CN208264559U - 倾转四旋翼变形飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种倾转四旋翼变形飞行器，包括机身，所述机身的前后端的左右两侧均设有一机臂，每一机臂的外端部均设有一电动螺旋桨组件，所述电动螺旋桨组件包括倾转机构和螺旋桨系统，所述螺旋桨系统安装在倾转机构上，螺旋桨系统能够在倾转机构的带动下整体发生倾转；所述机身上还设有折叠机翼。本实用新型通过带倾转机构的螺旋桨系统，实现了垂直起降和快速前飞的功能；通过设计折叠机翼实现起落架和机翼的结构复用，实现轻量化设计并能成倍的增加航时。

Description

倾转四旋翼变形飞行器

技术领域

本实用新型涉及垂直起降飞机技术领域，特别是涉及一种可变机翼结构的倾转四旋翼飞行器。

背景技术

四旋翼飞行器(Quadrotor Drone)由于具备体积小、质量轻、结构简单、便于控制、成本低等特点，近年来在军事领域和民用领域都得到了广泛应用，例如反恐防暴、森林探测、环境监测、电力巡线、无人集群等，诞生了以大疆为代表的一系列成熟产品。

但是不可否认，四旋翼飞行器依靠调节4个电机的转速完成6自由度运动，是一个典型的欠驱动系统，特别是在前飞过程中，灵活性有限，巡航速度和机载侦察效果受到很大影响和限制。近年来，针对四旋翼飞行器的这些问题，具备可倾转电机的四旋翼飞行器，即倾转四旋翼受到了越来越多的关注。

对于倾转四旋翼该机型的研究，设计思路十分广泛，主要的研发思路是有两种：

一种是以固定翼飞行器机身为倾转四旋翼飞行器主体，在机身主体基础上安装四旋翼动力装置，通过倾转机构设计完成四个电机的同步倾转，实现模态转换过程。

另一种思路是以传统四旋翼飞行器为四旋翼飞行器机体，将机身打造成具有固定翼翼型的构型，或者直接在机架上安装机翼，增加飞行器在前飞时的空气动力。

上述中，无论是哪种方法，都存在的问题是倾转过程的实现都是依靠倾转机构同步倾转的，这样简化了倾转过程的复杂性，但设计思路过于简单，只有助于提高其前飞性能，对其他运动的机动性提升效果不明显。

另外，四旋翼无人机需要通过旋翼一直提供升力来抵消整个无人机的重力，使得旋翼无人机的航时受限。通过将旋翼无人机和固定翼无人机结合，可以实现灵活起降和长时间巡航，比如复合翼无人机和倾转动力无人机。但是这些无人机存在一定的死重，以固定翼为主体的设计则不可避免的使得整体体积偏大，且限制了其灵活性。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种倾转四旋翼变形飞行器，其具有可变机翼结构。该飞行器通过倾转所有的动力系统，实现了垂直起降和快速前飞的功能；通过起落架和机翼的结构复用，实现轻量化设计并成倍的增加航时。

为实现上述技术目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种倾转四旋翼变形飞行器，包括机身，所述机身的前后端的左右两侧均设有一机臂，每一机臂的外端部均设有一电动螺旋桨组件，所述机身上还设有折叠机翼。

进一步地，本实用新型中的电动螺旋桨组件包括倾转机构和螺旋桨系统，所述螺旋桨系统安装在倾转机构上，螺旋桨系统能够在倾转机构的带动下整体发生倾转。所述螺旋桨系统包括螺旋桨、螺旋桨驱动电机以及电机安装座，所述螺旋桨驱动电机安装在电机安装座上，所述螺旋桨与螺旋桨驱动电机的输出机构(如螺旋桨驱动电机的输出轴)连接，螺旋桨由螺旋桨驱动电机驱动旋转。

所述倾转机构包括舵机、传动机构，所述舵机作为倾转机构的动力，舵机的动力输出机构(如舵机的输出轴)连接传动机构，传动机构与螺旋桨系统中的电机安装座连接，舵机驱动传动机构，传动机构带动电机安装座，进而使安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体同步发生倾转。通过对舵机工作状态的控制(即控制舵机输出轴的旋转角度)，能够实现对螺旋桨倾转角度的控制。当螺旋桨调整到设定的倾转角度后，舵机通电自锁，传动机构保持静止，使得螺旋桨固定在该倾转角度工作。

