具有翼膜的可倾转旋翼的四旋翼飞行器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种具有翼膜的可倾转旋翼的四旋翼飞行器。本实用新型主要包括“十”字钢架、辅助动力组、首舵、尾舵、主翼膜、飞行控制系统。根据不同的飞行状态，本实用新型可以调整为传统四旋翼飞行器的“十”字架型结构，或调整为翼膜展开后类似于螺旋桨飞机的结构。辅助动力组的倾转旋翼结构与主翼膜和尾舵尾翼膜上的翼膜结构在相应状态下为本实用新型提供向上的升力和向前的推力，两种结构的单独或者交替工作实现四旋翼飞行器状态和类螺旋桨飞机状态的转换。本实用新型具有结构新颖、航程较长、稳定性强的优点，同时也为多用途飞行器提供了一种新的设计方案。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及航天飞行动力机械领域，尤其涉及一种具有翼膜结构的可倾转旋 翼的四旋翼飞行器。 具有翼膜的可倾转旋翼的四旋翼飞行器 技术背景
[0002] 目前的四旋翼飞行器研究方向主要是实现姿态稳定控制、多机组群控制等，但是 这些控制都无法回避四旋翼飞行器的一些缺点，特别是飞行速度慢、储能有限且不适合远 距离飞行。因为传统四旋翼飞行器通过控制前后端旋翼转速不同而产生升力差，这不可避 免的导致机身产生俯仰运动，然后才实现水平前飞动作，这种前进方式会使传统四旋翼飞 行器水平前飞与坚直升降彼此影响。另一方面，传统四旋翼飞行器由于其设计机理限制，难 以达到像固定翼那样较高的巡航速度，因此出现了可倾转四旋翼飞行器。
[0003] 可倾转四旋翼飞行器，需要有动力装置带动旋翼等部件旋转，这些动力装置会一 定程度地增加能耗，因此在储能量相等情况下，可倾转四旋翼飞行器比传统四旋翼飞行器 巡航时间更短。正因为以上缺点使得可倾四旋翼飞行器在远距离航程上的应用受到极大限 制，因此有人在可倾转四旋翼飞行器结构上添加了固定翼结构。
[0004] 添加了固定翼的可倾转四旋翼飞行器，是靠控制四个动力组旋转，并借助机架结 构上的固定翼，实现四旋翼垂直起降并高速巡航。但这样的固定翼结构在飞行器垂直起降 时，固定翼宽大的表面更容易受到气流的扰动，因此在风力等同的情况下，装有固定翼的可 倾斜四旋翼飞行器在垂直起降过程中稳定性较差。
【发明内容】
[0005] 本实用新型为解决传统四旋翼飞行器巡航速度慢、垂直起降稳定性差和不适合远 距离飞行的问题提供了一套可行的技术方案。
[0006] 本实用新型解决问题所采用的技术方案是：
[0007] 本实用新型是在传统四旋翼飞行器结构基础上进行的改进。
[0008] 本实用新型主要包括"十"字钢架、辅助动力组、首舵、尾舵、翼膜和飞行控制系统。
[0009] 本实用新型的结构状态可分为三种，即四旋翼飞行器状态、结构转换状态和类螺 旋桨飞机状态。
[0010] 本实用新型刚起飞时，通过四个旋翼的旋转为本实用新型提供升力，主翼膜和两 片尾翼膜处于收缩状态。在垂直起降过程中，本实用新型处于四旋翼飞行器状态，避免了装 有固定翼的四旋翼飞行器，宽大的翼面受风力影响较大的缺点。
[0011] 本实用新型前向飞行速度达到主翼膜能提供升力的最小值时，飞行控制系统控制 主翼膜展开，主翼膜能为本实用新型提供部分升力，因此本实用新型不再只依靠电动机提 供升力。最终，飞行控制系统控制各电动机轴转至与主翼膜所在平面平行，使本实用新型处 于类螺旋桨飞机状态，调节电动机转速可调节本实用新型巡航速度。在储能相同情况下，本 实用新型比传统四旋翼飞行器具有更远的航程。
[0012] 本实用新型的主翼膜展开时，飞行控制系统控制尾舵旋转，并最终旋转到与"十" 字钢架处于同一平面，随后，尾舵上的两片尾翼膜展开。本实用新型尾舵上的两片尾翼膜的 主要作用是，通过调整两片尾翼膜的角度获得相应方向的作用力，从而改变本实用新型的 航行方向，一定程度上降低了传统四旋翼飞行器靠调节四个旋翼的速度差来改变飞行器航 向方法的复杂性。在本实用新型减速时，飞行控制系统控制主翼膜和两片尾翼膜收缩，继续 采用四旋翼飞行器方式使本实用新型降落，即本实用新型仍具有垂直降落能力。
[0013] 因为本实用新型具有翼膜结构和根据传统四旋翼改进的首舵、尾舵和辅助动力组 结构，它不仅能短距离起飞，还能借助翼膜结构在空中高速巡航。特别地，当本实用新型出 现某一个或多个电机（不包括尾舵电机）出现故障时，仍能靠翼膜结构保持飞行姿态稳定。
