球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机的制作方法

技术领域：本发明涉及航空技术领域，特别是涉及球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机。

背景技术：
常见的垂直起降固定翼无人机，有电动倾转旋翼垂直起降固定翼无人机(如图1所示)、有在电动多旋翼机身的头部或尾部增加油动或电动飞行动力的垂直起降固定翼无人机(如图2、图3所示)；电动倾转旋翼垂直起降固定翼无人机在由起飞状态到飞行状态、飞行状态到悬停状态，需要旋翼的倾转转换过程，操纵系统复杂；在电动多旋翼机身的头部或尾部增加油动或电动飞行动力的垂直起降固定翼无人机，在由起飞状态到飞行状态、飞行状态到悬停状态，也需要起降旋翼和推进旋翼的转换；特别是在电动多旋翼机身的头部或尾部增加油动飞行动力的垂直起降固定翼无人机，需配备油动和电动双重飞行动力，这无疑增加了无人机的复杂性；常见的旋翼无人机有单旋翼无人机和多旋翼无人机，在单旋翼无人机操纵系统中，关键部件的自动倾斜器由内环、外环和关节轴承构成，结构复杂(如图4所示)，特别是由多个自动倾斜器构成的多旋翼无人机，不仅操纵系统结构复杂、而且维护成本高。

技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机，它具有操纵系统简单，具备垂直起降、随时纵向飞行、随时横向飞行、随时悬停、垂直起降固定翼无人机只需要配备燃油飞行动力等优点。

本发明所采用的技术方案是：球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机，包括操纵系统、尾旋翼系统、机架系统、动力系统、传动系统；它们之间的连接关系是：操纵系统通过万向节主动轴座安装于机架系统的机臂管的末端，尾旋翼系统通过尾旋翼轴座安装于机架系统的尾旋翼臂管的末端；动力系统和传动系统都固定在机架系统上。

所述操纵系统：包括万向节主动轴通过轴承安装在万向节主动轴座上，万向节带轮安装在万向节主动轴上；球笼万向节星形套上设有主动轴安装孔，一个球笼万向节星形套通过主动轴安装孔固定在万向节主动轴的一端，或者两个球笼万向节星形套通过主动轴安装孔分别固定在万向节主动轴的两端；球笼万向节球形壳的外圆周上通过轴承安装有姿态调节盘，姿态调节盘可以沿着球笼万向节球形壳的轴线转动，但在球笼万向节球形壳的轴线方向上不能移动；姿态调节盘的外圆周上设置有调节盘耳朵，两个一组呈90度分布；螺旋桨固定在球笼万向节球形壳的端面上；万向节主动轴把旋转动力传递到球笼万向节星形套上；万向节主动轴座的一个端面上或者两个端面上固定有舵机安装板，舵机安装板上固定有纵向舵机和横向舵机，纵向舵机上安装有第一个舵机摇臂，横向舵机上安装有第二个舵机摇臂；一端连接第一个舵机摇臂的纵向舵机拉杆穿过限位板上设置的舵机拉杆限位孔，避免纵向舵机拉杆、横向舵机拉杆和姿态调节盘随着球笼万向节球形壳一起旋转，限位板通过限位板支撑件固定在舵机安装板上，横向舵机拉杆的一端通过第一个关节轴承连接第二个舵机摇臂，纵向舵机拉杆和横向舵机拉杆的另一端分别通过第二个关节轴承、第三个关节轴承，连接调节盘耳朵；纵向舵机的旋转操纵依次通过第一个舵机摇臂、纵向舵机拉杆、第二个关节轴承、姿态调节盘、传递到球笼万向节球形壳上，从而在纵向上改变螺旋桨旋转面与水平面的夹角；横向舵机的旋转操纵依次通过第二个舵机摇臂、第一个关节轴承、横向舵机拉杆、第三个关节轴承、姿态调节盘，传递到球笼万向节球形壳上，从而在横向上改变螺旋桨旋转面与水平面的夹角。

