安装在十字轴水平方向的两个轴承上，蜗轮与蜗杆啮合，由蜗杆带动蜗轮和伞齿轮转动；两个伞形齿安装在十字轴竖直方向的两个轴承上，伞形齿与伞齿轮啮合，由伞齿轮带动伞形齿转动，所述左倾转轴、右倾转轴穿过壳体后通过联轴器与十字轴水平方向的两个轴固连；

所述尾旋翼倾转机构用于控制尾旋翼机构倾转，从而改变尾旋翼机构的方向，同时尾旋翼倾转机构作为机身和辅助支臂的连接骨架，用于平衡无人机整体重量；尾旋翼倾转机构包括电机座、安装在电机座上的中空步进电机、第一支座、安装在第一支座之间的动力轴、第二支座、安装在第二支座之间的第一传动轴、第三支座、安装在第三支座之间的第二传动轴、第四支座、安装在第四支座之间的倾转轴；其中，所述电机座安装在机身内，所述第一支座、第二支座、第三支座、第四支座安装在两个辅助支臂内，所述动力轴贯穿中空步进电机，通过涨紧套与中空步进电机固连，由中空步进电机带动动力轴转动，动力轴的两端设置有与动力轴同轴连接的第一蜗杆；所述第一传动轴、第二传动轴的两端分别安装有第一蜗轮和第二蜗杆，所述倾转轴的两端安装有第二蜗轮，所述第一蜗杆与第一蜗轮啮合，所述第二蜗杆与第二蜗轮啮合，通过第一蜗轮、第一蜗杆、第二蜗轮、第二蜗杆使动力轴、第一传动轴、第二传动轴、倾转轴形成闭环的矩形结构，所述尾旋翼机构固定在倾转轴上。

作为本发明的优选，该无人机还包括空速管、气流传感器、风速传感器、飞行高度传感器、影像采集器。

作为本发明的优选，所述左旋翼机构、右旋翼机构、尾旋翼机构均包括电机安装台、电机、螺旋桨；所述电机安装台通过抱箍固定在左倾转轴、右倾转轴、倾转轴上，所述电机安装在电机安装台上，通过电机带动螺旋桨转动。

作为本发明的优选，所述基座包括底板、设置在底板两侧的电机安装板，所述壳体设置在底板的中间位置，四个所述电机分别固定在所述电机安装板上；所述壳体的顶端还设置有顶盖，所述顶盖与壳体通过螺栓连接。

作为本发明的优选，两根所述的辅助支臂分别与固定杆连接，两根固定杆之间连接有尾翼。

作为本发明的优选，所述壳体与左倾转轴、右倾转轴连接的轴承的外侧，以及壳体与两根蜗杆连接的轴承的外侧设置有轴承端盖。

作为本发明的优选，在所述十字轴的四个轴上，且在十字轴水平方向与竖直方向的两个轴承的外侧，依次设置有防脱垫圈和锁紧螺母。

本发明的优点和有益效果：

(1)本发明提供的无人机通过对左右旋翼倾转机构和尾旋翼倾转机构的合理设计，保证了旋翼倾转的动力和精准性，而且尾旋翼倾转机构还可作为机身和辅助支臂的连接骨架，节省了无人机空间布局，使得无人机机身的空间布局平面化，降低了机体的高度，并且使得无人机机体的重量分布均匀化，不会产生偏重的问题，为长恒时续航提供了保证。

(2)本发明提供的无人机能够实现旋翼的切换，使其兼具多旋翼和固定翼无人机的优势；另外；通过对左右旋翼倾转机构结构的改进，可以使无人机在旋翼切换时，能够根据无人机旋翼机构需要旋转的动能和转速启动旋转电机的数量(根据飞机头上的空速管、风速传感器、气流传感器、飞行高度传感器等反馈的技术参数，控制系统通过大数据计算，优化选择启动旋转电机的数量，匹配无人机旋翼机构需要旋转的动能和转速)，保证左右侧旋翼机构改变方向时具有足够的动力，克服气流对机翼两端的螺旋桨产生的逆向旋转力，使旋翼机构能够精确的旋转到指定位置并保持机械锁死。

