CN113955098A - 一种倾转式尾部旋翼、垂直起降固定翼无人机及工作方法 - Google Patents

一种倾转式尾部旋翼、垂直起降固定翼无人机及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种倾转式尾部旋翼，包括倾转驱动装置、旋翼电机和旋翼螺旋桨，倾转驱动装置安装在垂直起降固定翼无人机的垂起杆尾端，旋翼电机安装在倾转驱动装置的执行端上，旋翼螺旋桨安装在旋翼电机的输出轴上；倾转驱动装置驱动旋翼电机倾转使旋翼电机的输出轴垂直于垂起杆的轴向或平行于垂起杆的轴向；本发明使垂直起降固定翼无人机在多旋翼模式飞行状态下和固定翼模式飞行状态下尾部旋翼均能提供动力，提高了旋翼机构在不同飞行状态下的利用率，降低无人机的空气阻力，提高无人机的飞行性能和飞行效率。

Description

一种倾转式尾部旋翼、垂直起降固定翼无人机及工作方法
技术领域
本发明涉及一种倾转式尾部旋翼、采用该倾转式尾部旋翼的垂直起降固定翼无人机及工作方法，属于无人机技术领域。
背景技术
垂直起降固定翼无人机具备多旋翼模式飞行，无需滑跑，即可以在原地实现垂直起降，同时还具备固定翼模式飞行，具有续航时间长、飞行速度快等优点；但是传统垂直起降固定翼无人机的旋翼机构通常只在起飞和降落过程中工作，在固定翼模式飞行状态下不工作，因此在固定翼模式飞行状态下的旋翼机构大大增加了无人机的空气阻力，降低了无人机的飞行性能和效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种倾转式尾部旋翼以及安装了该倾转式尾部旋翼的垂直起降固定翼无人机和工作方法，使垂直起降固定翼无人机在多旋翼模式飞行状态下和固定翼模式飞行状态下尾部旋翼均能提供动力，提高了旋翼机构在不同飞行状态下的利用率，降低无人机的空气阻力，提高无人机的飞行性能和飞行效率。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种倾转式尾部旋翼，包括倾转驱动装置、旋翼电机和旋翼螺旋桨，所述倾转驱动装置安装在垂直起降固定翼无人机的垂起杆尾端，所述旋翼电机安装在倾转驱动装置的执行端上，所述旋翼螺旋桨安装在旋翼电机的输出轴上；所述倾转驱动装置驱动旋翼电机倾转使旋翼电机的输出轴垂直于垂起杆的轴向或平行于垂起杆的轴向。
作为本发明的进一步优选，所述倾转驱动装置是双轴数字舵机，所述旋翼电机与双轴数字舵机的两个输出轴固定连接；双轴数字舵机具备质量轻、尺寸小、精度高、扭矩大、寿命长的优点，不仅可以对旋翼电机的倾转过程提供精准的角度调整，还可以提供牢固的连接和稳定的扭力。
作为本发明的进一步优选，还包括倾转连接件，所述倾转连接件的两端分别与双轴数字舵机的两个输出轴连接，所述旋翼电机安装在倾转连接件上；使双轴数字舵机与旋翼电机的连接更加方便，同时提高双轴数字舵机驱动旋翼电机倾转时的便利性。
作为本发明的进一步优选，所述倾转连接件具有一个横向臂，在横向臂的两端分别折弯90度形成纵向臂，且两个纵向臂位于横向臂的同一侧，两个纵向臂分别通过若干个连接件螺钉与双轴数字舵机的两个输出轴连接，所述旋翼电机通过若干个电机螺钉安装在横向臂上。
作为本发明的进一步优选，在垂起杆尾端的顶部形成有缺口，在缺口内设置有隔板，隔板上方的缺口构成用于容纳半个旋翼电机的缺口凹槽，所述双轴数字舵机设置在隔板下方的垂起杆尾端的内部，在隔板外侧边沿上形成有两个开口，倾转连接件的两个纵向臂分别穿过两个开口与隔板下方的双轴数字舵机的两个输出轴连接；使双轴数字舵机可以安装在垂起杆尾端的内部，不会影响垂起杆尾端附近的气流变化，提高垂起杆尾端结构的整体一致性。
作为本发明的进一步优选，所述旋翼电机是圆柱形结构，所述缺口凹槽是与圆柱形结构旋翼电机配合的半圆柱形缺口凹槽。
作为本发明的进一步优选，所述旋翼电机的厚度大于或等于缺口凹槽的深度；使垂起杆尾端顶部与旋翼电机之间形成更好的流线型变化，减少对气流流动的影响。
