CN113335525A - 一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，机身的底部固定有起落架，尾部分别固定有垂尾和平尾，头部通过第一电机连接有机头螺旋桨；机身靠近平尾与机身的连接处贯通有涵道，且涵道内通过第二电机连接有涵道螺旋桨；机身的两侧对称固定有旋转外翼机翼结构；控制器电信连接旋转外翼机翼结构，当垂直起降时，控制器控制旋转外翼机翼结构为公开升力的形态模式，当平飞巡航时，控制器控制旋转外翼机翼结构为公开平飞巡航动力的形态模式。本发明公开了一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，具有垂直起降、高速巡航性能的同时，克服上述无人机在模式切换困难的局限性，带来更大效益。

Description

一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，更具体的说是涉及一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机。

背景技术

无人机种类众多，各有特点。如固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、扑翼机，各种机型层出不穷。不同的机型，根据其自身特点，应用场合也略有不同。目前现有的无人机从结构上可划分为固定翼无人机和旋翼无人机两大类，其中固定翼无人机占大多数。固定翼无人机具有高速高效、长航时等优点，但是在起飞降落时需要滑翔跑道，或者借助弹射和伞降回收装置，辅助保障设备多，部署时间长，因此应用范围受到的限制。旋翼无人机拥有垂直起降(VTOL)、定点悬停以及良好的低速机动功能，可以在狭小的空间中执行任务；但其飞行速度和飞行效率低，航程短。综上所述我们不难发现两种无人机各有优缺点，为了适应日益复杂的飞行任务，迫切需要一种新型的无人机，这种无人机既能像固定翼无人机一样高速水平巡航，又可以像旋翼无人机一样垂直起降、定点悬停以及低速稳定飞行。

目前，可实现垂直起降和高速巡航的无人机主要有三类：倾转旋翼/倾转涵道无人机、升力螺旋桨/升力发动机式无人机以及尾座式垂直起降无人机。其中，倾转旋翼/倾转涵道无人机结构重量较轻，可实现动力装置的充分利用，但其在实现飞行姿态转换时由于其旋翼需要倾转，导致旋翼倾转时控制难度大，控制不当容易出现坠机现象。升力螺旋桨/升力发动机式无人机在保持原有固定翼动力装置的基础上，额外增加一套四旋翼动力装置，相当于采用了两套动力装置，在起降阶段采用旋翼装置，在巡航阶段采用常规固定翼动力装置飞行，由于两套装置相互独立，导致动力装置利用不充分的问题以及动力装置过多导致较大结构重量等问题，常常出现平飞阶段，螺旋桨不工作而产生死重的问题。尾座式飞行器的构形简单，其结构与固定翼飞行器类似，可在其基础上通过加装尾部起落支架，更换大推力发动机，增大控制舵面等一系列改造而来，相较于倾转式无人机和复合式无人机而言，在实现相同性能时成本更低，但其缺点是起飞着陆时控制难度较大，起降稳定性差等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，具有垂直起降、高速巡航性能的同时，克服上述无人机在模式切换困难的局限性，带来更大效益。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，包括：机身，所述机身的底部固定有起落架，尾部分别固定有垂尾和平尾，头部通过第一电机连接有机头螺旋桨；所述机身靠近所述平尾与所述机身的连接处贯通有涵道，且所述涵道内通过第二电机连接有涵道螺旋桨；所述机身的两侧对称固定有旋转外翼机翼结构；

控制器，所述控制器电信连接所述旋转外翼机翼结构，当垂直起降时，所述控制器控制所述旋转外翼机翼结构为提供升力的形态模式，当平飞巡航时，所述控制器控制所述旋转外翼机翼结构为提供平飞巡航动力的形态模式。

优选的，所述旋转外翼机翼结构包括：

固定内翼，所述固定内翼为两个，对称固定在所述机身的两侧，且所述固定内翼的轴线垂直所述机身的轴线；

旋转外翼，所述旋转外翼为两个，均固定有转轴，且每个所述转轴连接有第三电机，且所述第三电机与所述控制器电性连接，以驱动对应的所述旋转外翼转动，同时每个所述第三电机固定在对应的固定内翼上；

锁定机构，所述锁定机构为两个，一一对应固定在两个所述固定内翼上，且两个所述锁定机构均与所述控制器电性连接，以在平飞巡航阶段将对应的所述旋转外翼锁定为：对应的所述旋转外翼的翼面平行对应的所述固定内翼翼面的状态。