[0014] 本实用新型的翼膜结构能借助空气获得升力，从而一定程度上节省电能，增加巡 航距离。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本实用新型的四旋翼飞行器状态时的示意图。
[0016] 图2为本实用新型的首舵结构前倾45度角时的示意图。
[0017] 图3为本实用新型的主翼膜完全展开时的示意图。
[0018] 图4为本实用新型的辅助动力组前倾45角时的示意图。
[0019] 图5为本实用新型的尾舵后倾90度角时的示意图。
[0020] 图6为本实用新型的尾舵上两片尾翼膜完全展开时的示意图。
[0021] 图7为本实用新型的首舵和辅助动力组前斜90度时的示意图。
[0022] 图8a为本实用新型做上升动作时尾舵的侧视图。
[0023] 图8b为本实用新型做右转动作时尾舵的后视图。
【具体实施方式】
[0024] 本实用新型【具体实施方式】介绍中提到的方向和角度，当如此理解，所有方向和角 度，均是指以两个"一"字钢架交点为参考点，观察者位于参考点并面向首舵，所观察到的方 向和角度。
[0025] 下面结合附图对本实用新型结构变化的完整过程做详细描述。
[0026] 如图1所示，本实用新型处于传统的四旋翼"十"字架结构。该结构下，本实用新 型可通过控制电动机转速来实现垂直起降或低速巡航。图中，通过铰链连接的主"一"字钢 架2和副"一"字钢架4始终保持传统的四旋翼飞行器的"十"字架结构。在主"一"字钢架 2的一端用球铰链连接首舵1。在主"一"字钢架2的另一端用铰链连接尾舵6。在副"一" 字钢架4的两端分别连接辅助动力3和辅助动力6。畐IJ "一"字钢架4、辅助动力3和辅助 动力6三个部件共同构成本实用新型的辅助动力系统。首舵1、辅助动力3、辅助动力6均 由一个电动机和一个旋翼构成。在本实用新型起飞或者降落时，首舵1的旋翼、辅助动力3 的旋翼、尾舵动力5的旋翼和辅助动力6的旋翼采用传统四旋翼飞行器的方式为本实用新 型飞行器提供动力。飞行控制系统7控制飞行器的所有飞行状态。
[0027] 如图2所示，飞行器在图1基础上飞行控制系统7控制首舵1向前旋转45度，其 他结构与图1完全一致。图中，飞行器起飞离开地面，当上升到足够高度，并能保证飞行器 安全过渡到高速飞行状态时，飞行控制系统7控制首舵1向前旋转45度，最终使首舵1电 动机主轴线与主"一"字钢架2之间的夹角为135度。随后，飞行控制系统7控制动作机构 带动滑块8沿主"一"字钢架2向尾舵5的方向滑动，左主翼膜外缘杆9和右主翼膜外缘杆 11将带动主翼膜10展开。
[0028] 如图3所示，飞行器在图2基础上飞行控制系统7控制主翼膜10完全展开，其他 结构与图2完全一致。图中，右主翼膜撑杆12、左主翼膜撑杆13的一端均与滑块8通过铰 链相连。右主翼膜撑杆12的另一端与右主翼膜边缘杆11通过铰链相连，左主翼膜撑杆13 的另一端与左主翼膜边缘杆9也通过铰链相连。左主翼膜边缘杆9与右主翼膜边缘杆11 的另一端均与主"一"字钢架2靠近首舵的铰链相连。在图2到图3的过程中，飞行控制系 统7控制滑块8持续向尾舵5方向移动，同时右主翼膜撑杆12支撑主翼膜边缘杆11、左主 翼膜撑杆13支撑左主翼膜边缘杆9,使主翼膜10缓慢展开，最终使主翼膜10完全展开。当 飞行器处于图1和图2所示状态时，右主翼膜边缘杆11、右主翼膜撑杆12、主"一"字钢架 2、左主翼膜撑杆13、左主翼膜边缘杆9平行地排列在一起，此时，主翼膜10处于收缩状态。
[0029] 如图4所示，飞行器在图3基础上飞行控制系统7控制辅助动力系统也前倾了 45 度角，其他结构与图3保持一致。此处，辅助动力系统包括副"一"字钢架4、辅助动力3和 辅助动力6。副"一"字钢架4的中点和主"一"字钢架2通过铰链连接并固定，通过控制铰 链的旋转来实现整个辅助动力系统的旋转。飞行器辅助动力系统的最终状态为，辅助动力 3和辅助动力6的电动机主轴线与首舵1的电动机主轴线平行。
