一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器

本发明涉及微型飞行器领域，具体涉及一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器。

背景技术：

1、微型飞行器(micro aerial vehicle，mav)具有体积小、重量轻、便于携带、隐蔽性好、灵活性强等优势，得到了世界各国的极大关注和高度重视，成为当今先进国家竞相研究的科技前沿课题。微型飞行器在军民领域具有广泛的应用，在军事领域，这类飞行器是例如敌情侦察、监视和室内外目标搜索等任务执行的潜力平台，而在民用领域，配备各类传感器的微型飞行器还可用于狭窄空间内灾难幸存者搜寻、有毒气体或化学物质源检测、农作物害虫防治等重要任务。

2、传统的微型固定翼飞行器航速快，航程长，但无法在空中保持悬停状态，起降场地受限，灵活性较差；微型旋翼飞行器对起降场地要求不高，可以随时悬停，但倾转拍动平面进行前飞运动速度慢、效率低，续航时间短。借助旋翼的垂直起降和悬停能力，发明一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器，不仅能够在狭小地区如城市中的窄巷、楼顶或室内场所等进行垂直起降，而且可以根据任务需求在固定翼和旋翼模式之间切换，以实现最佳的飞行效率和性能。

3、过去公开的一些发明专利已经给出了这类飞行器的形式。公开号为cn 201376669y的专利“一种旋定翼复合式飞行器”公开了一种旋翼与固定翼复合的微型飞行器，将固定翼飞机与直升机的特点结合起来，使该飞行器同时具有垂直起降、悬停和高速前飞的能力。公开号为cn 116923752 a的专利“一种折叠旋翼飞行器”公开了一种可折叠旋翼的微型飞行器，采用扭簧型式的折叠机构，高低错位布置机臂，能够最大化的降低无人机折叠尺寸的占用空间，利于收纳盒体积缩小，解决了微型飞行器尺寸较大不易收纳携带的问题，但此微型飞行器仍然是依靠单一类型的多旋翼提供升力，耗能较大。过去提出的飞行器设计方案多采用尾座式无人机布局，多数飞行器不具备折叠功能，因而携带尺寸较大，此外飞行器控制多借助舵面完成，这进一步增加了飞行器配套的结构重量，且舵面控制效率对速度要求较高。为此，有必要探索收纳尺寸更小、控制相关机构重量更轻、兼顾垂直起降、悬停和前飞状态的固定翼飞行器。

技术实现思路

1、为使微型飞行器兼顾垂直起降和快速前飞，克服其续航时间短、飞行效率低、不便于收纳携带的问题，本发明提出一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器。该发明是一种结合了旋翼和固定翼飞行器优势的创新型飞行装置，继承了固定翼飞行器的高速巡航和长续航能力，同时又克服了传统固定翼飞行器在起降阶段空间有限的缺点。此外，所述微型飞行器还可将机翼收拢，结构紧凑，体积小巧，减小了日常存放和携带时占用的空间，增加单个收纳盒盛装无人机的数量，便于携带运输。

2、该发明一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器采用固定翼与螺旋桨复合的形式，含有两个固定翼和两个螺旋桨，两个螺旋桨均为可折叠的三叶桨，前后放置，螺旋桨轴线与机身纵向轴线重合时，前方螺旋桨产生拉力，后方螺旋桨产生推力。固定翼与螺旋桨相互配合，可灵活转换飞行模式，实现垂直起降、悬停和前飞飞行。运输时，两个固定翼与两个螺旋桨均可实现折叠，方便收纳携带。

3、本发明一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器，包含机身、电池、前后固定翼、前后推进装置、螺栓连接。所述机身前宽后窄，机身中上方与最下方位置分别放置可折叠前后固定翼，机身头尾分别安装前后推进装置，后推进装置体积尺寸约为前推进装置的二分之一。所述推进装置包括电机外框、电机内框、偏转轴、旋转舵机、舵机摇臂和电机转动摇臂、电机底座、无刷电机、螺旋桨、螺旋桨固定桨罩。

