本發(fā)明屬于飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種變體機(jī)構(gòu)，具體來(lái)說(shuō)，是一種用于垂直起降無(wú)人機(jī)的變體機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有垂直起降飛行器布局方案多采用傾轉(zhuǎn)旋翼、傾轉(zhuǎn)機(jī)翼、旋定變翼、尾坐式或旋翼/固定翼復(fù)合式等。

其中，傾轉(zhuǎn)旋翼方案面臨模態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜、控制難度大的問(wèn)題；傾轉(zhuǎn)機(jī)翼方案面臨傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承載高、重量大的問(wèn)題；旋定變翼方案面臨著旋翼機(jī)體氣動(dòng)力耦合復(fù)雜、控制難度大的問(wèn)題；尾坐式方案面臨垂直起降穩(wěn)定性差的問(wèn)題；復(fù)合式飛行器面臨著巡航效率和懸停效率都較低的問(wèn)題。因此，尋求一種既能穩(wěn)定垂直起降又能高效巡航，且模態(tài)轉(zhuǎn)換安全可靠，控制難度小，耗油率低的垂直起降飛行器成為當(dāng)前航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述多種垂直起降飛行器的不足，本發(fā)明提出一種用于垂直起降無(wú)人機(jī)的變體機(jī)構(gòu)，是一種應(yīng)用于垂直起降飛行器的，以后機(jī)身變體方案滿(mǎn)足雙模態(tài)布局轉(zhuǎn)換要求、降低轉(zhuǎn)換控制難度的變體機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明用于垂直起降無(wú)人機(jī)的變體機(jī)構(gòu)，包括變體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)，安裝于機(jī)身后部。同時(shí)設(shè)計(jì)機(jī)身由前機(jī)身與后機(jī)身構(gòu)成；且后機(jī)身由水平橫截面分割為后機(jī)身上部與后機(jī)身下部。

后機(jī)身上部和后機(jī)身下部的前端與前機(jī)身后端間鉸接，通過(guò)變體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)后機(jī)身上部與后機(jī)身下部相對(duì)前機(jī)身0～90°的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。后機(jī)身上部與后機(jī)身下部末端設(shè)計(jì)有上下對(duì)稱(chēng)的垂直尾翼，兩個(gè)垂直尾翼梢部前緣設(shè)計(jì)有電機(jī)艙，電機(jī)艙末端與垂直尾翼間鉸接。同時(shí)位于后機(jī)身上部的垂直尾翼頂端兩側(cè)具有對(duì)稱(chēng)的水平尾翼，水平尾翼與位于上方的電機(jī)艙固接。電機(jī)艙內(nèi)安裝有電機(jī)，電機(jī)的輸出軸安裝有螺旋槳，由電子調(diào)速器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整控制；

所述后機(jī)身上部與后機(jī)身下部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)約束住垂直尾翼上的螺旋槳的朝向，使螺旋槳始終同無(wú)人機(jī)軸線朝向一致。

本發(fā)明用于垂直起降無(wú)人機(jī)的變體機(jī)構(gòu)，使無(wú)人機(jī)具有垂直起降和高效巡航兩種飛行模態(tài)。

在垂直起飛階段，控制后機(jī)身上部與后機(jī)身下部相對(duì)前機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)90°；兩個(gè)垂直尾翼上的螺旋槳始終朝向無(wú)人機(jī)頭部；同時(shí)無(wú)人機(jī)頭部朝上，垂直起飛；當(dāng)起飛至預(yù)定高度時(shí)，飛機(jī)進(jìn)入過(guò)渡轉(zhuǎn)換過(guò)程；此時(shí)控制后機(jī)身上部與后機(jī)身下部相對(duì)前機(jī)身逐漸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)至初始狀態(tài)；無(wú)人機(jī)頭部由朝上狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌盃顟B(tài)，進(jìn)入高效巡航模態(tài)。

當(dāng)無(wú)人機(jī)需要降落時(shí)進(jìn)入垂直降落階段，控制后機(jī)身上部與后機(jī)身下部相對(duì)前機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)90°，兩個(gè)垂直尾翼上的螺旋槳始終朝向無(wú)人機(jī)頭部；且無(wú)人機(jī)頭部朝上。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明用于垂直起降無(wú)人機(jī)的變體機(jī)構(gòu)，采用后機(jī)身變體技術(shù)，使得無(wú)人機(jī)能夠從多旋翼布局形式切換為大展弦比正常式固定翼布局，使無(wú)人機(jī)既具有能穩(wěn)定垂直起降的十字形多旋翼布局形式，又具有能高效巡航的大展弦比正常式布局，能夠流暢地在垂直起降模態(tài)和高效巡航模態(tài)之間進(jìn)行切換，同時(shí)使得模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程控制難度降低，轉(zhuǎn)換進(jìn)程平穩(wěn)安全。

2、本發(fā)明用于垂直起降無(wú)人機(jī)的變體機(jī)構(gòu)，相較于傾轉(zhuǎn)機(jī)翼、傾轉(zhuǎn)旋翼等方案，本發(fā)明中的變體機(jī)構(gòu)承載小、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)構(gòu)重量輕、易于布置。

