倾转翼机构及具有倾转翼机构的无人机的制作方法

【技术领域】

本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种倾转翼机构及具有倾转翼机构的无人机。

背景技术：

无人机(uav)拥有的高灵活性、轻巧性和可操控性等众多优点使其获得广泛应用，在环境保护领域，利用无人机遥感技术对建设项目进行环评、验收、水土监测完成环境保护管理任务；从土地植被变化、水污染估算、栖息地统计等完成环境监测任务。资源管理方面，主要利用无人机影像设备完成土地资源、地理信息参数统计等任务。农业生产中，通过无人机搭载装置完成农作物产量估测、病虫害监测和田间管理等任务。灾后救援方面，完成自然灾害的数据统计、灾区实时监测、灾中搜索救援和灾后灾情评估等工作。无人机在快递运输、线路巡检等方面也逐渐登上舞台。

而垂直起降技术的使用，为无人机的发展锦上添花，零距离起降的优秀表现，加上固定翼长航时稳定飞行使垂直起降无人机成为当下无人机设计的主流。垂直起降固定翼无人机分为以下几种，倾转式(旋翼或者机翼)垂直起降无人机、复合式垂直起降无人机、尾座式垂直起降无人机和涵道风扇垂直起降无人机。相比于直升机，垂直起降无人机在设计成本上会大大降低、给定任务基础上无人机的操控性和稳定性较高、续航时间更长。与旋翼机相比，旋翼机续航方面必定不及垂直起降无人机；其次，旋翼机的抗风性能差、飞行速度低。在需要大面积任务飞行时，旋翼机往往不会被采用。与普通固定翼相比，垂直起降无人机在起降环境差的林场、山地等地区有更出色的表现。相关技术中的无人机的倾转旋翼大多采用旋转电机的方式，电机在倾转过程及锁定时，舵机一直处于受力状态，需要承受锁定力矩。力矩直接使用在舵机的转轴上，从而使舵机齿轮组承受力及寿命下降，大大降低无人机飞行的可靠性。

因此，实有必要提供一种新的倾转翼机构及具有倾转翼机构的无人机解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是：提供一种倾转翼机构及一种具有该倾转翼机构的无人机，其可靠性好，飞行品质高。

为实现上述技术效果，本发明提供一种倾转翼机构，包括固定翼和分别设于所述固定翼两端的旋转翼，所述旋转翼包括：第一翼、第二翼，所述固定翼和所述第一翼转动相连，所述固定翼和所述第二翼转动相连，所述倾转翼机构还包括驱动所述旋转翼相对所述固定翼旋转的旋转动力单元，所述第一翼上设有第一电机，所述第二翼上设有第二电机。

优选的，所述旋转动力单元包括：蜗轮、蜗杆、旋转电机，所述蜗轮设于所述固定翼下方，所述蜗杆沿所述固定翼的长度方向贯穿所述固定翼且所述蜗杆的两端分别延伸至所述第一翼和第二翼内，所述蜗杆与所述固定翼转动相连，所述蜗杆与所述第一翼固定相连，所述蜗杆与所述第二翼固定相连。

优选的，所述蜗杆由空心碳杆制成，所述蜗杆内设有分别连接所述第一电机和所述第二电机的电线。

优选的，所述固定翼和所述第一翼之间设有用于插接所述固定翼和所述第一翼的以防止二者相对旋转的第一电子插销，所述固定翼和所述第二翼之间设有用于插接所述固定翼和所述第二翼的以防止二者相对旋转的第二电子插销。

优选的，所述第一翼的长度为所述固定翼长度的1/3-1/5，所述第二翼的长度为所述固定翼长度的1/3-1/5。

优选的，所述固定翼包括：上翼板、下翼板和加强板，所述上翼板为中部拱起的曲面板，所述下翼板为平面板，所述上翼板和所述下翼板的同向的边部相连且所述上翼板和所述下翼板共同围成两端开口的支撑腔，所述加强板连接所述上翼板和所述下翼板。

