CN109279007A - 一种复合驱动的旋翼固定翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合驱动的旋翼固定翼无人机，采用全电动驱动垂直起降和前飞巡航，以机身轴对称利用复合式倒V字型尾翼以及等弦长矩形四直翼面布局；采用旋翼组件实现垂直起降，无人机垂直起降不受场地限制，垂起改平飞过渡模式高度损失小、稳定性高。采用螺旋桨和驱动电机实现前飞巡航，无人机前飞巡航速度快、续行时间长。利用复合式倒V字型尾翼符合无人机的气动原理，可保证无人机在飞行过程中尾翼的气动效率；无人机采用矩形直翼面和旋翼臂结构布局所提供的升力较大，在无人机前飞巡航时能较大的提高无人机的巡航效率和前飞速度，保证无人机整体结构刚性，确保无人机飞行过程中的结构稳定性和无人机的飞行安全。

Description

一种复合驱动的旋翼固定翼无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体地说,涉及一种复合驱动的旋翼固定翼无人机。

背景技术

飞机设计专家和研究人员一直在尝试设计一种能够短距离或具有垂直起降和前飞巡航性能的飞行器。目前在实际的应用中，采用旋翼组合实现垂直起降的飞行器比较成熟，在很多领域中无人飞行器均展示出了非凡的性能，逐渐步入人们生活的舞台。多旋翼无人机具有垂直起降的性能，因此，在航拍、航测技术领域具有重要地位，其结构简单、重量较轻、机动性强、可靠性高，但多旋翼无人机机体较小，且无固定升力面，其巡航效率不高，飞行速度并不快，飞行距离和应用范围受到一定限制。固定翼无人机具有前飞巡航性能，在森林防火、电力管网巡视诸多领域具有重要地位，其巡航效率高、飞行速度快、灵活性高，但固定翼无人机不具备垂直起降性能，对跑道和滑跑距离的要求限制了固定翼飞行器的使用范围。

中国专利CN205770149公开了“一种多构型的固定翼旋翼混合无人机”，包括旋翼组件、固定翼系统和设备舱，在设备舱的舱体内放置有飞行控制器、传感器以及电源。该无人机由固定翼本体与四旋翼结合组成，具有垂直起降和前飞巡航的性能。该无人机特点在于能够根据需求在旋翼无人机、固定翼无人机和混合无人机三种模式间转换，用途和使用范围较广，但其结构是将旋翼组件通过连杆直接固接在机体上，结构强度较弱，仅由双机翼提供升力，巡航效率不高。

专利CN206141829公开了一种“固定翼多旋翼复合式飞行器”，该飞行器包括主体骨架、倾转发动机、飞翼机身、矩形机翼和飞翼机身后掠角。飞行器具有垂直起降和前飞巡航性能，其采用旋翼发动机倾转的方式实现无人机垂直起降和前飞巡航间的转换，特点是减少了飞行器在前飞巡航时的重量，提高了前飞巡航效率，不足是倾转发动机进行垂直起降和前飞巡航间过渡的方法过于复杂，成本相对较高。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种复合驱动的旋翼固定翼无人机，该无人机采用全电动垂直起降，垂直起降不受使用地点的限制；复合式倒V字型尾翼布局，保证无人机垂起改平飞过渡模式舵面的效率和无人机的整体稳定性；采用四直翼面布局，减小了无人机垂起改平飞过渡模式中飞行高度的下降，使无人机安全性可靠，四直翼面布局在无人机前飞巡航时，提供较大的升力，进而提高无人机的前飞巡航效率和飞行速度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括第一旋翼组件、第二旋翼组件、第三旋翼组件、第四旋翼组件、第一螺旋桨、第二螺旋桨、机身、飞控系统、电池、第一机翼、第二机翼、第三机翼、第四机翼、前起落架、后起落架、第一旋翼臂、第二旋翼臂、副翼、驱动电机、第一尾翼、第二尾翼，其特征在于所述机身采用玻璃钢成型，机身头部和机身尾部的横截面为椭圆形，机身两侧分别为第一机翼、第三机翼和第二机翼、第四机翼，第一机翼与第三机翼、第二机翼与第四机翼分别以机身轴对称安装；所述第一机翼、第二机翼、第三机翼和第四机翼均为等弦长矩形直翼面结构，展弦比为6～8，机翼的上反角为0～10度；第一旋翼臂一端与第一机翼翼尖部位固连，第一旋翼臂另一端与第二机翼翼尖部位固连，第二旋翼臂一端与第三机翼翼尖部位固连，第二旋翼臂另一端与第四机翼翼尖部位固连；驱动电机固定在第一机翼和第三机翼前缘的中间部位，第二机翼与第四机翼的后缘2/3位置处分别安装有副翼，两副翼分别与第二机翼、第四机翼铰接；所述第一螺旋桨、第二螺旋桨分别固连在驱动电机前端，第一螺旋桨和第二螺旋桨结构相同，第一螺旋桨和第二螺旋桨在工作过程中转向相反；

