CN220809832U - 一种可垂直起降的飞翼式无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可垂直起降的飞翼式无人机，涉及无人机技术领域。为了简化机械结构，减小死重、降低飞行阻力，本实用新型设计了一种可垂直起降的飞翼式无人机，其结构特点主要集中于，包括飞翼式机体、平飞动力组件、三旋翼组件和机体缓冲组件。通过三旋翼组件使无人机具备垂直起降能力，对场地要求低；又可以通过平飞动力组件以固定翼的形式高速巡航；在飞行过程中三旋翼组件也可以同时提供升力，从而增加无人机载重能力；机体缓冲组件可在意外坠机的情况下弹出气囊，对机体进行最大程度的保护，降低损失。

Description

一种可垂直起降的飞翼式无人机

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种可垂直起降的飞翼式无人机。

背景技术

随着无人机技术的发展和低空经济的兴起，无人机被广泛应用于轻小件快速物流、城市巡查、交通监测等城市低空场景。特别是具有垂直起降功能的无人机， 对于起降场地要求较低，适合用于城市场景。按无人机动力构型分类，主要分为多旋翼无人机、固定翼无人机、倾转旋翼无人机以及垂直起降固定翼无人机。

多旋翼无人机虽然能够进行垂直起降，但是其气动阻力大，飞行速度慢，续航时间短，限制了使用范围；固定翼无人机需要足够长度的跑道进行滑跑起飞或着陆，无法适用于建筑物密集的城市场景；倾转旋翼无人机具有垂直起降能力并在巡航过程中进行高速平飞，但是其机械结构复杂，死重占比高，还需要完成从旋翼构型到固定翼构型的模态转换，飞行控制难度高。

公开号为CN110104163A的专利公开了一种可垂起飞翼式无人机，无人机包括机翼、前螺旋桨和副翼，副翼设置在无人机的后部，机翼左右两段翼部分别包括机翼外段、机翼中段和机翼后段。

但是，该实用新型的机械结构复杂，还需要完成模态转换，飞行控制难度高。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型解决其技术问题所采用的技术思路为：

采用飞翼式布局方案，机身和机翼融为一个整体；通过三旋翼与单螺旋桨固定翼相结合的动力方案，实现垂直起降以及平飞巡航；在机身添加机体缓冲组件，意外坠机情况下降低损失。

具体方案如下：

一种可垂直起降的飞翼式无人机，包括机体、平飞动力组件、三旋翼组件和机体缓冲组件；所述三旋翼组件包括机体旋翼单元和尾部旋翼单元，所述尾部旋翼单元布设在所述机体中心线后缘，所述机体上部中心线两侧对称设置有所述机体旋翼单元；所述机体中心线前缘连接有平飞动力组件；所述机体缓冲组件布设在所述机体的底部。

进一步地，所述机体包括副翼和尾粱；所述尾粱布设在所述机体中心线后缘；所述机体尾部中心线的左右两侧对称连接有所述副翼。

通过上述方案，进一步地，所述平飞动力组件包括主电机和主桨叶；所述主电机的一端布设在所述机体中心线前缘，另一端连接有所述主桨叶。

为了实现上述方案，进一步的优选方案为，所述机体旋翼单元包括涵道、涵道支架、机翼电机和机翼桨叶；所述机体上部中心线两侧对称设置有所述涵道；所述机翼电机通过所述涵道支架连接在所述涵道底部中央；所述机翼桨叶与所述机翼电机的顶部相连接。

另一优选方案为，所述尾部旋翼单元包括尾部电机、尾桨和单轴舵机；所述单轴舵机布设在所述机体中心线后缘，且设于所述尾粱的上部；所述尾部电机布设在所述单轴舵机的上部；所述尾桨与所述尾部电机的顶部相连接。

通过上述方案，进一步的优选方案为，所述机体旋翼单元与所述尾部旋翼单元呈“Y”字型，三个旋翼互为120°夹角。

为了实现上述方案，另一优选方案为，所述机体缓冲组件包括第一缓冲器和第二缓冲器；所述第一缓冲器与所述机体的底部连接；所述第二缓冲器与所述第一缓冲器的底部连接。

进一步地，所述第一缓冲器包括储气腔、压缩板、传输管和储囊腔；所述储气腔的侧面与所述储囊腔的侧面相贴，且顶侧与所述机体的底部连接；所述传输管的一端连接所述储气腔，另一端贯穿所述储囊腔；所述储气腔内置有所述压缩板，用于将所述储气腔内部气体挤压进所述传输管。

