一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机。


背景技术：

2.垂直起降固定翼飞行器既能像直升机垂直起降，也能像固定翼飞机巡航前飞，不仅有前飞速度快、航程远、航时长等显著优势，且与常规固定翼飞行器相比较，垂直起降固定翼飞行器能够定点起降和悬停，对机场跑道没有依赖，任务能力显著增强。
3.垂直起降飞行器主要分为三类：升推复合式垂直起降固定翼无人机，尾座式垂直起降固定翼无人机，倾转旋翼/机翼式垂直起降固定翼无人机。其中倾转旋翼/机翼式垂直起降固定翼无人机具有全机质量效率高，气动干扰小，操稳特性较好，可实现性高等优点。
4.随着近年来无人机在军事、民用领域的用途越来越广泛，对无人机起降方式的要求也越来越多样化，而且由于无人机无需考虑飞行员的生命保障、生理极限等问题，将垂直起降技术应用于无人机领域将更为灵活，且更容易实现。
5.对于倾转旋翼式垂直起降固定翼无人机，虽然目前在vtol(垂直起降)飞行器中研究最多，应用最成熟，但是其在倾转过程中旋翼和固定翼之间的耦合严重，旋翼产生的下洗气流被固定翼部分遮挡，导致气动效率降低。


技术实现要素：

6.1.要解决的技术问题
7.本发明的目的是为了解决现有技术中倾转旋翼式垂直起降固定翼无人机在倾转过程中旋翼和固定翼之间的耦合严重，旋翼产生的下洗气流被固定翼部分遮挡，导致气动效率降低的问题，而提出的一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机。
8.2.技术方案
9.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
10.一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，包括机身、伸缩变形机机翼和尾翼，所述伸缩变形机机翼和尾翼分别与机身的头部和尾部通过折叠机构连接，所述伸缩变形机机翼和尾翼上均通过驱动机构转动连接有螺旋桨；
11.所述伸缩变形机机翼包括对称设置的两个主翼梁、副翼梁，两个所述主翼梁的外部固定套接有主蒙皮，两个所述副翼梁的外部固定套接有副蒙皮，所述主翼梁上滑动套接有多个主翼肋，所述副翼梁上滑动套接有多个副翼肋，位于翼根端的所述主翼肋上固定连接有两个第一旋转驱动电机，所述主翼肋和副翼肋之间设有多个伸缩机构，所述第一旋转驱动电机的输出端与伸缩机构连接；
12.所述折叠机构包括对称设置的中心轮、齿轮圈、机架、第二旋转驱动电机、第三旋转驱动电机和机翼连接件，所述中心轮与第二旋转驱动电机的输出端连接，所述齿轮圈转动啮合链接有三个行星轮，所述的齿轮圈固定连接在机身上，所述行星轮的一侧与机架固
定连接，所述第二旋转驱动电机和第三旋转驱动电机均与机架固定连接，所述第三旋转驱动电机的输出端与机翼连接件固定连接，所述机翼连接件一端与机架转动连接。
13.优选地，多个所述伸缩机构呈线性阵列设置。
14.优选地，所述伸缩机构包括第一主动杆、第二主动杆、第一从动杆、第一滑块、第二从动杆、第二滑块、第三从动杆和第四从动杆；所述第一主动杆、第二从动杆和第四从动杆通过同轴配合连接，所述第二主动杆、第一从动杆和第三从动杆之间通过同轴配合连接，所述第一滑块滑动套接于第一主动杆上，所述第一从动杆的一端与第一滑块转动连接，所述第二滑块滑动套接于第三从动杆上，所述第二从动杆的一端与第二滑块转动连接。
15.优选地，所述第一主动杆、第二主动杆、第三从动杆和第四从动杆相远离的一端均固定连接有连接齿轮，所述主翼肋和副翼肋上均设有与连接齿轮对应的安装口。
