一种具有可折叠固定翼的水空两栖无人机

1.本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种具有可折叠固定翼的水空两栖无人机。


背景技术：

2.水空两栖无人机是结合空气飞行器与水下航行器的新兴技术，目前的两栖无人机主要包含三种方向，一种是仿生结构，如鲣鸟，dipper。其机翼一般为后掠翼结构，整体结构较小，承载能力有限。一种是飞机形式结构，如copos，这种结构是将小型飞机做密封，实现水下功能。该种两栖飞行器主要考虑了飞行特性，在水中航行时，固定翼产生的水下阻力较大。最后一种是四旋翼结构。这种结构可以悬停，上下垂直起飞，同样也可以水下航行，且可承载较重的重量，但是整体结构也较重，能耗较高。
3.上述结构布局均考虑的是单一特性，如四旋翼的悬停，或固定翼的飞行特性。没有把这些空中飞行特性与水下特性相结合，水空的兼容性不足。
4.公开号为cn112278259a的专利说明书中公开了一种折叠式翼片辅助飞行四旋翼无人机，包括机身及设置于所述机身两侧的四个主旋翼，还包括两个折叠式翼片辅助飞行机构；两个所述折叠式翼片辅助飞行机构分别折叠于所述机身的两侧；当两个所述折叠式翼片辅助飞行机构展开时，在所述机身的两侧形成辅助机翼。
5.公开号为cn112278258a的专利说明书中公开了一种具备折叠式软翼辅助飞行机构的四旋翼无人机。包括机身及设置于机身两侧的四个主旋翼，还包括两个折叠式软翼机构；两个折叠式软翼机构分别设置于机身的两侧；当两个折叠式软翼机构展开时，在机身的两侧形成辅助机翼。机身的两侧设有收缩腔；两个折叠式软翼机构分别容置于机身两侧的收缩腔内。
6.上述两种机构可以作为水空两栖机器人的方向。但是，该机构为避免软翼及折叠翼在展开后对四旋翼的推力造成阻挡，需要四旋翼之间的尺寸较大。另外，软翼的机构为悬臂式的连杆结构，这限制了软翼能提供的升力大小，同样，折叠固定翼也由于尺寸的原因，可以提供的升力较小，辅助飞行的作用有限。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种具有可折叠固定翼的水空两栖无人机，通过可折叠固定翼与倾转旋翼的结合创新，兼顾了水空运行效率，同时解决了固定翼排水困难的问题。
8.一种具有可折叠固定翼的水空两栖无人机，包括机架，所述机架的下方固定有密封舱体，前后设置有倾转旋翼，所述机架的上方设置有固定翼以及用于驱动所述固定翼折叠、伸展的驱动机构；
9.所述固定翼包括固定翼支撑杆、多个并排套设在所述固定翼支撑杆上的固定翼骨架以及附着在固定翼骨架上的软翼膜，可活动的所述固定翼骨架上设置有带有滑槽的连杆连接块；
10.所述驱动机构包括菱形驱动连杆，所述菱形驱动连杆的转动副与对应所述滑槽滑动连接。
11.本发明结合可收缩固定翼和倾转多旋翼，在空中展开固定翼飞行，跨水空界面时收缩固定翼以多旋翼模式进行，水下则使用倾转多旋翼提供推力，可实现定点悬停、垂直起降、固定翼飞行及水下矢量推进功能，达到兼顾水空运动效率的效果。
12.作为优选，所述驱动机构还包括用于驱动所述菱形驱动连杆动作的传动组件；
13.所述传动组件包括带传动双向丝杠模组以及分别固定在所述带传动双向丝杠模组的两个滑座上的第一传动杆、第二传动杆；所述第一传动杆和第二传动杆分别与所述菱形驱动连杆位于中间位置的两转动副连接。
14.本方案采用步进电机、同步带轮、丝杠和连杆构成驱动链，实现了可折叠固定翼的精准控制。
15.进一步作为优选，所述第一传动杆和第二传动杆的其中一个杆上设置有插槽，另一个杆与所述插槽滑动配合。
16.作为优选，所述机架包括间隔固定在所述密封舱体上的支撑架，所述支撑架上位于所述密封舱体的两侧分别设置有导杆，两个所述导杆上滑动配合有四个呈矩形分布的滑块，分位于两所述导杆上的相邻所述滑块固定在同侧的所述滑座上，四个所述滑块上固定有用于设置倾转四旋翼的四旋翼安装杆。
17.该方案由于旋翼安装杆可以随滑块一起动作，故在固定翼折叠或伸展过程中，旋翼安装杆也可跟着翼折叠或伸展，因此该设计不仅可以限制四旋翼之间较大的尺寸，还避免了折叠固定翼在展开后对四旋翼的推力造成阻挡。
18.进一步优选，所述四旋翼安装杆包括固定在每个所述滑块上与所述密封舱体长度方向平行的纵向安装杆以及安装在分位于所述密封舱体两侧的相邻纵向安装杆上的横向安装杆，前后两横向安装杆的端部用于设置倾转四旋翼。