为了实现上述方案，进一步的优选方案为，所述储囊腔内置有气囊，所述传输管与所述气囊连接，所述气囊用于保护所述机体。

另一优选方案为，所述第二缓冲器包括缓冲板和弹性件；所述储气腔和所述储囊腔的底部均连接所述弹性件的上端，所述弹性件的下端与所述缓冲板的顶侧连接。

通过上述方案，进一步地，固定件的一端连接在所述压缩板的底侧，另一端连接在所述缓冲板的顶侧，所述缓冲板通过所述固定件带动所述压缩板挤压气体。

通过采用上述技术方案，本实用新型具有以下的技术效果：

采用三旋翼以及单螺旋桨固定翼的动力方案，可实现垂直起降的同时进行高速平飞巡航；采用飞翼式布局方案，翼身融合减轻了无人机整体重量，机翼受旋翼下洗流影响相对较小；采用涵道式旋翼设计减小了平飞时的气动阻力并提高了在城市低空飞行的安全性；

通过机翼产生气动升力以及三旋翼组件产生旋翼升力，增加了最大起飞重量，从而具有更强载重能力，另外，当机翼产生足够的气动升力时，三旋翼组件可减功率输出，减少整体能耗；通过三旋翼以及副翼对无人机姿态进行控制，降低了因缺少尾翼对无人机稳定性与操纵性的影响；

从垂直起降进入平飞状态的过程无需倾转组件，通过简化倾转机械结构进一步缩小了死重占比；从垂直起降进入平飞状态，不存在模态转换过程，无人机姿态没有发生改变，控制难度低；机体缓冲组件可在意外坠机的情况下弹出气囊，对机体进行最大程度的保护，降低损失。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所使用的附图作简单介绍。

图1是本实用新型的整体图；

图2是机体的透视图；

图3是本实用新型的透视图；

图4是本实用新型的俯视图；

图5是本实用新型的侧视图；

图6是图5的局部放大图；

图7是第一缓冲器的透视图；

图标：1、机体；2、副翼；3、尾粱；4、涵道；5、涵道支架；6、主电机；7、主桨叶；8、机翼电机；9、机翼桨叶；10、尾部电机；11、尾桨；12、电机架；13、单轴舵机；14、舵机座；15、缓冲板；16、弹性件；17、固定件；18、压缩板；19、储气腔；20、传输管；21、储囊腔；22、气囊。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图1-图7，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。

实施例一：

发明人研究发现，多旋翼无人机虽然能够进行垂直起降，但是其气动阻力大，飞行速度慢，续航时间短，限制了使用范围；固定翼无人机需要足够长度的跑道进行滑跑起飞或着陆，无法适用于建筑物密集的城市场景；倾转旋翼无人机具有垂直起降能力并在巡航过程中进行高速平飞，但是其机械结构复杂，死重占比高，还需要完成从旋翼构型到固定翼构型的模态转换，飞行控制难度高；本申请提供一种简化机械结构，减小死重、降低飞行阻力的一种可垂直起降的飞翼式无人机。

参照图1-图7所示，包括机体1、平飞动力组件和三旋翼组件；机体包括副翼2和尾粱3；平飞动力组件包括主电机6和主桨叶7；三旋翼组件包括机体旋翼单元和尾部旋翼单元；机体旋翼单元包括涵道4、涵道支架5、机翼电机8和机翼桨叶9；尾部旋翼单元包括尾部电机10、尾桨11、电机架12、单轴舵机13和舵机座14；

上述技术方案中，机体1呈流线型三角状，采用飞翼式布局方案，机身和机翼融为一个整体，翼身融合减轻了无人机整体重量，机翼受旋翼下洗流影响相对较小；尾粱3焊接或卡接在机体中心线后缘；副翼2呈长方形，厚度与机翼后缘一致，可上下偏转，沿机体纵向铰接在机体尾部中心线的左右两侧；