附圖說(shuō)明

圖1為具有本發(fā)明變體機(jī)構(gòu)的垂直起降無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為具有本發(fā)明變體機(jī)構(gòu)的垂直起降無(wú)人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為具有本發(fā)明變體機(jī)構(gòu)的垂直起降無(wú)人機(jī)機(jī)身旋轉(zhuǎn)方式示意圖；

圖4為具有本發(fā)明變體機(jī)構(gòu)的垂直起降無(wú)人機(jī)的水平尾翼及螺旋槳安裝方式示意圖；

圖5為本發(fā)明變體機(jī)構(gòu)中變體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明變體機(jī)構(gòu)中螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明具有本發(fā)明變體機(jī)構(gòu)的垂直起降無(wú)人機(jī)由垂直起降模態(tài)向高效巡航模態(tài)的變體過(guò)程示意圖。

圖中：

1-前機(jī)身 2-左機(jī)翼 3-右機(jī)翼

4-后機(jī)身 5-水平尾翼 6-垂直尾翼

7-電機(jī) 8-電子調(diào)速器 9-螺旋槳

10-步進(jìn)電機(jī) 11-絲杠 12-絲杠螺母

13-驅(qū)動(dòng)連桿 14a-平行四連桿 14b-拉桿

401-后機(jī)身上部分 402-后機(jī)身下部分

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明用于垂直起降無(wú)人機(jī)的變體機(jī)構(gòu)，安裝于無(wú)人機(jī)機(jī)身后部，包括變體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)。

所述無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)包括前機(jī)身1、左機(jī)翼2、右機(jī)翼3、后機(jī)身4、水平尾翼5與垂直尾翼6，如圖1所示。前機(jī)身1左右兩側(cè)分別安裝有對(duì)稱(chēng)的左機(jī)翼2與右機(jī)翼3。后機(jī)身4由水平橫截面分割為后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402。本發(fā)明中前機(jī)身1后部設(shè)計(jì)為由上下兩個(gè)相交平面構(gòu)成的尖端結(jié)構(gòu)，夾角為45度，如圖2所示；同時(shí)，后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402的前端設(shè)計(jì)為斜面，夾角為45度；且前機(jī)身1后端端部與后機(jī)身上部401和后機(jī)身下部402前端端部間鉸接。由于上述前機(jī)身1后部與后機(jī)身1前部結(jié)構(gòu)，使兩者間周向具有空缺部分，該空缺部分通過(guò)周向上安裝的蒙皮7包覆，實(shí)現(xiàn)前機(jī)身1與后機(jī)身2間的柔性連接及空缺部分的密封。由此，使后機(jī)身上部401相對(duì)前機(jī)身1具有0～+90°的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，后機(jī)身下部402相對(duì)前機(jī)身1具有0～-90°的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。如圖3所示，當(dāng)后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°時(shí)，后機(jī)身上部401底面與后機(jī)身下部402頂面相接，形成整體機(jī)身結(jié)構(gòu)；當(dāng)后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402轉(zhuǎn)動(dòng)至+90度與-90度時(shí)，后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402前端平面部分分別與前機(jī)身1后部上下平面貼合。上述后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402末端設(shè)計(jì)有上下對(duì)稱(chēng)的垂直尾翼6；同時(shí)位于后機(jī)身上部401的垂直尾翼6頂端兩側(cè)具有水平尾翼5。

如圖4所示，上述兩個(gè)垂直尾翼6梢部前緣設(shè)計(jì)有電機(jī)艙，電機(jī)艙末端與垂直尾翼6間鉸接，使電機(jī)艙可轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)將水平尾翼5左右兩部分分別與位于上方的電機(jī)艙左右兩側(cè)固接，使得在電機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，水平尾翼5一同轉(zhuǎn)動(dòng)。