所述尾旋翼系统：包括尾旋翼轴的一端通过轴承安装在尾旋翼轴座上，尾旋翼带轮同轴安装在尾旋翼轴上；尾旋翼轴的另一端安装有旋翼头，旋翼头的两端设有两个桨夹转轴，两个桨夹对置安装在桨夹转轴上，且桨夹可以沿着桨夹转轴转动；桨夹上设有变距摇臂，尾旋翼安装在桨夹上；变距滑环同轴安装在尾旋翼轴上，且能在尾旋翼轴的轴线方向上滑动；在变距滑环一端的外圆周上同轴安装有变距外环，变距外环可以沿着变距滑环的轴线转动，但在变距滑环轴线方向上不能移动，变距拉杆连接变距摇臂和变距外环；变距摇杆的一端连接变距滑环的另一端，且可以沿着变距摇杆转轴摆动，变距摇杆的另一端连接铰动支点的一端，且可以沿着铰动支点动端轴摆动，铰动支点的另一端连接尾旋翼座上设置的铰动支点耳朵，且可以沿着铰动支点定端轴摆动，铰动支点还能阻止变距滑环和变距摇杆随旋翼头一起转动；尾旋翼舵机安装在尾旋翼轴座上，尾旋翼舵机摇臂连接尾旋翼舵机和尾旋翼操纵拉杆的一端，尾旋翼操纵拉杆的另一端连接变距摇杆；尾旋翼舵机的旋转操纵依次通过尾旋翼舵机摇臂、尾旋翼操纵拉杆、变距摇杆、变距滑环、变距外环、变距拉杆、变距摇臂和桨夹来改变尾旋翼的正负螺距，从而实现尾旋翼推力或拉力的变换。

所述机架系统：包括连接第一中心板和第二中心板的机臂管卡和尾旋翼臂管卡；机架周围的同一平面上，以机架中心的纵向垂直剖面为基准对称分布有四根机臂管，机臂管卡固定机臂管的一端；机架尾部，尾旋翼臂管卡固定尾旋翼臂管的一端；连接第一中心板和第二中心板的支撑杆固定件固定两根机翼支撑杆，两个机翼以机架中心纵向垂直剖面为基准对称固定在机翼支撑杆上；第一中心板的下面安装有起落架，起落架呈雪橇状；第一中心板和第二中心板的形状是八边形的其中一条边再向外延伸出一个长条状。

所述动力系统：包括在第一中心板和第二中心板所构成的空间内，安装有发动机(包括供油系统、进气系统、排气系统和冷却系统)。

所述传动系统包括三级传动子系统：一级传动子系统，包括在发动机的动力输出轴上同轴安装有一级小圆锥齿轮，并将旋转动力传递到一级小圆锥齿轮上；一级轮轴上同轴安装有第一大圆锥齿轮、一号带轮、尾旋翼主动带轮、通过轴承安装的第二大圆锥齿轮，二号带轮同轴固定在第二大圆锥齿轮上，一级小圆锥齿轮同时和第一大圆锥齿轮、第二大圆锥齿轮啮合，并把旋转动力传递到第一大圆锥齿轮、第二大圆锥齿轮、一号带轮、二号带轮和尾旋翼主动带轮上；发动机的动力输出轴的轴线和一级轮轴的轴线在同一平面上呈90度；二级传动子系统，包括第一根二级轮轴上同轴安装有第一个三号带轮、第一个万向节主动带轮、第二个万向节主动带轮，第二根二级轮轴上同轴安装有第二个三号带轮、第三个万向节主动带轮、第四个万向节主动带轮，一号带轮通过第一根二级皮带把旋转动力传递到对应的三号带轮上，驱动对应的两个万向节主动带轮，二号带轮通过第二根二级皮带把旋转动力传递到对应的三号带轮上，驱动对应的两个万向节主动带轮，尾旋翼主动带轮通过尾旋翼皮带把旋转动力传递到尾旋翼带轮上，驱动尾旋翼轴；三级传动子系统，包括四个万向节主动带轮分别通过四根三级皮带把旋转动力传递到对应的四个万向节带轮上，分别驱动对应的万向节主动轴；传动系统由此实现动力的传递。