进一步地，所述传动机构包括摇臂和拉杆，所述舵机的输出轴连接在摇臂的中间位置，摇臂的两端分别连接有一拉杆，拉杆的另一端均固定连接在电机安装座上。舵机工作，舵机的输出轴带动摇臂旋转一定角度，摇臂将带动拉杆，拉杆带动电机安装座，进而使安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体同步发生倾转。

进一步的，本实用新型中的四个倾转机构可以是同步控制也可以分开独立控制，即四个倾转机构的四个舵机可以是统一同步控制也可以分开独立控制的。因此可以通过控制四个舵机的工作状态，进而控制四个螺旋桨的倾转角度，进而控制和调整飞行器的飞行姿态。

具体地，当飞行器在垂直起降阶段时，各倾转机构支撑螺旋桨系统使螺旋桨系统垂直向上(如图6所示)，各螺旋桨由螺旋桨驱动电机驱动旋转，产生向上的拉升力。当飞行器由垂直起降切换至前飞状态的过程中，倾转机构中的舵机通过摇臂、拉杆带动电机安装座，进而使安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体向前方倾转，产生向前的分速度；当飞行器已经完全切换到前飞状态时，舵机已经带动安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体转动到设定倾转角度(如图7所示)，舵机通电自锁，传动机构保持静止，使得螺旋桨固定在该倾转角度工作，整个飞行器向前飞行。

进一步地，本实用新型中的折叠机翼设置在机身中部，折叠机翼在飞行器垂直起降阶段用作起落架，折叠机翼在飞行器前飞状态下用作机翼，产生空气动力以增大飞行升力。

所述折叠机翼包括固定段机翼和两折叠段机翼，固定段机翼设置在两折叠段机翼的中间，所述固定段机翼的两端分别通过折叠机构连接有一折叠段机翼。飞行器在垂直起降阶段，折叠段机翼在折叠机构的作用下垂直向下折叠，能够充当起落架。飞行器在向前飞行阶段，折叠段机翼在折叠机构的作用下与固定段机翼保持水平，整个折叠机翼向两端水平伸展，即固定段机翼和其两端的折叠段机翼形成完整的水平翼型，随着飞行器向前飞行的同时产生空气动力以增大飞行升力。折叠机翼在飞行器前飞时，保持整体的水平翼型，能够提供空气升力，折叠机翼承当大部分飞行所需升力，大大降低旋翼用于升力的能量消耗，从而成倍的增加航时。本实用新型折叠机翼其结构设计的最大亮点就是可变形的机翼。在垂直起降阶段，折叠段机翼折叠向下，可以作为起落架使用，通过结构复用，达到结构的优化。

进一步地，本实用新型中的折叠机构包括合页、折叠舵机(折叠仅用于将该舵机与前面中倾转机构中的舵机区分开来)、传动机构、舵角，所述固定段机翼与折叠段机翼之间通过合页活动连接，所述固定段机翼上装有折叠舵机，折叠机翼上装有舵角，折叠舵机与舵角之间通过传动机构连接，所述折叠舵机工作，折叠舵机驱动传动机构，传动机构通过舵角带动折叠段机翼围绕合页运动至垂直向下折叠状态或者水平伸展状态。进一步地，所述传动机构为摇臂和拉杆，折叠舵机的输出轴连接摇臂的一端，摇臂的另一端连接拉杆的一端，拉杆的另一端与舵角连接。折叠舵机的输出轴旋转带动摇臂旋转，进而通过拉杆带动折叠段机翼实现垂直向下折叠或者水平伸展。

本实用新型中的折叠机翼是以固定段机翼的中心线左右对称的，固定段机翼固定在机身上也呈左右对称。

为了最大限度地使用发挥倾转四旋翼变形飞行器的飞行性能，为其选择并设计合适的飞行控制系统显得至关重要。本实用新型选用目前开发最为成熟的商用飞控——Pixhawk，作为其飞控系统的下位机，完成底层的飞行控制；另一方面，为了进一步拓展本实用新型的应用场景，选用ODROID-XU4开发板作为上位机，适合于在飞行控制成熟后，在上位机系统中完成复杂的图像处理、目标识别、任务规划等复杂任务。

