本發(fā)明涉及一種民用無人機技術，尤其涉及一種自適應的翼漿一體無人機的結構。

背景技術：

在各種民用無人機中，多旋翼無人機以其結構簡單、易于控制受到了許多消費者的青睞，但這一類無人機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)航時間較短的嚴重問題。目前市面上常見的四軸多旋翼無人機續(xù)航時間僅為20至30分鐘，難以滿足長時間、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，固定翼無人機在飛行時間和飛行距離上大大優(yōu)于多旋翼無人機，但固定翼無人機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將飛翼和多旋翼無人機相結合，除了普通的多旋翼無人機部分，在無人機的機身兩側或機身上方還額外安裝有一到兩只飛翼。該類無人機使用旋翼起降和懸停，避免了固定翼無人機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，達到節(jié)省電量、提高無人機續(xù)航的目的。但是，翼漿一體化無人機設計存在著一個比較明顯的問題，即機翼部分與機身固連，二者之間沒有使機翼可以進行旋轉與俯仰的結構。飛行過程中飛翼與機身固定，不同飛行狀態(tài)對飛翼升力影響極大，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。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的上述技術問題是通過下述技術方案解決的：一種自適應翼槳一體化無人機，包括機身，機身上連接有多個機臂，在每個機臂上均連接有機翼，機身上通過連接結構連接有飛翼，所述的連接結構包括水平旋轉結構和豎直俯仰結構，水平旋轉結構帶動飛翼在水平面內旋轉，豎直俯仰結構帶動飛翼在豎直面內轉動。本發(fā)明包含4個用于垂直起降及懸停的機翼和一個用于飛行時提供輔助升力的飛翼，飛翼與機翼的結合，使得無人機在能夠垂直起降和懸停的同時增加飛行器的續(xù)航時間。飛翼和機身之間安裝有一套連接機構，使得飛翼可以在水平和豎直兩個方向上自由旋轉，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不同的飛行姿態(tài)。提高無人機的產品性能。

作為優(yōu)選，所述的連接結構包括上連接板和下連接板，下連接板與機身相連，上連接板上固定有飛翼。上、下連接板分別連接機身和飛翼，將機身和飛翼連接起來，同時利用相互可轉動連接的上連接板和下連接板，來完成飛翼的水平旋轉和豎直俯仰調整。水平旋轉電機帶動下連接板轉動，下連接板上連接有上連接板，也就同時帶動了上連接板轉動，上連接板連接有飛翼，因此，飛翼也會跟著水平旋轉，從而實現(xiàn)水平旋轉調整。豎直俯仰電機驅動上連接板轉動，從而帶動飛翼旋轉，實現(xiàn)俯仰調整。

作為優(yōu)選，所述的水平旋轉結構包括水平旋轉電機，水平旋轉電機固定在機身上，水平旋轉電機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。通過水平旋轉電機來帶動下連接板旋轉，而下連接板與上連接板相連，上連接板上連接有飛翼，因此水平旋轉電機能帶動飛翼水平面內旋轉，從而在無人機轉向過程中，通過旋轉蓋板飛翼的水平方向，為平飛轉向過程提供更大的升力。

作為優(yōu)選，所述的豎直旋轉結構包括豎直俯仰電機，豎直俯仰電機的輸出軸連接有上連接板，上連接板上固定有飛翼。豎直俯仰電機帶動上連接板繞軸前后擺動，從而實現(xiàn)固定在上連接板上的飛翼前后傾斜擺動，在無人機起飛和降落過程中，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電機，在u形的下連接板的其中一個豎直面上固定有豎直俯仰電機，豎直俯仰電機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的驅動下前后轉動時，能有更大的轉動空間，與下連接板不會產生相互干涉。u形的下連接板結構能方便安裝豎直俯仰電機并且可以方便上連接板與下連接板之間的相互轉動和連接。下連接板能對上連接板形成一個支撐，u形下連接板的其中一個豎直面上安裝有旋轉軸，讓上連接板和下連板可以相互轉動。另外一個豎直面上安裝豎直俯仰電機，豎直俯仰電機的輸出軸與上連接板相連。豎直俯仰電機帶動上連接板旋轉。

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側連接面，其中上連接面與飛翼相連，其中一個側連接面與u形的下連接板的豎直面通過轉軸相互轉動相連，另外一個側連接面固定在豎直俯仰電機的輸出軸上。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接形成矩形，使得整個連接結構對稱結構好，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，圓形的側連接面方便也下連接板連接，同時也方便固定在上連接板上的飛翼旋轉。上連接面的整體呈矩形平板狀，在兩側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。

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控制芯片分別連接到水平旋轉電機和豎直俯仰電機，控制芯片還連接到通訊轉換芯片的uart接口，通訊轉換芯片包括usb接口?？刂茊卧惭b于所述連接機構內的下連接板上，包括一塊控制板和一個imu慣性測量單元。imu慣性測量單元中包含三軸陀螺儀和三軸加速度儀，可以實時給出飛翼的傾斜角度。控制板與無人機機身內部的接收器、imu傳感器以及所述固定翼-機身連接機構上的電機電連接?？刂瓢逯邪粔K單片機芯片和兩塊電機控制芯片。單片機芯片用于接受所述慣性測量單元信號提供的角度信號，并通過所述單片機芯片內寫入的程序，解算出電機轉動的方向和角度，從而使飛翼時刻保持俯仰和旋轉角度的恒定；此外，所述單片機芯片也可接受通過接收機傳來的信號，從而使飛翼依據(jù)地面操縱人員的操控進行旋轉。所述電機控制芯片接受所述單片機芯片提供的信號，并分別控制所述水平旋轉電機和所述豎直俯仰電機進行轉動。

