CN205311908U - 一种复合翼无人机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种复合翼无人机，包括飞行器主体（1）和固定于飞行器主体（1）上的多个垂直动力单元（2）；所述垂直动力单元（2）包括螺旋桨、驱动螺旋桨转动的电机、控制电机转速的电子调速器，所述垂直动力单元（2）环绕飞行器的重心布置；所述垂直动力单元（2）的螺旋桨转轴均倾斜安装，以使螺旋桨所产生的拉力具有垂直分力和水平分力，其特征在于，各个螺旋桨轴线与飞行器重心的连线，均与该螺旋桨所产生的水平分力方向具有夹角，该夹角度数大于零或小于零。本实用新型可有效的解决复合翼飞行器低速状态下偏航控制不足的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种垂直起降飞行器，特别是涉及一种复合翼无人机。
背景技术
固定翼垂直起降无人机兼顾固定翼无人机的高速飞行能力以及久航能力和多轴无人机的垂直起降能力，因此，其实用价值得到了工业无人机领域的广泛推崇。
现有多轴飞行器通过各个螺旋桨转动阻力矩的的偏差产生偏航方向的控制力矩，这导致偏航控制能力远远低于滚转和俯仰控制能力，滚转和俯仰控制能力是通过各个螺旋桨的拉力差与相应力臂产生的，控制能力可达偏航方向的5至10倍。
复合翼飞行器具有两种飞行状态，高速状态和低速状态。高速状态下拉力向上的螺旋桨不工作，拉力向前的螺旋桨克服气动阻力，机翼产生气动升力克服重力。低速状态下拉力向上的螺旋桨克服全机重力，同时，通过螺旋桨拉力差和转动阻力矩差产生滚转、俯仰和偏航控制力矩。由于复合翼飞行器的机翼等气动升力面在低速状态下具有一定的气动阻力，增加了偏航方向阻尼，加剧了低速状态下偏航控制能力欠缺的问题。
实用新型内容
针对上述现有复合翼垂直起降无人机低速状态下的偏航控制能力问题，本实用新型提供了一种复合翼无人机。
为解决上述问题，本实用新型提供的一种复合翼无人机通过以下技术要点来解决问题：一种复合翼无人机，包括飞行器主体和固定于飞行器主体上的多个垂直动力单元；
所述垂直动力单元包括螺旋桨、驱动螺旋桨转动的电机、控制电机转速的电子调速器，所述垂直动力单元环绕飞行器的重心布置；
所述垂直动力单元的螺旋桨转轴均倾斜安装，以使螺旋桨所产生的拉力具有垂直分力和水平分力，各个螺旋桨轴线与飞行器重心的连线，均与该螺旋桨所产生的水平分力方向具有夹角，该夹角度数大于零或小于零。
具体的，以上方案中，所述垂直分力即为对应螺旋桨产生的拉力分解出的平行于螺旋桨轴线的分力，该分力用于克服飞行时无人机的重力，所述水平分力即为对应螺旋桨产生的拉力分解出的垂直于螺旋桨轴线的分力，用于实现飞机的偏航。由于在各个螺旋桨轴线与飞行器重心的连线与该螺旋桨所产生的水平分力方向一致时，无人机仅能平飞，故该技术方案中，通过限定螺旋桨轴线的倾斜方向，使得以上水平分力必然产生用于控制无人机飞行状态的偏航力矩，可有效的解决复合翼飞行器低速状态下偏航控制不足的问题。
更进一步的技术方案为：
为便于实现无人机在飞行时，可通过飞行器主体获得升力，以便于使得本无人机在消耗同样功率的情况下，获得更快的平飞速度，所述飞行器主体的外形使得飞行器具有向前速度时，飞行器主体能够产生部分或全部抵消无人机重力的升力。作为优选的技术方案，所述飞行器主体的外形呈翼板状，且飞行器主体的外形左右面对称。以上结构特征可使得本无人机具有更为轻便的结构，同时在螺旋桨产生拉力一定时，可通过设置较大额螺旋桨轴线倾角，获得更大的平飞动力。
在飞行器主体尺寸一定的情况下，为使得通过垂直动力单元所产生水平分力，能得到更大的偏航力矩，所述飞行器主体呈面对称形状，还包括两根分别固定于飞行器主体上的支撑杆，所述支撑杆的长度方向均沿着无人机的弦长方向，两根支撑杆相对于飞行器主体的中心面对称，所述垂直动力单元为四个，每根支撑杆的端部均固定有一个垂直动力单元。
为便于本无人机的飞行姿态控制，处于无人机左前方和右前方的两个垂直动力单元的螺旋桨轴线的倾角大小和倾斜方向相对于无人机的中心面对称；处于无人机左后方和右后方的两个垂直动力单元的螺旋桨轴线的倾角大小和倾斜方向相对于无人机的中心面对称。以上方案中，在本飞行器垂直起降时，四个螺旋桨的转速一致，便可实现竖直起降。
