CN115092389A - 一种倾转旋翼鸭式垂直起降无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，包括：机身舱体；主翼，设置于机身舱体顶部；两个鸭翼，设置于机头两侧；多个倾转结构，分别设置于主翼和鸭翼的两端；多个旋翼，分别设置于倾转结构的背向机身舱体的一端；控制模块，包括：第一控制单元，用于控制倾转结构带动旋翼移动至平行于机身舱体高度方向的位置并控制增大旋翼转速垂直起飞；第二控制单元，用于控制倾转结构带动旋翼移动至平行于机头和机尾间中轴线的位置进行平飞；第三控制单元，用于控制倾转结构带动旋翼移动至平行于机身舱体高度方向的位置并控制减小旋翼转速垂直降落。有益效果是本发明通过倾转结构旋转旋翼使得无人机在平飞过程中能够获得较大的水平推力，提高飞行速度。

Description

一种倾转旋翼鸭式垂直起降无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种倾转旋翼鸭式垂直起降无人机。

背景技术

近几年随着无人机、高速通信、人工智能以及智慧城市的发展，“城市空中交通”概念逐渐兴起，城市空中交通是指通过使用全自动城市无人飞行器提供大型城市内部或都市圈城际间的多种空中飞行服务，城市空中交通将以无人机为核心开拓城市空域资源,将现有地下、地面和高架为载体的2.5D交通拓展为新型3D立体交通方式，城市无人机极大扩展了交通容量，为城市运营瓶颈问题的解决提供了有效方式，未来城市无人机将在城市多个场景发挥巨大作用，如城市运营服务(交通疏导、应急救援等)、商业服务(低空观光、快速物运、冷链运输)以及公共交通服务(载人客运)，以城市运营和管理为背景的应用需求，大大催生了对新型无人机的需求。

目前传统无人机的构型通常为多旋翼结构和固定翼结构，其中固定翼结构的无人机具有飞行速度快、航程远、航时长、载重大等优点，但缺点是起降过程需有专业跑道，而多旋翼结构的无人机能实现垂直起降、空中悬停、向前后左右飞行，具有灵活起降和飞行的优点，但是由于旋翼提供的主要是升力，导致无人机获得的平行于机身轴线的水平推力较小，所以水平飞行速度较慢。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，包括：

一机身舱体，所述机身舱体的沿轴向方向的一端为机头，沿轴向方向的另一端为机尾；

一主翼，设置于所述机身舱体的顶部且所述主翼设于所述机头和所述机尾之间；

两个鸭翼，分别设置于所述机头的两侧；

多个倾转结构，分别设置于所述主翼和对应的所述鸭翼的两端，所述主翼上的各所述倾转结构沿所述机身舱体的轴向方向对称分布，所述鸭翼上的各所述倾转结构沿所述机身舱体的轴向方向对称分布；

多个旋翼，分别设置于对应的所述倾转结构的背向所述机身舱体的一端；

一控制模块，分别连接各所述倾转结构和各所述旋翼，所述控制模块包括：

一第一控制单元，用于控制各所述倾转结构旋转以带动对应的所述旋翼移动至平行于所述机身舱体的高度方向的位置，并控制增大各所述旋翼的转速以带动所述机身舱体垂直起飞；

一第二控制单元，连接所述第一控制单元，用于在所述机身舱体垂直起飞后控制各所述倾转结构旋转以带动对应的所述旋翼移动至平行于所述机头和所述机尾之间中轴线的位置使所述机身舱体进行平飞；

一第三控制单元，连接所述第一控制单元，用于在所述机身舱体平飞至目标位置后控制各所述倾转结构旋转以带动对应的所述旋翼移动至平行于所述机身舱体的高度方向的位置，并控制减小各所述旋翼的转速以使所述机身舱体垂直降落。

优选的，所述倾转结构的数量为4个，其中两个所述倾转结构分别设于所述主翼的两端，另外两个所述倾转结构分别设于所述鸭翼的两端。

优选的，各所述倾转结构分别通过一动力模组连接对应的所述旋翼，则所述第一控制单元控制各所述动力模组增大对应的所述旋翼的转速，所述第三控制单元控制各所述动力模组减小对应的所述旋翼的转速。