优选的，所述加强板为间隔设置多块且多块所述加强板完全收容于所述支撑腔内。

一种具有倾转翼机构的无人机，包括如上所述的倾转翼机构，所述具有倾转翼机构的无人机还包括机身和尾翼单元，所述蜗轮和旋转电机均设于所述机身内。

优选的，所述蜗轮的旋转轴的穿过所述具有倾转翼机构的无人机的重心。

优选的，所述尾翼单元包括分别与所述机身固定相连的水平尾翼和竖直尾翼，所述水平尾翼上设有尾翼电机。

与相关技术相比，本发明一种具有倾转翼机构的无人机，可在无人机由垂直方向飞行变为水平飞行时提高无人机稳定性，当突遇大风时，也可以通过调整旋转翼的倾转角去提高抗风能力，保证具有倾转翼机构的无人机巡航过程的飞行品质。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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它的附图，

其中：

图1为本发明一种具有倾转翼机构的无人机的一个方向的立体图(仅示出实线)；

图2为本发明一种具有倾转翼机构的无人机的另一个方向的立体图；

图3为本发明一种具有倾转翼机构的无人机的一个方向的立体图(还示出虚线)；

图4为图1中a处的局部放大图；

图5为图2中b处的局部放大图；

图6为本发明一种具有倾转翼机构的无人机从多旋翼转变成固定翼模式流程图。

图中：

1.倾转翼机构，2.机身，3.尾翼单元，11.固定翼，12.第一翼，13.第二翼，14.旋转动力单元，15.第一电机，16.第二电机，17.第一电子插销，18.第二电子插销，31.水平尾翼，32.竖直尾翼，33.尾翼电机，111.上翼板，112.下翼板，113.加强板，100.支撑腔，1131.减重孔。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参附图1-6，一种具有倾转翼机构的无人机，包括倾转翼机构1，具有倾转翼机构的无人机还包括机身2和尾翼单元3，蜗轮和旋转电机均设于机身2内。倾转翼机构1包括固定翼11和分别设于固定翼11两端的旋转翼，旋转翼包括：第一翼12、第二翼13，固定翼11和第一翼12转动相连，固定翼11和第二翼13转动相连，倾转翼机构1还包括驱动旋转翼相对固定翼11旋转的旋转动力单元14，第一翼12上设有第一电机15，第二翼13上设有第二电机16。

本实施方式中，一种具有倾转翼机构的无人机采用常规固定翼的无人机布局，拥有大展弦比的固定翼11，固定翼11宽大，为本发明一种具有倾转翼机构的无人机提供良好的升阻力。机身2尾部装有尾翼单元3，用来维持飞行平衡。尾翼单元3包括分别与机身2固定相连的水平尾翼31和竖直尾翼32，水平尾翼31上设有尾翼电机33。尾翼电机33功率较小，用来维持本发明一种具有倾转翼机构的无人机在垂直起降时的平衡。大展弦比的固定翼11的两端装有可旋转的旋转翼，旋转翼包括第一翼12和第二翼13。在第一翼12和第二翼13在起降阶段会向上翻转90°，实现本发明一种具有倾转翼机构的无人机的垂直起降。分别安装于第一翼12和第二翼13上的第一电机15、第二电机16的功率较大，为本发明一种具有倾转翼机构的无人机的主要动力系统。本发明一种具有倾转翼机构的无人机的自重设计在6kg左右，负载设计在2kg以内，所以每台大功率电机的最大拉力要达到4kg。本实施方式中，第一电机15和第二电机16的型号均为qa-5308电机。

其中：旋转动力单元14包括：蜗轮、蜗杆、旋转电机，蜗轮设于固定翼11下方，蜗杆沿固定翼11的长度方向贯穿固定翼11且蜗杆的两端分别延伸至第一翼12和第二翼13内，蜗杆与固定翼11转动相连，蜗杆与第一翼12固定相连，蜗杆与第二翼13固定相连。

