一种垂直起降飞行器和飞行方法与流程

本发明涉及飞行器技术领域，尤其是涉及一种垂直起降飞行器和飞行方法。

背景技术：

随着无人机技术的发展，其在高空航拍、远距离监测、物流运输以及边防巡逻等方面都具有广泛的作用。由于使用者的需求，近年来市面上出现了多款旋翼和固定翼结合的无人机，此种类的无人机包括两种，一种是通过电机整体旋转90度实现巡航的无人机，这种无人机结构复杂，增加了无人机的技术成本和安全隐患；另一种无人机用于起飞的动力系统和用于巡航的动力系统分别为独立的系统，因此，在巡航的过程中，部分的动力系统(例如用于起飞的动力系统)会闲置，增加了无效载荷和巡航阻力。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种结构简单的垂直起降飞行器，并提供一种飞行方法，使得垂直起降飞行器通过较为简洁的结构，进行正常的飞行运动。

本发明还提出一种垂直起降飞行器，包括：

机身；

螺旋桨，螺旋桨位于机身的顶部，用于驱动垂直起降飞行器垂直起飞，并在预设高度悬停；

升降舵，升降舵位于机身上，且螺旋桨形成的气流可以吹向升降舵，升降舵能够相对机身摆动，用于调整垂直起降飞行器的飞行姿态。

本发明实施例的垂直起降飞行器至少具有如下有益效果：在垂直起降飞行器起飞的过程中，通过螺旋桨，使得垂直起降飞行器可以垂直起飞，当垂直起降飞行器起飞到一定高度时，通过改变升降舵的摆动角度，以及垂直起降飞行器上螺旋桨的转速，使得垂直起降飞行器可以实现平移、转向或翻转动作，省去了驱动电机旋转的机构，且无需设置多套驱动系统，从而使得垂直起降飞行器能够在正常飞行的前提下简化整机结构。

根据本发明的另一些实施例的垂直起降飞行器，升降舵位于机身的底部。

根据本发明的另一些实施例的垂直起降飞行器，与机身能够相对摆动角度的升降舵，具有能够与机身的外表面平齐的外表面。

根据本发明的另一些实施例的垂直起降飞行器，垂直起降飞行器包括第一升降组件和第二升降组件，第一升降组件和第二升降组件均分别包含数量相同的螺旋桨，设置能够把机身水平长度等分的垂线为第一垂线，第一升降组件和第二升降组件沿着第一垂线对称布置。

根据本发明的另一些实施例的垂直起降飞行器，垂直起降飞行器还包括摄像头，摄像头位于机身上。

根据本发明的另一些实施例的垂直起降飞行器，垂直起降飞行器还包括导航系统和控制系统，机身内包括有空腔，导航系统和控制系统位于空腔内。

根据本发明的另一些实施例的垂直起降飞行器，机身的外壁覆盖有吸附膜。

根据本发明的另一些实施例的垂直起降飞行器，垂直起降飞行器还包括第一电池组和第二电池组，第一电池组和第二电池组均能够给垂直起降飞行器供电。

根据本发明的实施例还提供了一种垂直起降飞行器飞行方法，包括：

起飞步骤：通过位于机身上的螺旋桨，使得垂直起降飞行器垂直起飞，并在指定高度处悬停；

巡航步骤：通过螺旋桨和位于机身上的升降舵，改变垂直起降飞行器的姿态和方向，并进行巡航；

降落步骤：通过螺旋桨和升降舵使垂直起降飞行器处于悬停状态后，通过螺旋桨使垂直起降飞行器垂直降落。

根据本发明的另一些实施例的垂直起降飞行器飞行方法，在巡航步骤中，通过调整升降舵的方向，改变垂直起降飞行器的角度，并改变螺旋桨的转速，使垂直起降飞行器向垂直于螺旋桨排布所在直线的垂直方向前进。

附图说明

图1是垂直起降飞行器一个实施例的机构示意图；

图2是图1的正视图；

图3是垂直起降飞行器一个使用状态图；

图4是垂直起降飞行器另一个使用状态图。

附图标记：机身101、螺旋桨102、升降舵103、机头104、电机105、翼尖支架106、摄像头107、第一升降组件108和第二升降组件109。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在现有的旋翼和固定翼结合的无人机包括两种类型，一种是通过电机旋转90度对螺旋桨进行驱动，使其进行巡航的无人机，这种无人机需要设置旋转结构，以实现电机的旋转操作，整机结构较为复杂，增加生产者的制造成本，并对无人机的结构造成一定的安全隐患。另一种无人机通过两套系统分别控制无人机的升降和巡航，这种无人机在飞行的过程中会存在动力系统闲置的问题，增加了无人机的无效载荷和运动阻力。