所述第一旋翼组件、第二旋翼组件、第三旋翼组件和第四旋翼组件为结构相同的部件，其中，旋翼位于电机的上部，多个旋翼与数量相等的电机配合安装，且分别对称固定在第一旋翼臂和第二旋翼臂上，第一旋翼组件、第二旋翼组件、第三旋翼组件和第四旋翼组件的旋翼、电机均位于同一平面，工作时第一旋翼组件与第四旋翼组件的旋翼顺时针旋转，第二旋翼组件与第三旋翼组件的旋翼逆时针旋转；

所述第一尾翼与第二尾翼组成复合式倒V型尾翼，第一尾翼与第二尾翼下反角为30～60度；

所述前起落架位于机身底部1/4处，所述后起落架位于机身底部2/3处，前起落架、后起落架高度大于V型尾翼高度，在无人机放置于地面时或者垂直起降时，V型尾翼不会触碰到地面。

所述电池和飞控系统分别位于机身内中间部位，电池为1～2块6s电池，电池安装位置可调节，电池用于为旋翼电机与螺旋桨驱动电机提供动力；飞控系统用于保证无人机飞行过程中的操纵和稳定性。

有益效果

本发明提出的一种复合驱动的旋翼固定翼无人机，采用全电动垂直起降和前飞巡航，利用复合式倒V型尾翼以及直翼面结构，其垂直起降不受地点限制，垂起改平飞过渡模式高度损失较少、稳定性高，无人机前飞巡航效率高、速度快、飞行时间长；无人机采用四直翼面布局，所提供的升力较大，在无人机前飞巡航时能较大的提高无人机的巡航效率和前飞速度；在无人机垂起改平飞过渡模式中，四直翼面布局可保证无人机的飞行高度不会减少，进而保证无人机的飞行安全。

本发明复合驱动的旋翼固定翼无人机，采用第一旋翼臂和第二旋翼臂分别对称固定旋翼组件，两旋翼臂分别与四个机翼固连，该方式提高了无人机的整体结构刚度，能保证无人机在飞行过程中的安全性。采用复合式倒V型尾翼，使无人机在飞行过程中尾翼的气动效率高，由于无人机在飞行时其上表面具有较大的阻力部件，会扰乱流动到无人机尾翼的气流，进而降低无人机飞行过程中尾翼的气动效率，造成尾翼操纵性较低的问题，复合式倒V型尾翼可保证无人机尾翼的操纵性，且符合旋翼固定翼无人机的气动原理。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种复合驱动的旋翼固定翼无人机作进一步详细说明。

图1为本发明复合驱动的旋翼固定翼无人机轴测图。

图2为本发明复合驱动的旋翼固定翼无人机主视图。

图3为本发明复合驱动的旋翼固定翼无人机俯视图。

图4为本发明复合驱动的旋翼固定翼无人机侧视图。

图中:

1.第一旋翼组件 2.第二旋翼组件 3.第三旋翼组件 4.第四旋翼组件 5.第一螺旋桨 6.第二螺旋桨 7.机身 8.飞控系统 9.电池 10.第一机翼 11.第二机翼 12.第三机翼 13.第四机翼14.前起落架 15.后起落架 16.第一旋翼臂 17.第二旋翼臂 18.副翼 19.驱动电机 20.第一尾翼 21.第二尾翼

具体实施方式

本实施例是一种复合驱动的旋翼固定翼无人机。

参阅图1～图4，本实施例复合驱动的旋翼固定翼无人机，采用电动垂直起降和前飞巡航、利用四翼面布局和复合式倒V型尾翼结构，确保无人机具有垂直起降和前飞巡航性能，保证无人机垂起改平飞过渡模式的安全和稳定性，提高无人机的前飞巡航效率和飞行速度。

