一种适用于变体垂直起降无人机的作动机构设计的制作方法

本发明属于飞行器设计领域，涉及一种垂直起降无人机变体作动的机构设计方案，具体来说是一种适用于后机身变体垂直起降无人机的变体作动机构设计方案。

背景技术：

变体式垂直起降无人机采用机体-螺旋桨一体式倾转的模态转换飞行策略，同时变体机构作动，改变无人机构型以适应不同模态下的飞行条件，兼具多旋翼无人机、无人直升机的垂直起降能力和常规固定翼无人机的气动效率高的优点，在军事侦察和民用救灾等领域都具有很高的应用价值。

变体式垂直起降无人机不同飞行模态之间的切换以及构型的转变需要通过变体机构作动实现，根据变体动作的运动以及载荷要求设计得到重量轻、工作可靠的机构方案一直是该类型飞行器研究的重点之一。变体式垂直起降无人机的飞行剖面分为垂直起降模态、过渡飞行模态以及水平飞行模态，垂直起降模态要求后机身上部b与后机身下部c张开夹角150°，过渡飞行模态下后机身上部b与后机身下部c夹角逐渐收缩，水平飞行模态下，后机身上部b与后机身下部c合并并锁定，变换为正常式布局飞行器。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种适用于变体式垂直起降无人机的新型作动机构，能够根据飞行模态的不同变动得到合适的构型，满足当前模态下的操纵性能以及飞行效率的要求，同时结构重量轻，作动效率高。

本发明适用于变体垂直起降无人机的作动机构设计，包括后机身开合控制机构、推拉杆式倾转机构与插销式后机身锁定机构。

其中，后机身开合控制机构采用丝杠螺母驱动方式，由驱动电机控制丝杠转动，带动螺母沿无人机前后移动。通过丝杠螺母上下相对位置铰接的两根连杆连接后机身上下部分，实现无人机后机身上下部分的开合控制。

推拉杆式倾转机构采用直线电机驱动输出轴端部连接的短舱进行倾转运动，保证短舱轴向指向飞控指令指定的方向。

插销式后机身锁定机构采用插销方式实现两后机身合并时的相互锁定。

本发明的优点在于：

(1)本发明适用于变体垂直起降无人机的作动机构设计，主要的后机身分离合并机构采用高传动比且带有自锁功能的螺旋丝杆机构，设计有新型三构件转轴合页以及开槽碳纤维材质的机构短舱，重量轻，形式简单可靠；

(2)本发明适用于变体垂直起降无人机的作动机构设计，推拉杆式倾转机构安装于垂尾之上，依托控制指令能够精确控制短舱相对前机身a的倾转角度，省去了同主变体机构的复杂机械连接，结构形式简单可靠，重量轻；

(3)本发明适用于变体垂直起降无人机的作动机构设计，后机身分离合并机构依托前后机身外形设计得到了新型三构件复合合页，结构形式简单，承载能力强且传动精准；

(4)本发明适用于变体垂直起降无人机的作动机构设计，后机身合并锁定机构插销头以及插座采用锥形配合，结合u形定位金属件，具有自动机械找中找心的功能，可以保证两后机身相对位置在稍有偏差的情况下依然精确对准合并并锁紧s，改善了巡航状态下主变体机构的受力环境，同时保证了固定翼飞行模式下机身外形的干净流畅；

(5)本发明适用于变体垂直起降无人机的作动机构设计，简单可靠，重量轻，控制精度高，三部分结合能够精确完成任意指定的变体动作，为研发新的变体及倾转动作协调策略增加了灵活度。

