一种由可控伞翼变换为可折叠固定翼的无人机及转换方法与流程

本发明属于无人机飞行器技术领域，具体地说，涉及一种由可控伞翼变换为可折叠固定翼的无人机及转换方法。

背景技术：

伞翼无人机是指以空气对翼伞的作用力和飞行器自带发动机提供的推力为升力和动力，依靠自身的导航与控制系统，实现自主飞行的无人飞行器。伞翼无人机具有滞空时间长、载荷量大、不受场地限制和携行方便等特点，但是其机动性较差，飞行速度较慢。

技术实现要素：

本发明提供一种滞空时间长、载荷量大、不受场地限制和携行方便，且机动性强、飞行速度快的由可控伞翼变换为可折叠固定翼的无人机。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种由可控伞翼变换为可折叠固定翼的无人机，包括对称安装于机身前部两侧的两前翼，和对称安装于机身后部两侧的两尾翼，于所述机身上形成有用于收纳前翼和尾翼的容置腔，各前翼和尾翼分别铰接于机身上并经构造于机身上的驱动机构驱动而同步地由容置腔内伸出打开或由打开状态折叠入容置腔内，于所述机身上折叠有打开后可充气的翼伞，所述翼伞经安装于机身上的调节机构调节而控制无人机的航向。

进一步的，所述驱动机构包括安装于所述机身内由电机驱动的传动机构，所述传动机构分别与各前翼和尾翼传动连接，且所述传动机构在电机驱动下带动两前翼和两尾翼沿机身的长度方向同步开合。

进一步的，所述传动机构包括安装于电机输出端的主动轮，于两所述前翼上且与机身铰接处分别安装有第一从动轮，于两所述尾翼上且与机身铰接处分别安装有第二从动轮，于两所述第一从动轮之间伸入一与二者啮合的第一传动杆，于两所述第二从动轮之间伸入一与二者啮合的第二传动杆，所述第一传动杆和第二传动杆的另一端相向延伸并分别与主动轮啮合。

进一步的，所述翼伞通过缝制于其上的两连接绳与机身顶部连接，两连接绳分别设置于靠近机身两侧的位置处，于两所述连接绳上分别固定有圆环。

进一步的，于各所述连接绳上安装有用于切断连接绳的第一切割器。

进一步的，所述调节机构包括安装于所述机身顶部的两卷轴电机，两卷轴电机分别连接有穿过相对应圆环的两操纵绳，各所述操纵绳远离卷轴电机的一端与翼伞后缘相连接。

进一步的，于各所述操纵绳上安装有用于切断操纵绳的第二切割器。

本发明还公开了一种无人机由可控伞翼变换为可折叠固定翼的控制方法，包括如下步骤：

s1、无人机采用地面发射或空中空投的方式起飞，起飞时无人机的前翼及尾翼收纳于机身的容置腔内；

s2、起飞后，控制翼伞完全张开，悬挂着机身作为伞翼飞行器飞行；

s3、当无人机接近目标区或需要切换飞行模式时，通过电机驱动传动机构，以将折叠于机身内的前翼及尾翼同时旋转展开；

s4、当机翼完全展开后，同时启动两侧连接绳上的第一切割器以及操纵绳上的切割器上的第二切割器，切断连着机身的连接绳和操纵绳，抛开翼伞，无人机由伞翼飞行器变为固定翼飞行器。

进一步的，介于步骤s2与步骤s3之间，通过控制各卷轴电机，对相对应的操纵绳的拉动，以构成机身的左右转向。

进一步的，介于步骤s4之后，无人机由伞翼飞行器变为固定翼飞行器，通过调节左右舵面改变飞行方向，通过调节升降舵面和发动机马力，调节飞行高度和飞行速度。

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：本发明当前翼和尾翼均收纳于机身的容置腔内时，通过释放翼伞使之变成伞翼飞行器，实现长时间滞空，当接近目标区或需要切换飞行模式时，将折叠于机身内的前翼及尾翼同时旋转展开，当完全展开后，抛开翼伞，无人机由伞翼飞行器变为固定翼飞行器，通过调节左右舵面改变飞行方向，通过调节升降舵面和无人机的发动机马力，调节飞行高度和飞行速度，实现高速、高机动性飞行；由此可知，本发明将伞翼无人机和固定翼无人机的优点相结合，使其具有滞空时间长、载荷量大、不受场地限制及携行方便，且机动性强、飞行速度快的特点。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例前翼和尾翼与机身的传动关系的结构示意图；

