一种自适应翼桨一体化无人机的制作方法

本发明涉及一种民用无人机技术，尤其涉及一种自适应的翼浆一体无人机的结构。

背景技术：

在各种民用无人机中，多旋翼无人机以其结构简单、易于控制受到了许多消费者的青睐，但这一类无人机的全部升力都来自于旋翼提供的垂直升力，能量利用效率不高，因此存在着续航时间较短的严重问题。目前市面上常见的四轴多旋翼无人机续航时间仅为20至30分钟，难以满足长时间、长距离飞行的需要。由于能量密度的限制，单从增大电池容量方面着手提升有限。

另一方面，固定翼无人机在飞行时间和飞行距离上大大优于多旋翼无人机，但固定翼无人机也存在着一些难以避免的缺陷，例如操控困难、巡航速度过高、无法悬停、起飞需要跑道、降落则需要跑道，弹射器或降落伞等等。

新型的翼浆一体化无人机将飞翼和多旋翼无人机相结合，除了普通的多旋翼无人机部分，在无人机的机身两侧或机身上方还额外安装有一到两只飞翼。该类无人机使用旋翼起降和悬停，避免了固定翼无人机需要跑道和无法悬停的缺陷；而在平飞阶段则通过附加的飞翼增加升力，达到节省电量、提高无人机续航的目的。但是，翼浆一体化无人机设计存在着一个比较明显的问题，即机翼部分与机身固连，二者之间没有使机翼可以进行旋转与俯仰的结构。飞行过程中飞翼与机身固定，不同飞行状态对飞翼升力影响极大，在起降中常常出现由于飞行状态和飞翼位置不匹配而额外增加的阻力，而在平飞状态下，由于机身连带着飞翼一同倾斜，大大降低了飞翼能够提供的升力。

技术实现要素：

本发明提供了续航能力好，通过电动电机控制飞翼部分的水平方向的旋转及竖直方向的俯仰角度变化，使飞翼角度可以适应飞行器起飞、降落和转向等动作要求，达到提高无人机飞行性能的一种自适应翼桨一体化无人机；解决了现有技术中存在的无人机续航时间短，不同飞行状态对飞翼升力影响大的技术问题。

本发明的上述技术问题是通过下述技术方案解决的：一种自适应翼桨一体化无人机，包括机身，机身上连接有多个机臂，在每个机臂上均连接有机翼，机身上通过连接结构连接有飞翼，所述的连接结构包括水平旋转结构和竖直俯仰结构，水平旋转结构带动飞翼在水平面内旋转，竖直俯仰结构带动飞翼在竖直面内转动。本发明包含4个用于垂直起降及悬停的机翼和一个用于飞行时提供辅助升力的飞翼，飞翼与机翼的结合，使得无人机在能够垂直起降和悬停的同时增加飞行器的续航时间。飞翼和机身之间安装有一套连接机构，使得飞翼可以在水平和竖直两个方向上自由旋转，从而减少飞行过程中的阻力并增加飞翼所提供的升力。并且通过改变飞翼的角度来适应不同的飞行姿态。提高无人机的产品性能。

作为优选，所述的连接结构包括上连接板和下连接板，下连接板与机身相连，上连接板上固定有飞翼。上、下连接板分别连接机身和飞翼，将机身和飞翼连接起来，同时利用相互可转动连接的上连接板和下连接板，来完成飞翼的水平旋转和竖直俯仰调整。水平旋转电机带动下连接板转动，下连接板上连接有上连接板，也就同时带动了上连接板转动，上连接板连接有飞翼，因此，飞翼也会跟着水平旋转，从而实现水平旋转调整。竖直俯仰电机驱动上连接板转动，从而带动飞翼旋转，实现俯仰调整。

作为优选，所述的水平旋转结构包括水平旋转电机，水平旋转电机固定在机身上，水平旋转电机的输出轴连接有下连接板，下连接板连接有上连接板，上连接板连接有飞翼。通过水平旋转电机来带动下连接板旋转，而下连接板与上连接板相连，上连接板上连接有飞翼，因此水平旋转电机能带动飞翼水平面内旋转，从而在无人机转向过程中，通过旋转盖板飞翼的水平方向，为平飞转向过程提供更大的升力。

作为优选，所述的竖直旋转结构包括竖直俯仰电机，竖直俯仰电机的输出轴连接有上连接板，上连接板上固定有飞翼。竖直俯仰电机带动上连接板绕轴前后摆动，从而实现固定在上连接板上的飞翼前后倾斜摆动，在无人机起飞和降落过程中，改变飞翼的俯仰角，以契合起飞和降落时的飞行方向，降低飞翼在过程中造成的阻力。

