本發(fā)明涉及一種民用無人機(jī)技術(shù)，尤其涉及一種自適應(yīng)的翼漿一體無人機(jī)的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

在各種民用無人機(jī)中，多旋翼無人機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、易于控制受到了許多消費(fèi)者的青睞，但這一類無人機(jī)的全部升力都來自于旋翼提供的垂直升力，能量利用效率不高，因此存在著續(xù)航時(shí)間較短的嚴(yán)重問題。目前市面上常見的四軸多旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間僅為20至30分鐘，難以滿足長時(shí)間、長距離飛行的需要。由于能量密度的限制，單從增大電池容量方面著手提升有限。

另一方面，固定翼無人機(jī)在飛行時(shí)間和飛行距離上大大優(yōu)于多旋翼無人機(jī)，但固定翼無人機(jī)也存在著一些難以避免的缺陷，例如操控困難、巡航速度過高、無法懸停、起飛需要跑道、降落則需要跑道，彈射器或降落傘等等。

新型的翼漿一體化無人機(jī)將飛翼和多旋翼無人機(jī)相結(jié)合，除了普通的多旋翼無人機(jī)部分，在無人機(jī)的機(jī)身兩側(cè)或機(jī)身上方還額外安裝有一到兩只飛翼。該類無人機(jī)使用旋翼起降和懸停，避免了固定翼無人機(jī)需要跑道和無法懸停的缺陷；而在平飛階段則通過附加的飛翼增加升力，達(dá)到節(jié)省電量、提高無人機(jī)續(xù)航的目的。但是，翼漿一體化無人機(jī)設(shè)計(jì)存在著一個(gè)比較明顯的問題，即機(jī)翼部分與機(jī)身固連，二者之間沒有使機(jī)翼可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與俯仰的結(jié)構(gòu)。飛行過程中飛翼與機(jī)身固定，不同飛行狀態(tài)對(duì)飛翼升力影響極大，在起降中常常出現(xiàn)由于飛行狀態(tài)和飛翼位置不匹配而額外增加的阻力，而在平飛狀態(tài)下，由于機(jī)身連帶著飛翼一同傾斜，大大降低了飛翼能夠提供的升力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了續(xù)航能力好，通過電動(dòng)電機(jī)控制飛翼部分的水平方向的旋轉(zhuǎn)及豎直方向的俯仰角度變化，使飛翼角度可以適應(yīng)飛行器起飛、降落和轉(zhuǎn)向等動(dòng)作要求，達(dá)到提高無人機(jī)飛行性能的一種自適應(yīng)翼槳一體化無人機(jī)；解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的無人機(jī)續(xù)航時(shí)間短，不同飛行狀態(tài)對(duì)飛翼升力影響大的技術(shù)問題。

本發(fā)明的上述技術(shù)問題是通過下述技術(shù)方案解決的：一種自適應(yīng)翼槳一體化無人機(jī)，包括機(jī)身，機(jī)身上連接有多個(gè)機(jī)臂，在每個(gè)機(jī)臂上均連接有機(jī)翼，機(jī)身上通過連接結(jié)構(gòu)連接有飛翼，所述的連接結(jié)構(gòu)包括水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和豎直俯仰結(jié)構(gòu)，水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)飛翼在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，豎直俯仰結(jié)構(gòu)帶動(dòng)飛翼在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明包含4個(gè)用于垂直起降及懸停的機(jī)翼和一個(gè)用于飛行時(shí)提供輔助升力的飛翼，飛翼與機(jī)翼的結(jié)合，使得無人機(jī)在能夠垂直起降和懸停的同時(shí)增加飛行器的續(xù)航時(shí)間。飛翼和機(jī)身之間安裝有一套連接機(jī)構(gòu)，使得飛翼可以在水平和豎直兩個(gè)方向上自由旋轉(zhuǎn)，從而減少飛行過程中的阻力并增加飛翼所提供的升力。并且通過改變飛翼的角度來適應(yīng)不同的飛行姿態(tài)。提高無人機(jī)的產(chǎn)品性能。