旋转动力单元14用于实现旋转翼的旋转，旋转电机和蜗轮位于机身2内部，用来实现旋转翼的旋转。蜗轮和蜗杆啮合形成传动机构，旋转动力单元14中，固定翼11上设有套筒，套筒的轴线与蜗杆的轴线对齐，蜗杆贯穿过套筒且蜗杆的两端分别于旋转翼相连，蜗杆与机身2内部的蜗轮相啮合，旋转电机转动带动蜗轮蜗杆转动，从而实现旋转翼的旋转。蜗轮的旋转轴穿过具有倾转翼机构的无人机的重心。即，旋转翼旋转时的旋转轴的位置位于整机重心所在轴线上，这样旋转翼旋转时就不会因为不平衡问题而导致飞机飞行不稳定或者难于操控。旋转翼与固定翼11之间安装了电子插销，当飞机由垂直方向飞行变为水平飞行时，旋转翼部分变为水平时电子插销弹出，防止旋转翼发生转动，提高了飞行的稳定性。

更具体地，蜗杆由空心碳杆制成，蜗杆内设有分别连接第一电机15和第二电机16的电线。而安装在旋转翼的两个螺旋桨电机(第一电机15和第二电机16)的电线可以通过空心碳杆与电源相连，螺旋桨电机也可以固定在这个碳杆上。

更具体地，固定翼11和第一翼12之间设有用于插接固定翼11和第一翼12的以防止二者相对旋转的第一电子插销17，固定翼11和第二翼13之间设有用于插接固定翼11和第二翼13的以防止二者相对旋转的第二电子插销18。电子插销安装与旋转翼和固定翼11的连接部分，当旋转翼变为水平时电子插销弹出，防止旋转翼发生转动。当旋转翼需要旋转时，电子插销收起，旋转翼可自由转动。

更具体地，第一翼12的长度为固定翼11长度的1/3-1/5，第二翼13的长度为固定翼11长度的1/3-1/5。更具体地，固定翼11两端的旋转翼部分为展长的40％，该结构方便旋转翼进行旋转。

更具体地，固定翼11包括：上翼板111、下翼板112和加强板113，上翼板111为中部拱起的曲面板，下翼板112为平面板，上翼板111和下翼板112的同向的边部相连且上翼板111和下翼板112共同围成两端开口的支撑腔100，加强板113连接上翼板111和下翼板112。加强板113为间隔设置的多块且多块加强板113完全收容于支撑腔100内。该结构利于减轻固定翼11的重量同时保证机翼宽大，为飞机提供良好的升阻力。

本发明一种具有倾转翼机构的无人机的使用时，通过电子调速计调控三个电机(第一电机15、第二电机16和尾翼电机33)的转速，用于为飞机提供合适的升力和推力，最终操控本发明一种具有倾转翼机构的无人机的姿态和飞行速度。从操控过程可以分解成三个阶段，分别为垂直起降阶段、多旋翼和固定翼之间的过渡阶段和固定翼水平飞行阶段。

(一)垂直起降阶段

垂直起降时，大功率电机(第一电机15和第二电机16)随着旋转翼一同向上翻转一定的角度，通过电子调速计的调控增大或减小大功率电机的转速，以为飞机提供足够的升力并且调控尾翼上的小功率电机(尾翼电机33)，使小功率电机可以为飞机提供保持平衡的转力。三台电机共同作用完成垂直起降。

(二)多旋翼和固定翼之间的过渡阶段

图6为从多旋翼转变成固定翼模式流程图，当发明一种具有倾转翼机构的无人机处于在空中悬停的阶段时，通过电子调速计调控三个电机(第一电机15、第二电机16和尾翼电机33)的功率，以及控制旋转电机动作，可控制旋转翼的倾转角度，从而使本发明一种具有倾转翼机构的无人机变为水平飞行的状态。