与现有技术相比，本发明的优点在于：它具有操纵系统简单，具有垂直起降、随时纵向飞行、随时横向飞行、随时悬停、垂直起降固定翼无人机只需要配备燃油飞行动力等优点。

附图说明：

1、图1是常规电动倾转旋翼垂直起降固定翼无人机示意图

2、图2是常规电动多旋翼机身的头部增加电动飞行动力的垂直起降固定翼无人机示意图

3、图3是常规电动多旋翼机身的头部增加油动飞行动力的垂直起降固定翼无人机示意图

4、图4是常规直升机自动倾斜器示意图

5、图5是常规球笼万向节示意图

4、图6是本发明结构图

6、图7是本发明操纵系统方案一主视图

7、图8是本发明操纵系统方案一主视图a-a剖面图

8、图9是本发明操纵系统方案一局部结构图

9、图10是本发明操纵系统方案二局部结构图

10、图11是本发明尾旋翼系统主视图

11、图12是本发明尾旋翼系统主视图b-b剖面图

12、图13是本发明尾旋翼系统主视图c-c剖面图

13、图14是本发明尾旋翼系统的旋翼头结构图

14、图15、图16是本发明尾旋翼结构图

15、图17、图18是本发明机架系统结构图

16、图19是本发明动力系统示意图

17、图20是本发明传动系统结构图

18、图21是本发明传动系统结构图局部视图

19、图22、图23是本发明飞行原理示意图

附图标记如下：

1-万向节主动轴；2-万向节主动轴座；3-万向节带轮；4-球笼万向节球形壳；5-姿态调节盘；6-调节盘耳朵；7-球笼万向节星形套；8-主动轴安装孔；9-主动轴固定螺栓；10-螺旋桨；11-舵机安装板；12-纵向舵机；13-横向舵机；14-舵机摇臂；15-纵向舵机拉杆；16-限位板；17-舵机拉杆限位孔；18-横向舵机拉杆；19-限位板支撑件；20-关节轴承；21-尾旋翼轴；22-尾旋翼轴座；23-尾旋翼带轮；24-旋翼头；25-桨夹转轴；26-桨夹；27-变距摇臂；28-尾旋翼；29-变距滑环；30-变距外环；31-变距拉杆；32-变距摇杆；33-变距摇杆转轴；34-铰动支点；35-铰动支点动端轴；36-铰动支点耳朵；37-铰动支点定端轴；38-尾旋翼舵机；39-尾旋翼舵机摇臂；40-尾旋翼操纵拉杆；41-第一中心板；42-第二中心板；43-机臂管卡；44-尾旋翼臂管卡；45-机臂管；46-尾旋翼臂管；47-机翼支撑杆；48-支撑杆固定件；49-机翼；50-起落架；51-发动机；52-动力输出轴；53-一级小圆锥齿轮；54-一级轮轴；55-第一大圆锥齿轮；56-第二大圆锥齿轮；57-一号带轮；58-尾旋翼主动带轮；59-二号带轮；60-二级轮轴；61-三号带轮；62-万向节主动带轮；63-二级皮带；64-尾旋翼皮带；65-三级皮带。

具体实施方式：下面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。

参见图1-图23，为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机，它具有操纵系统简单、具备垂直起降、随时纵向飞行、随时横向飞行、随时悬停、垂直起降固定翼无人机只需要配备燃油飞行动力等优点。

参见图7-图10，与本实施例的球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机相关的操纵系统的构成如下(球笼万向节属于共知技术，其结构和工作原理在此不再阐述)：