附图说明

图1为本发明作动机构所应用的无人机水平飞行模态示意图。

图2为本发明作动机构所应用的无人机垂直起降飞行模态示意图。

图3为本发明作动机构组成总示意图。

图4为本发明作动机构中后机身开合控制机构示意图。

图5为后机身开合控制机构中三构件复合合页结构示意图。

图6为后机身开合控制机构中三构件复合合页结构爆炸图。

图7为本发明作动机构中推拉杆式倾转机构示意图。

图8为本发明作动机构中插销式后机身锁定机构示意图。

图9为插销式后机身锁定机构锁定方式示意图。

图中：

1-后机身开合控制机构2-推拉杆式倾转机构3-插销式后机身锁定机构

101-高精度驱动电机102-三构件复合合页103-螺旋丝杆舱

104-螺旋丝杆105-丝杆螺母106-连杆连接环

107-支撑连杆108-连杆连接座109-刚性联轴器

110-前端盖111-后端盖112-滑道

102a-v字型合页102b-上叶片102c-下叶片

102d-转轴201-倾转直线舵机202-直线舵机固定座

203-直线舵机连接件301-合并锁定直线舵机302-锥形头推拉杆

303-内锥形金属插座304-u型自动找中金属扣件

a-前机身b-后机身上部c-后机身下部

d-短舱

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，对于现有变体式垂直起降无人机，机身由前机身a与后机身构成；前机身后段设计为v型结构，具有上下斜面。后机身由水平横截面分割为后机身上部b与后机身下部c。后机身上部b和后机身下部c的前端与前机身a后端间铰接，且前端设计为楔形，后机身上部b与后机身下部c前端分别具有上斜面与下斜面；通过变体机构可实现后机身上部b与后机身下部c相对前机身a的转动，且当后机身上部b的上斜面与前机身a的上斜面贴合，以及后机身下部c的上斜面与前机身a的下斜面贴合时，无人机处于垂直起降模态。过渡飞行模态下，后机身上部b与后机身下部c夹角逐渐收缩；水平飞行模态下，后机身上部b与后机身下部c相对面贴合并锁定，变换为正常式布局固定翼无人机。

后机身上部b与后机身下部c末端设计有上下对称的垂直尾翼，两个垂直尾翼梢部前缘设计有短舱d，短舱d末端与垂直尾翼间铰接。同时位于后机身上部b的垂直尾翼顶端两侧具有对称的水平尾翼，水平尾翼与位于上方的短舱d固接。短舱d内安装有电机，电机的输出轴安装有螺旋桨，由电子调速器对电机转速进行调整控制。

本发明针对前述变体式垂直起降无人机的作动机构，如图3所示，包括后机身开合控制机构1、推拉杆式倾转机构2与插销式后机身锁定机构3。

所述后机身开合控制机构1用于在变体垂直起降无人机进行不同模态的切换运动时，实现后机身上部b与后机身下部c间的高精度开合控制。后机身开合控制机构1由带位置传感器的高精度驱动电机101、三构件复合合页102、螺旋丝杆舱103、螺旋丝杆104、丝杆螺母105、连杆连接环106、支撑连杆107与连杆连接座108等组成，如图4所示。

其中，驱动电机101主体后端面固定安装于前机身a内部的加强隔框上，输出轴平行于机身朝向后方设置。筒状螺旋丝杆舱103与驱动电机101同轴设置，前部穿过前机身a后端开孔，前端面与驱动电机101主体前端面周向间固定连接；螺旋丝杆舱103后部位于后机身上部b与后机身下部c相对侧面上开设的凹槽处，不影响后机身上部b与后机身下部c间的开合。螺旋丝杆104位于螺旋丝杆舱103内部，螺旋丝杆104的前端端部通过刚性联轴器109与驱动电机101的输出轴同轴固联；螺栓丝杆104前后位置通过螺栓丝杆舱前部与后部设计的前端盖110和后端盖111间通过轴承连接。螺栓丝杆104上螺纹套接有丝杆螺母105，两者间满足自锁条件；丝杆螺母105上固定套有连杆连接环106，该连杆连接环106上下相对位置具有用来连接支撑连杆107的连接头。支撑连杆107为两根，输入端分别铰接于连杆连接环106上下位置的连接头上，且分别穿过螺旋丝杆舱103上下位置沿螺旋丝杆舱103轴向设计的滑道112。两根支撑连杆107的输出端铰接有连接座，采用螺旋紧固的方式分别固连在后机身上部b与后机身下部c内的加强隔板上。

三构件复合合页102具有v字型合页102a、上叶片102b、下叶片102c与转轴102d，如图5、图6所示。其中，v字型合页102a开口夹角与前机身a末端夹角等角度，与前机身a后部夹角配合插接，并通过螺钉固定。v字型合页端端部，沿轴向等间隔设计有五个环形连接头，相连两个连接头间为插接位，则共四个插接位。上叶片一侧具有两个环形连接头，分别插入v字型合页102a一侧的两个插接位内；下叶片一侧同样具有两个环形连接头，分别插入v字型合页102b另一侧的两个插接位内；且通过转轴102d穿过v字型合页102a、上叶片102b与下叶片上的连接头中心孔，实现三者间的轴接。其中上叶片通过螺钉连接后机身上部b底面，下叶片通过螺钉连接后机身下部c顶面。上述结构三构件复合合页为两套分别安位于后机身螺旋丝杆分离合并主机构1左右两侧对称位置，通过上述方法实现前机身a与后机身上部b和后机身下部c间的连接。通过三构件复合合页实现前后机身间的连接，减小无人机整体重量，且使无人机结构紧凑，对于严格限制结构重量的无人机用机构适用性很强。