(3)本发明无人机采用的左右旋翼倾转机构采用两套蜗轮蜗杆和两套伞齿轮对称组合，这种对称组合传动具有双向传输动力平衡一致，逆向机械自锁功能，该结构比电控自锁要稳定和节省无人机动力，而且两端输出动力同步并且一致，能够有效保证左右侧旋翼机构改变方向时动力的一致性。

(4)本发明无人机的左右旋翼倾转机构采用四组旋转电机，满足无人机机翼的螺旋桨的随时变换的旋转角度，方便随时调整无人机的飞行姿势，通过优化飞行姿势，减少气流对飞机的阻力，节省飞机动力，满足长恒时飞行的动力要求。

(5)本发明无人机飞机尾部的尾旋翼倾转机构采用了左右对称双驱动的蜗轮蜗杆机械结构，不仅具有机械逆向自锁功能，而且比电控自锁要稳定和节省无人机动力，能防止无人飞机在高速飞行过程中，气流对螺旋桨产生冲击而产生逆向旋转。

(6)本发明无人机飞机尾部的尾旋翼倾转机构为闭环的矩形结构，这种闭环结构更稳定，受到外力冲击不容易变形，比单杆或拉链结构更稳定、可靠。

(7)本发明无人机飞机尾部的尾旋翼倾转机构采用左右对称双驱动，使得尾旋翼机构两端受力对称，两端旋转同步精度高，比单方向驱动效率高，避免了左右旋转动力不均衡的问题，提高了使用寿命。

附图说明

图1是本发明无人机处于多旋翼状态的示意图；

图2是本发明无人机处于固定翼状态的示意图；

图3是本发明无人机处于多旋翼状态的内部连接示意图；

图4是本发明左右旋翼倾转机构与左右旋翼机构连接示意图；

图5是本发明左右旋翼倾转机构的整体结构示意图；

图6是本发明左右旋翼倾转机构的动力输出装置示意图；

图7是本发明左右旋翼倾转机构的动力输出装置分解示意图；

图8是本发明图4的局部放大图；

图9是本发明左倾转轴与左旋翼机构连接示意图；

图10是本发明尾旋翼倾转机构示意图。

附图标记：机身1、左机翼2、右机翼3、尾翼4、左旋翼机构5、右旋翼机构6、尾旋翼机构7、左右旋翼倾转机构8、尾旋翼倾转机构9、辅助支臂10、电机安装台11、电机12、螺旋桨13、空速管14、影像采集器15、传感器集合体16、固定杆17、左倾转轴801、右倾转轴802、基座803、壳体804、电机805、蜗杆806、十字轴807、蜗轮808、伞齿轮809、伞形齿810、轴承811、防脱垫圈812、锁紧螺母813、轴承端盖814、电机座901、中空步进电机902、第一支座903、动力轴904、第二支座905、第一传动轴906、第三支座907、第二传动轴908、第四支座909、倾转轴910、第一蜗杆911、第一蜗轮912、第二蜗杆913、第二蜗轮914、底板8031、电机安装板8032。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参阅图1至图3，本发明提供的一种具有固定翼和多旋翼切换功能的无人机，包括机身1、左机翼2、右机翼3、尾翼4、左旋翼机构5、右旋翼机构6、尾旋翼机构7、辅助支臂10、左右旋翼倾转机构8、尾旋翼倾转机构9、空速管14、气流传感器、风速传感器、飞行高度传感器、影像采集器15；

其中，所述左右旋翼倾转机构8的动力输出装置安装在机身1内，左右旋翼倾转机构的左倾转轴801、右倾转轴802穿过机身1侧壁设置在左机翼2、右机翼3的下方，通过轴承与左机翼2、右机翼3下方的凸块连接，左倾转轴801的端部安装有左旋翼机构5，右倾转轴802的端部安装有右旋翼机构6；