万向节主动轴1通过轴承安装在万向节主动轴座2上，万向节带轮3安装在万向节主动轴1上；球笼万向节星形套7上设有主动轴安装孔8，一个球笼万向节星形套7通过主动轴安装孔8固定在万向节主动轴1的一端，并利用主动轴固定螺栓9固定，或者两个球笼万向节星形套7通过主动轴安装孔8分别固定在万向节主动轴1的两端，并分别利用两个主动轴固定螺栓9固定；球笼万向节球形壳4的外圆周上通过轴承安装有姿态调节盘5，姿态调节盘5可以沿着球笼万向节球形壳4的轴线转动，但在球笼万向节球形壳4的轴线方向上不能移动；姿态调节盘5的外圆周上设置有调节盘耳朵6，两个一组呈90度分布；螺旋桨10固定在球笼万向节球形壳4的端面上；万向节主动轴1把旋转动力传递到球笼万向节星形套7上；万向节主动轴座2的一个端面上或者两个端面上固定有舵机安装板11，舵机安装板11上固定有纵向舵机12和横向舵机13，纵向舵机12上安装有第一个舵机摇臂14，横向舵机13上安装有第二个舵机摇臂14，一端连接第一个舵机摇臂14的纵向舵机拉杆15穿过限位板16上设置的舵机拉杆限位孔17，避免纵向舵机拉杆15、横向舵机拉杆18和姿态调节盘5随着球笼万向节球形壳4一起旋转，限位板16通过限位板支撑件19固定在舵机安装板11上；横向舵机拉杆18的一端通过第一个关节轴承20连接第二个舵机摇臂14，纵向舵机拉杆15和横向舵机拉杆18的另一端分别通过第二个关节轴承20、第三个关节轴承20，连接调节盘耳朵6；纵向舵机12的旋转操纵依次通过第一个舵机摇臂14、纵向舵机拉杆15、第二个关节轴承20、姿态调节盘5、传递到球笼万向节球形壳4上，从而在纵向上改变螺旋桨10旋转面与水平面的夹角；横向舵机13的旋转操纵依次通过第二个舵机摇臂14、第一个关节轴承20、横向舵机拉杆18、第三个关节轴承20、姿态调节盘5，传递到球笼万向节球形壳4上，从而在横向上改变螺旋桨10旋转面与水平面的夹角。

参见图11-图16，与本实施例的球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机相关的尾旋翼系统的构成如下：

尾旋翼轴21的一端通过轴承安装在尾旋翼轴座22上，尾旋翼带轮23同轴安装在尾旋翼轴21上；尾旋翼轴21的另一端安装有旋翼头24，旋翼头24的两端设有两个桨夹转轴25，两个桨夹26对置安装在桨夹转轴25上，且桨夹26可以沿着桨夹转轴25转动，桨夹26上设有变距摇臂27，尾旋翼28安装在桨夹26上；变距滑环29同轴安装在尾旋翼轴21上，且能在尾旋翼轴21的轴线方向上滑动，在变距滑环29一端的外圆周上安装有变距外环30，变距外环30可以沿着变距滑环29的轴线转动，但在变距滑环29轴线方向上不能移动，变距拉杆31连接变距摇臂27和变距外环30；变距摇杆32的一端连接变距滑环29的另一端，且可以沿着变距摇杆转轴33摆动，变距摇杆32的另一端连接铰动支点34的一端，且可以沿着铰动支点动端轴35摆动，铰动支点34的另一端连接尾旋翼座22上设置的铰动支点耳朵36，且可以沿着铰动支点定端轴37摆动，铰动支点34还能阻止变距滑环29和变距摇杆32随旋翼头24一起转动；尾旋翼舵机38固定在尾旋翼轴座22上，尾旋翼舵机摇臂39连接尾旋翼舵机38和尾旋翼操纵拉杆40的一端，尾旋翼操纵拉杆40的另一端连接变距摇杆32；尾旋翼舵机38的旋转操纵依次通过尾旋翼舵机摇臂39、尾旋翼操纵拉杆40、变距摇杆32、变距滑环29、变距外环30、变距拉杆31、变距摇臂27和桨夹26来改变尾旋翼28的正负螺距，从而实现尾旋翼28推力或拉力的变换。

参见参见图17-图18，与本实施例的球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机相关的机架系统的构成如下：

包括连接第一中心板41和第二中心板42的机臂管卡43和尾旋翼臂管卡44；机架周围的同一平面上，以机架中心的纵向垂直剖面为基准对称分布有四根机臂管45，机臂管卡43固定机臂管45的一端，机架尾部，尾旋翼臂管卡44固定尾旋翼臂管46的一端；连接第一中心板41和第二中心板42的支撑杆固定件48固定两根机翼支撑杆47，两个机翼49以机架中心纵向垂直剖面为基准对称固定在机翼支撑杆47上；第一中心板41的下面安装有起落架50，起落架50呈雪橇状；第一中心板41和第二中心板42的形状是八边形的其中一条边再向外延伸出一个长条状。