作为本发明的进一步优选，所述双轴数字舵机通过若干个舵机螺钉与隔板固定连接；提高双轴数字舵机的安装稳定性。
一种垂直起降固定翼无人机，包括机身，在机身的尾端两侧分别设置有机翼，在机身的尾端端部设置有尾推发动机，在尾推发动机的输出轴上安装尾推螺旋桨，在机身的前端两侧分别设置有鸭翼， 在机身两侧分别设置有垂起杆，所述垂起杆的前端与鸭翼固定连接，靠近垂起杆尾端的垂起杆顶部与机翼固定连接，在两个垂起杆顶部对称设置有多个垂直起降电机，在每个垂直起降电机的输出轴上均安装有垂直起降螺旋桨，在每个垂起杆尾端均设置有倾转式尾部旋翼。
基于上述一种垂直起降固定翼无人机的工作方法，具体如下：
垂直起降固定翼无人机在垂直起降多旋翼模式飞行状态下，垂直起降固定翼无人机的飞控计算机分别发送信号指令给倾转驱动装置和旋翼电机，倾转驱动装置接受信号指令后驱动旋翼电机倾转使旋翼电机的输出轴垂直于垂起杆的轴向，旋翼电机接受信号指令后驱动旋翼螺旋桨正向旋转为垂直起降固定翼无人机提供向上的拉力；
垂直起降固定翼无人机在推进固定翼模式飞行状态下，垂直起降固定翼无人机的飞控计算机分别发送信号指令给倾转驱动装置和旋翼电机，倾转驱动装置接受信号指令后驱动旋翼电机倾转使旋翼电机的输出轴平行于垂起杆的轴向，旋翼电机接受信号指令后驱动旋翼螺旋桨反向旋转为垂直起降固定翼无人机提供向前的推力。
本发明的有益之处在于：
倾转式尾部旋翼位于垂直起降固定翼无人机两侧垂起杆的尾部，在垂直起降阶段，旋翼电机的输出轴垂直于垂起杆的轴向，旋翼电机驱动旋翼螺旋桨为垂直起降固定翼无人机提供垂直方向的动力；在垂直起降固定翼无人机爬升到一定高度后，垂直起降固定翼无人机进入固定翼模式进行飞行，倾转式尾部旋翼开始倾转，倾转完成后，旋翼电机的输出轴平行于垂起杆的轴向，旋翼电机驱动旋翼螺旋桨为垂直起降固定翼无人机提供水平方向的动力；从而实现在多旋翼模式飞行状态下，倾转式尾部旋翼为垂直起降固定翼无人机在垂直起降过程中的机动动作提供动力，提高无人机的低速机动能力；当无人机垂直起飞后，在空中改变倾转式尾部旋翼的方向，使倾转式尾部旋翼为垂直起降固定翼无人机在固定翼模式飞行状态下提供动力，从而大大提高垂直起降固定翼无人机在固定翼模式飞行状态下的飞行性能和飞行效率；垂直起降固定翼无人机在多旋翼模式飞行状态下和固定翼模式飞行状态下尾部旋翼均能提供动力，提高了旋翼机构在不同飞行状态下的利用率，降低无人机的空气阻力，提高无人机的飞行性能和飞行效率。
附图说明
图1是本发明倾转式尾部旋翼在多旋翼模式飞行状态下的结构示意图；
图2是本发明倾转式尾部旋翼在固定翼模式飞行状态下的结构示意图；
图3是本发明倾转式尾部旋翼与垂起杆连接处的爆炸结构示意图；
图4是本发明安装了倾转式尾部旋翼的垂直起降固定翼无人机结构示意图；
图中附图标记的含义：
1-垂起杆，2-旋翼电机，3-旋翼螺旋桨，4-双轴数字舵机，5-倾转连接件，6-连接件螺钉，7-电机螺钉，8-隔板，9-缺口凹槽，10-开口，11-机身，12-机翼，13-尾推发动机，14-尾推螺旋桨，15-鸭翼，16-垂直起降电机，17-垂直起降螺旋桨，18-倾转式尾部旋翼，21-螺旋桨螺钉。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例一
如图1-3所示，本实施例是一种倾转式尾部旋翼，包括倾转驱动装置、旋翼电机2和旋翼螺旋桨3，倾转驱动装置安装在垂直起降固定翼无人机的垂起杆1尾端，旋翼电机2安装在倾转驱动装置的执行端上，旋翼螺旋桨3通过若干个螺旋桨螺钉21安装在旋翼电机2的输出轴上；倾转驱动装置驱动旋翼电机2倾转使旋翼电机2的输出轴垂直于垂起杆1的轴向或平行于垂起杆1的轴向。
本实施例中，倾转驱动装置是双轴数字舵机4，旋翼电机2与双轴数字舵机4的两个输出轴固定连接；双轴数字舵机4具备质量轻、尺寸小、精度高、扭矩大、寿命长的优点，不仅可以对旋翼电机2的倾转过程提供精准的角度调整，还可以提供牢固的连接和稳定的扭力。