为便于改变垂直动力单元对无人机偏航控制力矩的大小，所述垂直动力单元的螺旋桨为变桨距螺旋桨。变桨距螺旋桨具有相对于无人机重心的偏航力臂，为变桨距螺旋桨提供的电机、电子调速器以及舵机中，通过协调改变电子调速器和舵机的指令可以调整变桨距螺旋桨的转速和螺距，相应改变偏航控制力矩。
所述飞行器主体上还设置有尾翼，所述尾翼上设置有气动舵面。所述气动舵面为升降方向舵，以通过气动舵面，对飞行器的飞行姿态进行调整：气动舵面在无人机高速飞行的情况下，利于提升无人机的稳定性和操作性。
为使得本无人机具有低功耗高速平飞能力，还包括固定于无人机上的平飞螺旋桨。所述平飞螺旋桨用于产生水平拉力。
为便于改变垂直动力单元所产生水平分力的大小和方向，每个垂直动力单元上均设置有一个倾角调节机构，各个倾角调节机构用于调整对应螺旋桨轴线的倾斜方向的倾角大小。
作为具体的倾角调节机构结构形式，所述倾角调节机构包括调节装置、转盘，垂直动力单元的下端与转盘的上端面通过铰接球铰接连接，且垂直动力单元的螺旋桨轴线过铰接球的球心，调节装置设置于垂直动力单元与转盘之间用于制动所述铰接球转动，所述转盘可绕自身轴线转动，且转盘的轴线过铰接球的球心。
以上结构中，调节装置用于调整螺旋桨轴线的倾角大小，转盘用于调整螺旋桨轴线的倾斜方向。所述调节装置可采用伺服电机前端设置一个外齿轮，垂直动力单元的下端上设置环形的外齿条，外齿轮与外齿条齿啮合的形式，在外齿轮转动时，外齿轮与不同外齿条上齿条啮合加以实现；调节装置也可以采用液压缸，液压缸在本结构中的具体装配形式可以是液压缸的缸体端和活塞杆端部分别与转盘和垂直动力单元铰接连接，或者液压缸的一端固定连接，另一端设置于一个滑槽内，所述滑槽固定于垂直动力单元或转盘上。优选采用多个调节装置的设置方式，利于所述倾角大小角度的稳定性，液压缸优选为单缸双作用油缸，以提升对倾角大小的调节精度。
进一步的，设置一个转座，所述转座上设置有通孔或盲孔，所述转盘位于通孔或盲孔中，且转盘的侧壁与通孔或盲孔表面接触，达到即使转盘受力较大，也能够将转盘限定于无人机上特定位置的效果。
由于垂直动力单元在工作工程中，其螺旋桨的转动阻力矩是必然存在的，为使得所述转动阻力局能够运用于无人机的飞行姿态调整，各个垂直动力单元上螺旋桨桨叶的倾斜方向，需满足在各个螺旋桨在工作时，各个螺旋桨的水平分力产生的偏航力矩方向与该螺旋桨所产生的转动阻力矩方向一致。以上结构形式中，便于实现螺旋桨转速增加时，水平分力增加的偏航力矩和螺旋桨转动阻力矩增加的偏航力矩方向相同，使得改变偏航力矩的能力达到最大。
本实用新型具有以下有益效果：
方案中，所述垂直分力即为对应螺旋桨产生的拉力分解出的平行于螺旋桨轴线的分力，该分力用于克服飞行时无人机的重力，所述水平分力即为对应螺旋桨产生的拉力分解出的垂直于螺旋桨轴线的分力，用于实现飞机的偏航。由于在各个螺旋桨轴线与飞行器重心的连线与该螺旋桨所产生的水平分力方向一致时，无人机仅能平飞，故该技术方案中，通过限定螺旋桨轴线的倾斜方向，使得以上水平分力必然产生用于控制无人机飞行状态的偏航力矩，可有效的解决复合翼飞行器低速状态下偏航控制不足的问题。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种复合翼无人机一个具体实施例的结构示意图；
图2为本实用新型所述的一种复合翼无人机一个具体实施例中，倾角调节机构的结构以及其与垂直动力单元的连接关系示意图。
图中标记分别为：1、飞行器主体，2、垂直动力单元，3、支撑杆，4、调节装置，5、转盘，6、转座。
具体实施方式
本实用新型提供了一种复合翼无人机，用于解决：现有技术中复合翼垂直起降飞行器低速状态下偏航控制能力差和结构利用率低的问题。
下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但是本实用新型不仅限于以下实施例：
实施例1：
如图1所示，一种复合翼无人机，包括飞行器主体1和固定于飞行器主体1上的多个垂直动力单元2；
所述垂直动力单元2包括螺旋桨、驱动螺旋桨转动的电机、控制电机转速的电子调速器，所述垂直动力单元2环绕飞行器的重心布置；
所述垂直动力单元2的螺旋桨转轴均倾斜安装，以使螺旋桨所产生的拉力具有垂直分力和水平分力，各个螺旋桨轴线与飞行器重心的连线，均与该螺旋桨所产生的水平分力方向具有夹角，该夹角度数大于零或小于零。