19.作为优选，所述纵向安装杆、横向安装杆、导杆及固定翼支撑杆均采用碳管。
20.作为优选，倾转旋翼包括设置在横向安装杆端部的螺旋桨倾转舵机、设置在螺旋桨倾转舵机上的螺旋桨电机以及设置在螺旋桨电机上的螺旋桨。
21.作为优选，所述固定翼支撑杆设置有平行的两个，所述固定翼骨架上一体成型有与所述固定翼支撑杆滑动配合的套筒。
22.本发明的有益效果：
23.(1)本发明设计了新型两栖无人机结构布局，兼容了水空运动效率，在空中以固定翼飞行，水下以倾转四旋翼航行，且收缩固定翼结构解决了固定翼排水困难的问题。
24.(2)本发明的可折叠固定翼设计，减小了水下阻力，此外可折叠固定翼采用固定翼骨架结合软翼膜的方式，使得固定翼结构质量轻，降低了飞行与航行能耗。
25.(3)本发明采用步进电机、同步带轮、丝杠和连杆构成驱动链，实现了可折叠固定翼的精准控制。
附图说明
26.图1为本发明固定翼折叠状态的结构示意图；
27.图2为本发明固定翼转开状态的结构示意图；
28.图3为驱动机构驱动固定翼骨架展开的结构示意图；
29.图4为驱动机构驱动固定翼骨架折叠的结构示意图；
30.图5为菱形驱动连杆与连杆连接块配合的结构示意图；
31.图6为传动组件设置于机架上的结构示意图；
32.图7为传动组件的结构示意图；
33.图中，1、机架；11、支撑架；12、立杆；13、导杆；14、滑块；15、连接杆；16、纵向安装杆；17、横向安装杆；2、密封舱体；3、倾转四旋翼；31、螺旋桨倾转舵机；32、螺旋桨电机；33、螺旋桨；4、固定翼；41、固定翼支撑杆；42、固定翼骨架；421、连杆连接块；422、套筒；43、软翼膜；5、驱动机构；51、菱形驱动连杆；52、丝杠；53、带轮；54、滑座；55、第一传动杆；551、插槽；56、第二传动杆。
具体实施方式
34.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.如图1-4所示，一种具有可折叠固定翼的水空两栖无人机，包括机架1，机架1的下方固定有密封舱体2，前后设置有倾转四旋翼3，上方设置有固定翼4以及驱动机构5，驱动机构5用于驱动固定翼4折叠、伸展。
36.固定翼4包括两根平行设置的固定翼支撑杆41、套设在固定翼支撑杆41上的固定翼骨架42以及附着在固定翼骨架42上的软翼膜43；本实施例中，固定翼骨架42对称设置有八个。中间两个为固定式的，固定在机架1上，其他六个为活动式的，可沿固定翼支撑杆41滑动。为保证滑动效果，固定翼骨架42上一体成型有与固定翼支撑杆41滑动配合的套筒422。
37.驱动机构5包括菱形驱动连杆51，可活动的固定翼骨架42上设置有带有滑槽的连杆连接块421；菱形驱动连杆51的转动副通过轴承与对应连杆连接块421上的滑槽滑动连接，在固定翼展开后由连杆提供预紧力，并保持固定翼翼型，具体结构如图5所示。
38.驱动机构5还包括传动组件，传动组件用于驱动菱形驱动连杆51动作；如图7所示，传动组件具体包括带传动双向丝杠模组以及第一传动杆55、第二传动杆56。
39.带传动双向丝杠模组包括一端带有带轮53的丝杠52，丝杠52上设置有双向螺纹，并配合有两个双向滑座54，带轮53具体由密封舱体2内的电机带动；第一传动杆55的一端固定在其中一个滑座54上，第二传动杆56的一端固定在另一个滑座54上；本实施例中，第一传动杆55上设置有插槽551，第二传动杆56与插槽551滑动配合；丝杠52转动带动两滑座54相向、背向移动，从而驱动第一传动杆55、第二传动杆56相向、背向移动。
40.第一传动杆55和第二传动杆56的另一端分别与菱形驱动连杆51位于中间位置的两转动副连接；第一传动杆55、第二传动杆56相向、背向移动，驱动菱形驱动连杆51做伸展、收缩动作，进而驱动固定翼骨架42做伸展、收缩动作，实现固定翼的可折叠操作。
41.如图6所示，机架1包括间隔固定在密封舱体2上的支撑架11，本实施例中，支撑架11设置有三个，分布于密封舱体2的首、尾和中部；中间两个固定的固定翼骨架42通过立杆12间隔固定在三个支撑架11之上；丝杠52的两端通过轴承固定在首、尾两个支撑架11上。
42.支撑架11上位于密封舱体2的两侧分别设置有导杆13，两个导杆13上滑动配合有四个呈矩形分布的滑块14，分位于两导杆13上的相邻滑块14通过连接杆15固定在同侧的滑座上54上，四个滑块14上固定有用于设置倾转四旋翼的四旋翼安装杆。