本实用新型电动螺旋桨组件包括倾转机构和螺旋桨系统，在垂直起降阶段，倾转机构保持旋翼面朝上，提供垂直的升力，实现快速起降，便于迅速展开和回收；在平飞阶段，可以利用旋翼直接提供矢量动力，帮助无人机快速飞行，而升力方面只需要借助速度和翼形提供，就足够抵消动力。

本实用新型折叠机翼的设计：由于只有采用升力翼面才能大大利用速度提供升力，降低普通旋翼式飞行器因为抵消重力而付出的额外能量消耗，但同时也会带来额外的空间占用。为此本实用新型设计了折叠机翼，利用可折叠的机翼结构，就能够提高空间的利用率，另一方面将起落架与折叠机翼结构复用，还达到了减重效果。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

该实用新型通过带倾转机构的螺旋桨系统，实现了垂直起降和快速前飞的功能；通过设计折叠机翼实现起落架和机翼的结构复用，实现轻量化设计并成倍的增加航时。该实用新型相当于在常规四旋翼飞行器的基础上增加了4个倾转机构和一折叠机翼，大大增加了操作面的数量，具有足够的自由度和操作面来完成复杂的动作。该飞行器能够实现两个个飞行模态：

垂直起降模态：在垂直起降模态，4个螺旋桨的驱动电机垂直向上，飞行原理和传统四旋翼一致，整个飞行器通过旋翼提供升力，通过旋翼差速实现俯仰、滚转和偏航运动。与此同时，折叠段机翼垂直向下，起到起落架的作用；

前飞模态：在飞行器达到预定高度之后，四个螺旋桨的驱动电机在倾转机构的牵引下，同时向前倾转一定角度。与此同时，折叠段机翼水平伸展与固定段机翼形成完整的水平翼型，飞行原理与固定翼无人机一致，向前快速飞行。

该实用新型专利适用范围广阔，市场前景良好。在运输和布署时，可以利用集装箱进行集中密集式布署，在需要时大量散布。在军事上的利用，依据其特点而言，在军事领域小型无人机集群可以用于拦截目标、侦察环境、定点清除、保护目标；在民用领域，无人机集群可以实现保障安保、应急救援、农业生产、基础建设等；此外单个无人机还可以用于小型物品物流，甚至是战场上单兵爆破工具。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2是折叠机翼旋翼状态示意图

图3是图2的局部放大图

图4是折叠机翼前飞状态示意图

图5是图4的局部放大图

图6是倾转机构旋翼状态示意图

图7是倾转机构前飞状态示意图

图中：

1、机身；2、机臂；3、电动螺旋桨组件；4、折叠机翼；

301、螺旋桨；302、螺旋桨驱动电机；303、电机安装座；304、倾转舵机；305、倾转摇臂；306、倾转拉杆；

401、固定段机翼；402、折叠段机翼；403、合页；404、折叠舵机；405、舵角；406、折叠摇臂；407、折叠拉杆。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1至图7，本实用新型提供一种倾转四旋翼变形飞行器，包括机身1，所述机身1的前后端的左右两侧均设有一机臂2，每一机臂2的外端部均设有一电动螺旋桨组件3。所述机身1上还设有折叠机翼4。

进一步地，本实用新型中的电动螺旋桨组件3包括倾转机构和螺旋桨系统，所述螺旋桨系统安装在倾转机构上，螺旋桨系统能够在倾转机构的带动下整体发生倾转。所述螺旋桨系统包括螺旋桨301、螺旋桨驱动电机302以及电机安装座303，所述螺旋桨驱动电机302安装在电机安装座303上，所述螺旋桨301与螺旋桨驱动电机302的输出机构(如螺旋桨驱动电机的输出轴)连接，螺旋桨301由螺旋桨驱动电机302驱动旋转。