4、所述机身为中空壳体，其头尾分别安装推进装置，内部中前端位置包含电池槽位，用于放置电池，并通过电池使整机重心前移以保证飞行器前飞静稳定性。

5、所述前固定翼和后固定翼几何形状及结构相同，均可折叠。运输时折叠收起，使用时展开固定。在展开构型下，前固定翼和后固定翼均关于机身纵向对称面左右对称安装固定。所述机身上端位置开一矩形槽，槽高度稍大于前固定翼厚度，为固定安装或折叠收纳前固定翼，而后固定翼安装在机身底部位置。固定翼与后固定翼均采用绕轴旋转方式收放和展开，为此分别在机身上端矩形槽的中前端和机身底部中后方位置各留一对圆柱插槽，以便于安装柱形插销固定前后固定翼并将该插销作为前后固定翼展开折叠转换过程中的旋转轴。矩形槽处插销位置距矩形槽最前端距离约为前或后固定翼一倍弦长，机身底部插销位置距机身后端距离同样约为前或后固定翼一倍弦长。所述前固定翼翼根后缘处和后固定翼翼根前缘处分别开一柱状通孔，使之可与插销紧密贴合，前固定翼安装在机身顶端矩形槽中，后固定翼安装在机身底部，使用插销分别将前固定翼翼根后缘和后固定翼翼根前缘固定在机身上，前后固定翼均可绕所述插销进行旋转。

6、为使前后固定翼在展开构型下保持稳定，考虑用螺栓连接对其进行固定，所述螺栓连接由螺栓和螺母组成。在前固定翼翼根前缘和后固定翼翼根后缘分别开一螺栓槽孔，在前固定翼翼根前缘槽孔上下机身正对位置处开一同样大小的螺栓槽孔，并在下方槽孔中放一固定螺母，在展开构型下用与所述螺母配套螺栓依次插入机身上端、前固定翼翼根前缘及下方螺栓槽孔，通过螺母对螺栓的固定而保持前固定翼固定不动；对后固定翼的固定方式与之类似。安装两个固定翼有效提高了飞行器气动效率，同时前后固定翼的上下交错安装方式减小了飞行器整体尺寸。

7、所述推进装置包括倾转机构、电机底座、无刷电机、螺旋桨、螺旋桨固定桨罩。所述倾转机构包括电机外框、电机内框、偏转轴、旋转舵机、舵机摇臂和电机转动摇臂，用于控制螺旋桨的偏转角度进而控制飞行器的俯仰变化和偏航变化。所述电机外框与机身固连，同时连接偏转轴；所述偏转轴与电机内框固连，所述电机内框用于固定旋转舵机、舵机摇臂、电机转动摇臂以及电机底座，可带动整体绕偏转轴转动。

8、在所述机身轴线处于水平方向时，所述前方的推进装置倾转机构偏转轴竖直，可通过螺旋桨水平偏移用于调节飞行器偏航变化；所述后方的推进装置倾转机构偏转轴水平，可通过螺旋桨竖直偏移用于调节飞行器俯仰姿态。所述电机底座固定于电机内框，用于固定无刷电机，所述螺旋桨与无刷电机固连，用螺旋桨固定桨罩进行固定，无刷电机控制着前后螺旋桨的旋转，为飞行器提供升力和前飞拉力。因前飞状态下飞行器的重心靠前，后方推进装置螺旋桨气动力力臂更长，因而飞行控制时对气动力大小要求较前方推进装置螺旋桨较低，后方推进装置螺旋桨尺寸、转速和电机功耗需求也略小于前方推进装置螺旋桨，因此后推进装置体积尺寸、重量也较小。所述螺旋桨为三叶桨，包括基座、转轴和螺旋桨桨叶，转轴与基座固连，螺旋桨桨叶与转轴相连，可绕轴旋转折叠，利用螺旋桨固定桨罩可将螺旋桨基座安装在无刷电机上，由无刷电机控制螺旋桨的旋转。利用无刷电机驱动前后螺旋桨旋转方向相反，使得两个螺旋桨产生的旋转力矩相互抵消而保证飞行器不会进入自旋。前螺旋桨与后螺旋桨的共同作用使得飞行器具有良好的纵航向操纵性和稳定性。

9、在飞行器前飞状态下，通过偏转后方推进装置螺旋桨桨轴方向，桨轴非水平状态下螺旋桨推力会产生竖直力分量，进而产生俯仰力矩用于俯仰控制，前方推进装置螺旋桨对飞行器的偏航控制方式与之相似，通过螺旋桨轴向的左右偏移产生水平力分量以产生偏航力矩；滚转力矩通过两螺旋桨转速差动实现。