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

因此，本發(fā)明的一種自適應翼槳一體化無人機具備下述優(yōu)點：

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

（2）飛翼可以在無人機飛行的過程中提供輔助升力，從而增加無人機的滯空時間；

（3）飛翼-機身連接結構可以使飛翼在水平和豎直方向上旋轉，從而使飛翼的角度符合當前飛行狀態(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)明的一種自適應翼槳一體化無人機的立體示意圖。

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是水平飛行時飛翼周圍空氣流動流線示意圖。

圖7為無人機作水平飛行時受力分析圖。

圖8是連接結構的立體示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例：

如圖1和2和3和4所示，一種自適應翼槳一體化無人機，包括機身，用于支撐所屬機身和降低無人機降落時產生的沖擊力。機身13包括上蓋7和下蓋11，機身13的下方固定在起落架12上，用于支撐所屬機身和降低無人機降落時產生的沖擊力。在機身的四個角各連接有一個機臂10，在機臂10上固定有螺旋槳8，在螺旋槳8的下方通過螺旋槳電機9帶動。四個機臂呈十字形布置，在機身上方通過連接結構連接有飛翼1，飛翼位于相鄰機臂之間，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，通過電子調速器調節(jié)所述電機9的轉速，帶動螺旋槳8旋轉以提供升力，維持或是改變無人機的飛行狀態(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垂直起降和懸停，降低了無人機在使用過程中的場地需求和對無人機進行操控的難度。在無人機降落過程中通過起落架11進行緩沖。所述起落架11設計為流暢的曲線結構，可以降低無人機降落時的沖擊力，保護無人機結構不受影響。

如圖8所示，連接結構包括與機身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活動連接水平旋轉電機4固定在機身的上蓋7的中心，在下連接板11的水平面的中心開設有固定孔，水平旋轉電機4的輸出軸固定在下連接板的水平面14的中心的通孔內。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電機4的輸出軸，水平旋轉電機74固定在機身的上蓋7上。在u形的下連接板6的其中一個豎直面15上固定有豎直俯仰電機5，豎直俯仰電機5的輸出軸與上連接板6相連。在下連接板6的另外一個豎直面15上開設有通孔，通孔內插接有旋轉軸3，下連接板6與上連接板2通過旋轉軸3轉動連接。下連接板6的兩個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、下連接板對接形成一個矩形框，上連接板2包括上連接面16和兩個側連接面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，上表面的兩側為圓弧過渡面18。側連接面17為圓形，其中一個側連接面17與u形的下連接板的豎直面通過旋轉軸3相互轉動相連，另外一個側連接面固定在豎直俯仰電機5輸出軸上。

如圖6和7所示，當無人機處于飛行狀態(tài)時，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擔，達到減少能量損耗、增加無人機滯空時間的目的。

無人機起降以及高度改變時，通過控制豎直俯仰電機5進行轉動，帶動上連接板2，進而改變飛翼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，從而使氣流的相對運動更加平順，減小產生的阻力。

無人機在空中轉向時，通過控制水平旋轉電機4進行轉動，帶動下連接板6，使包括上連接板2、豎直俯仰電機5和飛翼1在內的整體結構進行水平方向上的旋轉，從而使飛翼1正方向和瞬時速度的切線方向相符，讓機翼在任何時候都能夠產生最大的升力。

當無人機直線平飛時，水平旋轉電機4和豎直俯仰電機5可以拾取所述控制單元傳輸?shù)霓D動角度信息進行處理，對偏離正常平飛的姿態(tài)進行調節(jié)，從而使飛翼1的旋轉和俯仰角度時刻保持恒定，以抵消機械振動和風力帶來的影響，使翼漿無人機的飛行更加平穩(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構內的下連接板6上，包括一塊控制板和一個imu慣性測量單元。imu慣性測量單元中包含三軸陀螺儀和三軸加速度儀，可以實時給出飛翼的傾斜角度?？刂瓢迮c無人機機身內部的接收器、imu傳感器以及固定翼-機身連接機構上的電機電連接?？刂瓢逯邪粔K單片機芯片和兩塊電機控制芯片。單片機芯片用于接受所述慣性測量單元信號提供的角度信號，并通過所述單片機芯片內寫入的程序，解算出電機轉動的方向和角度，從而使飛翼時刻保持俯仰和旋轉角度的恒定；此外，所述單片機芯片也可接受通過接收機傳來的信號，從而使飛翼依據(jù)地面操縱人員的操控進行旋轉。所述電機控制芯片接受所述單片機芯片提供的信號，并分別控制所述水平旋轉電機4和所述豎直俯仰電機5進行轉動。

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

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

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。凡利用本發(fā)明所提出的技術思想所設計的等效結構，或是在本發(fā)明基礎上進行的任何改動與改進，均落入本發(fā)明保護范圍之內。