所述倾转机构包括倾转舵机304(倾转仅用于将该舵机与后面中折叠机翼中的舵机区分开来)、倾转传动机构(倾转仅用于将该舵机与后面中折叠机翼中的传动机构区分开来)，所述舵机作为倾转机构的动力，倾转舵机304的输出轴连接倾转传动机构，倾转传动机构与螺旋桨系统中的电机安装座303连接，倾转舵机304驱动倾转传动机构，倾转传动机构带动电机安装座303，进而使安装在电机安装座303上的螺旋桨驱动电机302以及螺旋桨301整体同步发生倾转。通过对舵机工作状态的控制(即控制舵机输出轴的旋转角度)，能够实现对螺旋桨倾转角度的控制。

进一步地，所述传动机构包括倾转摇臂305和倾转拉杆306，所述倾转舵机304的输出轴连接在倾转摇臂305的中间位置，倾转摇臂305的两端分别连接有一倾转拉杆306，倾转拉杆306的另一端均固定连接在电机安装座303上。倾转舵机304工作，倾转舵机304的输出轴带动倾转摇臂305旋转一定角度，倾转摇臂305将带动倾转拉杆306，倾转拉杆306带动电机安装座303，进而使安装在电机安装座303上的螺旋桨驱动电机302以及螺旋桨301整体同步发生倾转。

通过对舵机工作状态的控制(即控制舵机输出轴的旋转角度)，能够实现对螺旋桨倾转角度的控制，进而控制和调整飞行器的飞行姿态。当螺旋桨调整到设定的倾转角度后，舵机通电自锁，传动机构保持静止，使得螺旋桨固定在该倾转角度工作。

当飞行器在垂直起降阶段时，各倾转机构支撑螺旋桨系统使螺旋桨系统垂直向上(如图6所示)，各螺旋桨由螺旋桨驱动电机驱动旋转，产生向上的拉升力。当飞行器由垂直起降切换至前飞状态的过程中，倾转机构中的舵机通过摇臂、拉杆带动电机安装座，进而使安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体向前方倾转，产生向前的分速度；当飞行器已经完全切换到前飞状态时，舵机已经带动安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体转动到设定角度(如图7所示)，整个飞行器向前飞行。

本实用新型中的折叠机翼4设置在机身中部，折叠机翼4在飞行器垂直起降阶段用作起落架，折叠机翼4在飞行器前飞状态下用作机翼，产生空气动力以增大飞行升力。

所述折叠机翼4包括固定段机翼401和两折叠段机翼402，固定段机翼401设置在两折叠段机翼402的中间，所述固定段机翼401的两端分别通过折叠机构连接有一折叠段机翼402。飞行器在垂直起降阶段，折叠段机翼在折叠机构的作用下垂直向下折叠，能够充当起落架。飞行器在向前飞行阶段，折叠段机翼在折叠机构的作用下与固定段机翼保持水平，整个折叠机翼向两端水平伸展，即固定段机翼和其两端的折叠段机翼形成完整的水平翼型，随着飞行器向前飞行的同时产生空气动力以增大飞行升力。折叠机翼在飞行器前飞时，保持整体的水平翼型，能够提供空气升力，折叠机翼承当大部分飞行所需升力，大大降低旋翼用于升力的能量消耗，从而成倍的增加航时。本实用新型折叠机翼其结构设计的最大亮点就是可变形的机翼。在垂直起降阶段，折叠段机翼折叠向下，可以作为起落架使用，通过结构复用，达到结构的优化。

折叠机构包括合页403、折叠舵机404(折叠仅用于将该舵机与前面中倾转机构中的舵机区分开来)、折叠传动机构、舵角405，所述固定段机翼401与折叠段机翼402之间通过合页403活动连接，所述固定段机翼401上装有折叠舵机404，折叠机翼402上装有舵角405，折叠舵机404与舵角405之间通过折叠传动机构连接。所述折叠舵机404工作，折叠舵机404驱动折叠传动机构，折叠传动机构通过舵角405带动折叠段机翼402围绕合页403运动至垂直向下折叠状态或者水平伸展状态。所述折叠传动机构包括折叠摇臂406和折叠拉杆407，折叠舵机404的输出轴连接折叠摇臂406的一端，折叠摇臂406的另一端连接折叠拉杆407的一端，折叠拉杆407的另一端与舵角405连接。折叠舵机404的输出轴旋转带动折叠摇臂406旋转，进而通过折叠拉杆407带动折叠段机翼402实现垂直向下折叠或者水平伸展。