针对上述问题，本发明的实施例提出了一种垂直起降飞行器，如图1所示，垂直起降飞行器包括机身101、螺旋桨102和升降舵103。其中，螺旋桨102位于机身101的顶部，当螺旋桨102进行旋转，可以使得垂直起降飞行器垂直起飞。升降舵103位于机身101上，且升降舵103可以相对机身101摆动，从而配合垂直起降飞行器上的螺旋桨102，改变垂直起降飞行器的方向。

在使用过程中，首先，垂直起降飞行器位于地面，然后打开垂直起降飞行器的开关，使螺旋桨102开始转动，此时，螺旋桨102转动能够给垂直起降飞行器提供竖直向上的推力，使得垂直起降飞行器可以沿着竖直的方向起飞，从而实现垂直起降飞行器垂直起飞的目的。当垂直起降飞行器飞到一定的高度时，通过调整垂直起降飞行器螺旋桨102的转速，使得螺旋桨102给垂直起降飞行器提供的升力和垂直起降飞行器的重力一致，垂直起降飞行器进入悬停状态，此时，通过调整升降舵103相对机身101的角度，可以调整机身101上机头104的方向，并使得垂直起降飞行器的螺旋桨102倾斜一定的角度，最后通过螺旋桨102和升降舵103的配合，使得垂直起降飞行器可以调整飞行姿态和运动情况。升降舵103的位置在z轴方向对应于螺旋桨102，此处的对应可以不是绝对的对应，二者可以有适当的位置偏差，只要螺旋桨102转动产生的气流能流过升降舵103即可，因此，通过升降舵103能够调整机身101的姿态。当螺旋桨102和升降舵103均设置有多个时，升降舵103可以与螺旋桨102一一对应，也可以具有一定的位置偏离，从而使得螺旋桨102吹出的风可以流向升降舵103，便于升降舵103改变垂直起降飞行器的飞行姿态。

在上述实施例中，可以通过螺旋桨升降舵的配合调整垂直起降飞行器的飞行姿态。具体的，如图1和图2所示，垂直起降飞行器还包括电机105，电机105位于机身101的顶部，用于驱动螺旋桨102转动。当垂直起降飞行器未起飞时，垂直起降飞行器如图2所示，立于地面。然后打开开关，使电机105开始转动，并驱动螺旋桨102转动，从而使得垂直起降飞行器可以垂直起飞。在本实施例中，电机105在起飞的过程中均保持水平状态，即使由于天气原因会产生一定的倾斜，也可以通过位于机身101底部的升降舵103以及螺旋桨102的转速对机身101的方向进行调整，从而使得电机105不会相对机身101发生偏转，相较于需要将电机105偏转90度对螺旋桨102进行驱动以便巡航飞行的无人机，本实施例中的无人机技术成本低，安全性更高。

具体如图2和图3所示，垂直起降飞行器在起飞的过程中，若由于天气原因造成机身101的偏移，假设机身101向如图2所示的y轴正向偏移，达到图3所示的状态，则升降舵103如图3所示，也向如图3所示的y轴正向偏移，使得空气中的气流会在升降舵103朝向y轴正向的侧面上形成压力，最终使得垂直起降飞行器慢慢恢复到如图2所示的状态，从而保证垂直起降飞行器垂直起飞。

具体的，如图1所示，垂直起降飞行器上的螺旋桨102全部沿着y轴方向设置。通过螺旋桨102的转速可以调整垂直起降飞行器的飞行姿态。

具体的，如图2所示，垂直起降飞行器还包括翼尖支架106，翼尖支架106位于垂直起降飞行器机身101的底部，当垂直起降飞行器位于地面时，垂直起降飞行器可以通过翼尖支架106直立于地面上。

作为另一个实施例，如图2所示，升降舵103位于机身101的底部，当垂直起降飞行器的螺旋桨102转动时，通过螺旋桨102的风会经过机身101的外壁流向升降舵103，从而使得升降舵103可以通过流向其的气流更好的调整垂直起降飞行器的方向。且由于当升降舵103位于机身101的底部时，升降舵103可以带动机身101调转方向，相较于位于机身101其他位置的升降舵103，位于机身101底部的升降舵103转动固定的角度时，其可以带动垂直起降飞行器机身101转动更大的角度。