继续参阅图4至图7，所述左右旋翼倾转机构8的动力输出装置包括基座803、壳体804、四个电机805、两根蜗杆806、十字轴807、两个蜗轮808、两个伞齿轮809、两个伞形齿810；其中，所述基座803固定在机身1内，基座803包括底板8031、设置在底板两侧的电机安装板8032；所述壳体804设置在底板8031的中间位置，壳体804的顶端还设置有顶盖，所述顶盖与壳体通过螺栓连接；四个所述电机805分别固定在所述电机安装板8032上；两根所述的蜗杆806平行设置在壳体804内，蜗杆806的两端与壳体801的侧壁通过轴承连接，蜗杆806的两端穿过壳体804后通过联轴器或涨紧套与电机805的驱动轴同轴连接；所述十字轴807设置在两根蜗杆806之间，十字轴的四个轴上均安装有轴承811，两个所述蜗轮808的内侧安装有与蜗轮同轴的伞齿轮809，装配蜗轮后的两个所述伞齿轮809安装在十字轴水平方向的两个轴承811上，蜗轮与蜗杆啮合，由蜗杆806带动蜗轮808和伞齿轮809转动；两个伞形齿810安装在十字轴竖直方向的两个轴承811上，伞形齿810与伞齿轮809啮合，由伞齿轮809带动伞形齿转动；所述左倾转轴801、右倾转轴802与壳体801通过轴承连接，左倾转轴801、右倾转轴802穿过壳体804后通过联轴器与十字轴807水平方向的两个轴固连；

参阅图3、图10，所述尾旋翼倾转机构9用于控制尾旋翼机构7倾转，从而改变尾旋翼机构7的方向，同时尾旋翼倾转机构作为机身1和辅助支臂10的连接骨架，用于平衡无人机整体重量；

所述尾旋翼倾转机构9包括电机座901、安装在电机座上的中空步进电机902、第一支座903、安装在第一支座之间的动力轴904、第二支座905、安装在第二支座之间的第一传动轴906、第三支座907、安装在第三支座之间的第二传动轴908、第四支座909、安装在第四支座之间的倾转轴910；其中，所述电机座901安装在机身1内，所述第一支座903、第二支座905、第三支座907、第四支座909安装在两个辅助支臂10内，图10给出的为第三支座907与其中一个第一支座903和第四支座909安装在左侧辅助支臂内，第二支座905与另外一个第一支座903和第四支座909安装在右侧辅助支臂；

所述动力轴904贯穿中空步进电机902，通过涨紧套与中空步进电机固连，由中空步进电机带动动力轴转动，动力轴904的两端设置有与动力轴同轴连接的第一蜗杆911；所述第一传动轴906、第二传动轴908的两端分别安装有第一蜗轮912和第二蜗杆913，所述倾转轴910的两端安装有第二蜗轮914，所述第一蜗杆911与第一蜗轮912啮合，所述第二蜗杆913与第二蜗轮914啮合，通过第一蜗轮、第一蜗杆、第二蜗轮、第二蜗杆使动力轴、第一传动轴、第二传动轴、倾转轴形成闭环的矩形结构，所述尾旋翼机构7固定在倾转轴910上；

参阅图8、图9，所述左旋翼机构5、右旋翼机构6、尾旋翼机构7均包括电机安装台11、电机12、螺旋桨13；所述电机安装台11通过抱箍14固定在左倾转轴、右倾转轴、倾转轴上，所述电机12安装在电机安装台11上，通过电机12带动螺旋桨13转动；

继续参阅图1，两根所述的辅助支臂10分别与固定杆17连接，两根固定杆17之间连接有尾翼4；

所述空速管14安装在机头上，所述气流传感器、风速传感器、飞行高度传感器集中安装的传感器集合体16内，所述影像采集器15安装在机身1的下方，空速管14、气流传感器、风速传感器、飞行高度传感器、影像采集器15实时将采集的数据发送给无人机控制系统，无人机控制系统通过大数据计算，选择启动左右旋翼倾转机构的旋转电机的数量，匹配无人机旋翼机构需要旋转的动能和转速，实现对旋翼机构旋转角度的精准控制，而且通过对螺旋桨的旋转角度进行及时变换，方便随时调整无人机的飞行姿势，通过优化飞行姿势，减少气流对飞机的阻力，节省飞机动力，使其满足长恒时飞行的动力要求。

另外，本发明为保证动力输出装置安装的牢靠性，在所述十字轴807的四个轴上，且在十字轴水平方向与竖直方向的两个轴承811的外侧，依次设置有防脱垫圈812和锁紧螺母813；

继续参阅图4至图6，为防止轴承内进入灰尘等，从而影响转动精度和效率，所述壳体804与左倾转轴801、右倾转轴802连接的轴承的外侧，以及壳体804与两根蜗杆806连接的轴承的外侧设置有轴承端盖814。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请。

Claims (7)