本实用新型中的折叠机翼4是以固定段机翼402的中心线左右对称的，固定段机翼402固定在机身1上也呈左右对称。

综上所述，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种倾转四旋翼变形飞行器，包括机身，所述机身的前后端的左右两侧均设有一机臂，每一机臂的外端部均设有一电动螺旋桨组件，其特征在于：所述电动螺旋桨组件包括倾转机构和螺旋桨系统，所述螺旋桨系统安装在倾转机构上，螺旋桨系统能够在倾转机构的带动下整体发生倾转；所述机身上还设有折叠机翼。

2.根据权利要求1所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：所述螺旋桨系统包括螺旋桨、螺旋桨驱动电机以及电机安装座，所述螺旋桨驱动电机安装在电机安装座上，所述螺旋桨与螺旋桨驱动电机的输出机构连接，螺旋桨由螺旋桨驱动电机驱动旋转。

3.根据权利要求1或2所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：所述倾转机构包括舵机和传动机构，所述舵机作为倾转机构的动力，舵机的动力输出机构连接传动机构，传动机构与螺旋桨系统中的电机安装座连接，舵机驱动传动机构，传动机构带动电机安装座，进而使安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体同步发生倾转。

4.根据权利要求3所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：所述传动机构包括摇臂和拉杆，所述舵机的输出轴连接在摇臂的中间位置，摇臂的两端分别连接有一拉杆，拉杆的另一端均固定连接在电机安装座上；

舵机工作，舵机的输出轴带动摇臂旋转一定角度，摇臂将带动拉杆，拉杆带动电机安装座，进而使安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体同步发生倾转。

5.根据权利要求4所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：当飞行器在垂直起降阶段时，各倾转机构支撑螺旋桨系统使螺旋桨系统垂直向上，各螺旋桨由螺旋桨驱动电机驱动旋转，产生向上的拉升力；

当飞行器由垂直起降切换至前飞状态的过程中，倾转机构中的舵机通过摇臂、拉杆带动电机安装座，进而使安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体向前方倾转，产生向前的分速度；

当飞行器已经完全切换到前飞状态时，舵机已经带动安装在电机安装座上的螺旋桨驱动电机以及螺旋桨整体转动到设定倾转角度，舵机通电自锁，传动机构保持静止，使得螺旋桨固定在该倾转角度工作，整个飞行器向前飞行。

6.根据权利要求1所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：所述折叠机翼设置在机身中部，折叠机翼在飞行器垂直起降阶段用作起落架，折叠机翼在飞行器前飞状态下用作机翼，产生空气动力以增大飞行升力。

7.根据权利要求6所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：所述折叠机翼包括固定段机翼和两折叠段机翼，固定段机翼设置在两折叠段机翼的中间，所述固定段机翼的两端分别通过折叠机构连接有一折叠段机翼；

飞行器在垂直起降阶段，折叠段机翼在折叠机构的作用下垂直向下折叠，能够充当起落架；飞行器在向前飞行阶段，折叠段机翼在折叠机构的作用下与固定段机翼保持水平，整个折叠机翼向两端水平伸展，即固定段机翼和其两端的折叠段机翼形成完整的水平翼型，随着飞行器向前飞行的同时产生空气动力以增大飞行升力。

8.根据权利要求7所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：所述折叠机构包括合页、折叠舵机、传动机构、舵角，所述固定段机翼与折叠段机翼之间通过合页活动连接，所述固定段机翼上装有折叠舵机，折叠机翼上装有舵角，折叠舵机与舵角之间通过传动机构连接，所述折叠舵机工作，折叠舵机驱动传动机构，传动机构通过舵角带动折叠段机翼围绕合页运动至垂直向下折叠状态或者水平伸展状态。

9.根据权利要求8所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：所述传动机构为摇臂和拉杆，折叠舵机的输出轴连接摇臂的一端，摇臂的另一端连接拉杆的一端，拉杆的另一端与舵角连接，折叠舵机的输出轴旋转带动摇臂旋转，进而通过拉杆带动折叠段机翼实现垂直向下折叠或者水平伸展。

10.根据权利要求6所述的倾转四旋翼变形飞行器，其特征在于：所述折叠机翼是以固定段机翼的中心线左右对称的，固定段机翼固定在机身上也呈左右对称。