一种重载长续航的倾转旋翼无人机

技术领域

本发明涉及了一种倾转旋翼无人机，涉及无人机领域，具体涉及一种重载长续航的倾转旋翼无人机。

背景技术

近年来，无人机产业蓬勃发展。无人机主要分为固定翼和多旋翼结构。其中固定翼无人机能够以较高的速度飞行，可携带较大的有效载荷，同时还拥有较长的续航时间，但其通常需要起飞和降落的跑道，垂直起降受限。多旋翼无人机可以垂直起降，控制简单，稳定性高，能够精确悬停，但其飞行速度低，不合适需要快速覆盖大范围区域的任务，还需要消耗能量维持悬停，因此续航时间较短。

将固定翼和多旋翼无人机的优点结合，实现垂直起降与快速平飞。可降低无人机起降难度，提高其载重与续航能力。传统的倾转旋翼无人机仅分别倾转不同的旋翼，控制易出现故障，且易造成结构干扰与气流扰动，危险系数较大。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种重载长续航的倾转旋翼无人机。本发明将旋翼和固定翼无人机的优点结合，采用机翼架整体旋转的方式，增强运动模式转换的安全性，提高无人机的负载能力和续航能力。

本发明采用的技术方案是：

本发明的重载长续航的倾转旋翼无人机包括用于支撑和倾转的机翼架；包括安装在机翼架对称两侧的无人机翼；包括安装在机翼架下部并用于装载货物的货舱；包括安装在货舱上并用于控制无人机翼的无人机液压系统。

所述的机翼架为梯子状，机翼架包括两侧平行正对间隔布置的安装板以及连接在两个安装板之间的三根机翼连接杆，三根机翼连接杆沿机翼架的长度方向均匀间隔并相互平行布置且均垂直于两个安装板；无人机翼对称安装在两个安装板远离自身中心的两侧面，货舱铰接在两个安装板的底部中间。

所述的无人机翼包括两个侧翼，两个侧翼分别对称安装在机翼架的两个安装板远离自身中心的两侧面，每个侧翼包括主翼、后副翼、前副翼和三个旋翼，前副翼、主翼和后副翼沿机翼架的长度方向依次均匀间隔并相互平行布置且均垂直于两个安装板，两个前副翼的根端之间、两个主翼的根端之间和两个后副翼的根端之间均分别通过一根机翼连接杆相连接；前副翼、主翼和后副翼的末端均安装有一个旋翼，安装在前副翼上的旋翼包括前端旋翼和第一个旋翼保护罩，安装在主翼上的旋翼包括中旋翼和第二个旋翼保护罩，安装在前副翼上的旋翼包括后端旋翼和第三个旋翼保护罩，各个旋翼保护罩同心套装在各自的前端旋翼、中旋翼和后端旋翼外并分别安装在前副翼、主翼和后副翼的末端；后端旋翼、中旋翼和前端旋翼均连通至无人机液压系统。

所述的机翼架的安装板自后副翼指向前副翼的板面长度方向与无人机翼的主翼自机翼架的底面指向顶面的板面宽度方向之间的夹角呈45度，各个旋翼的旋转面垂直于主翼的板面。

所述的后副翼和前副翼的尺寸均相同，主翼的长度大于后副翼和前副翼的长度。

所述的货舱为中空的等腰直角三角状结构，货舱的顶角边的两端分别设有圆盘，两个圆盘中穿设有货舱轴；货舱的顶角边通过货舱轴铰接在机翼架的两个安装板底边中心之间并正对中间的一根机翼连接杆；货舱靠近无人机翼的后端旋翼的一侧面上对称设有两个L型的起降悬停可旋转锁止钉，每个起降悬停可旋转锁止钉的其中一段垂直铰接在货舱的一侧面上，另一段平行或垂直于机翼架的安装板的侧板面；货舱靠近无人机翼的前端旋翼的另一侧面上对称设有两个L型的平飞可旋转锁止钉，每个平飞可旋转锁止钉的其中一段垂直铰接在货舱的另一侧面上，另一段平行或垂直于机翼架的安装板的侧板面；当机翼架的底面旋转至靠近货舱的某一侧面时，侧面上的两个起降悬停可旋转锁止钉或两个平飞可旋转锁止钉穿过机翼架的两个安装板之间且其中一段紧贴各自靠近的一个安装板的内侧面，另一段由平行于安装板的状态旋转至垂直于安装板的状态并扣住安装板的顶面，使得机翼架和货舱紧贴。