上述兩個(gè)電機(jī)艙內(nèi)安裝有電機(jī)7，電機(jī)7的輸出軸安裝有螺旋槳9，螺旋槳15的槳轂同軸固定于電機(jī)7的輸出軸上，通過(guò)螺旋槳15為無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)提供拉力和功率。每個(gè)電機(jī)7還配有電子調(diào)速器8，電子調(diào)速器8的輸出端與電機(jī)7相連，對(duì)電機(jī)7轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整控制。由此通過(guò)電子調(diào)速器8調(diào)節(jié)電機(jī)7轉(zhuǎn)速，并控制垂直尾翼5梢部的兩個(gè)電機(jī)7彼此反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述變體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)驅(qū)動(dòng)后機(jī)身上部與后機(jī)身下部的轉(zhuǎn)動(dòng)，包括步進(jìn)電機(jī)10、絲杠11、絲杠螺母12與驅(qū)動(dòng)連桿13，如圖5所示。其中，步進(jìn)電機(jī)10剛性固定安裝于前機(jī)身1內(nèi)部，輸出軸朝向整個(gè)無(wú)人機(jī)后方。絲杠11通過(guò)軸承安裝于前機(jī)身1內(nèi)部的軸承座上，前端與步進(jìn)電機(jī)10的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器同軸連接，后端穿過(guò)前機(jī)身1后端。絲杠15前半段為光滑段，后半段為螺紋段；絲杠螺母18螺紋套接于絲杠11后半段上，絲杠11的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可轉(zhuǎn)換為絲杠螺母12的前后直線運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)連桿13為兩根，分別位于絲杠11上下相對(duì)位置，一端與絲杠螺母12鉸接，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副A；驅(qū)動(dòng)連桿13的另一端分別與后機(jī)身上部401和后機(jī)身下部402內(nèi)設(shè)計(jì)的鉸接架鉸接，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副B；且轉(zhuǎn)動(dòng)副A與轉(zhuǎn)動(dòng)副B的轉(zhuǎn)動(dòng)軸均沿?zé)o人機(jī)左右方向。由此，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)10運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲杠11旋轉(zhuǎn)，使得絲杠螺母12沿絲杠11軸向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)鉸接在絲杠螺母12上的驅(qū)動(dòng)連桿13直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)合連桿18、后機(jī)身上部401、后機(jī)身下部402間的鉸接連接方式，后機(jī)身上部401、后機(jī)身下部402與前機(jī)身1間的鉸接連接方式，以及行程的幾何約束，驅(qū)使后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402同步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了將步進(jìn)電機(jī)16的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹髾C(jī)身上部401與后機(jī)身下部402的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的目的。

所述螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)19包括兩套平行四連桿14a與兩根拉桿14b，如圖6所示。其中，兩套平行四連桿14a中，相鄰兩連桿間通過(guò)鉸接軸鉸接。兩套平行四連桿14a分別設(shè)置于后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402的垂直尾翼6內(nèi)部，上下對(duì)稱(chēng)，且兩套平行四連桿14a所在平面與垂直尾翼6的縱截面共面。兩套平行四連桿14a的安裝方式相同，令兩套平行四連桿14a的四個(gè)頂點(diǎn)分別為頂點(diǎn)A、B、C、D；其中，連桿AB與連桿CD平行，均平行于無(wú)人機(jī)軸線設(shè)置。頂點(diǎn)A與頂點(diǎn)D相對(duì)，頂點(diǎn)A與頂點(diǎn)D處的鉸接軸同時(shí)與垂直尾翼6內(nèi)部支架間鉸接，實(shí)現(xiàn)平行四連桿14a與垂直尾翼6間的定位。其中，頂點(diǎn)A位于垂直尾翼6梢部前緣，與電機(jī)艙末端固連，且使連桿AB與垂直尾翼6處的螺旋槳15同軸。兩根拉桿14b的輸出端分別固定于兩套平行四連桿中頂點(diǎn)C處的鉸接軸，輸入端分別鉸接于一個(gè)環(huán)形安裝架上的相對(duì)位置，鉸接軸沿?zé)o人機(jī)左右方向；該環(huán)形安裝架滑動(dòng)套接在絲杠17的前半段上，可沿絲杠17軸向滑動(dòng)。通過(guò)上述螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)，使得在后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，連桿AB始終平行于無(wú)人機(jī)軸線，約束住垂直尾翼6上方與下方的螺旋槳15的朝向，使螺旋槳15始終同無(wú)人機(jī)軸線朝向一致。

本發(fā)明變體高效小型垂直起降無(wú)人機(jī)，在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，需經(jīng)過(guò)垂直起飛、高效巡航、垂直降落三個(gè)階段，如圖7所示，三階段的工作流程為：

垂直起飛階段，通過(guò)變體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402相對(duì)前機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)90°，由螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)對(duì)垂直尾翼6處的兩個(gè)螺旋槳9朝向進(jìn)行約束，使兩個(gè)螺旋槳9始終朝向無(wú)人機(jī)頭部；此時(shí)無(wú)人機(jī)頭部朝上，垂直起飛。當(dāng)起飛至預(yù)定高度時(shí)，飛機(jī)進(jìn)入過(guò)渡轉(zhuǎn)換過(guò)程；此時(shí)通過(guò)變體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402相對(duì)前機(jī)身逐漸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)至初始狀態(tài)，即后機(jī)身上部401、后機(jī)身下部402與前機(jī)身間夾角為0度。整個(gè)過(guò)渡轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)對(duì)垂直尾翼6處的兩個(gè)螺旋槳9朝向進(jìn)行約束，使兩個(gè)螺旋槳9始終朝向無(wú)人機(jī)頭部；無(wú)人機(jī)頭部由朝上狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌盃顟B(tài)，進(jìn)入高效巡航模態(tài)。

當(dāng)無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備降落時(shí)進(jìn)入垂直降落階段，通過(guò)變體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制后機(jī)身上部401與后機(jī)身下部402相對(duì)前機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此時(shí)由螺旋槳朝向約束機(jī)構(gòu)對(duì)垂直尾翼6處的兩個(gè)螺旋槳9朝向進(jìn)行約束，使兩個(gè)螺旋槳9始終朝向無(wú)人機(jī)頭部；此時(shí)無(wú)人機(jī)頭部朝上，并控制各個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足垂直降落的拉力和功率，完成垂直降落。