优选的，所述转轴的一端通过联轴器连接在对应的所述第三电机的输出轴上，另一端固定连接对应的所述旋转外翼靠近所述固定内翼的一端。

优选的，所述锁定机构包括：

环形凹槽，所述环形凹槽沿所述转轴的圆周开设在所述转轴的侧壁上；

定位块，所述定位块固定在所述环形凹槽内，并位于所述转轴与所述旋转外翼相对的一端；

第四电机，所述第四电机固定在所述固定内翼上，并与所述控制器电信连接；

电机齿轮，所述电机齿轮固定在所述第四电机的输出轴上；

锁定杆，所述锁定杆的轴线垂直所述电机输出轴的轴线，同时平行所述固定内翼的轴线，且所述锁定杆上固定有齿条，所述齿条的轴线平行所述锁定杆的轴线，同时所述齿条与所述电机齿轮啮合传动，以驱动所述锁定杆的一端插接在所述环形凹槽内，并与所述定位块抵接，以锁定所述转轴，且当所述锁定杆的一端抵接所述定位块时，所述旋转外翼的翼面平行所述固定内翼的翼面，同时所述锁定杆插接在所述环形凹槽内的一端与所述环形凹槽过盈配合。

优选的，所述锁定杆插接在所述环形凹槽内的一端为椎体结构，且所述椎体结构靠近所述环形凹槽的一端为小头端。

优选的，所述环形凹槽的槽底宽度小于所述环形凹槽的槽口宽度。

优选的，还包括：速度传感器，所述速度传感器固定在所述旋转外翼内，并与所述控制器电信连接。

优选的，所述固定内翼上固定有多个副翼。

优选的，多个所述副翼均固定在所述固定内翼靠近所述机身尾端的侧边上。

优选的，多个所述副翼的翼面与所述固定内翼的翼面拼接成流线型。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，可以实现如下技术效果：

(1)本发明在垂直升降过程中，通过旋转外翼旋转提供升力，同时通过涵道螺旋桨旋转提供配平力矩，在平飞巡航阶段，通过机头螺旋桨旋转提供拉力，同时结合旋转外翼与固定内翼共同提供平飞巡航动力，在垂直升降至平飞巡航的转换过程中，并不需要升力系统倾转来提供平飞模式下的拉力，因此使本发明更加容易转换飞行模式，且垂直起降模式和平飞巡航模式之间的切换更加平稳；

(2)本发明是通过旋转外翼和涵道螺旋桨垂直升降，则本发明的机身在升降过程中基本保持水平(传统的尾座无人机升降时，机身是竖直的)，则可以提高起降稳定性；

(3)第一电机驱动旋转外翼转动，旋转外翼旋转提供升力，在平飞巡航阶段，锁定机构将旋转外翼锁定为旋转外翼的翼面平行固定内翼翼面的状态，旋转外翼与固定内翼配合，共同提供平飞巡航动力，使得旋转外翼在不同飞行模式下均可以发挥作用，因此提高了本发明动力系统的使用效率，避免出现在一种模式下，使动力系统出现死重的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机的结构图(图中未画出锁定机构、第一电机、第二电机、第三电机和涵道螺旋桨)；

图2为本发明锁定机构的原理结构图。

其中，1-机身；11-起落架；12-垂尾；13-平尾；14-机头螺旋桨；10-涵道； 15-旋转外翼机翼结构；151-固定内翼；153-转轴；152-旋转外翼；154-锁定机构；191-环形凹槽；192-定位块；193-第四电机；194-电机齿轮；195-锁定杆； 196-齿条；161-副翼。

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。

本发明实施例公开了一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，包括：机身1，机身1的底部固定有起落架11，尾部分别固定有垂尾12和平尾 13，头部通过第一电机连接有机头螺旋桨14；机身1靠近平尾13与机身1的连接处贯通有涵道10，且涵道10内通过第二电机连接有涵道螺旋桨；机身1 的两侧对称固定有旋转外翼机翼结构15；

控制器，控制器电信连接旋转外翼机翼结构15，当垂直起降时，控制器控制旋转外翼机翼结构15为提供升力的形态模式，当平飞巡航时，控制器控制旋转外翼机翼结构15为提供平飞巡航动力的形态模式。

本发明在垂直升降过程中，控制器控制旋转外翼机翼结构15为提供升力的形态模式，同时通过涵道螺旋桨旋转提供配平力矩，在平飞巡航阶段，通过机头螺旋桨14旋转提供拉力，同时控制器控制旋转外翼机翼结构15为提供平飞巡航动力的形态模式，即本发明在垂直升降至平飞巡航的转换过程中，并不需要升力系统倾转来提供平飞模式下的拉力(控制升力系统倾转这个切换过程很难控制，切换不稳定)，只需要通过控制器控制旋转外翼机翼结构 15的形态，同时控制涵道螺旋桨和机头螺旋桨14的工作状态，因此使本发明更加容易转换飞行模式，使垂直起降模式和平飞巡航模式之间的切换更加平稳。

