WO2019104796A1 - 一种无人飞行器 - Google Patents

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Abstract

一种无人飞行器，包括：机身(1)、连接机构(2)和至少一个机翼(3)；所述机翼(3)通过所述连接机构(2)转动安装在所述机身(1)上；所述无人飞行器在飞行过程中，在来流空气的作用下，所述机翼(3)自动调节攻角。所述无人飞行器通过在所述机身(1)上转动连接至少一个所述机翼(3)，所述机翼(3)可以在来流空气的作用下自动调节攻角，从而在无人飞行器飞行过程中持续产生稳定的升力，极大的提高了所述机翼的增升效果，其整体结构简单，安装方便，降低了能耗，同时提高了无人飞行器的飞行效率。

Description

一种无人飞行器 技术领域
本公开涉及无人飞行设备技术领域，尤其涉及一种无人飞行器。
背景技术
多旋翼飞行器进行飞行时，特别是高速飞行时，需要较大的角度的低头姿态来稳定飞行速度，效率低且能耗高。多旋翼或其它VTOL(vertical take-off and landing，垂直起降)飞行器提高巡航效率的有效手段之一是增加固定机翼，但固定机翼的可用攻角范围较小，不能满足多旋翼飞行器高速飞行时所需的攻角。若将固定机翼的安装角优化在多旋翼飞行器高速飞行时所需的攻角范围内，虽然高速飞行下可以获得较大效率优势，但当多旋翼飞行器处于低速度巡航时，机翼攻角处于失速状态，不但几乎不产生升力，还会产生巨大的阻力。
发明内容
为了克服现有技术中相关产品的不足，本公开提出一种无人飞行器，以提高无人飞行器的飞行效率。
本公开提供了一种无人飞行器，包括：机身、连接机构和至少一个机翼；
所述机翼通过所述连接机构转动安装在所述机身上；
所述无人飞行器在飞行过程中，在来流空气的作用下，所述机翼自动调节攻角。
其特征在于：机翼相对于机身转动的转动轴线与机翼的后缘之间的距离大于机翼的气动中心与机翼的后缘之间的距离。
在本公开的某些实施方式中，在无人飞行器飞行的过程中，在来流空气的作用下，所述机翼的攻角被稳定在目标攻角。
在本公开的某些实施方式中，所述目标攻角是根据所述机翼的后缘弯度确定。
在本公开的某些实施方式中，当所述机翼的数量为至少两个时，所述至少两个机翼对称地转动安装在所述机身的两侧。
在本公开的某些实施方式中，所述连接机构包括安装轴和安装轴配合部件，所述安装轴配合部件设置在机身上，所述安装轴的一端转动连接在安装轴配合部件上，所述安装轴的另一端与所述机翼固定连接。
在本公开的某些实施方式中，所述安装轴配合部件包括轴承。
在本公开的某些实施方式中，所述安装轴与所述安装轴配合部件之间设置有阻尼材料。
在本公开的某些实施方式中，所述无人飞行器还包括牵引部，用于限制无人飞行器在悬停或者低速飞行时机翼的攻角。
在本公开的某些实施方式中，所述牵引部包括一个或多个弹性部件。
在本公开的某些实施方式中，所述无人飞行器还包括为无人飞行器提供飞行动力的旋翼，其中，所述机翼位于旋翼旋转引起的诱导气流范围之外。
在本公开的某些实施方式中，所述至少一个机翼的总升力中心与无人飞行器的重心位置基本重合。
与现有技术相比，本公开有以下优点：
本公开实施例所述的无人飞行器，在所述机身上通过连接机构转动连接至少一个所述机翼，所述至少一个机翼用于在所述无人飞行器逐渐向前加速时产 生增升效果，由于所述机翼可以在来流空气的作用下自动调节攻角在目标攻角，从而在无人飞行器飞行过程中持续产生稳定的升力，其整体结构简单，安装方便，降低了能耗，同时提高了无人飞行器的飞行效率，相较于现有的旋翼倾转系统，具备更大的成本优势，可以满足个人消费级无人飞行器的消费需求。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开所述无人飞行器的结构示意图；
图2为本公开所述无人飞行器在飞行过程中自动调节机翼攻角的的示意图；