优选的，还包括多个副翼，分别设置于所述主翼的靠近所述机尾的一侧且各所述副翼沿所述机身舱体的轴向方向对称分布，则所述控制模块还包括一第四控制单元，连接各所述副翼，用于控制各所述副翼的方向以调整所述机身舱体的飞行方向。

优选的，还包括一V型尾翼，设置于所述机尾。

优选的，所述V型尾翼的远离所述机头的一侧设有多个尾翼舵面且各所述尾翼舵面沿所述机身舱体的轴向方向对称分布，则所述控制模块还包括一第五控制单元，连接各所述尾翼舵面，用于控制各所述尾翼舵面的方向带动所述机身舱体进行俯冲飞行或仰冲飞行。

优选的，所述机头和所述机尾的底部分别设有一起落架。

优选的，各所述起落架的底部分别设有多个滚轮。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

(1)本发明中的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机可以实现在任何环境下快速垂直起降不受场地的限制，同时可以在不同高度实现悬停以满足城市各种场景下的起降需求，并且通过倾转结构旋转旋翼使得无人机在平飞过程中能够获得较大的水平推力，提高飞行速度；

(2)本发明中的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机采用多翼面布局并增加翼面面积，提高了机翼升力和升阻特性，机身舱体采用低阻力流线外形可大大降低机翼飞行阻力，提升无人机速度和航时；

(3)本发明中的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机在垂直起飞、垂直降落和平飞时均采用同一动力模组，可以减少无人机平飞时的死重；

(4)本发明中的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机配置四个可倾转的旋翼，可以实现部分动力冗余备份。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，无人机的整体结构图；

图2为本发明的较佳的实施例中，控制模块的连接示意图；

图3为本发明的较佳的实施例中，无人机的正视图；

图4为本发明的较佳的实施例中，无人机的俯视图；

图5为本发明的较佳的实施例中，无人机的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，包括：

一机身舱体1，机身舱体1的沿轴向方向的一端为机头11，沿轴向方向的另一端为机尾12；

一主翼2，设置于机身舱体1的顶部且主翼2设于机头11和机尾12之间；

两个鸭翼3，分别设置于机头11的两侧；

多个倾转结构4，分别设置于主翼2和对应的鸭翼3的两端，主翼2上的各倾转结构4沿机身舱体1的轴向方向对称分布，鸭翼3上的各倾转结构4沿机身舱体1的轴向方向对称分布；

多个旋翼5，分别设置于对应的倾转结构4的背向机身舱体1的一端；

一控制模块6，分别连接各倾转结构4和各旋翼5，控制模块6包括：

一第一控制单元61，用于控制各倾转结构4旋转以带动对应的旋翼5移动至平行于机身舱体1的高度方向的位置，并控制增大各旋翼5的转速以带动机身舱体1垂直起飞；

一第二控制单元62，连接第一控制单元61，用于在机身舱体1垂直起飞后控制各倾转结构4旋转以带动对应的旋翼5移动至平行于机头11和机尾12之间中轴线的位置使机身舱体1进行平飞；

一第三控制单元63，连接第一控制单元61，用于在机身舱体1平飞至目标位置后控制各倾转结构4旋转以带动对应的旋翼5移动至平行于机身舱体1的高度方向的位置，并控制减小各旋翼5的转速以使机身舱体1垂直降落。

具体地，本实施例中，考虑到目前的无人机通常采用垂向设置的旋翼5来使无人机获得向上的升力，并通过控制旋翼5的旋转方向来使无人机获得水平向前或水平向后或水平向左或水平向右的水平推力进行平飞，这种方法利用了旋翼5之间旋转所产生的气流的相互作用力，但是由于是通过旋翼5之间的相对旋转来实现的，导致无人机获得的水平推力较小，飞行速度较慢，为了解决这个问题，本实施例中在无人机的主翼2和鸭翼3上分别对称设置旋翼5和倾转结构4，通过倾转结构4的旋转改变旋翼5的位置，使得旋翼5既可以只产生垂直向上的升力也可以只产生水平推力，大大增加了无人机获得的水平推力，能够有效提高飞行速度。

优选的，无人机采用可倾转的旋翼5可以实现在任何环境下均能够快速进行起降，不受场地的限制，同时可以通过控制旋翼5的转速和旋转方向来使无人机在不同高度进行悬停。

优选的，通过倾转结构4控制旋转旋翼5使得无人机在起降和平飞过程中都在做功，可以避免旋翼5的死重问题。

具体地，本实施例中，当无人机上升至一定高度后，第二控制单元62控制对应的倾转结构4按照预定程序进行转动以带动旋翼5向水平方向进行旋转至到达平行于机身舱体1的轴向方向的水平位置为无人机提供水平推力。