机翼架与货舱轴之间可旋转，通过轴内限位销以及货舱前后侧的可旋转锁止钉固定机翼架。无人机通过货舱轴上的圆盘内部限位销和前后两侧的可旋转锁止钉固定旋转后的机翼架。圆盘上有两个限位孔呈90度角分布，当机翼架旋转至与地面夹角45度，即无人机处于垂直起降或悬停状态，或者与地面夹角135度，即无人机处于平飞状态时，无人机收到信号，控制限位销自动弹入对应限位孔进行锁定，同时控制前侧或后侧对应可旋转锁止钉旋转90度，压紧机翼架固定，保持旋翼、主翼和副翼的垂直或者水平状态。

所述的每个圆盘上设有两个呈90度分布的限位孔和一个限位销，货舱的货舱轴通过限位销限位在两个圆盘正对的其中两个限位孔中。

当无人机飞行模式需要改变时限位销打开，机翼架旋转至旋翼垂直或水平状态时，限位销自动弹入机翼架使其固定。货舱前后两侧各有两个可旋转锁止钉，机翼架旋转至旋翼垂直或水平状态时，可旋转锁止钉旋转90度，压紧机翼架进行固定。

本发明的的倾转旋翼无人机的控制方法，包括：

所述的倾转旋翼无人机处于垂直起降或悬停模式时，货舱的底面与地面平行，机翼架与地面夹角呈45度，后副翼位于主翼和前副翼的下方，两个起降悬停可旋转锁止钉扣住安装板的顶面，使得货舱的一侧面紧贴机翼架靠近两个起降悬停可旋转锁止钉的底面，货舱的货舱轴被限位销限位在两个圆盘正对的其中两个限位孔中；无人机翼的各个主翼、后副翼和前副翼的板面处于竖直状态，各个旋翼的旋转面处于水平状态，无人机液压系统控制各个旋翼旋转相同并提供全部向上的升力使得倾转旋翼无人机垂直起降或悬停。

倾转旋翼无人机自垂直起降或悬停模式转换为平飞模式时，货舱的底面与地面始终平行，两个起降悬停可旋转锁止钉的其中一段旋转使得另一段与安装板的侧板面平行，此时两个平飞可旋转锁止钉的另一段与安装板的侧板面平行，货舱的限位销打开，无人机液压系统控制各个旋翼旋转使得后端旋翼的转速大于前端旋翼的转速，机翼架绕货舱轴旋转至与地面夹角呈135度，前副翼移动至位于主翼和后副翼的下方，两个平飞可旋转锁止钉的其中一段旋转使得另一段与安装板的侧板面垂直并扣住安装板的顶面，使得货舱的另一侧面紧贴机翼架靠近两个平飞可旋转锁止钉的底面，货舱的货舱轴被限位销限位在两个圆盘正对的另外两个限位孔中；无人机翼的各个主翼、后副翼和前副翼的板面处于水平状态提供全部升力，各个旋翼的旋转面处于竖直状态，无人机液压系统控制各个旋翼按相同的转速旋转提供全部前进的动力使得倾转旋翼无人机平飞。