进一步地，机体中心线前缘焊接或卡接有主电机6，主电机的输出端焊接或卡接有至少两片主桨叶7；

具体地，机体上部中心线两侧对称设置有贯穿的圆槽用来构成涵道4；涵道底部中央设置有机翼电机8；机翼电机的输出端焊接或卡接有至少两片机翼桨叶9，机翼桨叶的直径略小于涵道的直径，防止旋转过程中产生干涉；机翼电机通过涵道支架与涵道连接，涵道支架的一端与涵道纵向内壁连接，另一端与机翼电机连接，涵道支架呈品字排列；采用涵道式旋翼设计减小了平飞时的气动阻力并提高了在城市低空飞行的安全性。

需要说明的是，舵机座焊接或卡接在尾粱的上部；单轴舵机安装在舵机座上； 舵机座与电机架焊接或卡接；尾部电机安装在电机架上，尾部电机的输出端连接有至少两片尾桨 11，尾部电机驱动尾桨 11 旋转，通过单轴舵机 13 动作使得尾部电机 10 绕尾粱 3左右倾转以此平衡机体旋翼单元形成的力矩并实现无人机偏航运动；

值得注意的是，对于三旋翼组件，两个机体旋翼单元与尾部旋翼单元呈 “Y” 字型，三个旋翼互为 120°夹角，共同构成了三旋翼结构；通过机翼产生气动升力以及三旋翼组件产生旋翼升力，增加了最大起飞重量，从而具有更强载重能力，另外，当机翼产生足够的气动升力时，三旋翼组件可减功率输出，减少整体能耗。

平飞动力组件可通过调节电机转速产生不同大小向前的拉力，使得无人机在平飞过程中加减速同时改变空气通过翼面的流速以此产生不同大小的气动升力。 当无人机处于稳定平飞时，三旋翼组件的旋翼升力与机翼的气动升力合力等于重力，平飞动力组件产生的拉力与气动阻力平衡。

对于三旋翼组件可通过调节电机转速改变每个旋翼所提供的升力和产生的力矩，通过控制三旋翼组件的旋翼升力和力矩大小从而可以使得无人机能够完成垂直起降、悬停、姿态调节的功能。

具体而言，左边机体旋翼单元的机翼桨叶 9 顺时针旋转，右边机体旋翼单元的机翼桨叶 9 逆时针旋转，尾部旋翼单元的尾桨 11 也为逆时针旋转，三旋翼无人机在空中悬停时，满足左右两边机翼桨叶 9 转速相同，由于两个旋翼的旋转方向相反，所以可以相互抵消反扭力矩，对于尾桨 11 通过单轴舵机 13 使其向左偏转一定角度，其桨叶拉力会在机体 1 横轴上产生拉力分量，拉力分量在机体上产生的力矩大小等于尾桨 11 自身产生的力矩且方向相反， 因此机体 1 不产生偏航运动。

尤为重要的是，无人机采用三旋翼以及单螺旋桨固定翼的动力方案，可实现垂直起降的同时进行高速平飞巡航，并具有死重小，没有模态转换过程，控制难度低，稳定性好的特点。

实施例二：

与实施例一不同的是，还包括机体缓冲组件，可在意外坠机的情况下弹出气囊，对机体进行最大程度的保护，降低损失；机体缓冲组件布设在机体的底部；

优化地，机体缓冲组件包括第一缓冲器和第二缓冲器；第一缓冲器包括储气腔19、压缩板18、固定件17、传输管20、储囊腔21和气囊22；第二缓冲器包括缓冲板15和弹性件16；

具体地，储气腔19与储囊腔21为中空长方状，储气腔19与储囊腔21的侧面相贴合，储气腔19与储囊腔21的顶面与机体的底部焊接或卡接；储囊腔内置有气囊；储囊腔的两个侧面开设有凹槽，以方便气囊弹出；传输管水平放置，一端连接气囊，另一端连接储气腔；储气腔内置有压缩板，压缩板可以挤压储气腔内的气体进入传输管而后对气囊充气。

进一步地，压缩板的底部竖直焊接或卡接有固定件的一端，固定件可为圆柱状或长方状，储气腔底部开设有与固定件相匹配的通槽，方便固定件贯穿；固定件的另一端焊接或卡接有缓冲板的上部；缓冲板的上部与储囊腔和储气腔的底部之间通过竖直放置的弹性件连接，弹性件可为弹簧。