参见图19，与本实施例的球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机相关的动力系统的构成如下：

在第一中心板41和第二中心板42构成的空间内，安装有发动机51(包括供油系统、进气系统、排气系统和冷却系统)。

参见图20-图21，与本实施例的球笼万向节构成的操纵系统及油动垂直起降固定翼无人机相关的传动系统的构成如下：

包括三级传动子系统：一级传动子系统，包括在发动机51的动力输出轴52上同轴安装有一级小圆锥齿轮53，并将旋转动力传递到一级小圆锥齿轮53上，一级轮轴54上同轴安装有第一大圆锥齿轮55、一号带轮57、尾旋翼主动带轮58、通过轴承安装的第二大圆锥齿轮56，二号带轮59同轴固定在第二大圆锥齿轮56上，一级小圆锥齿轮53同时和第一大圆锥齿轮55、第二大圆锥齿轮56啮合，并把旋转动力传递到第一大圆锥齿轮55、第二大圆锥齿轮56、一号带轮57、尾旋翼主动带轮58和二号带轮59上；发动机51的动力输出轴52的轴线和一级轮轴54的轴线在同一平面上呈90度；二级传动子系统，包括第一根二级轮轴60上同轴安装有第一个三号带轮61、第一个万向节主动带轮62、第二个万向节主动带轮62；第二根二级轮轴60上同轴安装有第二个三号带轮61、第三个万向节主动带轮62、第四个万向节主动带轮62；一号带轮57通过第一根二级皮带63把旋转动力传递到对应的三号带轮61上，驱动对应的两个万向节主动带轮62；二号带轮59通过第二根二级皮带63把旋转动力传递到对应的三号带轮61上，驱动对应的两个万向节主动带轮62；尾旋翼主动带轮58通过尾旋翼皮带64把旋转动力传递到尾旋翼带轮23上，驱动尾旋翼轴21；三级传动子系统，包括四个万向节主动带轮62分别通过四根三级皮带65把旋转动力传递到对应的四个万向节带轮3上，分别驱动对应的万向节主动轴1；传动系统由此实现动力的传递。

操纵控制原理如下：

飞行时，四个纵向舵机12同时接受飞控的控制，四个横向舵机13同时接受飞控的控制；参见图6，操纵系统通过万向节主动轴座2安装于机臂管45的末端；尾旋翼系统通过尾旋翼轴座22安装于尾旋翼臂管46的末端；参见图22-图23，纵向舵机12的旋转操纵依次通过第一个舵机摇臂14、纵向舵机拉杆15、第二个关节轴承20、姿态调节盘5传递到球笼万向节球形壳4上，从而在纵向上改变螺旋桨10旋转面与水平面的夹角，通过万向节主动轴座2和机臂管45对力的传递实现纵向飞行；横向舵机13的旋转操纵依次通过第二个舵机摇臂14、第一个关节轴承20、横向舵机拉杆18、第三个关节轴承20、姿态调节盘5传递到球笼万向节球形壳4上，从而在横向上改变螺旋桨10旋转面与水平面的夹角，通过万向节主动轴座2和机臂管45对力的传递实现横向飞行；尾旋翼舵机38的旋转操纵依次通过尾旋翼舵机摇臂39、尾旋翼操纵拉杆40、变距摇杆32、变距滑环29、变距外环30、变距拉杆31、变距摇臂27和桨夹26来改变尾旋翼28的正负螺距，从而实现尾旋翼28推力或拉力的变换；通过尾旋翼轴座22和尾旋翼臂管46对推力或拉力的传递，实现偏航角度的修正。

本发明的有益效果是：解决了常规垂直起降固定翼无人机操纵系统复杂、在电动多旋翼机身的头部或尾部增加油动飞行动力的垂直起降固定翼无人机，需配备油动和电动双重飞行动力的问题。