作為優(yōu)選，所述的連接結(jié)構(gòu)包括上連接板和下連接板，下連接板與機(jī)身相連，上連接板上固定有飛翼。上、下連接板分別連接機(jī)身和飛翼，將機(jī)身和飛翼連接起來，同時(shí)利用相互可轉(zhuǎn)動(dòng)連接的上連接板和下連接板，來完成飛翼的水平旋轉(zhuǎn)和豎直俯仰調(diào)整。水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)下連接板轉(zhuǎn)動(dòng)，下連接板上連接有上連接板，也就同時(shí)帶動(dòng)了上連接板轉(zhuǎn)動(dòng)，上連接板連接有飛翼，因此，飛翼也會(huì)跟著水平旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)調(diào)整。豎直俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)上連接板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)飛翼旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)俯仰調(diào)整。

作為優(yōu)選，所述的水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)，水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定在機(jī)身上，水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸連接有下連接板，下連接板連接有上連接板，上連接板連接有飛翼。通過水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)來帶動(dòng)下連接板旋轉(zhuǎn)，而下連接板與上連接板相連，上連接板上連接有飛翼，因此水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)能帶動(dòng)飛翼水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而在無人機(jī)轉(zhuǎn)向過程中，通過旋轉(zhuǎn)蓋板飛翼的水平方向，為平飛轉(zhuǎn)向過程提供更大的升力。

作為優(yōu)選，所述的豎直旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括豎直俯仰電機(jī)，豎直俯仰電機(jī)的輸出軸連接有上連接板，上連接板上固定有飛翼。豎直俯仰電機(jī)帶動(dòng)上連接板繞軸前后擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)固定在上連接板上的飛翼前后傾斜擺動(dòng)，在無人機(jī)起飛和降落過程中，改變飛翼的俯仰角，以契合起飛和降落時(shí)的飛行方向，降低飛翼在過程中造成的阻力。

作為優(yōu)選，下連接板呈u形，下連接板的水平面的中心連接有水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)，在u形的下連接板的其中一個(gè)豎直面上固定有豎直俯仰電機(jī)，豎直俯仰電機(jī)的輸出軸與上連接板相連。所述的豎直面的上端為圓弧面。保證飛翼在豎直俯仰電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下前后轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能有更大的轉(zhuǎn)動(dòng)空間，與下連接板不會(huì)產(chǎn)生相互干涉。u形的下連接板結(jié)構(gòu)能方便安裝豎直俯仰電機(jī)并且可以方便上連接板與下連接板之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)和連接。下連接板能對(duì)上連接板形成一個(gè)支撐，u形下連接板的其中一個(gè)豎直面上安裝有旋轉(zhuǎn)軸，讓上連接板和下連板可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。另外一個(gè)豎直面上安裝豎直俯仰電機(jī)，豎直俯仰電機(jī)的輸出軸與上連接板相連。豎直俯仰電機(jī)帶動(dòng)上連接板旋轉(zhuǎn)。

作為優(yōu)選，所述的上連接板呈u形，上連接板包括上連接面和兩個(gè)側(cè)連接面，其中上連接面與飛翼相連，其中一個(gè)側(cè)連接面與u形的下連接板的豎直面通過轉(zhuǎn)軸相互轉(zhuǎn)動(dòng)相連，另外一個(gè)側(cè)連接面固定在豎直俯仰電機(jī)的輸出軸上。所述的上連接面位于下連接板的豎直面的上方，所述的側(cè)連接面為圓面，所述的上連接面的橫截面呈u形。u形的上連接板與u形的下連接板正好對(duì)接形成矩形，使得整個(gè)連接結(jié)構(gòu)對(duì)稱結(jié)構(gòu)好，從而提高飛行的平穩(wěn)性。上連接面高于下連接板的最高端，方便飛翼的安裝和旋轉(zhuǎn)，圓形的側(cè)連接面方便也下連接板連接，同時(shí)也方便固定在上連接板上的飛翼旋轉(zhuǎn)。上連接面的整體呈矩形平板狀，在兩側(cè)的直角位置采用圓弧過渡，使得上連接面的上表面呈u形，有一定的圓弧角，與下連接板的相互干涉小，方便飛翼的固定，并且便于飛翼的傾斜旋轉(zhuǎn)。