[0030] 如图5所示，飞行器在图4基础上飞行控制系统7控制尾舵5向后旋转90度，使 短钢架20和主"一"字钢架（2)处在同一直线上。其他结构与图3保持一致。此处，尾舵 5包括电动机、旋翼、右尾翼膜外缘杆14、左尾翼膜外缘杆15、右尾翼膜内缘杆16、左尾翼膜 内缘杆17、左尾翼膜18和右尾翼膜19。
[0031] 如图6所示，飞行器在图5基础上控制尾舵5的左尾翼膜18和右尾翼膜19完全 展开，其他结构与图5保持一致。左尾翼膜外缘杆15和右尾翼膜外缘杆14为伸缩杆。两 根尾翼膜内缘杆始终不与尾舵旋翼接触。两根尾翼膜内缘杆的作用是，在尾翼膜收缩时，固 定两根尾翼膜外缘杆。两片尾翼膜展开过程如下：首先尾舵5旋转到达图5所示位置后，飞 行控制系统7控制左尾翼膜外缘杆15和右尾翼膜外缘杆14伸长，利用两根尾翼膜外缘杆 固定尾舵5的旋翼；然后飞行控制系统7控制右尾翼膜外缘杆14和左尾翼膜外缘杆15向 尾舵5旋翼末梢滑动，展开两片尾翼膜。尾翼膜收缩过程如下：首先飞行控制系统7控制两 根尾翼膜外缘杆向尾舵5旋翼中点滑动，收缩两片尾翼膜；然后飞行控制系统7控制左尾翼 膜外缘杆15和右尾翼膜外缘杆14缩短，释放尾舵5的旋翼。
[0032] 如图7所示，本实用新型在图6基础上控制首舵1的电机以及辅助动力系统的两 个电机继续向前旋转45度，其他结构与图6-致。如图所示，该状态下，首舵1的电机以及 辅助动力系统的两个电机产生的动力全部转换为飞行器水平向前的力，飞行器能获得最大 巡航速度。尾舵的电机虽然停止旋转，即不再靠螺旋桨旋转提供动力，但却控制尾翼来控制 飞行器航向，此时尾舵5有固定翼飞机尾舵的作用。
[0033] 本实用新型两种状态的转换是可逆的。
[0034] 飞行器依次按"图1-图2-图3-图4-图5-图6-图7"的顺序，实现四旋翼飞行 器状态到螺旋桨飞机状态的转换过程。
[0035] 飞行器依次按"图7-图6-图5-图4-图3-图2-图1"的顺序，实现螺旋桨飞机 状态到四旋翼飞行器状态的转换过程。
[0036] 如图8a_8b所示，高速巡航时，飞行控制系统7控制尾舵5调节航向。图8a是本 实用新型做上升动作时尾舵的侧视图，飞行控制系统7控制尾舵5上短钢架20垂直方向的 倾斜角度来调节本实用新型的上升或下降。图8b是本实用新型做右转动作时尾舵的后视 图，两片尾翼膜完全展开后，飞行控制系统7控制尾舵5的电机调节两根尾翼膜外缘杆，进 而通过控制两根尾翼膜外缘杆垂直方向的高度差来控制本实用新型的左转或右转。
【权利要求】
1. 具有翼膜的可倾转旋翼的四旋翼飞行器，包括"十"字钢架、首舵（1)、尾舵（5)、翼 膜、辅助动力组和飞行控制系统（7)，其特征在于：所述"十"字钢架包括主"一"字钢架（2) 和副"一"字钢架（4)，主"一"字钢架（2)和副"一"字钢架（4)通过铰链连接并始终保持 "十"字架结构，所述首舵（1)和尾舵（5)分别位于主"一"字钢架（2)的两端，所述辅助动力 组包括第一辅助动力（6)和第二辅助动力（3)，且两辅助动力分别位于副"一"字钢架（4)的 两端，一张柔性的三角形主翼膜（10)的两个边被两根主翼膜外缘杆支撑，两根主翼膜外缘 杆一端相交于首舵（1)的铰链上，两根主翼膜外缘杆的另一端各被一根主翼膜撑杆支撑。
2. 根据权利要求1所述的具有翼膜的可倾转旋翼的四旋翼飞行器，其特征在于：所述 主"一"字钢架（2)上的滑块（8)两端通过铰链分别连接有右主翼膜撑杆和左主翼膜撑杆， 所述飞行控制系统（7)可以控制动作机构带动滑块（8)沿主"一"字钢架（2)向前或向后 滑动，从而控制左主翼膜外缘杆（9)和右主翼膜外缘杆（11)带动主翼膜（10)收缩或展开， 高速巡航时，主翼膜展开，垂直起降时，主翼膜收缩。
3. 根据权利要求1所述的具有翼膜的可倾转旋翼的四旋翼飞行器，其特征在于：所述 尾舵包括右尾翼膜外缘杆（14)、左尾翼膜外缘杆（15)、右尾翼膜内缘杆（16)、左尾翼膜内 缘杆（17)、左尾翼膜（18)、右尾翼膜（19)和短钢架（20);在高速巡航时，尾舵向后转动至 短钢架（20)与主"一"字钢架（2)共线，两片尾翼膜展开，在以四旋翼飞行器方式降落时， 两片尾翼膜收缩，尾舵向上旋转。
【文档编号】B64C27/26GK203889066SQ201420040960
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】刘晓琳, 郭双, 韩婷 申请人:刘晓琳, 郭双, 韩婷