无人机具有旋翼与固定翼双重特征，具有六个旋翼，即具有六个自由度，运动方向控制便利，六个旋翼呈左右对称均布在与机翼架固连的主副翼上。通过机翼架的转动改变旋翼的方向，实现起降悬停和平飞的转换。通过机翼架两端的旋翼差速产生力矩，机翼架发生旋转，使旋翼、主副翼可在垂直与水平状态转换。起降与悬停时，无人机为六旋翼布局，旋翼为水平状态，提供全部升力，主副翼为竖直状态，气流扰动小；平飞时旋翼为竖直状态，提供前进动力，主副翼为水平状态，提供升力。

本发明的有益效果是：

1、本发明兼具旋翼和固定翼无人机两种优点，能垂直起降、悬停和快速平飞，具有六个自由度，易于控制运动方向且环境适应能力强。

2、本发明采用燃油发动机和液压系统作为动力源，相比于电机驱动，负载能力强且运行稳定。

3、本发明结构简单，所受风阻较小，能耗较低，续航较长。

4、本发明通过机翼架上旋翼差速转动实现机翼架整体的倾转，达到运动模式的转换。机翼架整体倾转系统结构复杂度低，安全系数高。

总之，本发明无人机具有起降要求低、平飞速度快、能耗低的优点，从而可增加航程和负载。机翼架整体旋转使气流扰动减少，可提高飞行模式转换的安全性。

附图说明

图1为无人机的整体结构示意图；

图2为无人机垂直起降和悬停时机翼架、旋翼、主翼、副翼位置侧视图；

图3为无人机垂直起降和悬停时机翼架、旋翼、主翼、副翼位置俯视图；

图4为无人机快速平飞时机翼架、旋翼、主翼、副翼位置侧视图；

图5为无人机快速平飞时机翼架、旋翼、主翼、副翼位置正视图；

图中：1、主翼，2、后副翼，3、前副翼，4、旋翼，4-1、后端旋翼，4-2、中旋翼，4-3、前端旋翼，5、旋翼保护罩，6、机翼架，7、机翼连接杆，8、货舱，8-1、圆盘，8-2、起降悬停可旋转锁止钉，8-3、平飞可旋转锁止钉。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的重载长续航的倾转旋翼无人机包括用于支撑和倾转的机翼架6，包括安装在机翼架6对称两侧的无人机翼，包括安装在机翼架6下部并用于装载货物的货舱8，包括安装在货舱8上并用于控制无人机翼的无人机液压系统。

机翼架6为梯子状，机翼架6包括两侧平行正对间隔布置的安装板以及连接在两个安装板之间的三根机翼连接杆7，三根机翼连接杆7沿机翼架的长度方向均匀间隔并相互平行布置且均垂直于两个安装板；无人机翼对称安装在两个安装板远离自身中心的两侧面，货舱8铰接在两个安装板的底部中间。

无人机翼包括两个侧翼，两个侧翼分别对称安装在机翼架6的两个安装板远离自身中心的两侧面，每个侧翼包括主翼1、后副翼2、前副翼3和三个旋翼4，前副翼3、主翼1和后副翼2沿机翼架的长度方向依次均匀间隔并相互平行布置且均垂直于两个安装板，两个前副翼3的根端之间、两个主翼1的根端之间和两个后副翼2的根端之间均分别通过一根机翼连接杆7相连接；前副翼3、主翼1和后副翼2的末端均安装有一个旋翼4，安装在前副翼3上的旋翼4包括前端旋翼4-3和第一个旋翼保护罩5，安装在主翼1上的旋翼4包括中旋翼4-2和第二个旋翼保护罩5，安装在前副翼3上的旋翼4包括后端旋翼4-1和第三个旋翼保护罩5，各个旋翼保护罩5同心套装在各自的前端旋翼4-3、中旋翼4-2和后端旋翼4-1外并分别安装在前副翼3、主翼1和后副翼2的末端；后端旋翼4-1、中旋翼4-2和前端旋翼4-3均连通至无人机液压系统。