作為優(yōu)選，在下連接板上安裝有控制單元，控制單元包括控制芯片，控制芯片通過兩塊電機(jī)控制芯片分別連接到水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)和豎直俯仰電機(jī)，控制芯片還連接到通訊轉(zhuǎn)換芯片的uart接口，通訊轉(zhuǎn)換芯片包括usb接口?？刂茊卧惭b于所述連接機(jī)構(gòu)內(nèi)的下連接板上，包括一塊控制板和一個(gè)imu慣性測(cè)量單元。imu慣性測(cè)量單元中包含三軸陀螺儀和三軸加速度儀，可以實(shí)時(shí)給出飛翼的傾斜角度?？刂瓢迮c無人機(jī)機(jī)身內(nèi)部的接收器、imu傳感器以及所述固定翼-機(jī)身連接機(jī)構(gòu)上的電機(jī)電連接?？刂瓢逯邪粔K單片機(jī)芯片和兩塊電機(jī)控制芯片。單片機(jī)芯片用于接受所述慣性測(cè)量單元信號(hào)提供的角度信號(hào)，并通過所述單片機(jī)芯片內(nèi)寫入的程序，解算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度，從而使飛翼時(shí)刻保持俯仰和旋轉(zhuǎn)角度的恒定；此外，所述單片機(jī)芯片也可接受通過接收機(jī)傳來的信號(hào)，從而使飛翼依據(jù)地面操縱人員的操控進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。所述電機(jī)控制芯片接受所述單片機(jī)芯片提供的信號(hào)，并分別控制所述水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)和所述豎直俯仰電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

作為優(yōu)選，所述的機(jī)臂呈輻射狀安裝在機(jī)身外側(cè)，所述的飛翼安裝在機(jī)身的上方，飛翼的垂直投影位于相鄰機(jī)臂的空隙內(nèi)。四個(gè)機(jī)臂呈十字交叉布置，飛翼并不與任何一個(gè)機(jī)臂的方向相同，而是位于十字交叉的兩個(gè)機(jī)翼連線成45°角，也就是機(jī)臂與飛翼從俯視角度看呈“*”形。飛翼的上表面為弧面，可以順應(yīng)氣流方向，形成導(dǎo)向，提高飛翼升力。飛翼安裝于所述機(jī)身上方，空氣橫向流過時(shí)由于所述飛翼上下面的壓差，會(huì)對(duì)所述飛翼產(chǎn)生升力。

因此，本發(fā)明的一種自適應(yīng)翼槳一體化無人機(jī)具備下述優(yōu)點(diǎn)：

（1）多套旋翼系統(tǒng)可以提供足夠的升力，使無人機(jī)可以垂直起降并在空中懸停，此外降低了無人機(jī)的操控難度；

（2）飛翼可以在無人機(jī)飛行的過程中提供輔助升力，從而增加無人機(jī)的滯空時(shí)間；

（3）飛翼-機(jī)身連接結(jié)構(gòu)可以使飛翼在水平和豎直方向上旋轉(zhuǎn)，從而使飛翼的角度符合當(dāng)前飛行狀態(tài)的需要，避免飛翼傾斜造成的升力損失，從而提高了飛翼的升力系數(shù)并降低阻力系數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種自適應(yīng)翼槳一體化無人機(jī)的立體示意圖。