作为优选，下连接板呈u形，下连接板的水平面的中心连接有水平旋转电机，在u形的下连接板的其中一个竖直面上固定有竖直俯仰电机，竖直俯仰电机的输出轴与上连接板相连。所述的竖直面的上端为圆弧面。保证飞翼在竖直俯仰电机的驱动下前后转动时，能有更大的转动空间，与下连接板不会产生相互干涉。u形的下连接板结构能方便安装竖直俯仰电机并且可以方便上连接板与下连接板之间的相互转动和连接。下连接板能对上连接板形成一个支撑，u形下连接板的其中一个竖直面上安装有旋转轴，让上连接板和下连板可以相互转动。另外一个竖直面上安装竖直俯仰电机，竖直俯仰电机的输出轴与上连接板相连。竖直俯仰电机带动上连接板旋转。

作为优选，所述的上连接板呈u形，上连接板包括上连接面和两个侧连接面，其中上连接面与飞翼相连，其中一个侧连接面与u形的下连接板的竖直面通过转轴相互转动相连，另外一个侧连接面固定在竖直俯仰电机的输出轴上。所述的上连接面位于下连接板的竖直面的上方，所述的侧连接面为圆面，所述的上连接面的横截面呈u形。u形的上连接板与u形的下连接板正好对接形成矩形，使得整个连接结构对称结构好，从而提高飞行的平稳性。上连接面高于下连接板的最高端，方便飞翼的安装和旋转，圆形的侧连接面方便也下连接板连接，同时也方便固定在上连接板上的飞翼旋转。上连接面的整体呈矩形平板状，在两侧的直角位置采用圆弧过渡，使得上连接面的上表面呈u形，有一定的圆弧角，与下连接板的相互干涉小，方便飞翼的固定，并且便于飞翼的倾斜旋转。

作为优选，在下连接板上安装有控制单元，控制单元包括控制芯片，控制芯片通过两块电机控制芯片分别连接到水平旋转电机和竖直俯仰电机，控制芯片还连接到通讯转换芯片的uart接口，通讯转换芯片包括usb接口。控制单元安装于所述连接机构内的下连接板上，包括一块控制板和一个imu惯性测量单元。imu惯性测量单元中包含三轴陀螺仪和三轴加速度仪，可以实时给出飞翼的倾斜角度。控制板与无人机机身内部的接收器、imu传感器以及所述固定翼-机身连接机构上的电机电连接。控制板中包含一块单片机芯片和两块电机控制芯片。单片机芯片用于接受所述惯性测量单元信号提供的角度信号，并通过所述单片机芯片内写入的程序，解算出电机转动的方向和角度，从而使飞翼时刻保持俯仰和旋转角度的恒定；此外，所述单片机芯片也可接受通过接收机传来的信号，从而使飞翼依据地面操纵人员的操控进行旋转。所述电机控制芯片接受所述单片机芯片提供的信号，并分别控制所述水平旋转电机和所述竖直俯仰电机进行转动。

作为优选，所述的机臂呈辐射状安装在机身外侧，所述的飞翼安装在机身的上方，飞翼的垂直投影位于相邻机臂的空隙内。四个机臂呈十字交叉布置，飞翼并不与任何一个机臂的方向相同，而是位于十字交叉的两个机翼连线成45°角，也就是机臂与飞翼从俯视角度看呈“*”形。飞翼的上表面为弧面，可以顺应气流方向，形成导向，提高飞翼升力。飞翼安装于所述机身上方，空气横向流过时由于所述飞翼上下面的压差，会对所述飞翼产生升力。

因此，本发明的一种自适应翼桨一体化无人机具备下述优点：

（1）多套旋翼系统可以提供足够的升力，使无人机可以垂直起降并在空中悬停，此外降低了无人机的操控难度；

（2）飞翼可以在无人机飞行的过程中提供辅助升力，从而增加无人机的滞空时间；

（3）飞翼-机身连接结构可以使飞翼在水平和竖直方向上旋转，从而使飞翼的角度符合当前飞行状态的需要，避免飞翼倾斜造成的升力损失，从而提高了飞翼的升力系数并降低阻力系数。

附图说明

图1是本发明的一种自适应翼桨一体化无人机的立体示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图2的主视图。

图4是图2的e-e剖视图。

图5是控制电路图。

图6是水平飞行时飞翼周围空气流动流线示意图。

图7为无人机作水平飞行时受力分析图。

图8是连接结构的立体示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1和2和3和4所示，一种自适应翼桨一体化无人机，包括机身，用于支撑所属机身和降低无人机降落时产生的冲击力。机身13包括上盖7和下盖11，机身13的下方固定在起落架12上，用于支撑所属机身和降低无人机降落时产生的冲击力。在机身的四个角各连接有一个机臂10，在机臂10上固定有螺旋桨8，在螺旋桨8的下方通过螺旋桨电机9带动。四个机臂呈十字形布置，在机身上方通过连接结构连接有飞翼1，飞翼位于相邻机臂之间，且飞翼的高度高于螺旋桨的高度，飞翼的上表面为弧线形式。在垂直起降、悬停和改变高度或方向的过程中，飞行控制板提供姿态及飞行数据信息，通过电子调速器调节所述电机9的转速，带动螺旋桨8旋转以提供升力，维持或是改变无人机的飞行状态。由于螺旋桨8提供的是垂直方向上的升力，因此可以使翼浆一体化无人机垂直起降和悬停，降低了无人机在使用过程中的场地需求和对无人机进行操控的难度。在无人机降落过程中通过起落架11进行缓冲。所述起落架11设计为流畅的曲线结构，可以降低无人机降落时的冲击力，保护无人机结构不受影响。