机翼架6的安装板自后副翼2指向前副翼3的板面长度方向与无人机翼的主翼1自机翼架6的底面指向顶面的板面宽度方向之间的夹角呈45度，各个旋翼4的旋转面垂直于主翼1的板面。

后副翼2和前副翼3的尺寸均相同，主翼1的长度大于后副翼2和前副翼3的长度。

货舱8为中空的等腰直角三角状结构，货舱8的顶角边的两端分别设有圆盘8-1，两个圆盘8-1中穿设有货舱轴；货舱8的顶角边通过货舱轴铰接在机翼架6的两个安装板底边中心之间并正对中间的一根机翼连接杆7；货舱8靠近无人机翼的后端旋翼4-1的一侧面上对称设有两个L型的起降悬停可旋转锁止钉8-2，每个起降悬停可旋转锁止钉8-2的其中一段垂直铰接在货舱8的一侧面上，另一段平行或垂直于机翼架6的安装板的侧板面；货舱8靠近无人机翼的前端旋翼4-3的另一侧面上对称设有两个L型的平飞可旋转锁止钉8-3，每个平飞可旋转锁止钉8-3的其中一段垂直铰接在货舱8的另一侧面上，另一段平行或垂直于机翼架6的安装板的侧板面；当机翼架6的底面旋转至靠近货舱8的某一侧面时，侧面上的两个起降悬停可旋转锁止钉8-2或两个平飞可旋转锁止钉8-3穿过机翼架6的两个安装板之间且其中一段紧贴各自靠近的一个安装板的内侧面，另一段由平行于安装板的状态旋转至垂直于安装板的状态并扣住安装板的顶面，使得机翼架6和货舱8紧贴。

机翼架6与货舱轴之间可旋转，通过轴内限位销以及货舱8前后侧的可旋转锁止钉8-2、8-3固定机翼架6。无人机通过货舱轴上的圆盘8-1内部限位销和前后两侧的可旋转锁止钉8-2、8-3固定旋转后的机翼架6。圆盘8-1上有两个限位孔呈90度角分布，当机翼架6旋转至与地面夹角45度，即无人机处于垂直起降或悬停状态，或者与地面夹角135度，即无人机处于平飞状态时，无人机收到信号，控制限位销自动弹入对应限位孔进行锁定，同时控制前侧或后侧对应可旋转锁止钉旋转90度，压紧机翼架6固定，保持旋翼4、主翼1和副翼2、3的垂直或者水平状态。

每个圆盘8-1上设有两个呈90度分布的限位孔和一个限位销，货舱8的货舱轴通过限位销限位在两个圆盘8-1正对的其中两个限位孔中。

当无人机飞行模式需要改变时限位销打开，机翼架6旋转至旋翼4垂直或水平状态时，限位销自动弹入机翼架6使其固定。货舱8前后两侧各有两个可旋转锁止钉，机翼架6旋转至旋翼4垂直或水平状态时，可旋转锁止钉旋转90度，压紧机翼架6进行固定。

本发明的的倾转旋翼无人机的控制方法，包括：

如图2和图3所示，倾转旋翼无人机处于垂直起降或悬停模式时，货舱8的底面与地面平行，机翼架6与地面夹角呈45度，后副翼2位于主翼1和前副翼3的下方，两个起降悬停可旋转锁止钉8-2扣住安装板的顶面，使得货舱8的一侧面紧贴机翼架6靠近两个起降悬停可旋转锁止钉8-2的底面，货舱8的货舱轴被限位销限位在两个圆盘8-1正对的其中两个限位孔中；无人机翼的各个主翼1、后副翼2和前副翼3的板面处于竖直状态，各个旋翼4的旋转面处于水平状态，无人机液压系统控制各个旋翼4旋转相同并提供全部向上的升力使得倾转旋翼无人机垂直起降或悬停。