43.四旋翼安装杆包括固定在每个滑块14上与密封舱体2长度方向平行的纵向安装杆16以及安装在分位于密封舱体2两侧的相邻纵向安装杆16上的横向安装杆17，前后两横向安装杆17的端部用于设置倾转四旋翼4。
44.丝杠52转动带动两滑座54相向、背向移动，从而带动前后两横向安装杆17相向、背向移动。
45.倾转旋翼3包括设置在横向安装杆17端部的螺旋桨倾转舵机31、设置在螺旋桨倾转舵机31上的螺旋桨电机32以及设置在螺旋桨电机32上的螺旋桨33。
46.本实施例中，纵向安装杆16、横向安装杆17、导杆13及固定翼支撑杆41均采用碳管，结构轻盈，减少无人机负重。
47.本发明无人机在固定翼收折叠状态时，处于四旋翼飞行状态，可进行起飞降落，以及悬停操作，实现水空跨界面垂直起降。
48.本发明无人机在水下运动时，固定翼折叠，采用倾转四旋翼提供推力，进行水下最小阻力运动控制，由于固定翼折叠，水下阻力及水下附加质量小，提高了水下航行效率。
49.本发明无人机出水时，固定翼处于折叠状态，利于快速排水，当无人机垂直起飞后将固定翼展开，倾转螺旋桨提供前飞动力，无人机以固定翼结合倾转四旋翼方式飞行。此飞行过程通过固定翼与四旋翼共同提供升力，飞行效率高于普通四旋翼。
50.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有可折叠固定翼的水空两栖无人机，包括机架，所述机架的下方固定有密封舱体，前后设置有倾转多旋翼，其特征在于，所述机架的上方设置有固定翼以及用于驱动所述固定翼折叠、伸展的驱动机构；所述固定翼包括固定翼支撑杆、多个并排套设在所述固定翼支撑杆上的固定翼骨架以及附着在固定翼骨架上的软翼膜，可活动的所述固定翼骨架上设置有带有滑槽的连杆连接块；所述驱动机构包括菱形驱动连杆，所述菱形驱动连杆的转动副与对应所述滑槽滑动连接。2.根据权利要求1所述的水空两栖无人机，其特征在于，所述驱动机构还包括用于驱动所述菱形驱动连杆动作的传动组件；所述传动组件包括带传动双向丝杠模组以及分别固定在所述带传动双向丝杠模组的两个滑座上的第一传动杆、第二传动杆；所述第一传动杆和第二传动杆分别与所述菱形驱动连杆位于中间位置的两转动副连接。3.根据权利要求2所述的水空两栖无人机，其特征在于，所述第一传动杆和第二传动杆的其中一个杆上设置有插槽，另一个杆与所述插槽滑动配合。4.根据权利要求2所述的水空两栖无人机，其特征在于，所述机架包括间隔固定在所述密封舱体上的支撑架，所述支撑架上位于所述密封舱体的两侧分别设置有导杆，两个所述导杆上滑动配合有四个呈矩形分布的滑块，分位于两所述导杆上的相邻所述滑块固定在同侧的所述滑座上，四个所述滑块上固定有用于设置倾转四旋翼的四旋翼安装杆。5.根据权利要求4所述的水空两栖无人机，其特征在于，所述四旋翼安装杆包括固定在每个所述滑块上与所述密封舱体长度方向平行的纵向安装杆以及安装在分位于所述密封舱体两侧的相邻纵向安装杆上的横向安装杆，前后两横向安装杆的端部用于设置倾转四旋翼。6.根据权利要求5所述的水空两栖无人机，其特征在于，所述纵向安装杆、横向安装杆、导杆及固定翼支撑杆均采用碳管。7.根据权利要求5所述的水空两栖无人机，其特征在于，倾转旋翼包括设置在横向安装杆端部的螺旋桨倾转舵机、设置在螺旋桨倾转舵机上的螺旋桨电机以及设置在螺旋桨电机上的螺旋桨。8.根据权利要求1所述的水空两栖无人机，其特征在于，所述固定翼支撑杆设置有平行的两个，所述固定翼骨架上一体成型有与所述固定翼支撑杆滑动配合的套筒。

技术总结
本发明公开了一种具有可折叠固定翼的水空两栖无人机，包括机架，所述机架的下方固定有密封舱体，前后设置有倾转多旋翼，所述机架的上方设置有固定翼以及用于驱动所述固定翼折叠、伸展的驱动机构；所述固定翼包括固定翼支撑杆、多个并排套设在所述固定翼支撑杆上的固定翼骨架以及附着在固定翼骨架上的软翼膜，可活动的所述固定翼骨架上设置有带有滑槽的连杆连接块；所述驱动机构包括菱形驱动连杆，所述菱形驱动连杆的转动副与对应所述滑槽滑动连接。本发明通过可折叠固定翼与倾转旋翼的结合创新，兼顾了水空运行效率，同时解决了固定翼排水困难的问题。定翼排水困难的问题。定翼排水困难的问题。


技术研发人员：张锋 赵玉成 张君宇 宁扬 王汉鹏 金波
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/7/4