本实施例中，所述垂直分力即为对应螺旋桨产生的拉力分解出的平行于螺旋桨轴线的分力，该分力用于克服飞行时无人机的重力，所述水平分力即为对应螺旋桨产生的拉力分解出的垂直于螺旋桨轴线的分力，用于实现飞机的偏航。由于在各个螺旋桨轴线与飞行器重心的连线与该螺旋桨所产生的水平分力方向一致时，无人机仅能平飞，故该技术方案中，通过限定螺旋桨轴线的倾斜方向，使得以上水平分力必然产生用于控制无人机飞行状态的偏航力矩，可有效的解决复合翼飞行器低速状态下偏航控制不足的问题。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1所示，为便于实现无人机在飞行时，可通过飞行器主体1获得升力，以便于使得本无人机在消耗同样功率的情况下，获得更快的平飞速度，所述飞行器主体1的外形呈翼板状，且飞行器主体1的外形左右面对称。以上结构特征可使得本无人机具有更为轻便的结构，同时在螺旋桨产生拉力一定时，可通过设置较大额螺旋桨轴线倾角，获得更大的平飞动力。
在飞行器主体1尺寸一定的情况下，为使得通过垂直动力单元2所产生水平分力，能得到更大的偏航力矩，所述飞行器主体1呈面对称形状，还包括两根分别固定于飞行器主体1上的支撑杆3，所述支撑杆3的长度方向均沿着无人机的弦长方向，两根支撑杆3相对于飞行器主体1的中心面对称，所述垂直动力单元2为四个，每根支撑杆3的端部均固定有一个垂直动力单元2。
为便于本无人机的飞行姿态控制，处于无人机左前方和右前方的两个垂直动力单元2的螺旋桨轴线的倾角大小和倾斜方向相对于无人机的中心面对称；处于无人机左后方和右后方的两个垂直动力单元2的螺旋桨轴线的倾角大小和倾斜方向相对于无人机的中心面对称。以上方案中，在本飞行器垂直起降时，四个螺旋桨的转速一致，便可实现竖直起降。
为便于改变垂直动力单元2对无人机偏航控制力矩的大小，所述垂直动力单元2的螺旋桨为变桨距螺旋桨。变桨距螺旋桨具有相对于无人机重心的偏航力臂，为变桨距螺旋桨提供的电机、电子调速器以及舵机中，通过协调改变电子调速器和舵机的指令可以调整变桨距螺旋桨的转速和螺距，相应改变偏航控制力矩。
所述飞行器主体1上还设置有尾翼，所述尾翼上设置有气动舵面。所述气动舵面为升降方向舵，以通过气动舵面，对飞行器的飞行姿态进行调整。
为使得本无人机具有低功耗高速平飞能力，还包括固定于无人机上的平飞螺旋桨。
实施例3：
本实施例在以上实施例提供的任意一个技术方案的基础上作进一步限定，如图1和图2所示，为便于改变垂直动力单元2所产生水平分力的大小和方向，每个垂直动力单元2上均设置有一个倾角调节机构，各个倾角调节机构用于调整对应螺旋桨轴线的倾斜方向的倾角大小。
作为具体的倾角调节机构结构形式，所述倾角调节机构包括调节装置4、转盘5，垂直动力单元2的下端与转盘5的上端面通过铰接球铰接连接，且垂直动力单元2的螺旋桨轴线过铰接球的球心，所述调节装置4不止一个，调节装置4设置于垂直动力单元2与转盘5之间用于制动所述铰接球转动，所述转盘5可绕自身轴线转动，且转盘5的轴线过铰接球的球心。
以上结构中，调节装置4用于调整螺旋桨轴线的倾角大小，转盘5用于调整螺旋桨轴线的倾斜方向。多个调节装置4的设置，利于所述倾角大小角度的稳定性，调节装置4在本结构中的具体装配形式为液压缸，液压缸的缸体端和活塞杆端部分别与转盘5和垂直动力单元2铰接连接，或者液压缸的一端固定连接，另一端设置于一个滑槽内，所述滑槽固定于垂直动力单元2或转盘5上。液压缸为单缸双作用油缸，以提升对倾角大小的调节精度。
进一步的，设置一个转座6，所述转座6上设置有通孔或盲孔，所述转盘5位于通孔或盲孔中，且转盘5的侧壁与通孔或盲孔表面接触，达到即使转盘5受力较大，也能够将转盘5限定于无人机上特定位置的效果。
实施例4：
本实施例在以上实施例1或2提供的任意一个技术方案的基础上作进一步限定，由于垂直动力单元2在工作工程中，其螺旋桨的转动阻力矩是必然存在的，为使得所述转动阻力局能够运用于无人机的飞行姿态调整，各个垂直动力单元2上螺旋桨桨叶的倾斜方向，需满足在各个螺旋桨在工作时，各个螺旋桨的水平分力产生的偏航力矩方向与该螺旋桨所产生的转动阻力矩方向一致。以上结构形式中，便于实现螺旋桨转速增加时，水平分力增加的偏航力矩和螺旋桨转动阻力矩增加的偏航力矩方向相同，使得改变偏航力矩的能力达到最大。