在一些实施例中，位于机身101底部的升降舵103，表面能够与机身表面平齐，从而两者之间能够平滑衔接，当升降舵103未相对机身101摆动时，升降舵103的两侧表面均能平滑旋接机身101的外表面，从而减少风阻。当升降舵103相对机身101摆动时，升降舵103的两侧表面可以相对机身101转动，从而调整垂直起降飞行器的飞行姿态。

具体的，如图1所示，垂直起降飞行器的长度方向沿着如图1所示的x轴方向设置，垂直起降飞行器x轴长度方向的中线所在的直线为第一垂线，垂直起降飞行器可以包含一组沿着第一垂线对称设置的一组升降舵103，也可以包含若干组升降舵103，当垂直起降飞行器包含一组升降舵103时，可以通过调整升降舵103相对机身101角度，从而调整垂直起降飞行器的飞行姿态。当垂直起降飞行器包含若干组升降舵103时，不仅可以通过升降舵103配合螺旋桨102调整垂直起降飞行器的方向，还可以通过各个升降舵103的运动，调整垂直起降飞行器的运动平衡。

具体的，升降舵103具有能够与机身101的外表面平齐的外表面。该外表面可以被气流作用，从而改变垂直起降飞行器的飞行姿态，并降低垂直起降飞行器的阻力。

具体的，如图1所示，机身101的底部设有缺口，升降舵103位于该缺口中，且升降舵103能过相对缺口摆动，从而改变垂直起降飞行器的飞行姿态。

例如，如图1和图2所示，垂直起降飞行器包括4个升降舵103，沿着x轴从负向到正向的方向，依次为第一升降舵、第二升降舵、第三升降舵和第四升降舵。当垂直起降飞行器的机头104向y轴的正向偏转时，第一升降舵、第二升降舵、第三升降舵和第四升降舵可以均向y轴的正向偏转，从而使得垂直起降飞行器的机头104向y轴的负向偏转，从而调整垂直起降飞行器的形态。或者，在需要保证垂直起降飞行器z轴转动平衡的情况下，如图4所示，使第一升降舵和第二升降舵绕x轴向y轴的正向转动，使第三升降舵和第四升降舵绕x轴向y轴的负向转动，此时，气流对于第一升降舵、第二升降舵、第三升降舵和第四升降舵的力达到平衡，使得垂直起降飞行器不会发生围绕z轴的转动。再配合垂直起降飞行器中螺旋桨102的不同转速，从而实现垂直起降飞行器在其他方向的移动。

作为另一个实施例，如图1所示，垂直起降飞行器包括第一升降组件108和第二升降组件109，第一升降组件108和第二升降组件109均分别包含有一个或若干个螺旋桨102。且如图1所示，垂直起降飞行器的长度方向沿着如图1所示的x轴方向设置，垂直起降飞行器x轴长度方向的中线所在的直线为第一垂线，第一垂线将垂直起降飞行器机身101在x轴的方向上分为两个相等长度的部分，第一升降组件108和第二升降组件109以第一垂线为中心线，在第一垂线的两边对称设置，且第一升降组件108和第二升降组件109中分别包含数量相同的螺旋桨102。当垂直起降飞行器在起飞的过程中，第一升降组件108中的螺旋桨102和第二升降组件109中的螺旋桨102的转向相反，转向相反的螺旋桨102的转动可以抵消其在z轴方向上的力矩和旋转，保证垂直起降飞行器可以垂直起飞，避免机身在起飞的同时，发生绕z轴的旋转，从而保持稳定起飞。

具体的，如图1所示，第一升降组件108和第二升降组件109均各自包含两个螺旋桨102，可以想到的是，第一升降组件108和第二升降组件109还可以包括其他数量的螺旋桨102，例如，二者均包含一个螺旋桨102和三个螺旋桨102，只要满足第一升降组件108和第二升降组件109在第一垂线两侧对称设置，且第一升降组件108和第二升降组件109包含的螺旋桨102数目相同即可。且在上述实施例中，第一升降组件108和第二升降组件109沿着第一垂线对称包括以下含义，第一升降组件108中的任意一个螺旋桨102在第二升降组件109中均能够找到一个螺旋桨102与之沿着第一垂线对称设置。

通过垂直起降飞行器的螺旋桨102和升降舵103还可以调整垂直起降飞行器的运动情况，使得垂直起降飞行器可以进行水平移动、爬升或降落等动作。

例如，当垂直起降飞行器处于悬停状态，通过调节垂直起降飞行器的部分螺旋桨102的转速，可以使得垂直起降飞行器按照弧形的轨迹进行移动。

例如，当垂直起降飞行器处于悬停状态时，可以调整垂直起降飞行器的升降舵103围绕z轴向y轴方向转动至图3的位置，并加速螺旋桨102的转速，即可完成垂直起降飞行器的爬升。