16.优选地，所述第一旋转驱动电机、第二旋转驱动电机和第三旋转驱动电机均为自锁旋转驱动电机。
17.优选地，所述机身的底部转动连接有对称设置的多个起落架。
18.3.有益效果
19.相比于现有技术，本发明的优点在于：
20.本发明中，可倾转-折叠-伸缩机翼垂直起降变体无人机具有大缩比变形机翼、翼-身大幅倾转折叠机构等创新设计，可实现固定翼和四旋翼间的全模态转换。同时兼具固定翼无人机巡航能力强、载荷能力大，和四旋翼无人机机动性强、飞行速度快的优势特点。同时，该变体无人机提升了传统倾转机翼式垂直起降无人机的环境适应能力，为未来新型变体无人机的设计方向提供了一条参考路径。
附图说明
21.图1为本发明提出的一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机的结构示意图；
22.图2为本发明提出的伸缩变形机机翼的内部结构示意图；
23.图3为本发明提出的伸缩变形机机翼的立体结构示意图；
24.图4为本发明提出的伸缩机构的结构示意图；
25.图5为本发明提出的完全收缩状态的伸缩变形机翼的结构示意图；
26.图6为本发明提出的完全伸长状态的伸缩变形机翼的结构示意图；
27.图7为本发明提出的折叠机构的爆炸结构示意图；
28.图8为本发明提出的折叠机构的立体结构示意图；
29.图9为本发明提出的机翼倾转过程θ示意图；
30.图10为本发明提出的机翼的折叠程度示意图；
31.图11为本发明提出的固定翼飞行模式示意图；
32.图12为本发明提出的四旋翼飞行模式示意图；
33.图13为本发明提出的固定翼飞行模式下的短距起降示意图；
34.图14为本发明提出的无人机从四旋翼模式到固定翼模式的飞行过渡示意图；
35.图15为本发明提出的无人机从固定翼模式到四旋翼模式的飞行过渡示意图。
36.图中：1机身、2伸缩变形机机翼、201主翼梁、202副翼梁、203主蒙皮、204副蒙皮、
205主翼肋、206副翼肋、207第一旋转驱动电机、3尾翼、4折叠机构、401中心轮、402齿轮圈、403机架、404第二旋转驱动电机、405第三旋转驱动电机、406机翼连接件、407行星轮、5螺旋桨、6第一主动杆、7第二主动杆、8第一从动杆、9第一滑块、10第二从动杆、11第二滑块、12第三从动杆、13第四从动杆、14连接齿轮、15起落架。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
38.实施例1：
39.参照图1，一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，包括机身1、伸缩变形机机翼2和尾翼3，机身1的底部转动连接有对称设置的多个起落架15，伸缩变形机机翼2和尾翼3分别与机身1的头部和尾部通过折叠机构4连接，伸缩变形机机翼2和尾翼3上均通过驱动机构转动连接有螺旋桨5；
40.本发明中，伸缩变形机机翼2包括对称设置的两个主翼梁201、副翼梁202，两个主翼梁201的外部固定套接有主蒙皮203，两个副翼梁202的外部固定套接有副蒙皮204，主翼梁201上滑动套接有多个主翼肋205，副翼梁202上滑动套接有多个副翼肋206，位于翼根端主翼肋205上固定连接有两个第一旋转驱动电机207，主翼肋205和副翼肋206之间设有多个伸缩机构，第一旋转驱动电机207的输出端与伸缩机构连接，多个伸缩机构呈线性阵列设置；