本实施例中还包括倾转连接件5，倾转连接件5的两端分别与双轴数字舵机4的两个输出轴连接，旋翼电机2安装在倾转连接件5上；使双轴数字舵机4与旋翼电机2的连接更加方便，同时提高双轴数字舵机4驱动旋翼电机2倾转时的便利性。
本实施例中，倾转连接件5具有一个横向臂，在横向臂的两端分别折弯90度形成纵向臂，且两个纵向臂位于横向臂的同一侧，两个纵向臂分别通过若干个连接件螺钉6与双轴数字舵机4的两个输出轴连接，旋翼电机2通过若干个电机螺钉7安装在横向臂上。
本实施例在垂起杆1尾端的顶部形成有缺口，在缺口内设置有隔板8，隔板8上方的缺口构成用于容纳半个旋翼电机2的缺口凹槽9，双轴数字舵机4设置在隔板8下方的垂起杆1尾端的内部，在隔板8外侧边沿上形成有两个开口10，倾转连接件5的两个纵向臂分别穿过两个开口10与隔板8下方的双轴数字舵机4的两个输出轴连接；使双轴数字舵机4可以安装在垂起杆1尾端的内部，不会影响垂起杆1尾端附近的气流变化，提高垂起杆1尾端结构的整体一致性。
本实施例中，旋翼电机2是圆柱形结构，缺口凹槽9是与圆柱形结构旋翼电机2配合的半圆柱形缺口凹槽9。
本实施例中旋翼电机2的厚度大于缺口凹槽9的深度；使垂起杆1尾端顶部与旋翼电机2之间形成更好的流线型变化，减少对气流流动的影响；在实际应用时，旋翼电机2的厚度也可以等于缺口凹槽9的深度。
本实施例中双轴数字舵机4通过若干个舵机螺钉与隔板8固定连接；提高双轴数字舵机4的安装稳定性。
实施例二
如图4所示，本实施例是一种垂直起降固定翼无人机，包括机身11，在机身11的尾端两侧分别设置有机翼12，在机身11的尾端端部设置有尾推发动机13，在尾推发动机13的输出轴上安装尾推螺旋桨14，在机身11的前端两侧分别设置有鸭翼15， 在机身11两侧分别设置有垂起杆1，垂起杆1的前端与鸭翼15固定连接，靠近垂起杆1尾端的垂起杆1顶部与机翼12固定连接，在两个垂起杆1顶部对称设置有多个垂直起降电机16，在每个垂直起降电机16的输出轴上均安装有垂直起降螺旋桨17，在每个垂起杆1尾端均设置有实施例一所述的倾转式尾部旋翼18。
实施例三
本实施例是基于实施例二所述一种垂直起降固定翼无人机的工作方法，具体如下：
垂直起降固定翼无人机在垂直起降多旋翼模式飞行状态下，垂直起降固定翼无人机的飞控计算机分别发送信号指令给倾转驱动装置和旋翼电机2，倾转驱动装置接受信号指令后驱动旋翼电机2倾转使旋翼电机2的输出轴垂直于垂起杆1的轴向，旋翼电机2接受信号指令后驱动旋翼螺旋桨3正向旋转为垂直起降固定翼无人机提供向上的拉力；
垂直起降固定翼无人机在推进固定翼模式飞行状态下，垂直起降固定翼无人机的飞控计算机分别发送信号指令给倾转驱动装置和旋翼电机2，倾转驱动装置接受信号指令后驱动旋翼电机2倾转使旋翼电机2的输出轴平行于垂起杆1的轴向，旋翼电机2接受信号指令后驱动旋翼螺旋桨3反向旋转为垂直起降固定翼无人机提供向前的推力。
倾转式尾部旋翼位于垂直起降固定翼无人机两侧垂起杆的尾部，在垂直起降阶段，旋翼电机的输出轴垂直于垂起杆的轴向，旋翼电机驱动旋翼螺旋桨为垂直起降固定翼无人机提供垂直方向的动力；在垂直起降固定翼无人机爬升到一定高度后，垂直起降固定翼无人机进入固定翼模式进行飞行，倾转式尾部旋翼开始倾转，倾转完成后，旋翼电机的输出轴平行于垂起杆的轴向，旋翼电机驱动旋翼螺旋桨为垂直起降固定翼无人机提供水平方向的动力；从而实现在多旋翼模式飞行状态下，倾转式尾部旋翼为垂直起降固定翼无人机在垂直起降过程中的机动动作提供动力，提高无人机的低速机动能力；当无人机垂直起飞后，在空中改变倾转式尾部旋翼的方向，使倾转式尾部旋翼为垂直起降固定翼无人机在固定翼模式飞行状态下提供动力，从而大大提高垂直起降固定翼无人机在固定翼模式飞行状态下的飞行性能和飞行效率；垂直起降固定翼无人机在多旋翼模