1.一种具有固定翼和多旋翼切换功能的无人机，包括机身、左机翼、右机翼、尾翼、左旋翼机构、右旋翼机构、尾旋翼机构、辅助支臂、左右旋翼倾转机构、尾旋翼倾转机构；其特征在于，所述左右旋翼倾转机构的动力输出装置安装在机身内，左右旋翼倾转机构的左倾转轴、右倾转轴穿过机身侧壁设置在左机翼、右机翼的下方，通过轴承与左机翼、右机翼下方的凸块连接，左倾转轴的端部安装有左旋翼机构，右倾转轴的端部安装有右旋翼机构；

所述左右旋翼倾转机构的动力输出装置包括基座、壳体、四个电机、两根蜗杆、十字轴、两个蜗轮、两个伞齿轮、两个伞形齿；其中，所述基座固定在机身内，所述壳体、四个电机均安装在基座上，两根所述的蜗杆平行设置在壳体内，蜗杆的两端穿过壳体后与电机的驱动轴同轴连接；所述十字轴设置在两根蜗杆之间，十字轴的四个轴上均安装有轴承，两个所述蜗轮的内侧安装有与蜗轮同轴的伞齿轮，装配蜗轮后的两个所述伞齿轮安装在十字轴水平方向的两个轴承上，蜗轮与蜗杆啮合，由蜗杆带动蜗轮和伞齿轮转动；两个伞形齿安装在十字轴竖直方向的两个轴承上，伞形齿与伞齿轮啮合，由伞齿轮带动伞形齿转动，所述左倾转轴、右倾转轴穿过壳体后通过联轴器与十字轴水平方向的两个轴固连；

所述尾旋翼倾转机构用于控制尾旋翼机构倾转，从而改变尾旋翼机构的方向，同时尾旋翼倾转机构作为机身和辅助支臂的连接骨架，用于平衡无人机整体重量；尾旋翼倾转机构包括电机座、安装在电机座上的中空步进电机、第一支座、安装在第一支座之间的动力轴、第二支座、安装在第二支座之间的第一传动轴、第三支座、安装在第三支座之间的第二传动轴、第四支座、安装在第四支座之间的倾转轴；其中，所述电机座安装在机身内，所述第一支座、第二支座、第三支座、第四支座安装在两个辅助支臂内，所述动力轴贯穿中空步进电机，通过涨紧套与中空步进电机固连，由中空步进电机带动动力轴转动，动力轴的两端设置有与动力轴同轴连接的第一蜗杆；所述第一传动轴、第二传动轴的两端分别安装有第一蜗轮和第二蜗杆，所述倾转轴的两端安装有第二蜗轮，所述第一蜗杆与第一蜗轮啮合，所述第二蜗杆与第二蜗轮啮合，通过第一蜗轮、第一蜗杆、第二蜗轮、第二蜗杆使动力轴、第一传动轴、第二传动轴、倾转轴形成闭环的矩形结构，所述尾旋翼机构固定在倾转轴上。

2.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于，该无人机还包括空速管、气流传感器、风速传感器、飞行高度传感器、影像采集器。

3.根据权利要求1或2所述的无人机，其特征在于，所述左旋翼机构、右旋翼机构、尾旋翼机构均包括电机安装台、电机、螺旋桨；所述电机安装台通过抱箍固定在左倾转轴、右倾转轴、倾转轴上，所述电机安装在电机安装台上，通过电机带动螺旋桨转动。

4.根据权利要求1或2所述的无人机，其特征在于，所述基座包括底板、设置在底板两侧的电机安装板，所述壳体设置在底板的中间位置，四个所述电机分别固定在所述电机安装板上；所述壳体的顶端还设置有顶盖，所述顶盖与壳体通过螺栓连接。

5.根据权利要求1或2所述的无人机，其特征在于，两根所述的辅助支臂分别与固定杆连接，两根固定杆之间连接有尾翼。

6.根据权利要求1或2所述的无人机，其特征在于，所述壳体与左倾转轴、右倾转轴连接的轴承的外侧，以及壳体与两根蜗杆连接的轴承的外侧设置有轴承端盖。

7.根据权利要求1或2所述的无人机，其特征在于，在所述十字轴的四个轴上，且在十字轴水平方向与竖直方向的两个轴承的外侧，依次设置有防脱垫圈和锁紧螺母。