实施例5：
本实施例结合实施例4，给出了一种具体的实现方式：如图1，垂直动力单元2的安装倾角沿无人机的左右方向内倾，倾角5度，即左前螺旋桨水平方向分力向右，转动方向在俯视方向为逆时针，右前螺旋桨水平方向分力向左，转动方向在俯视方向为顺时针，左后螺旋桨水平方向分力向右，转动方向在俯视方向为顺时针，右后螺旋桨水平方向分力向左，转动方向在俯视方向为逆时针。由此，当左前电机增加转速时，螺旋桨拉力水平分量增加了俯视方向的顺时针偏航力矩，而螺旋桨转动阻力矩增加了俯视方向的顺时针偏航力矩，实现了偏航力矩改变的一致性，同时也增加了偏航控制能力，其它螺旋桨也具有类似的效果。
本案中，若视为视口位于左前螺旋桨上桨叶的自由端，视线朝向向该桨叶的连接端，桨叶的下方相对于视线方向上向右倾斜；其他螺旋桨上桨叶的倾斜方向以此类推。
实施例6：
本实施例结合实施例4，给出了一种具体的实现方式：如图1，垂直动力单元2的安装倾角沿前后方向外倾，倾角15度，则左前螺旋桨拉力的水平分力向前，转动方向在俯视方向为逆时针，右前螺旋桨拉力的水平分力向前，转动方向在俯视方向为顺时针，左后螺旋桨水平方向分力向后，转动方向在俯视方向为顺时针，右后螺旋桨水平方向分力向后，转动方向在俯视方向为逆时针。由此，当右后电机增加转速时，螺旋桨拉力水平分量增加了俯视方向的顺时针偏航力矩，而螺旋桨转动阻力矩增加了俯视方向的顺时针偏航力矩，实现了偏航力矩改变的一致性，同时也增加了偏航控制能力，其它螺旋桨也具有类似的效果。
本案中，若视为视口位于左前螺旋桨上桨叶的自由端，视线朝向向该桨叶的连接端，桨叶的下方相对于视线方向上向右倾斜；其他螺旋桨上桨叶的倾斜方向以此类推。
实施例7：
本实施例结合以上任意一个实施例，给出了一个可获得最大水平分力偏航力臂的具体实现方案：各个螺旋桨所产生的水平分力方向均与该螺旋桨与无人机重心连线垂直。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种复合翼无人机，包括飞行器主体（1）和固定于飞行器主体（1）上的多个垂直动力单元（2）；
所述垂直动力单元（2）包括螺旋桨、驱动螺旋桨转动的电机、控制电机转速的电子调速器，所述垂直动力单元（2）环绕飞行器的重心布置；
所述垂直动力单元（2）的螺旋桨转轴均倾斜安装，以使螺旋桨所产生的拉力具有垂直分力和水平分力，其特征在于，各个螺旋桨轴线与飞行器重心的连线，均与该螺旋桨所产生的水平分力方向具有夹角，该夹角度数大于零或小于零。
2.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机，其特征在于，所述飞行器主体（1）的外形使得飞行器具有向前速度时，飞行器主体（1）能够产生部分或全部抵消无人机重力的升力。
3.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机，其特征在于，所述飞行器主体（1）呈面对称形状，还包括两根分别固定于飞行器主体（1）上的支撑杆（3），所述支撑杆（3）的长度方向均沿着无人机的弦长方向，两根支撑杆（3）相对于飞行器主体（1）的中心面对称，所述垂直动力单元（2）为四个，每根支撑杆（3）的端部均固定有一个垂直动力单元（2）。
4.根据权利要求3所述的一种复合翼无人机，其特征在于，处于无人机左前方和右前方的两个垂直动力单元（2）的螺旋桨轴线的倾角大小和倾斜方向相对于无人机的中心面对称；处于无人机左后方和右后方的两个垂直动力单元（2）的螺旋桨轴线的倾角大小和倾斜方向相对于无人机的中心面对称。
5.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机，其特征在于，所述垂直动力单元（2）的螺旋桨为变桨距螺旋桨。
6.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机，其特征在于，所述飞行器主体（1）上还设置有尾翼，所述尾翼上设置有气动舵面。
7.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机，其特征在于，还包括固定于无人机上的平飞螺旋桨。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种复合翼无人机，其特征在于，每个垂直动力单元（2）上均设置有一个倾角调节机构，各个倾角调节机构用于调整对应螺旋桨轴线的倾斜方向的倾角大小。