第一电机固定在机身1内，且机身1的侧壁上开设有第一安装孔，机头螺旋桨14的桨轴穿过第一安装孔连接第一电机的输出轴(但不限于这种方式)；第二电机固定在对应的涵道10内，同时第二电机的输出轴与对应涵道螺旋桨的桨轴连接(但不限于这种方式)。

为了进一步优化上述技术方案，旋转外翼机翼结构15包括：

固定内翼151，固定内翼151为两个，对称固定在机身1的两侧，且固定内翼151的轴线垂直机身1的轴线；

旋转外翼152，旋转外翼152为两个，均固定有转轴153，且每个转轴153 连接有第三电机，且第三电机与控制器电性连接，以驱动对应的旋转外翼152 转动，同时每个第三电机固定在对应的固定内翼151上；

锁定机构154，锁定机构154为两个，一一对应固定在两个固定内翼151 上，且两个锁定机构154均与控制器电性连接，以在平飞巡航阶段，将对应的旋转外翼152锁定为：对应的旋转外翼152的翼面平行对应的固定内翼151 翼面的状态。

第三电机固定在固定内翼151上，且其输出轴连接转轴153，以驱动转轴 153转动(但不限于这种方式)。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：本发明在垂直升降过程中，第一电机驱动旋转外翼152转动，旋转外翼152旋转提供升力，在平飞巡航阶段，锁定机构154将旋转外翼152锁定为旋转外翼152的翼面平行固定内翼151翼面的状态，旋转外翼152与固定内翼151配合，共同提供平飞巡航动力，使得旋转外翼152在不同飞行模式下均可以发挥作用，因此提高了本发明动力系统的使用效率，避免出现在一种模式下，使动力系统出现死重的问题。

并且，由于本发明是通过旋转外翼152和涵道螺旋桨垂直升降，则本发明的机身1在升降过程中基本保持水平(传统的尾座无人机升降时，机身是竖直的)，则可以提高起降稳定性。

为了进一步优化上述技术方案，转轴153的一端通过联轴器连接在对应的第三电机的输出轴上，另一端固定连接对应的旋转外翼152靠近固定内翼 151的一端。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：第三电机可以通过转轴153驱动旋转外翼152转动，且旋转外翼152连接转轴153的一端与固定内翼151靠近，则当旋转外翼152被锁定机构19锁定后，可以与固定内翼 151形成一个完整的机翼，从而可以使旋转外翼152与固定内翼151共同为平飞巡航阶段提供飞行动力。

为了进一步优化上述技术方案，锁定机构19包括：

环形凹槽191，环形凹槽191沿转轴153的圆周开设在转轴153的侧壁上；

定位块192，定位块192固定在环形凹槽191内，并位于转轴153与旋转外翼152相对的一端；

第四电机193，第四电机193固定在固定内翼151上，并与控制器电信连接；

电机齿轮194，电机齿轮194固定在第四电机193的输出轴上；

锁定杆195，锁定杆195的轴线垂直电机输出轴的轴线，同时平行固定内翼151的轴线，且锁定杆195上固定有齿条196，齿条196的轴线平行锁定杆 195的轴线，同时齿条196与电机齿轮194啮合传动，以驱动锁定杆195的一端插接在环形凹槽191内，并与定位块192抵接，以锁定转轴153，且当锁定杆195的一端抵接定位块192时，旋转外翼152的翼面平行固定内翼151的翼面，同时锁定杆195插接在环形凹槽191内的一端与环形凹槽191过盈配合。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：通过第四电机193 驱动电机齿轮194转动，当电机齿轮194驱动齿条196向靠近转轴153的方向移动时，可以驱动锁定杆195插入至环形凹槽191内，以进一步降低转轴 153的转速，并可与定位块192抵接，从而定位块192可以进一步阻止转轴 153转动，并且由于锁定杆195撞击定位块192时速度较慢，且锁定杆195插接在环形凹槽191内的一端与环形凹槽191过盈配合，从而转轴153不会出现回转的问题，则可以将旋转外翼152锁定；当第四电机193反转，电机齿轮194驱动齿条196向远离转轴153的方向移动时，则锁定杆195从环形凹槽191内抽离，从而实现对旋转外翼152解锁的作用；

同时，本发明锁定机构19对旋转外翼152的锁定和解锁过程均简单，因此可以使旋转外翼152快速转变工作模式，即可以从本发明垂直升降提供升力的模式快速转换为本发明平飞巡航提供平飞动力的模式。