优选的，在倾转结构的旋转过程中，通过第二控制单元实时读取机载监控器的传感信息并实时调整各个旋翼的转速以保证无人机的垂向平衡。

优选的，在倾转结构4倾转的过程中无人机的水平速度不断提升，当水平速度提升到使主翼2和鸭翼3的升力足以平衡重力时完成倾转使得旋翼5处于机身舱体1的平行位置，该平行位置即上述平行于机身舱体1的轴向方向的水平位置。

优选的，机身舱体1采用低阻力流线外形。

具体地，本实施例中，当无人机飞行至目标位置需要进行垂直降落时，第三控制单元63将根据预定程序控制倾转结构4转动以带动旋翼5由水平方向向垂直方向进行旋转，最终移动至移动至平行于机身舱体1的轴向方向的水平位置。

优选的，随着旋翼5的旋转无人机获得的水平推力的水平分量逐渐减小，垂直分量逐渐增大，同时无人机的飞行速度下降，当垂直分量与无人机重力相等时完成倾转结构4的倾转，此时，第三控制单元63根据预定程序控制减小旋翼5的转速以使无人机垂直降落。

优选的，通过鸭翼3和主翼2的外形布局可以使无人机具有更好的升阻特性和操作稳定性，有助于进行远距离飞行。

本发明的较佳的实施例中，倾转结构4的数量为4个，其中两个倾转结构4分别设于主翼2的两端，另外两个倾转结构4分别设于鸭翼3的两端。

具体地，本实施例中，采用四个倾转结构4分别对旋翼5进行旋转控制，通过控制倾转结构4的开启数量可以实现部分动力冗余备份，在无人机平飞的过程中，四个旋翼5可以实现多种运行模式，例如四个旋翼5同时运行，又例如只运行主翼2上的两个旋翼5。

本发明的较佳的实施例中，各倾转结构4分别通过一动力模组7连接对应的旋翼5，则第一控制单元61控制各动力模组7增大对应的旋翼5的转速，第三控制单元63控制各动力模组7减小对应的旋翼5的转速。

具体地，本实施例中，无人机进行平飞可以只控制主翼2上的动力模组7驱动旋翼5提供水平推力实现无人机水平方向上的移动。

具体地，本实施例中，考虑到无人机存在垂直起飞、平飞和垂直降落三个过程，因为通过第一控制单元61来控制无人机进行垂直起飞，通过第二控制单元62来控制无人机进行平飞，通过第三控制单元63来控制无人机进行垂直降落。

优选的，在实际操作时，当控制模块6接收到地面站发出的飞行指令后，第一控制单元61首先启动运行倾转结构4，调整倾转结构4使得动力模组7和旋翼5处于垂向位置，然后控制四个动力模组7带动旋翼5进行旋转提供无人机起飞所需的垂向升力使无人机进行垂直起飞。

优选的，在无人机垂直起飞的过程中，第一控制单元61可以根据无人机的质量以及旋翼5的开启数量自动调节各个旋翼5的转速，保证无人机平稳升空。

优选的，当其中一个旋翼5的动力模组7发生故障时，剩余的动力模组7仍然能够控制对应的旋翼5旋转以维持无人机的飞行。

本发明的较佳的实施例中，还包括多个副翼8，分别设置于主翼2的靠近机尾12的一侧且各副翼8沿机身舱体1的轴向方向对称分布，则控制模块6还包括一第四控制单元64，连接各副翼8，用于控制各副翼8的方向以调整机身舱体1的飞行方向。

具体地，本实施例中，无人机平飞时的方向通过副翼8的差动控制实现。

本发明的较佳的实施例中，还包括一V型尾翼9，设置于机尾12。

本发明的较佳的实施例中，V型尾翼9的远离机头11的一侧设有多个尾翼舵面10且各尾翼舵面10沿机身舱体1的轴向方向对称分布，则控制模块6还包括一第五控制单元65，连接各尾翼舵面10，用于控制各尾翼舵面10的方向带动机身舱体1进行俯冲飞行或仰冲飞行。