无人机的运动控制：

（1）垂直起降：平飞动力组件不工作，三旋翼组件按照上面提到的方式工作， 机体合力矩为零，当三旋翼组件产生的旋翼升力等于机体重力时，无人机处于悬停状态；当增大电机转速同时调整单轴舵机 13 偏转角度，旋翼产生的升力大于机体重力，可使无人机垂直上升；同理，降低电机转速，使旋翼产生的升力小于机身重力，飞行器则会垂直下降。在垂直升降中通过实时调整单轴舵机 13 的角度，可实现机身合力矩始终为零，防止机体出现自转。

（2）定高平飞：无人机上升到预设高度后，平飞动力组件开始工作，此时主桨叶 7产生向前的拉力驱动无人机向前飞行，随着飞行速度增加，机翼表面的气流速度变快从而获得足够的气动升力。此时三旋翼组件主要对无人机进行姿态稳定以及补偿机翼气动升力， 当气动升力与旋翼升力的合力大于无人机重力时， 三旋翼组件可以减功率输出，保持高度平飞并降低无人机总体能耗。

（3）姿态调节：对于俯仰运动可通过机体的左右副翼 2 同时上偏（下偏） 并配合尾部电机 10 转速减小（增加） 产生绕机体横轴转动的抬头（低头） 力矩， 从而增加无人机仰角（俯角）；对于横滚运动可通过机体左右副翼 2 朝不同方向偏转配合左右机翼电机8 转速的增减制造差速从而产生绕机体纵轴转动的力矩，使得无人机产生坡度；对于偏航运动可通过单轴舵机 13 偏转角度产生绕机体纵轴转动的力矩，从而改变无人机航向。

另外，可通过调整尾部旋翼单元的单轴舵机 13 偏转角度以及尾部电机 10 的转速大小来增强飞行稳定性，从而克服传统无尾翼设计所带来的弊端。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可垂直起降的飞翼式无人机，包括机体（1）；其特征在于，

还包括三旋翼组件和机体缓冲组件；

所述三旋翼组件包括机体旋翼单元和尾部旋翼单元，所述尾部旋翼单元布设在所述机体（1）中心线后缘，所述机体（1）上部中心线两侧对称设置有所述机体旋翼单元；

两个所述机体旋翼单元与所述尾部旋翼单元呈“Y”字型；

所述机体缓冲组件布设在所述机体（1）的底部。

2.根据权利要求1所述的一种可垂直起降的飞翼式无人机，其特征在于，所述机体缓冲组件包括第一缓冲器和第二缓冲器；

所述第一缓冲器与所述机体（1）的底部连接；

所述第二缓冲器与所述第一缓冲器的底部连接。

3.根据权利要求2所述的一种可垂直起降的飞翼式无人机，其特征在于，所述第一缓冲器包括储气腔（19）、压缩板（18）、传输管（20）和储囊腔（21）；

所述储气腔（19）的侧面与所述储囊腔（21）的侧面相贴，且顶侧与所述机体（1）的底部连接；

所述传输管（20）的一端连接所述储气腔（19），另一端贯穿所述储囊腔（21）；

所述储气腔（19）内置有所述压缩板（18），用于将所述储气腔（19）内部气体挤压进所述传输管（20）。

4.根据权利要求3所述的一种可垂直起降的飞翼式无人机，其特征在于，所述储囊腔（21）内置有气囊（22），所述传输管（20）与所述气囊（22）连接，所述气囊（22）用于保护所述机体（1）。

5.根据权利要求4所述的一种可垂直起降的飞翼式无人机，其特征在于，所述第二缓冲器包括缓冲板（15）和弹性件（16）；

所述储气腔（19）和所述储囊腔（21）的底部均连接所述弹性件（16）的上端，所述弹性件（16）的下端与所述缓冲板（15）的顶侧连接。

6.根据权利要求5所述的一种可垂直起降的飞翼式无人机，其特征在于，固定件（17）的一端连接在所述压缩板（18）的底侧，另一端连接在所述缓冲板（15）的顶侧，所述缓冲板（15）通过所述固定件（17）带动所述压缩板（18）挤压气体。