9.根据权利要求8所述的一种复合翼无人机，其特征在于，所述倾角调节机构包括调节装置（4）、转盘（5），垂直动力单元（2）的下端与转盘（5）的上端面通过铰接球铰接连接，且垂直动力单元（2）的螺旋桨轴线过铰接球的球心，调节装置（4）设置于垂直动力单元（2）与转盘（5）之间用于制动所述铰接球转动，所述转盘（5）可绕自身轴线转动，且转盘（5）的轴线过铰接球的球心。
10.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种复合翼无人机，其特征在于，各个垂直动力单元（2）上螺旋桨桨叶的倾斜方向，需满足在各个螺旋桨在工作时，各个螺旋桨的水平分力产生的偏航力矩方向与该螺旋桨所产生的转动阻力矩方向一致。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN108202865A (zh) * | 2016-12-20 | 2018-06-26 | 李星辉 | 一种遥控飞行器 |
| CN109018340A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-12-18 | 南京航空航天大学 | 一种多栖滚翼飞行器 |
| CN112660371A (zh) * | 2019-10-15 | 2021-04-16 | 上海峰飞航空科技有限公司 | 垂直起降无人机的飞行控制系统及方法 |
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2016
- 2016-01-29 CN CN201620090835.5U patent/CN205311908U/zh active Active
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Room 801-805, 8th floor, Building A, No. 200, Tianfu Wujie, Chengdu High-tech Zone, Sichuan Province, 610000 Patentee after: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 610000 No. 1, Tianfu Road, Chengdu hi tech Zone, Sichuan, China Patentee before: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20200313 Granted publication date: 20160615 Pledgee: Chengdu SME financing Company Limited by Guarantee Pledgor: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2018510000058 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 7 / F, area a, building 6, No. 200, Tianfu 5th Street, high tech Zone, Chengdu, Sichuan 610000 Patentee after: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Room 801-805, 8th floor, Building A, No. 200, Tianfu Wujie, Chengdu High-tech Zone, Sichuan Province, 610000 Patentee before: CHENGDU JOUAV AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| CP03 | Change of name, title or address |