具体地，本实施例中，无人机的俯仰方向通过尾翼舵面10实现，第四控制单元64和第五控制单元65根据预先设定的飞行路线分别控制副翼8和尾翼舵面10进行航线的调整。

本发明的较佳的实施例中，机头11和机尾12的底部分别设有一起落架13。

本发明的较佳的实施例中，各起落架13的底部分别设有多个滚轮14。

具体地，本实施例中，无人机配置了起落架13和滚轮14，当无人机的旋翼5或动力模组7发生故障无法正常垂直降落时可以采用单发滑跑进行降落，大大提升了无人机的安全性。

具体地，本实施例中，主翼2采用大展弦比机翼，与具有同样机翼面积的小展弦比机翼相比，大展弦比机翼的翼尖离开的更远，从而受到翼尖涡的影响也比较小，由于翼尖涡的强度减弱，翼尖效应引起的升力损失和阻力也会减弱，有助于无人机的飞行。

优选的，无人机平飞时可通过大展弦比机翼提供的升力克服自重，使得动力模组7的输出功率只需垂直起飞时输出功率的三分之一即可，能够大大提升无人机平飞时的飞行时间。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，其特征在于，包括:

一机身舱体，所述机身舱体的沿轴向方向的一端为机头，沿轴向方向的另一端为机尾；

一主翼，设置于所述机身舱体的顶部且所述主翼设于所述机头和所述机尾之间；

两个鸭翼，分别设置于所述机头的两侧；

多个倾转结构，分别设置于所述主翼和对应的所述鸭翼的两端，所述主翼上的各所述倾转结构沿所述机身舱体的轴向方向对称分布，所述鸭翼上的各所述倾转结构沿所述机身舱体的轴向方向对称分布；

多个旋翼，分别设置于对应的所述倾转结构的背向所述机身舱体的一端；

一控制模块，分别连接各所述倾转结构和各所述旋翼，所述控制模块包括：

一第一控制单元，用于控制各所述倾转结构旋转以带动对应的所述旋翼移动至平行于所述机身舱体的高度方向的位置，并控制增大各所述旋翼的转速以带动所述机身舱体垂直起飞；

一第二控制单元，连接所述第一控制单元，用于在所述机身舱体垂直起飞后控制各所述倾转结构旋转以带动对应的所述旋翼移动至平行于所述机头和所述机尾之间中轴线的位置使所述机身舱体进行平飞；

一第三控制单元，连接所述第一控制单元，用于在所述机身舱体平飞至目标位置后控制各所述倾转结构旋转以带动对应的所述旋翼移动至平行于所述机身舱体的高度方向的位置，并控制减小各所述旋翼的转速以使所述机身舱体垂直降落。

2.根据权利要求1所述的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，其特征在于，所述倾转结构的数量为4个，其中两个所述倾转结构分别设于所述主翼的两端，另外两个所述倾转结构分别设于所述鸭翼的两端。

3.根据权利要求1所述的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，其特征在于，各所述倾转结构分别通过一动力模组连接对应的所述旋翼，则所述第一控制单元控制各所述动力模组增大对应的所述旋翼的转速，所述第三控制单元控制各所述动力模组减小对应的所述旋翼的转速。

4.根据权利要求1所述的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，其特征在于，还包括多个副翼，分别设置于所述主翼的靠近所述机尾的一侧且各所述副翼沿所述机身舱体的轴向方向对称分布，则所述控制模块还包括一第四控制单元，连接各所述副翼，用于控制各所述副翼的方向以调整所述机身舱体的飞行方向。

5.根据权利要求1所述的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，其特征在于，还包括一V型尾翼，设置于所述机尾。

6.根据权利要求1所述的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，其特征在于，所述V型尾翼的远离所述机头的一侧设有多个尾翼舵面且各所述尾翼舵面沿所述机身舱体的轴向方向对称分布，则所述控制模块还包括一第五控制单元，连接各所述尾翼舵面，用于控制各所述尾翼舵面的方向带动所述机身舱体进行俯冲飞行或仰冲飞行。

7.根据权利要求1所述的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，其特征在于，所述机头和所述机尾的底部分别设有一起落架。

8.根据权利要求7所述的倾转旋翼鸭式垂直起降无人机，其特征在于，各所述起落架的底部分别设有多个滚轮。

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