本实施例中，第一旋翼组件1、第二旋翼组件2、第三旋翼组件3和第四旋翼组件4均包括有相同的旋翼和电机，旋翼用于无人机的垂直起降过程，在无人机前飞巡航时不发生转动。第一旋翼组件1、第二旋翼组件2分别与第一旋翼臂16固连，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4分别与第二旋翼臂17固连，且两旋翼组件之间的间距可保证旋翼转动时相互不会发生触碰。第一旋翼臂16两端分别与第一机翼10翼尖和第二机翼11翼尖部位固连，第二旋翼臂17两端分别与第三机翼12翼尖和第四机翼13翼尖部位固连，以保证将旋翼所产生的拉力能传递到机身7上。第一旋翼组件1与第四旋翼组件4的旋翼为顺时针转动，第二旋翼组件2与第三旋翼组件3的旋翼为逆时针转动，以保证旋翼转动过程中所产生力矩能够自身平衡。第一机翼10、第二机翼11、第三机翼12和第四机翼13的翼根均与无人机机身7固连，以保证将机翼翼面所产生的升力传到机身7上。第一机翼10、第二机翼11、第三机翼12、第四机翼13和机身7采用强度、刚度较好的轻木或者玻璃钢材料；本实例中，第一机翼10、第二机翼11、第三机翼12、第四机翼13和机身7为玻璃钢制造成型。第一机翼10、第二机翼11、第三机翼12和第四机翼13均为等弦长矩形直翼面结构，展弦比为7，上反角为5度。无人机机身头部的横截面为椭圆形，截面面积较大，机身7尾部横截面为椭圆形，横截面面积较小，机身7整体为细长体，其横截面面积先增大后减小；机身7中部用于安装电池9和飞控系统8，机身7尾部上翘且与第一尾翼20和第二尾翼21的固定连接。第一螺旋桨5和第二螺旋桨6位于驱动电机19的前端，驱动电机19带动螺旋桨转动，第一螺旋桨5和第二螺旋桨6在工作过程中转动方向相反；本实例中第一螺旋桨5顺时针转动、第二螺旋桨6逆时针转动。第一螺旋桨5和第二螺旋桨6分别安装于第一机翼10和第三机翼12的前缘、位于机翼1/2位置处；在第二机翼11和第四机翼13的后部2/3位置分别安装有副翼18，两副翼分别与第二机翼、第四机翼铰接，以操纵无人机。机身7中部横截面面积最大部位设有大的开口，电池9和飞控系统8安装在机身7内部，以保证无人机电力系统的供给和辅助无人机飞行过程中的操纵；本实例中无人机机身大的开口位于机身的1/2部位。电池9为1～2块6s电池；本实例采用1块6s电池，电线通过第一机翼10、第二机翼11、第三机翼12和第四机翼13的减轻孔将电池9与旋翼电机和驱动电机19连接在一起，完成无人机动力系统的匹配。飞控系统8包括飞控板，用于辅助无人机的控制及记录无人机的飞行数据。前起落架14固接于机身的1/4处，后起落架15固接于机身的2/3处，用于无人机在地面放置或垂直起降时使用；前起落架14和后起落架15的高度一致并且大于第一尾翼20与第二尾翼21组成复合式倒V型尾翼的高度，以保证无人机在地面放置或者起飞时，复合式倒V型尾翼不会与地面发生触碰；保证无人机的横航向稳定性及操纵性；第一尾翼20与第二尾翼下反角为30～60度；本实例第一尾翼20与第二尾翼21的下反角均为45度。

本实施例无人机的飞行模式为垂直起降模式、垂起改平飞过渡模式和前飞巡航模式。

垂直起降模式:本实施例无人机垂直起飞过程中，第一旋翼组件1、第二旋翼组件2，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4的旋翼在电机的驱动下转动，提供向上的升力，用于无人机的垂起；第一螺旋桨5、第二螺旋桨6和驱动电机19在无人机垂直起飞过程中并不发生转动；第一尾翼20、第二尾翼21以及副翼18在无人机垂直起飞过程中保证无人机横航向以及纵向稳定性。垂直起飞过程中，通过飞控系统8控制第一旋翼组件1、第二旋翼组件2，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4的旋翼转速来进行无人机的控制，保证无人机能正常垂直起飞。在无人机垂直起飞过程中，第一旋翼组件1、第二旋翼组件2，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4的旋翼转速逐渐增加，直至稳定，无人机飞行高度逐渐增加，在无人机飞行高度达到100m以上时，无人机完成垂直起飞过程。无人机的垂直降落与无人机的垂直起飞过程相反，第一旋翼组件1、第二旋翼组件2，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4的旋翼转速由稳定逐渐减小，当无人机通过前起落架14和后起落架15降落在地面时，第一旋翼组件1、第二旋翼组件2，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4的旋翼转速减小为零，无人机顺利降落至地面，其垂直降落过程结束。