图3为本公开所述机翼的俯仰力矩曲线斜率与升力系数的曲线示意图；
图4为本公开所述无人飞行器的另一结构示意图；
图5为本公开所述无人飞行器的另一结构示意图；
附图标记说明：
1、机身；
2、连接机构；
3、机翼；
4、牵引部；
5、旋翼；
21、安装轴；
22、安装轴配合部件；
23、阻尼材料。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本公开的较佳实施例。本公开可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本公开的公开内容的理解更加透彻全面。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本公开的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参阅图1和图2所示，为本公开实施例所提供的无人飞行器的结构示意图。本实施例中的无人飞行器可以为多旋翼无人飞行器，这里以四旋翼无人飞行器为例进行示意性说明，当然，在其他的实施方式中，所述的无人飞行器也可以 是其他类型的无人飞行器。
所述无人飞行器包括机身1、连接机构2和至少一个机翼3，所述机翼3通过所述连接机构2转动安装在所述机身1上；所述的机翼3用于在所述无人飞行器飞行时提供额外的升力，在本公开实施例中，所述无人飞行器在飞行过程中，在来流空气的作用下，所述机翼3自动调节攻角。在无人飞行器飞行的过程中，在来流空气的作用下，机翼3的攻角可以被调节到可用攻角范围内，为无人飞行器提供升力，提高无人飞行器的飞行效率。
如图3所示，图3为机翼3的俯仰力矩曲线斜率与升力系数的曲线示意图，其中，X轴为机翼3的升力系数，这里升力系数可以表征机翼3的攻角，Y轴表示机翼3的俯仰力矩，Y轴的正轴表示抬头俯仰力矩，Y轴的负轴表示低头俯仰力矩。所述机翼3的俯仰力矩曲线斜率和机翼相对于机身1转动的转动轴线及无人飞行器气动中心之间的相对位置相关。当机翼3相对于机身1转动的转动轴线与机翼3的后缘之间的距离等于机翼3的气动中心与机翼3的后缘之间的距离，即当所述转动轴线处于其气动中心位置时，无论其攻角如何变化，机翼3的俯仰力矩不变；当机翼3相对于机身1转动的转动轴线与机翼3的后缘之间的距离小于机翼3的气动中心与机翼3的后缘之间的距离，即当所述转动轴线位于气动中心之后时，机翼3的俯仰力矩曲线斜率为正值，以该曲线与X轴的交点A(零升力矩点)来看，攻角的增加会产生抬头俯仰力矩，从而进一步增大的机翼3的抬头趋势，攻角的减小会产生低头俯仰力矩，从而进一步增大的机翼3的低头趋势，产生了机翼3攻角不稳定的特性；当机翼3相对于机身1转动的转动轴线与机翼3的后缘之间的距离大于机翼3的气动中心与机翼3的后缘之间的距离，即当机翼3的旋转轴位于其气动中心之前时，机翼3的俯仰力矩曲线斜率为正值，以该曲线与X轴的交点B(零升力矩点)来看，攻角 的增加会使机翼3产生低头俯仰力矩，从而提供减小机翼3的攻角的趋势，攻角的减小会使机翼3产生抬头俯仰力矩，从而提供增大机翼3的攻角的趋势，产生了机翼3攻角稳定的特性，则如果机翼3相对于机身1转动的转动轴线与机翼3的后缘之间的距离大于机翼3的气动中心与机翼3的后缘之间的距离，当无人飞行器高速飞行时，机翼3的攻角会有稳定的趋势。若机翼3的攻角被稳定在可用的攻角范围内时，机翼3为无人飞行器提供升力，提高无人飞行器的飞行效率。
具体地，机翼3相对于机身1转动的转动轴线与机翼3的后缘之间的距离大于机翼3的气动中心与机翼3的后缘之间的距离时，在无人飞行器飞行的过程中，在来流空气的作用下，所述机翼3的攻角被稳定在目标攻角。其中，所述目标攻角可以是小于失速攻角的任何一个攻角，通常情况下，可以将目标攻角根据失速攻角与一个安全系数来确定，例如安全系数可以为0.7，目标攻角可以为失速攻角和安全系数的乘积，例如，失速攻角为10度，此时，目标攻角可以为7度。