如图4和图5所示，倾转旋翼无人机自垂直起降或悬停模式转换为平飞模式时，货舱8的底面与地面始终平行，两个起降悬停可旋转锁止钉8-2的其中一段旋转使得另一段与安装板的侧板面平行，此时两个平飞可旋转锁止钉8-3的另一段与安装板的侧板面平行，货舱8的限位销打开，无人机液压系统控制各个旋翼4旋转使得后端旋翼4-1的转速大于前端旋翼4-3的转速，机翼架6绕货舱轴旋转至与地面夹角呈135度，前副翼3移动至位于主翼1和后副翼2的下方，两个平飞可旋转锁止钉8-3的其中一段旋转使得另一段与安装板的侧板面垂直并扣住安装板的顶面，使得货舱8的另一侧面紧贴机翼架6靠近两个平飞可旋转锁止钉8-3的底面，货舱8的货舱轴被限位销限位在两个圆盘8-1正对的另外两个限位孔中；无人机翼的各个主翼1、后副翼2和前副翼3的板面处于水平状态提供全部升力，各个旋翼4的旋转面处于竖直状态，无人机液压系统控制各个旋翼4按相同的转速旋转提供全部前进的动力使得倾转旋翼无人机平飞。

机翼架6转动通过变量泵差速调节方法控制，即通过燃油发动机带动变量泵向机翼架6两端旋翼4供油量不同，由变量泵驱动旋翼液压系统进行差速调节，两端旋翼4存在差速形成力矩，带动机翼架6整体发生转动，使旋翼4、主副翼1、2、3在垂直和水平状态间切换，实现垂直起降、悬停和快速平飞运动模式的转换。

当快速平飞模式转换为起降或悬停模式时，变量泵对前端旋翼4-3的供油量大于对后端旋翼4-1的供油量，前端旋翼4-3转速大于后端旋翼4-1的转速，机翼架6转动至与地面夹45度角。

当无人机处于运动模式转换过程中时，由控制系统给出指令，控制变量泵对旋翼4的供油量，使无人机逐步变换运动状态，逐步增加所有旋翼4的转速，以保证无人机有足够的升力并确保在平飞模式时有足够的速度使主副翼1、2、3提供全部的升力。同时，无人机左右两侧机翼架6通过机翼连接杆7固连，确保机翼架6差速倾转运动模式转换时的平稳性。

无人机的主副翼1、2、3需详细设计以满足无人机最大载重状态下快速平飞时的升力要求。旋翼4的桨叶翼型、直径需详细设计以满足无人机垂直起降，即所需功率最大时和悬停升力要求和平飞时的速度要求。需先确定无人机的快速平飞时性能指标要求，如负重要求、续航能力、平飞速度等参数，确定无人机主副翼1、2、3的详细参数，即确定主副翼1、2、3的初步尺寸和位置参数，以满足其平飞时的升力要求；再根据负载要求和运动模式转换功率要求等确定无人机燃油发动机、变量泵和六旋翼4的详细参数，最后根据无人机垂直起降、运动模式转换以及快速平飞时的综合性能指标要求给出初步的结构设计方案、控制设计方案、电气设计方案、动力设计方案并评估无人机的飞行性能和飞行质量，检验其负载和续航能力是否达标，给出合理的总体设计方案。

总体设计方案具体包括：

先根据无人机自重以及载重要求，以常规的固定翼无人机为基础，确定该无人机的尺寸、动力需求与升阻比，确定无人机主副翼1、2、3和旋翼4的初步尺寸和位置参数，确定旋翼保护罩5的大小；再根据无人机垂直起降、飞行模式变换要求、平飞速度及距离要求，确定六旋翼4的尺寸，位置，以及能使机翼架6发生旋转的转速差，并进行驱动方式选择。最后根据无人机起降、飞行模式变换、平飞全过程的总体性能指标确定无人机的结构、电气、控制设计方案，并评估无人机的飞行性能，确定总体设计方案。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。