例如，当垂直起降飞行器需要进行直线运动时，可以调整垂直起降飞行器的升降舵103围绕z轴向y轴方向转动至图3的位置，通过调整螺旋桨102的转速，使得垂直起降飞行器向y轴方向移动。

作为另一实施例，垂直起降飞行器上还包括摄像头107，通过摄像头107，垂直起降飞行器可以完成航拍、勘测、巡航等任务。

具体的，如图1所示，摄像头107位于第一升降组件108和第二升降组件109之间，且摄像头内置于机身101的机头104上，这种结构使得，当垂直起降飞行器向y轴方向倾斜一定角度时，便可以通过摄像头107对垂直起降飞行器沿z轴正向两侧的情况进行拍摄。

更具体的，摄像头107可以是360度摄像头，这种摄像头使得即使垂直起降飞行器转动较小的角度，摄像头也可以完成对目标物的拍摄。

作为另一个实施例，机身101内部设有空腔，垂直起降飞行器还包括导航系统和控制系统，导航系统用于给垂直起降飞行器导航，控制系统用于控制垂直起降飞行器中各个螺旋桨102的转动情况以及升降舵103的转动情况，导航系统和控制系统位于垂直起降飞行器机身101的空腔内，相较于导航系统和控制系统位于机身101外壁的无人机，本实施例中的无人机的外壁光滑，呈流线型设计，且无其他零部件，大大减小了螺旋桨102产生的高速气流通过机身101从而产生的阻力，提升垂直起降飞行器的升阻比，提高垂直起降飞行器的续航能力。上述结构还至少包括以下技术效果：由于导航系统和控制系统均位于机身101的内腔中，更容易保证垂直起降飞行器的飞行平衡。并且，控制系统和导航系统设置于机身中，中，从而使得垂直起降飞行器的重心位于机身101的第一垂线附近(或位于第一垂线上)，有助于提高机身的平稳性。

在一些实施例中，如图1和图2所示，垂直起降飞行器机身101沿着z轴的方向，其外壁光滑设置，且其沿着y轴所在方向的长度不断减小，从而使得从螺旋桨102向z轴正向流动的气流更容易流向升降舵103，从而有利于升降舵103调整垂直起降飞行器的飞行姿态。

作为另一实施例，垂直起降飞行器的外壁还覆盖有吸附膜，吸附膜由颗粒吸附材料制成，能够吸附位于空气中的杂质或雾霾颗粒，达到净化空气的效果，从而使得垂直起降飞行器还可以在飞行的过程中，对空气进行净化。

具体的，吸附膜的外表面具有孔结构，该孔结构增大了吸附膜的比表面积，从而增强吸附膜对空气中杂质的吸附能力。

具体的，垂直起降飞行器采用了全飞翼设计，在该设计中，将机翼和机身101形成一个整体，相较于传统的机舱和机翼的局部，全飞翼设计的垂直起降飞行器由于其流线型的外形，大幅度减小了气流分离，从而降低升阻比，增强垂直起降飞行器的续航能力。

在一些实施例中，如图2至4所示，机身101的外形为上大下小的结构，具体来说，机身101头部为弧形结构，并且，机身沿y轴方向的厚度自机身头部向底部逐渐减小，并在底部形成尖端，整机形成流线型设计，有助于提高升力、减小风阻。基于该实施例，在一些其他实施例中，升降舵103设置于机身101的底部，具体来说，在机身101的底部设置用于安装升降舵103的缺口，根据所需升降舵103的数量对应设置缺口数量，将升降舵103对应安装于该缺口中，实现升降舵103在机身底部的连接。位于底部的升降舵103能够相对机身朝机身位于y轴方向上的两侧摆动。具体实施时，升降舵103可采用与机身底部尖端一致的外表面，从而升降舵103的两侧表面均与机身两侧表面平齐，从而升降舵103的外表面能平滑旋接机身101其他部位的外表面，保持外表的平整性，有助于减少风阻。

并且由于全飞翼设计使得垂直起降飞行器的机身101和机翼形成一个整体，扩大了机身101的表面积，从而增大了覆盖于机身101外表面的吸附膜的面积，增强了垂直起降飞行器净化空气的能力。