41.本发明中，伸缩机构包括第一主动杆6、第二主动杆7、第一从动杆8、第一滑块9、第二从动杆10、第二滑块11、第三从动杆12和第四从动杆13；第一主动杆6、第二从动杆10和第四从动杆13通过同轴配合连接，第二主动杆7、第一从动杆8和第三从动杆12之间通过同轴配合连接，第一滑块9滑动套接于第一主动杆6上，第一从动杆8的一端与第一滑块9转动连接，第二滑块11滑动套接于第三从动杆12上，第二从动杆10的一端与第二滑块11转动连接，第一主动杆6、第二主动杆7、第三从动杆12和第四从动杆13相远离的一端均固定连接有连接齿轮14，主翼肋205和副翼肋206上均设有与连接齿轮14对应的安装口；
42.本发明中，参照图2-6，伸缩机翼伸长工作过程：初始时，伸缩机翼处于完全收缩状态，当外部控制器发出机翼伸长指令，两个具有自锁功能的旋转驱动电机随之开始工作，带动与其连接的主动杆1逆时针和主动杆2顺时针同时转动，使主动杆1与主动杆2之间的夹角α逐渐减小，从而使与主动杆1同轴配合的从动杆4顺时针转动，使主动杆1与从动杆4之间的夹角β逐渐增大，对侧主动杆2及其从动部件运动情况相同，进而推动与从动杆3、从动杆4相连的翼肋沿着两根翼梁向翼梢方向移动，使整个伸缩机构沿翼展方向伸长。当翼根处伸缩机构被驱动后，由于从动杆3、4间夹角相对缩小，通过齿轮带动安装在翼肋邻侧上的主动杆1与主动杆2开始转动，使在翼肋另一侧的伸缩机构完成上述相同动作，从动杆1、滑块1、从动杆2和滑块2在过程中起维持稳定平衡的作用，当副蒙皮完全伸出的时候，两个旋转驱动电机停止工作并锁定，伸缩机翼处于完全伸长状态。
43.本发明中，伸缩机翼收缩工作过程：伸缩机翼初始处于完全伸长状态，当外部控制器发出机翼收缩指令，两个具有自锁功能的旋转驱动电机开始工作，带动伸缩机构运动。收缩过程与伸长过程运动方向相反，第一从动杆8、第一滑块9、第二从动杆10和第二滑块11在
过程中起维持稳定平衡的作用，当副蒙皮204完全收缩的时候，两个旋转驱动电机停止工作并锁定，伸缩机翼处于完全收缩状态；
44.本发明中，折叠机构4包括对称设置的中心轮401、齿轮圈402、机架403、第二旋转驱动电机404、第三旋转驱动电机405和机翼连接件406，中心轮401与第二旋转驱动电机404的输出端连接，齿轮圈402转动啮合链接有三个行星轮407，齿轮圈402固定连接在机身1上，行星轮407的一侧与机架403固定连接，第二旋转驱动电机404和第三旋转驱动电机405均与机架403固定连接，第三旋转驱动电机405的输出端与机翼连接件406固定连接，机翼连接件406一端与机架403转动连接，第一旋转驱动电机207、第二旋转驱动电机404和第三旋转驱动电机405均为自锁旋转驱动电机。
45.本发明中，参照图7-10，以单侧机翼为例，机翼倾转工作过程：当外部控制器发出机翼倾转指令，具有自锁功能的第二旋转驱动电机404随之开始工作，驱动与其相连的中心轮401开始旋转，进而带动三个行星轮407开始转动，使与行星轮407固定连接的机架403开始转动，从而带动机翼的倾转，使机翼能实现0-90
°
倾转，当机翼倾转为0
°
即γ平面与机身1所在平面平行时或倾转为90
°
即γ平面与机身1所在平面垂直时，第二旋转驱动电机404自动停止工作并自锁，外部控制器亦可随时制动第二旋转驱动电机404，使机翼能在0-90
°
任意角度停止倾转。
46.本发明中，机翼折叠工作过程：当外部控制器发出机翼折叠指令，具有自锁功能的第三旋转驱动电机405随之开始工作，带动与其相连的机翼连接件406转动，从而带动机翼的折叠，使机翼能实现相对于γ平面的-60
°
到60
°
的折叠即图中θ范围是-60
°
到60
°
(规定上反角方向为正)。当θ为0
°
、60
°
或-60
°
时，第三旋转驱动电机405自动停止工作并自锁，外部控制器亦可随时制动第三旋转驱动电机405，使机翼能在-60
°
到60