在某些实施例中，所述目标攻角是根据所述机翼3的后缘弯度确定。具体地，目标攻角可以为零升俯仰力矩时对应的攻角，所述机翼3的零升俯仰力矩是根据所述机翼3的后缘弯度确定，因此通过改变所述机翼3的后缘弯度可以相应调整所述机翼3的零升俯仰力矩，所述零升俯仰力矩的大小为图3中俯仰力矩曲线与X轴的交点。如果机翼3的俯仰力矩斜率为负，即机翼3相对于机身1转动的转动轴线与机翼3的后缘之间的距离大于机翼3的气动中心与机翼3的后缘之间的距离时，机翼3处于零升俯仰力矩时升力系数对应的攻角为目标攻角，在无人飞行器飞行的过程中，在来流空气的作用下，机翼3会被自然地稳定在这个攻角上，从而在无人飞行器飞行过程中持续产生稳定的升力。
所述机翼3的数量根据所述无人飞行器总的升力需求匹配，且所述至少一个机翼3的总升力中心与无人飞行器的重心位置基本重合，由于无人飞行器的飞行是通过升力来平衡其自身的重力，当所述机翼3的总升力中心与无人飞行器的重心在位置上相差较大时，会导致增加无人飞行器不稳定的趋势，影响所述无人飞行器的稳定飞行。
同时，所述机翼3的数量可以根据实际需求来选择。例如，当所述机翼3的数量为一个时，所述机翼3可以通过所述连接机构2转动安装在所述机身1上部或下部；当所述机翼3的数量为至少两个时，如图4所示，所述至少两个机翼3对称地转动安装在所述机身1的两侧；当然，上述机翼3的安装位置只是作为示例，在实际的安装过程中，根据所述无人飞行器的机身1结构以及所述机翼3的数量确定述机翼3的安装方式，本公开实施例对此并无限制。
在本公开实施例中，所述机翼3的材质可以根据实际需求选择不同的轻质复合材料或金属等，在尽量不增加所述机身1的重力负担下，可以保持足够的刚性强度，满足不同场景下的飞行需求。
如图4所示，所述连接机构2包括安装轴21和安装轴配合部件22，所述安装轴配合部件22设置在机身1上，所述安装轴21的一端转动连接在安装轴配合部件22上，所述安装轴21的另一端与所述机翼3固定连接，所述安装轴配合部件22包括轴承或其他转动配合结构。
所述安装轴21与所述安装轴配合部件22之间设置有阻尼材料23，所述阻尼材料23用于增加所述机翼3在所述无人飞行器的飞行过程中运动的稳定性，避免所述机翼3在无人飞行器的飞行姿态突然改变时，引起所述机翼3的剧烈震荡；对于无人飞行器，特别是多旋翼无人飞行器来说，在飞行过程中根据环 境变化或飞行需求常常伴随着飞行姿态的动态变化，比如，常规的飞行转向，高度攀升或下降等飞行姿态变化在突然发生时都会导致所述机翼3的剧烈震荡，由于所述机翼3转动安装在所述机身1上，当所述机翼3震荡时，会影响无人飞行器的飞行稳定性。因此，为了增加所述机翼3在所述无人飞行器的飞行过程中运动的稳定性，本实施例在所述安装轴21与所述安装轴配合部件22之间的接触处设置阻尼材料23，以减小机翼3在无人飞行器的飞行姿态突然改变时的震荡。其中，所述的阻尼材料23可以是橡胶、塑料、阻尼脂、阻尼油中的一种或多种。
所述无人飞行器还包括牵引部4，用于限制无人飞行器在悬停或者低速飞行时机翼3的攻角；结合图1所示，当所述无人飞行器处于悬停或低速飞行的场景下，在重力的作用下，所述机翼3会处于下垂状态，机翼3的攻角可能大于失速攻角，在所述机翼3下垂时，若所述无人飞行器进行低速飞行，则所述机翼3会形成阻力从而影响所述无人飞行器的飞行状态，因此，本实施例设置牵引部4，限制无人飞行器在悬停或者低速飞行时机翼3的攻角，这样在无人飞行器低速飞行器时，可以减小机翼3给无人飞行器带来的飞行阻力。其中，所述牵引部4可以包括一个或多个弹性部件(例如弹簧、橡皮材料等等)。
在某些实施例中，所述牵引部4的一端连接所述机身1，另一端连接机翼3的后缘，牵引部4对机翼3的后缘进行牵引，使所述机翼3在无人飞行器进行悬停或者低速飞行时保持一个较小的攻角，避免机翼3在重力作用下形成一个较大的攻角。