作为另一个实施例，垂直起降飞行器还包括第一电池组和第二电池组，第一电池组和第二电池组均能够给垂直起降飞行器供电，大大增加了垂直起降飞行器的续航能力。

具体的，第一电池组和第二电池组可以独立运行，即使其中一个损坏，也不会耽误另一个电池组的工作，增强垂直起降飞行器运行的安全性。

具体的，第一电池组和第二电池组在机身上对称设置，使得垂直起降飞行器更容易保持平衡。

作为另一个实施例，垂直起降飞行器内腔中还包括三套冗余系统，当控制系统无法工作时，冗余系统可以代替控制系统工作，大大提高了垂直起降飞行器运行的安全性。

作为另一个实施例，垂直起降飞行器的机身101采用整体采用碳纤维一体化设计，机身101根据等强度原则设计，此外，根据垂直起降飞行器工作过程实际受力情况，对其不同部位的内部结构、壁厚进行有限元分析、优化设计，在保证强度的同时，最大化地减轻整机重量，增加了垂直起降飞行器的机身101强度，进一步提高了垂直起降飞行器的安全性。

发明还公开了一种垂直起降飞行器飞行方法，该垂直起降飞行器飞行包括三个步骤，起飞步骤、巡航步骤和降落步骤。在起飞步骤中，垂直起降飞行器通过螺旋桨102垂直起飞并上升至一定高度后悬停，在巡航步骤中，通过垂直起降飞行器上的螺旋桨102和升降舵103的配合，改变垂直起降飞行器的运动，从而使得垂直起降飞行器可以进行水平运动、转向运动或翻转运动，完成飞行后的垂直起降飞行器悬停后，通过螺旋桨102完成降落。

由于在上述方法中，垂直起降飞行器起飞到一定的高度后会进行悬停，然后在螺旋桨102和升降舵103的配合下，可以使得垂直起降飞行器进行巡航工作。相较于需要升降驱动系统和水平推动系统的无人机，本实施例中的垂直起降飞行器重量更低，增强了垂直起降飞行器的续航能力。

在起飞步骤中，当垂直起降飞行器由于天气等原因出现偏转时，可以通过垂直起降飞行器上的升降舵103和螺旋桨102的配合，调整垂直起降飞行器的飞行姿态和飞行方向。例如，如图3所示，当垂直起降飞行器的机头104向y轴正向偏转时，升降舵103可以向y轴正向方向转动，从而使得垂直起降飞行器逐渐变为图2所示的状态。

当垂直起降飞行器完成起飞步骤，并处于悬停状态时，可以使用垂直起降飞行器的螺旋桨102和垂直起降飞行器的升降舵103的配合使得垂直起降飞行器开始飞行。例如，垂直起降飞行器需要向y轴正向开始飞行时，首先，让方向舵向y轴方向进行偏移，使得垂直起降飞行器的机头104向y轴的正向进行转动，然后通过螺旋桨102驱动垂直起降飞行器开始向y轴正向开始移动，由于此时垂直起降飞行器的螺旋桨102具有一定的角度，所以其在向y轴方向移动的同时，可能会存在围绕z轴方向的转动，此时可以调整升降舵103，使得部分的升降舵103相y轴正向转动，部分的升降舵103向y轴的负向进行转动，从而使得垂直起降飞行器可以平稳的向y轴正向进行移动。

垂直起降飞行器通过螺旋桨102和升降舵103控制垂直起降飞行器进行水平飞行，爬升等运动，例如，例如，当垂直起降飞行器处于悬停状态时，可以调节垂直起降飞行器的螺旋桨102的转速，使得垂直起降飞行器按照弧形的轨迹进行移动。例如，当垂直起降飞行器处于悬停状态时，调整垂直起降飞行器的升降舵103围绕z轴朝向y轴方向转动至图3的位置，并加速螺旋桨102的转速，即可完成垂直起降飞行器的爬升。例如，当垂直起降飞行器需要进行直线运动时，可以调整垂直起降飞行器的升降舵103围绕z轴向y轴方向转动至图3的位置，通过调整螺旋桨102的转速，使得垂直起降飞行器向y轴方向移动。完成工作后的垂直起降飞行器可以实行降落步骤，通过螺旋桨102和升降舵103可以使得垂直起降飞行器在指定高度和地点进行悬停，然后通过螺旋桨102使得垂直起降飞行器逐渐降落。

在上述垂直起降飞行器的实施例中，垂直起降飞行器结构简单，只需通过螺旋桨102和升降舵103的配合即可使垂直起降飞行器完成垂直起飞和转向、翻转等运动，相较于需要两套动力系统系统的无人机，上述实施例提供的垂直起降飞行器重量轻，体积小，能够有效地减少垂直起降飞行器运动中的阻力，提升垂直起降飞行器的续航能力，且能在一定程度上增大有效载荷。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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