为了进一步优化上述技术方案，锁定杆195插接在环形凹槽191内的一端为椎体结构，且椎体结构靠近环形凹槽191的一端为小头端。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：使锁定杆195的椎体结构一端容易插入至环形凹槽191内，提高本发明锁定的效率。

为了进一步优化上述技术方案，环形凹槽191的槽底宽度小于环形凹槽 191的槽口宽度。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：使锁定杆195的椎体结构一端更容易插入至环形凹槽191内，进一步提高本发明锁定的效率。

为了进一步优化上述技术方案，还包括：速度传感器，速度传感器固定在旋转外翼152内，并与控制器电信连接。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：通过速度传感器监测旋转外翼152的转速，从而可以使控制器更加精准控制锁定机构19的开启，使锁定机构19在旋转外翼152的速度降下来后及时对旋转外翼152进行锁定。

为了进一步优化上述技术方案，固定内翼151上固定有多个副翼161。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：可以提升本发明平飞巡航时的动力。

为了进一步优化上述技术方案，多个副翼161均固定在固定内翼151靠近机身1尾端的侧边上。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：利于本发明实现高速高效的巡航。

为了进一步优化上述技术方案，多个副翼161的翼面与固定内翼151的翼面拼接成流线型。

本发明采用上述技术方案，可以实现的有益效果为：进一步利于本发明实现高速高效的巡航。

实施例1：

本发明实施例公开了一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，在控制器的作用下：

本发明升降的过程中，第三电机通过转轴153驱动旋转外翼152旋转，以提供升力，同时第二电机驱动涵道螺旋桨旋转，以提供配平力矩，使本发明的无人机可以实现垂直升降的过程；

本发明从升降阶段转变平飞巡航阶段的转换过程中，第三电机和第二电机均停止工作，且当旋转外翼152的速度降下来，锁定机构19锁定对应的旋转外翼152，(飞之前做过大量试验，已将知晓当旋转外翼152的速度降下来的时间，因此根据速度降下来的时间，可以操控控制器，使控制器控制锁定机构19，以便使锁定机构19锁定对应的旋转外翼152)，并将旋转外翼152 锁定为旋转外翼152的翼面平行固定内翼151翼面的状态，同时打开第一电机，以启动机头螺旋桨14：

当本发明处于平飞巡航阶段，第一电机持续驱动机头螺旋桨14旋转，以提供拉力，且此时旋转外翼152的翼面保持平行固定内翼151翼面的状态，则旋转外翼152与固定内翼151共同提供平飞巡航动力，并结合垂尾12和平尾13，可以实现俯仰、偏航以及滚转等动作。

锁定机构19锁定对应旋转外翼152的具体过程为：在控制器的作用下，第四电机193驱动电机齿轮194转动，当电机齿轮194驱动齿条196向靠近转轴153的方向移动时，可以驱动锁定杆195插入至环形凹槽191内，以进一步降低转轴153的转速，并可与定位块192抵接，从而定位块192可以进一步阻止转轴153转动，并且由于锁定杆195撞击定位块192时速度较慢，且锁定杆195插接在环形凹槽191内的一端与环形凹槽191过盈配合，从而转轴153不会出现回转的问题，则可以将旋转外翼152锁定。

当第四电机193反转，电机齿轮194驱动齿条196向远离转轴153的方向移动时，则锁定杆195从环形凹槽191内抽离，从而实现对旋转外翼152 解锁的作用。

实施例2：在实施例1的基础上，速度传感器固定在旋转外翼152内，并与控制器电信连接，通过速度传感器监测旋转外翼152的转速，从而可以使控制器更加精准控制锁定机构19的开启，使锁定机构19在旋转外翼152的速度降下来后及时对旋转外翼152进行锁定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，其特征在于，包括：机身(1)，所述机身(1)的底部固定有起落架(11)，尾部分别固定有垂尾(12)和平尾(13)，头部通过第一电机连接有机头螺旋桨(14)；所述机身(1)靠近所述平尾(13)与所述机身(1)的连接处贯通有涵道(10)，且所述涵道(10))内通过第二电机连接有涵道螺旋桨；所述机身(1)的两侧对称固定有旋转外翼机翼结构(15)；

控制器，所述控制器电信连接所述旋转外翼机翼结构(15)，当垂直起降时，所述控制器控制所述旋转外翼机翼结构(15)为提供升力的形态模式，当平飞巡航时，所述控制器控制所述旋转外翼机翼结构(15)为提供平飞巡航动力的形态模式。

2.根据权利要求1所述的一种旋转外翼垂直起降高速巡航固定翼无人机，其特征在于，还包括：速度传感器，所述速度传感器固定在所述旋转外翼(152)内，并与所述控制器电信连接。

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