图2为本发明实施例翼伞与机身连接的结构示意图；

图3为本发明实施例作为伞翼飞行器飞行时的受力分析图；

图4为本发明实施例作为伞翼飞行器飞行的状态图；

图5为本发明实施例前翼和尾翼打开时翼伞未脱离机身的结构示意图；

图6为本发明实施例前翼和尾翼打开后翼伞脱离机身时的结构示意图；

图7为本发明实施例作为固定翼飞行器飞行的状态图。

标注部件：1-机身，2-翼伞，3-连接绳，4-操纵绳，5-前翼，6-尾翼，7-第一切割器，8-第二切割器，9-卷轴电机，10-圆环，11-第一传动杆，12-第一从动轮，13-第二传动杆，14-第二从动轮，15-主动轮。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1一种由可控伞翼变换为可折叠固定翼的无人机

本实施例公开了一种由可控伞翼变换为可折叠固定翼的无人机，如图1-7所示，包括机身1、翼伞2、两个前翼5和两个尾翼6，其中，两个前翼5对称安装在机身1前部的两侧，两个尾翼6对称安装在机身1后部的两侧，在机身1上与各个前翼5和尾翼6相对应的位置处形成有容置腔，用于收纳前翼5和尾翼6，各个前翼5和尾翼6的一端分别铰接在机身1上，在机身1上构造有驱动机构，驱动机构与前翼5和尾翼6传动连接，且驱动机构驱动前翼5和尾翼6同步地由容置腔内伸出，直至其处于打开状态，或驱动前翼5和尾翼6由打开状态折叠入容置腔内，翼伞2折叠在机身1上，且翼伞2打开后可充气，翼伞2经安装在机身1上的调节机构调节而控制机身1的倾斜度。本实施例当前翼5和尾翼6均收纳于机身1的容置腔内时，通过释放翼伞2使之变成伞翼飞行器，实现长时间滞空，当接近目标区或需要切换飞行模式时，将折叠于机身1内的前翼5及尾翼6同时旋转展开，当完全展开后，抛开翼伞2，无人机由伞翼飞行器变为固定翼飞行器，通过调节左右舵面改变飞行方向，通过调节升降舵面和无人机的发动机马力，调节飞行高度和飞行速度，实现高速、高机动性飞行。

作为本实施例驱动机构优选的实施方式为，如图1所示，驱动机构包括安装在机身1内由电机(图中未示出)驱动的传动机构，该传动机构分别与各个前翼5和尾翼6传动连接，且传动机构在电机驱动下带动两个前翼5和两个尾翼6沿机身1的长度方向同步开合，进而实现前翼5和尾翼6的同时张开或同时收纳于容置腔内。传动机构具体的结构为：传动机构包括同轴安装在电机输出端的主动轮15，在两个前翼5上且与机身1铰接处分别安装有第一从动轮12，在两个尾翼6上且与机身1铰接处分别安装有第二从动轮14，在两个第一从动轮12之间伸入一根第一传动杆11，该第一传动杆11与分别与两个第一从动轮12相啮合，在两个第二从动轮14之间伸入一根第二传动杆13，该第二传动杆13与两个第二传动杆13相啮合，第一传动杆11和第二传动杆13的另一端相向延伸并分别与主动轮15啮合。通过电机驱动主动轮15转动，进而使主动轮15带动第一传动杆11和第二传动杆13相向或相背运动，从而实现前翼5和尾翼6的同时打开或收纳于容置腔内。