10、所述微型飞行器可实现展开和折叠两种状态的相互转换，主要包括前、后固定翼和前后螺旋桨的展开与折叠转换。在展开构型下，前后固定翼均由螺栓连接进行固定，前后螺旋桨桨叶绕桨轴均匀分布展开，前后推进装置均可绕偏转轴旋转。在折叠构型下，对于固定翼，将四个螺母全部取下，前固定翼绕固定插销对称向后折叠，后固定翼绕固定插销对称向前折叠；对于前后螺旋桨，螺旋桨桨叶可分别绕着转轴旋转折叠；前后推进装置均保持前后螺旋桨桨轴为水平方向。

11、微型飞行器飞行时，将前后固定翼与前后螺旋桨均展开。在垂直起降与悬停阶段，微型飞行器处于机身轴线竖直状态。该阶段固定翼不产生升力，在无刷电机的驱动下，前螺旋桨旋转为飞行器提供升力，随着转速的逐渐增大，升力逐渐增加，飞行器克服重力实现垂直起飞。在微型飞行器重量限制条件下，当电机受重量的限制功率和拉力不足时，后螺旋桨也可为飞行器提供升力。当飞行器到达预定的飞行高度时，调节桨速使得升力与飞行器重力相等从而实现悬停。

12、在由悬停转换为前飞状态时，对后方推进装置进行控制，通过其旋转舵机控制舵机摇臂和转动摇臂转动一定角度，进而控制后方推进装置螺旋桨的偏转使其产生水平方向的力分量，产生低头力矩，使得飞行器机身发生俯仰变化，飞行器姿态由竖直方向逐渐向水平方向倾斜。在姿态转换过程中，前方推进装置螺旋桨随机身一起倾斜，同时产生向上的升力和向前的拉力，使微型飞行器开始向前飞行。与此同时固定翼前后固定翼在前飞的来流作用下开始为飞行器提供升力。随着俯仰角的不断减小，飞行器迎角逐渐减小，前飞拉力逐渐增大，飞行器的前飞速度逐渐增加，直至前后固定翼所提供升力与飞行器重力相等，飞行器完成由悬停到前飞阶段的转换进入前飞阶段，此时前螺旋桨只提供前飞拉力。飞行器在前飞阶段由固定翼平衡重力、由螺旋桨提供前飞拉力，减少能源损耗，提高飞行速度和气动效率。

13、当微型飞行器到达指定位置时，控制对后方推进装置螺旋桨的偏转产生抬头力矩，使得飞行器机身发生俯仰变化，飞行器姿态逐渐向竖直方向倾斜。在姿态转换过程中，前螺旋桨随机身一起倾斜，同时产生向前的拉力和向上的升力。随着俯仰角的不断增大，前飞拉力逐渐减小，与空气阻力的合力对飞行器的前飞起阻力作用，飞行器前飞速度逐渐减小，直至飞行器姿态变为竖直方向，该过程中由于固定翼的升力贡献减少，需要同步增加前方推进装置螺旋桨的转速以补充升力。在降落阶段，保持飞行器的竖直姿态不变，无刷电机控制前螺旋桨的转速降低，使升力降低从而实现垂直降落。

14、本发明一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器将固定翼与螺旋桨复合使用，最大限度地实现了微型飞行器在垂直起降阶段和前飞阶段的稳定运行，以此提升飞行器在整个飞行阶段的飞行效率，保证了无人机能够从陆地垂直起降以及由悬停与前飞阶段的平稳过渡，具有良好的纵航向操纵性以及稳定性，同时能够保证飞行器具有较高的气动效率以及较轻的结构重量。

15、本发明的优点在于：

16、(1)本发明一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器是由固定翼和螺旋桨相结合，最大限度地实现了微型飞行器在垂直起降阶段和前飞阶段的平稳过渡和运行，在飞行状态下可以灵活切换，提高飞行效率，节省能源。

17、(2)本发明一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器包括前后推进装置，具有良好的纵航向操纵性以及稳定性，增强飞行器在低速行驶下的姿态控制能力。

18、(3)本发明一种可垂直起降和悬停的固定翼飞行器实现机翼与螺旋桨可折叠，降低折叠体积，减少收纳空间，便于收纳携带。