垂起改平飞过渡模式:无人机在由垂直起降模式转换为前飞巡航模式的过程中，需要经由垂起改平飞动态过渡阶段，该阶段中无人机的飞行模式称为无人机垂起改平飞过渡模式；在该模式中无人机飞行高度超过100m，无人机前飞速度达到15m/s以上该模式结束；在该模式中，第一旋翼组件1、第二旋翼组件2，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4的旋翼转速逐渐减小直至为零。第一螺旋桨5、第二螺旋桨6和驱动电机19的转速逐渐增加直至稳定。在该飞行模式前期仍然采用飞控系统控制第一旋翼组件1、第二旋翼组件2，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4的旋翼转速，当前飞速度达到5m/s以上时采用第一尾翼20、第二尾翼21、副翼18和飞控系统8进行无人机的控制；第一机翼10、第二机翼11、第三机翼12和第四机翼13在该飞行模式中产生大的升力，无人机在该飞行模式中飞行高度不会有大的减小。

前飞巡航模式:无人机的第一旋翼组件1、第二旋翼组件2，第三旋翼组件3和第四旋翼组件4的旋翼转速为零；第一螺旋桨5、第二螺旋桨6和驱动电机19转速稳定，用于提供无人机前飞的拉力；利用第一尾翼20、第二尾翼21、副翼18和飞控系统8对无人机进行控制；第一机翼10、第二机翼11、第三机翼12和第四机翼13产生较大升力，以克服无人机重力保证无人机的稳定巡航。

Claims (2)

1.一种复合驱动的旋翼固定翼无人机，包括第一旋翼组件、第二旋翼组件、第三旋翼组件、第四旋翼组件、第一螺旋桨、第二螺旋桨、机身、飞控系统、电池、第一机翼、第二机翼、第三机翼、第四机翼、前起落架、后起落架、第一旋翼臂、第二旋翼臂、副翼、驱动电机、第一尾翼、第二尾翼，其特征在于:所述机身采用玻璃钢成型，机身头部和机身尾部的横截面为椭圆形，机身两侧分别为第一机翼、第三机翼和第二机翼、第四机翼，第一机翼与第三机翼、第二机翼与第四机翼分别以机身轴对称安装；所述第一机翼、第二机翼、第三机翼和第四机翼均为等弦长矩形直翼面结构，展弦比为6～8，机翼的上反角为0～10度；第一旋翼臂一端与第一机翼翼尖部位固连，第一旋翼臂另一端与第二机翼翼尖部位固连，第二旋翼臂一端与第三机翼翼尖部位固连，第二旋翼臂另一端与第四机翼翼尖部位固连；驱动电机固定在第一机翼和第三机翼前缘的中间部位，第二机翼与第四机翼的后缘2/3位置处分别安装有副翼，两副翼分别与第二机翼、第四机翼铰接；所述第一螺旋桨、第二螺旋桨分别固连在驱动电机前端，第一螺旋桨和第二螺旋桨结构相同，第一螺旋桨和第二螺旋桨在工作过程中转向相反；

所述第一旋翼组件、第二旋翼组件、第三旋翼组件和第四旋翼组件为结构相同的部件，其中，旋翼位于电机的上部，多个旋翼与数量相等的电机配合安装，且分别对称固定在第一旋翼臂和第二旋翼臂上，第一旋翼组件、第二旋翼组件、第三旋翼组件和第四旋翼组件的旋翼、电机均位于同一平面，工作时第一旋翼组件与第四旋翼组件的旋翼顺时针旋转，第二旋翼组件与第三旋翼组件的旋翼逆时针旋转；

所述第一尾翼与第二尾翼组成复合式倒V型尾翼，第一尾翼与第二尾翼下反角为30～60度；

所述前起落架位于机身底部1/4处，所述后起落架位于机身底部2/3处，前起落架、后起落架高度大于V型尾翼高度，在无人机放置于地面时或者垂直起降时，V型尾翼不会触碰到地面。

2.根据权利要求1所述的复合驱动的旋翼固定翼无人机，其特征在于:所述电池和飞控系统分别位于机身内中间部位，电池为1～2块6s电池，电池安装位置可调节，电池用于为旋翼电机与螺旋桨驱动电机提供动力；飞控系统用于保证无人机飞行过程中的操纵和稳定性。