°
任意角度停止折叠。
47.本发明中，参照图11-13，无人机具有两种飞行模式：固定翼飞行模式和四旋翼飞行模式，在固定翼飞行模式下，无人机可短距起降，通过控制翼-身大幅倾转折叠机构，使机翼倾转系统向前偏转45度，使得旋翼同时产生推力和升力，该模式相比垂直起降模式能节约大量的燃料，从而增大航程，并且，在固定翼飞行模式下，通过控制翼-身大幅倾转折叠机构，可实现机翼的折叠，从而使v型尾翼的上反角大小可调，可以调整无人机的航向静稳定性能力，通过控制翼-身大幅倾转折叠机构还可实现两侧机翼的差动倾转，从而实现无人机的滚转运动。
48.本发明中，参照图14，从四旋翼模式到固定翼模式的飞行过渡：无人机初始处于四旋翼飞行模式，当外部控制器发出过渡为固定翼飞行模式指令，控制伸缩变形机翼和尾翼的两个折叠机构同时开始折叠工作，当θ为0
°
时(折叠机构的机翼折叠工作过程中的θ)，控制机翼折叠的旋转驱动电机停止工作并自锁，机翼停止折叠，随后机翼和尾翼开始倾转，当机翼和尾翼倾转为0
°
即机翼所在平面和尾翼所在平面与机身所在平面平行时，控制机翼和尾翼倾转的第三旋转驱动电机405停止工作并自锁，机翼和尾翼停止倾转，伸缩变形机翼的伸缩机构随之开始并完成伸长工作，机翼达到完全伸长状态，最后，控制尾翼的折叠机构发生折叠动作，当θ为30
°
时，控制尾翼折叠的旋转驱动电机停止工作并自锁，尾翼停止折叠形成v型尾翼，无人机过渡为固定翼飞行模式。
49.本发明中，参照图15，从固定翼模式到四旋翼模式的飞行过渡：无人机初始处于固定翼飞行模式，当外部控制器发出过渡为四旋翼飞行模式指令，控制尾翼的折叠机构发生
折叠动作，当θ为0
°
即尾翼所在平面与机身所在平面平行时尾翼停止折叠，随后伸缩变形机翼的伸缩机构开始并完成收缩工作，机翼达到完全收缩状态，控制伸缩变形机翼和尾翼的两个倾转折叠机构随之开始倾转工作，当机翼和尾翼倾转为90
°
即机翼所在平面和尾翼所在平面与机身所在平面平垂直时，控制机翼和尾翼倾转的旋转驱动电机停止工作并自锁，机翼和尾翼停止倾转，最后，控制伸缩变形机翼和尾翼的两个折叠机构同时同步开始折叠工作，两个机翼向前折叠，两个尾翼向后折叠，当两个机翼(尾翼)所在的两个平面形成夹角为60
°
时，控制机翼和尾翼折叠的旋转驱动电机停止工作并自锁，无人机过渡为四旋翼飞行模式。
50.本发明中，可倾转-折叠-伸缩机翼垂直起降变体无人机具有大缩比变形机翼、翼-身大幅倾转折叠机构等创新设计，可实现固定翼和四旋翼间的全模态转换。同时兼具固定翼无人机巡航能力强、载荷能力大，和四旋翼无人机机动性强、飞行速度快的优势特点。同时，该变体无人机提升了传统倾转机翼式垂直起降无人机的环境适应能力，为未来新型变体无人机的设计方向提供了一条参考路径。
51.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，包括机身(1)、伸缩变形机机翼(2)和尾翼(3)，其特征在于，所述伸缩变形机机翼(2)和尾翼(3)分别与机身(1)的头部和尾部通过折叠机构(4)连接，所述伸缩变形机机翼(2)和尾翼(3)上均通过驱动机构转动连接有螺旋桨(5)；所述伸缩变形机机翼(2)包括对称设置的两个主翼梁(201)、副翼梁(202)，两个所述主翼梁(201)的外部固定套接有主蒙皮(203)，两个所述副翼梁(202)的外部固定套接有副蒙皮(204)，所述主翼梁(201)上滑动套接有多个主翼肋(205)，所述副翼梁(202)上滑动套接有多个副翼肋(206)，位于翼根端的所述主翼肋(205)上固定连接有两个第一旋转驱动电机(207)，所述主翼肋(205)和副翼肋(206)之间设有多个