参阅图5所示，在某些实施例中，所述牵引部4可以围绕所述安装轴21设置，所述牵引部4用于在所述安装轴21转动时对其进行牵引，使所述机翼3在无人飞行器进行悬停或者低速飞行时保持一个较小的攻角，避免机翼3在重力 作用下形成一个较大的攻角。
如图2所示，所述无人飞行器还包括为无人飞行器提供飞行动力的旋翼5，其中，所述机翼3位于旋翼5旋转引起的诱导气流范围之外，所述的诱导气流是指空气在旋翼5的旋转作用下形成持垂直于机翼延伸方向并且向下的稳定气流，从而为所述无人飞行器提供上升动力，所述的诱导气流范围则是指旋翼5在旋转过程中形成所述气流的作用范围。将机翼3设置在旋翼旋转的引起的诱导气流范围之外，这样可以避免所述旋翼5旋转引起的诱导气流会对所述机翼3的攻角自适应调整造成阻力干扰。
本公开实施例所述的无人飞行器，在所述机身1上通过连接机构2转动连接至少一个所述机翼3，所述至少一个机翼3用于在所述无人飞行器逐渐向前加速时产生增升效果，由于所述机翼3可以在来流空气的作用下自动调节攻角在目标攻角，从而在无人飞行器飞行过程中持续产生稳定的升力，同时在机翼3与机身1之间通过所述阻尼材料23以及所述牵引部4的配合作用下，有效避免了机翼3在飞行过程中的剧烈变动以及在重力作用下的下垂，极大的提高了所述机翼3的增升效果，其整体结构简单，安装方便，降低了能耗，同时提高了无人飞行器的飞行效率，相较于现有的旋翼倾转系统，具备更大的成本优势，可以满足个人消费级无人飞行器的消费需求。
以上仅为本公开的实施例，但并不限制本公开的专利范围，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本公开说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本公开专利保护范围之内。

Claims (12)

  1. 一种无人飞行器，其特征在于，包括机身、连接机构和至少一个机翼；
    所述机翼通过所述连接机构转动安装在所述机身上；
    所述无人飞行器在飞行过程中，在来流空气的作用下，所述机翼自动调节攻角。
  2. 根据权利要求1所述的无人飞行器，其特征在于：机翼相对于机身转动的转动轴线与机翼的后缘之间的距离大于机翼的气动中心与机翼的后缘之间的距离。
  3. 根据权利要求2所述的无人飞行器，其特征在于：在无人飞行器飞行的过程中，在来流空气的作用下，所述机翼的攻角被稳定在目标攻角。
  4. 根据权利要求3所述的无人飞行器，其特征在于，所述目标攻角是根据所述机翼的后缘弯度确定。
  5. 根据权利要求1所述的无人飞行器，其特征在于：当所述机翼的数量为至少两个时，所述至少两个机翼对称地转动安装在所述机身的两侧。
  6. 根据权利要求1所述的无人飞行器，其特征在于：所述连接机构包括安装轴和安装轴配合部件，所述安装轴配合部件设置在机身上，所述安装轴的一端转动连接在安装轴配合部件上，所述安装轴的另一端与所述机翼固定连接。
  7. 根据权利要求6所述的无人飞行器，其特征在于：所述安装轴配合部件包括轴承。
  8. 根据权利要求6所述的无人飞行器，其特征在于：所述安装轴与所述安装轴配合部件之间设置有阻尼材料。
  9. 根据权利要求1所述的无人飞行器，其特征在于：所述无人飞行器还包 括牵引部，用于限制无人飞行器在悬停或者低速飞行时机翼的攻角。
  10. 根据权利要求8所述的无人飞行器，其特征在于：所述牵引部包括一个或多个弹性部件。
  11. 根据权利要求10所述的无人飞行器，其特征在于：所述无人飞行器还包括为无人飞行器提供飞行动力的旋翼，其中，所述机翼位于旋翼旋转引起的诱导气流范围之外。
  12. 根据权利要求1所述的无人飞行器，其特征在于，所述至少一个机翼的总升力中心与无人飞行器的重心位置基本重合。
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