圖2是圖1的俯視圖。

圖3是圖2的主視圖。

圖4是圖2的e-e剖視圖。

圖5是控制電路圖。

圖6是水平飛行時(shí)飛翼周圍空氣流動(dòng)流線示意圖。

圖7為無人機(jī)作水平飛行時(shí)受力分析圖。

圖8是連接結(jié)構(gòu)的立體示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

實(shí)施例：

如圖1和2和3和4所示，一種自適應(yīng)翼槳一體化無人機(jī)，包括機(jī)身，用于支撐所屬機(jī)身和降低無人機(jī)降落時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。機(jī)身13包括上蓋7和下蓋11，機(jī)身13的下方固定在起落架12上，用于支撐所屬機(jī)身和降低無人機(jī)降落時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。在機(jī)身的四個(gè)角各連接有一個(gè)機(jī)臂10，在機(jī)臂10上固定有螺旋槳8，在螺旋槳8的下方通過螺旋槳電機(jī)9帶動(dòng)。四個(gè)機(jī)臂呈十字形布置，在機(jī)身上方通過連接結(jié)構(gòu)連接有飛翼1，飛翼位于相鄰機(jī)臂之間，且飛翼的高度高于螺旋槳的高度，飛翼的上表面為弧線形式。在垂直起降、懸停和改變高度或方向的過程中，飛行控制板提供姿態(tài)及飛行數(shù)據(jù)信息，通過電子調(diào)速器調(diào)節(jié)所述電機(jī)9的轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)螺旋槳8旋轉(zhuǎn)以提供升力，維持或是改變無人機(jī)的飛行狀態(tài)。由于螺旋槳8提供的是垂直方向上的升力，因此可以使翼漿一體化無人機(jī)垂直起降和懸停，降低了無人機(jī)在使用過程中的場地需求和對(duì)無人機(jī)進(jìn)行操控的難度。在無人機(jī)降落過程中通過起落架11進(jìn)行緩沖。所述起落架11設(shè)計(jì)為流暢的曲線結(jié)構(gòu)，可以降低無人機(jī)降落時(shí)的沖擊力，保護(hù)無人機(jī)結(jié)構(gòu)不受影響。

如圖8所示，連接結(jié)構(gòu)包括與機(jī)身13相連的下連接板6、與飛翼1相連的上連接板2，上連接板2與下連接板6活動(dòng)連接水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)4固定在機(jī)身的上蓋7的中心，在下連接板11的水平面的中心開設(shè)有固定孔，水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)4的輸出軸固定在下連接板的水平面14的中心的通孔內(nèi)。下連接板6呈u形，下連接板6的水平面14的中心連接有水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)4的輸出軸，水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)74固定在機(jī)身的上蓋7上。在u形的下連接板6的其中一個(gè)豎直面15上固定有豎直俯仰電機(jī)5，豎直俯仰電機(jī)5的輸出軸與上連接板6相連。在下連接板6的另外一個(gè)豎直面15上開設(shè)有通孔，通孔內(nèi)插接有旋轉(zhuǎn)軸3，下連接板6與上連接板2通過旋轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)連接。下連接板6的兩個(gè)豎直面的上端為圓弧面。在下連接板6的上方的上連接板2同樣呈u形，上、下連接板對(duì)接形成一個(gè)矩形框，上連接板2包括上連接面16和兩個(gè)側(cè)連接面17。其中上連接面16與飛翼1相連，上連接面16位于下連接板的豎直面15的上方，上連接面16的上表面為矩形，上表面的兩側(cè)為圓弧過渡面18。側(cè)連接面17為圓形，其中一個(gè)側(cè)連接面17與u形的下連接板的豎直面通過旋轉(zhuǎn)軸3相互轉(zhuǎn)動(dòng)相連，另外一個(gè)側(cè)連接面固定在豎直俯仰電機(jī)5輸出軸上。

如圖6和7所示，當(dāng)無人機(jī)處于飛行狀態(tài)時(shí)，氣流流過所述飛翼1的正面，所述飛翼1可由此而提供一定的升力，從而減輕螺旋槳的負(fù)擔(dān)，達(dá)到減少能量損耗、增加無人機(jī)滯空時(shí)間的目的。