上述后机身开合控制机构1按照设定的控制指令作动，在由固定翼模式向多旋翼模式转换的过程中，后方上机身和后方下机身分离，此时，驱动电机101转动，使得丝杆螺母105相对螺旋丝杆104向前机身a方向移动，通过连杆连接环106、支撑连杆107、连杆连接座108将移动传递到后机身上部b与后机身下部c，使后机身上部b与后机身下部c绕三构件复合合页102的转轴102d转动分离。多旋翼模式向固定翼模式转换过程则相反。

所述推拉杆式倾转机构2，用于配合后机身开合控制机构1的变动动作，控制短舱d转动，保证尾部短舱d轴向指向飞控指令指定的方向，以实现降低飞行阻力提高操纵效率的目的。推拉杆式倾转机构2包括倾转直线舵机201、短舱连接件202与直线舵机固定座203，如图7所示。

其中，倾转直线舵机201主体固定安装于直线舵机固定座203上，输出轴朝向短舱d方向。直线舵机固定座203铰接于垂尾内部加强筋上。倾转直线舵机201输出轴与直线舵机201主体间具有滑动副。倾转直线舵机201输出轴前端与杆短舱连接件202间铰接，短舱连接件202左右两侧壁分别与短舱内的两个加强框通过螺栓紧固连接。

在模态转换过程中，通过按照指令控制直线舵机201输出轴向外伸长或向内收缩，使短舱d绕转轴顺时针或逆时针方向转动，参照几何关系控制直线舵机201输出轴的长度，即可精确控制短舱d的转动角度。

所述插销式后机身锁定机构3用于将后机身上部b与后机身下部c在固定翼飞行模式下精准贴合并锁定，改善无人机在固定翼飞行模式下的受力环境，同时保证固定翼飞行模式下无人机外形的完整流畅。插销式后机身锁定机构3包括合并锁定直线舵机301、锥形头推拉杆302、内锥形金属插座303与u型自动找中金属扣件304，如图8所示。

其中，合并锁定直线舵机301主体固定安装于后机身上部b底面，输出轴朝向后方，输出轴上同轴固定有锥形头推拉杆302，由此使锥形头推拉杆302同和并购锁定直线舵机301主体间形成滑动副，可伸缩运动。u形自动找中金属扣件303固定于合并锁定直线舵机301输出轴后方，且其u形槽位正下方开口。后机身下部c顶面上开孔，开孔处插接固定有内锥形金属插座303；当后机身上部b底面与后机身下部c顶面贴合时，内锥形金属插座303可经u形自动找中金属扣件303的u形槽位下方开口穿过，在u型自动找中金属扣件304内壁的引导下，与u形槽位配合插接，如图9所示，此时后机身上部b底面与后机身下部c左右两侧对齐。上述锥形头推拉杆302前端具有锥形头305，同时在u型自动找中金属扣件304上开有锥形孔306，该锥形头305与锥形孔306尺寸完全一致。

在由多旋翼模式转为固定翼模式的最后阶段(即后机身上部b与后机身下部c相对面靠近至贴合过程)，通过控制合并锁定直线舵机301输出轴伸长，使内锥形金属插座303与u型自动找中金属扣件304间配合插接；随后控制锥形头推拉杆302伸长，锥形头推拉杆302前端锥形头305在内锥形金属插座303的锥形孔306内壁的引导下自动对齐，完全插入锥形孔306内，实现后机身上部b与后机身下部c间的锁定，完成后机身上部b与后机身下部c间的精准合并操作，如图7所示；相反，在由固定翼模式向多旋翼模式转换初始，则先控制合并锁定直线舵机301输出轴伸长收缩，使锥形头推拉杆302的锥形头305与内锥形金属插座303的锥形孔306完全脱离，再进行控制后机身上部b与后机身下部c间的分离控制。

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