如图8所示，连接结构包括与机身13相连的下连接板6、与飞翼1相连的上连接板2，上连接板2与下连接板6活动连接水平旋转电机4固定在机身的上盖7的中心，在下连接板11的水平面的中心开设有固定孔，水平旋转电机4的输出轴固定在下连接板的水平面14的中心的通孔内。下连接板6呈u形，下连接板6的水平面14的中心连接有水平旋转电机4的输出轴，水平旋转电机74固定在机身的上盖7上。在u形的下连接板6的其中一个竖直面15上固定有竖直俯仰电机5，竖直俯仰电机5的输出轴与上连接板6相连。在下连接板6的另外一个竖直面15上开设有通孔，通孔内插接有旋转轴3，下连接板6与上连接板2通过旋转轴3转动连接。下连接板6的两个竖直面的上端为圆弧面。在下连接板6的上方的上连接板2同样呈u形，上、下连接板对接形成一个矩形框，上连接板2包括上连接面16和两个侧连接面17。其中上连接面16与飞翼1相连，上连接面16位于下连接板的竖直面15的上方，上连接面16的上表面为矩形，上表面的两侧为圆弧过渡面18。侧连接面17为圆形，其中一个侧连接面17与u形的下连接板的竖直面通过旋转轴3相互转动相连，另外一个侧连接面固定在竖直俯仰电机5输出轴上。

如图6和7所示，当无人机处于飞行状态时，气流流过所述飞翼1的正面，所述飞翼1可由此而提供一定的升力，从而减轻螺旋桨的负担，达到减少能量损耗、增加无人机滞空时间的目的。

无人机起降以及高度改变时，通过控制竖直俯仰电机5进行转动，带动上连接板2，进而改变飞翼1的俯仰角度。高度上升过程中使飞翼1角度上仰，高度下降过程中使飞翼1角度下俯，从而使气流的相对运动更加平顺，减小产生的阻力。

无人机在空中转向时，通过控制水平旋转电机4进行转动，带动下连接板6，使包括上连接板2、竖直俯仰电机5和飞翼1在内的整体结构进行水平方向上的旋转，从而使飞翼1正方向和瞬时速度的切线方向相符，让机翼在任何时候都能够产生最大的升力。

当无人机直线平飞时，水平旋转电机4和竖直俯仰电机5可以拾取所述控制单元传输的转动角度信息进行处理，对偏离正常平飞的姿态进行调节，从而使飞翼1的旋转和俯仰角度时刻保持恒定，以抵消机械振动和风力带来的影响，使翼浆无人机的飞行更加平稳、并增加其续航能力。

如图5所示，控制单元安装于连接机构内的下连接板6上，包括一块控制板和一个imu惯性测量单元。imu惯性测量单元中包含三轴陀螺仪和三轴加速度仪，可以实时给出飞翼的倾斜角度。控制板与无人机机身内部的接收器、imu传感器以及固定翼-机身连接机构上的电机电连接。控制板中包含一块单片机芯片和两块电机控制芯片。单片机芯片用于接受所述惯性测量单元信号提供的角度信号，并通过所述单片机芯片内写入的程序，解算出电机转动的方向和角度，从而使飞翼时刻保持俯仰和旋转角度的恒定；此外，所述单片机芯片也可接受通过接收机传来的信号，从而使飞翼依据地面操纵人员的操控进行旋转。所述电机控制芯片接受所述单片机芯片提供的信号，并分别控制所述水平旋转电机4和所述竖直俯仰电机5进行转动。

图5举例展示了一种可以达到控制功能的控制板。该控制板使用atmega328-au单片机芯片进行惯性测量单元数据的接收和角度的计算，并使用两块电机控制芯片l6234d分别控制水平旋转电机4和竖直俯仰电机5，其他部件还包括一块ft232rl芯片，用于实现usb到串行uart接口的转换，从而为控制板接入电脑进行参数调节提供方便；电平转换部件和稳压部件等。

本发明翼浆一体无人机飞翼-机身连接结构是适用于带有飞翼的多旋翼无人机的一种连接部件，可以根据不同的飞行条件调节飞翼的角度，其有利于增加无人机飞行过程中的稳定性，减小空气阻力，提高翼浆一体无人机的续航能力。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。凡利用本发明所提出的技术思想所设计的等效结构，或是在本发明基础上进行的任何改动与改进，均落入本发明保护范围之内。