(三)水平飞行

在本发明一种具有倾转翼机构的无人机水平巡航时，飞机飞行近似为匀速飞行，推力向前倾转，旋转翼变为水平方向，同时由固定翼11和旋转翼承担部分或全部升力。此时尾翼的小功率电机关闭，大功率电机在电子调速计的调控下，可改变转速进而改变飞机的飞行速度。

与相关技术相比，本发明具的有益效果如下：

1.通过旋转翼实现垂直起降，减少舵机受力，以减少能耗

现有的倾转旋翼技术，采用倾转电机方式，但其在飞行过程中舵机一直处于受力状态，而本发明采用旋转翼结构，只有在垂直起降时，舵机处于受力状态。当无人机旋转翼变为水平时，舵机便处于不受力的状态。由于运动舵机不需要承受锁定力矩且只在倾转过程工作,使舵机寿命大大提高，无人机整体可靠性也大为提高；另外，在水平前飞时运动舵机都处于不受力状态，可以使得舵机不通电工作，极大减少了舵机的耗电量。

2.旋转翼的合适展弦比

现有的旋转翼部分占整个机翼比例均不太合适，本发明选取旋转部分占展长的40％，左右两端可旋转部分分别都为1050mm。有效解决了由于旋转翼的尺寸较大，导致旋转时阻力也比较大，飞机不易操控的问题，以及解决了旋转翼尺寸较小，垂直飞行时会受到较大的阻力的问题。

3.旋转翼为中空结构，提高机构的利用率

在本发明中的旋转翼为中空结构，转接件穿设于倾转轴中并通过螺栓与倾转轴紧固连接。通过将旋转翼设置成中空结构，一方面可以降低倾转轴的重量，另一方面从机身2到倾转翼机构1的供电导线和数据传输线可以在倾转轴中穿设排布，提高了机构的利用率，使得整个具有倾转翼机构的无人机结构更为简洁，并有效降低成本。

4.应用蜗轮蜗杆装置来实现机翼的旋转

在本发明的旋转翼为中空结构，应用一根与两端旋转翼固连的蜗杆通过固定翼11轴线上的套筒，与机身2内部的蜗轮相耦合，再通过电机带动，安装在旋转翼的两个螺旋桨电机的电线通过空心碳杆与电源相连，螺旋桨电机也可以固定在这个碳杆上。提高了旋转翼转向的稳定性。

5.选用电子插销设计来提高无人机的稳定性

在旋转翼与固定翼11之间安装电子插销，因为当飞机由垂直方向飞行变为水平飞行时，旋转翼需要变为水平，为了保证在水平飞行的稳定性，在旋转翼与固定翼11之间安装电子插销，防止在阻力的影响下发生转动，提高了飞行的稳定性。

6.本发明可通过调整固定翼与旋转翼倾转角以实现无人机的平稳飞行

由飞控根据无人机的状态来调整调整固定翼11与旋转翼倾转角，综合兼顾耦合影响、能量损耗和过渡完成时的超调等多个指标，获得最优倾转角曲线，提高具有倾转翼机构的无人机过渡过程飞行品质。

由上可知，本发明一种具有倾转翼机构的无人机，兼具固定翼飞行器的较长的续航时间、多旋翼飞行器的较高的悬停效率、以及较强飞行机动性能等优点，旋转翼的设计可以实现垂直起降，大大降低现有固定翼对起降条件的要求。本发明一种具有倾转翼机构的无人机的旋转翼的设计很好解决现有倾转电机设计带来抗风能力弱、续航时间短、舵机一直处于受力状态等缺点，可以实现只在垂直起降时，舵机处于受力状态，极大减少了舵机的耗电量。长时间处于未受力状态，也使舵机寿命大大提高，无人机整体可靠性也大为提高；本发明的电子插销、飞控调整倾转角速度、机尾水平翼上的小功率电机等设计，可以在无人机由垂直方向飞行变为水平飞行时提高无人机稳定性，当突遇大风时，也可以通过调整旋转翼的倾转角去提高抗风能力，保证具有倾转翼机构的无人机巡航过程的飞行品质。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

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