式飞行状态下和固定翼模式飞行状态下尾部旋翼均能提供动力，提高了旋翼机构在不同飞行状态下的利用率，降低无人机的空气阻力，提高无人机的飞行性能和飞行效率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，否则术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点；本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种倾转式尾部旋翼，其特征在于，包括倾转驱动装置、旋翼电机和旋翼螺旋桨，所述倾转驱动装置安装在垂直起降固定翼无人机的垂起杆尾端，所述旋翼电机安装在倾转驱动装置的执行端上，所述旋翼螺旋桨安装在旋翼电机的输出轴上；所述倾转驱动装置驱动旋翼电机倾转使旋翼电机的输出轴垂直于垂起杆的轴向或平行于垂起杆的轴向。
2.根据权利要求1所述的一种倾转式尾部旋翼，其特征在于，所述倾转驱动装置是双轴数字舵机，所述旋翼电机与双轴数字舵机的两个输出轴固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种倾转式尾部旋翼，其特征在于，还包括倾转连接件，所述倾转连接件的两端分别与双轴数字舵机的两个输出轴连接，所述旋翼电机安装在倾转连接件上。
4.根据权利要求3所述的一种倾转式尾部旋翼，其特征在于，所述倾转连接件具有一个横向臂，在横向臂的两端分别折弯90度形成纵向臂，且两个纵向臂位于横向臂的同一侧，两个纵向臂分别通过若干个连接件螺钉与双轴数字舵机的两个输出轴连接，所述旋翼电机通过若干个电机螺钉安装在横向臂上。
5.根据权利要求4所述的一种倾转式尾部旋翼，其特征在于，在垂起杆尾端的顶部形成有缺口，在缺口内设置有隔板，隔板上方的缺口构成用于容纳半个旋翼电机的缺口凹槽，所述双轴数字舵机设置在隔板下方的垂起杆尾端的内部，在隔板外侧边沿上形成有两个开口，倾转连接件的两个纵向臂分别穿过两个开口与隔板下方的双轴数字舵机的两个输出轴连接。
6.根据权利要求5所述的一种倾转式尾部旋翼，其特征在于，所述旋翼电机是圆柱形结构，所述缺口凹槽是与圆柱形结构旋翼电机配合的半圆柱形缺口凹槽。
7.根据权利要求6所述的一种倾转式尾部旋翼，其特征在于，所述旋翼电机的厚度大于或等于缺口凹槽的深度。
8.根据权利要求5所述的一种倾转式尾部旋翼，其特征在于，所述双轴数字舵机通过若干个舵机螺钉与隔板固定连接。
9.一种垂直起降固定翼无人机，包括机身，在机身的尾端两侧分别设置有机翼，在机身的尾端端部设置有尾推发动机，在尾推发动机的输出轴上安装尾推螺旋桨，在机身的前端两侧分别设置有鸭翼， 在机身两侧分别设置有垂起杆，所述垂起杆的前端与鸭翼固定连接，靠近垂起杆尾端的垂起杆顶部与机翼固定连接，在两个垂起杆顶部对称设置有多个垂直起降电机，在每个垂直起降电机的输出轴上均安装有垂直起降螺旋桨，其特征在于：在每个垂起杆尾端均设置有如权利要求1-8中任一项所述的倾转式尾部旋翼。
10.基于权利要求9所述一种垂直起降固定翼无人机的工作方法，其特征在于：
垂直起降固定翼无人机在垂直起降多旋翼模式飞行状态下，垂直起降固定翼无人机的飞控计算机分别发送信号指令给倾转驱动装置和旋翼电机，倾转驱动装置接受信号指令后驱动旋翼电机倾转使旋翼电机的输出轴垂直于垂起杆的轴向，旋翼电机接受信号指令后驱动旋翼螺旋桨正向旋转为垂直起降固定翼无人机提供向上的拉力；
垂直起降固定翼无人机在推进固定翼模式飞行状态下，垂直起降固定翼无人机的飞控计算机分别发送信号指令给倾转驱动装置和旋翼电机，倾转驱动装置接受信号指令后驱动旋翼电机倾转使旋翼电机的输出轴平行于垂起杆的轴向，旋翼电机接受信号指令后驱动旋翼螺旋桨反向旋转为垂直起降固定翼无人机提供向前的推力。
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