伸缩机构，所述第一旋转驱动电机(207)的输出端与伸缩机构连接；所述折叠机构(4)包括对称设置的中心轮(401)、齿轮圈(402)、机架(403)、第二旋转驱动电机(404)、第三旋转驱动电机(405)和机翼连接件(406)，所述中心轮(401)与第二旋转驱动电机(404)的输出端连接，所述齿轮圈(402)转动啮合链接有三个行星轮(407)，所述的齿轮圈(402)固定连接在机身(1)上，所述行星轮(407)的一侧与机架(403)固定连接，所述第二旋转驱动电机(404)和第三旋转驱动电机(405)均与机架(403)固定连接，所述第三旋转驱动电机(405)的输出端与机翼连接件(406)固定连接，所述机翼连接件(406)一端与机架(403)转动连接。2.根据权利要求1所述的一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，其特征在于，多个所述伸缩机构呈线性阵列设置。3.根据权利要求2所述的一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，其特征在于，所述伸缩机构包括第一主动杆(6)、第二主动杆(7)、第一从动杆(8)、第一滑块(9)、第二从动杆(10)、第二滑块(11)、第三从动杆(12)和第四从动杆(13)；所述第一主动杆(6)、第二从动杆(10)和第四从动杆(13)通过同轴配合连接，所述第二主动杆(7)、第一从动杆(8)和第三从动杆(12)之间通过同轴配合连接，所述第一滑块(9)滑动套接于第一主动杆(6)上，所述第一从动杆(8)的一端与第一滑块(9)转动连接，所述第二滑块(11)滑动套接于第三从动杆(12)上，所述第二从动杆(10)的一端与第二滑块(11)转动连接。4.根据权利要求3所述的一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，其特征在于，所述第一主动杆(6)、第二主动杆(7)、第三从动杆(12)和第四从动杆(13)相远离的一端均固定连接有连接齿轮(14)，所述主翼肋(205)和副翼肋(206)上均设有与连接齿轮(14)对应的安装口。5.根据权利要求1所述的一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，其特征在于，所述第一旋转驱动电机(207)、第二旋转驱动电机(404)和第三旋转驱动电机(405)均为自锁旋转驱动电机。6.根据权利要求1所述的一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，其特征在于，所述机身(1)的底部转动连接有对称设置的多个起落架(15)。

技术总结
本发明公开了一种机翼可倾转、折叠、伸缩的垂直起降变体无人机，包括机身、伸缩变形机机翼和尾翼，所述伸缩变形机机翼和尾翼分别与机身的头部和尾部通过折叠机构连接，所述伸缩变形机机翼和尾翼上均通过驱动机构转动连接有螺旋桨。本发明可倾转-折叠-伸缩机翼垂直起降变体无人机具有大缩比变形机翼、翼-身大幅倾转折叠机构等创新设计，可实现固定翼和四旋翼间的全模态转换。同时兼具固定翼无人机巡航能力强、载荷能力大，和四旋翼无人机机动性强、飞行速度快的优势特点。同时，该变体无人机提升了传统倾转机翼式垂直起降无人机的环境适应能力，为未来新型变体无人机的设计方向提供了一条参考路径。了一条参考路径。了一条参考路径。


技术研发人员：董晨宇 王建园 白澔烔 汪紫清 陈金宝
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/6/7