無人機(jī)起降以及高度改變時(shí)，通過控制豎直俯仰電機(jī)5進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)上連接板2，進(jìn)而改變飛翼1的俯仰角度。高度上升過程中使飛翼1角度上仰，高度下降過程中使飛翼1角度下俯，從而使氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)更加平順，減小產(chǎn)生的阻力。

無人機(jī)在空中轉(zhuǎn)向時(shí)，通過控制水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)4進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下連接板6，使包括上連接板2、豎直俯仰電機(jī)5和飛翼1在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平方向上的旋轉(zhuǎn)，從而使飛翼1正方向和瞬時(shí)速度的切線方向相符，讓機(jī)翼在任何時(shí)候都能夠產(chǎn)生最大的升力。

當(dāng)無人機(jī)直線平飛時(shí)，水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)4和豎直俯仰電機(jī)5可以拾取所述控制單元傳輸?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)角度信息進(jìn)行處理，對(duì)偏離正常平飛的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使飛翼1的旋轉(zhuǎn)和俯仰角度時(shí)刻保持恒定，以抵消機(jī)械振動(dòng)和風(fēng)力帶來的影響，使翼漿無人機(jī)的飛行更加平穩(wěn)、并增加其續(xù)航能力。

如圖5所示，控制單元安裝于連接機(jī)構(gòu)內(nèi)的下連接板6上，包括一塊控制板和一個(gè)imu慣性測(cè)量單元。imu慣性測(cè)量單元中包含三軸陀螺儀和三軸加速度儀，可以實(shí)時(shí)給出飛翼的傾斜角度?？刂瓢迮c無人機(jī)機(jī)身內(nèi)部的接收器、imu傳感器以及固定翼-機(jī)身連接機(jī)構(gòu)上的電機(jī)電連接?？刂瓢逯邪粔K單片機(jī)芯片和兩塊電機(jī)控制芯片。單片機(jī)芯片用于接受所述慣性測(cè)量單元信號(hào)提供的角度信號(hào)，并通過所述單片機(jī)芯片內(nèi)寫入的程序，解算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度，從而使飛翼時(shí)刻保持俯仰和旋轉(zhuǎn)角度的恒定；此外，所述單片機(jī)芯片也可接受通過接收機(jī)傳來的信號(hào)，從而使飛翼依據(jù)地面操縱人員的操控進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。所述電機(jī)控制芯片接受所述單片機(jī)芯片提供的信號(hào)，并分別控制所述水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)4和所述豎直俯仰電機(jī)5進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5舉例展示了一種可以達(dá)到控制功能的控制板。該控制板使用atmega328-au單片機(jī)芯片進(jìn)行慣性測(cè)量單元數(shù)據(jù)的接收和角度的計(jì)算，并使用兩塊電機(jī)控制芯片l6234d分別控制水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)4和豎直俯仰電機(jī)5，其他部件還包括一塊ft232rl芯片，用于實(shí)現(xiàn)usb到串行uart接口的轉(zhuǎn)換，從而為控制板接入電腦進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)提供方便；電平轉(zhuǎn)換部件和穩(wěn)壓部件等。

本發(fā)明翼漿一體無人機(jī)飛翼-機(jī)身連接結(jié)構(gòu)是適用于帶有飛翼的多旋翼無人機(jī)的一種連接部件，可以根據(jù)不同的飛行條件調(diào)節(jié)飛翼的角度，其有利于增加無人機(jī)飛行過程中的穩(wěn)定性，減小空氣阻力，提高翼漿一體無人機(jī)的續(xù)航能力。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡利用本發(fā)明所提出的技術(shù)思想所設(shè)計(jì)的等效結(jié)構(gòu)，或是在本發(fā)明基礎(chǔ)上進(jìn)行的任何改動(dòng)與改進(jìn)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。