作为本实施例一个优选的实施方式，如图2所示，翼伞2上缝制有两个连接绳3，两个连接绳3固定在机身1的顶部，且两个连接绳3分别设置在靠近机身1两侧的位置处，在每个连接绳3上分别固定有圆环10。本实施例为了实现翼伞2与机身1的脱离，在每个连接绳3上安装有用于切断连接绳3的第一切割器7。

本实施例中的调节机构优选的结构为，如图2所示，调节机构包括并排安装在机身1顶部靠后位置处的两个卷轴电机9，两个卷轴电机9分别连接有穿过相对应圆环10的操纵绳4，操纵绳4处于紧绷的状态，每根操纵绳4远离卷轴电机9的一端与翼伞2后缘相连接。通过控制卷轴电机9来实现操纵绳4的长度变化，进而使相对应的连接绳3发生相应的偏斜，实现整体翼伞2的角度变化，进而实现机身1航向的改变。本实施例在每根操纵绳4上安装有用于切断操纵绳4的第二切割器8。通过控制第一切割器7切断连接绳3和第二切割器8切断操纵绳4，进而实现翼伞2与机身1的分离。

本实施例当前翼5与尾翼6折叠于机身1内时，无人机以伞翼飞行器飞行，翼伞2是展向对称的，充满气后的翼伞2视为一个刚体，翼伞2的质心在运动过程中相对与翼伞2不变，负载的压心和质心重合，如图3所示。

设翼伞2受到的气动升力为l，气动阻力为d，全系统的重力为mg，γ为滑翔角，且滑翔角与系统的升阻比有关。此时的受力满足如下方程：

mg＝lcos(γ)+dsin(γ)

lsin(γ)＝dcos(γ)

当翼伞2无人机保持恒定的速度v平飞直飞时，此时滑翔角γ＝0，可以得到：

式中，ρ为空气密度，cl为翼伞2的升力系数，与飞行时的攻角有关，当攻角恒定时，cl也保持不变。

翼伞2无人机系统受到的阻力等于发动机产生的推力ft，且等于翼伞2、连接伞绳的气动阻力d以及机体的气动阻力之db和。

ft＝d+db

设定翼伞2无人机的飞行速度v＝10m/s时，机体的气动阻力db可以通过实验的方式获得，发动机产生的推力减去机体的气动阻力，就可以得到翼伞2、连接伞绳的气动阻力d。

根据翼伞2受到的气动升力l，气动阻力d，可以得到翼伞2的升阻比及滑翔角。

经计算，选择伞无人机的相关参数为：

翼伞面积s：10m²

展弦比ar：3.6

总质量：20kg

滑翔角γ：20°

翼伞升力系数cl：0.6206

翼伞阻力系数cd：0.184

翼伞升阻比：3.37

巡航飞行速度v：10m/s

考虑翼伞2的附加质量，相关设计参数满足伞翼飞行器飞行设计要求。

实施例2一种无人机由可控伞翼变换为可折叠固定翼的控制方法

本发明还公开了一种无人机由可控伞翼变换为可折叠固定翼的控制方法，包括如下步骤：

s1、无人机采用地面发射或空中空投的方式起飞，起飞时无人机的前翼5及尾翼6收纳于机身1的容置腔内；

s2、起飞后，如图4所示，控制翼伞2完全张开，悬挂着机身1作为伞翼飞行器飞行；

s3、通过控制各卷轴电机9，对相对应的操纵绳4的拉动，以构成机身1的左右转向；

s4、当无人机接近目标区或需要切换飞行模式时，如图5所示，通过电机驱动传动机构，以将折叠于机身1内的前翼5及尾翼6同时旋转展开；

s5、当机翼完全展开后，如图6所示，同时启动两侧连接绳3上的第一切割器7以及操纵绳4上的切割器上的第二切割器8，切断连着机身1的连接绳3和操纵绳4，抛开翼伞2，无人机由伞翼飞行器变为固定翼飞行器，如图7所示的状态。

s6、无人机由伞翼飞行器变为固定翼飞行器，通过调节左右舵面改变飞行方向，通过调节升降舵面和发动机马力，调节飞行高度和飞行速度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。