组合式无人机的翼尖连接结构的制作方法

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种组合式无人机的翼尖连接结构。

背景技术：

小型固定翼无人机(翼展在0.5m～2m之间)具有体积小、重量轻、成本低、操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好、易组网等特点，在民用和军用领域都有广泛的应用前景，如城市短距离物流运输、电力巡检、灾害的监测调查、蜂群作战以及分布式侦察等。然而，由于单架无人机平台的重量轻、惯量小，导致了飞机的稳定性和抗风性能相对较弱。此外，由于小型固定翼无人机的展弦比小，诱导阻力大，使得航程和航时缩短，不利于执行长航时远距离的飞行任务。基于仿生学和空气动力学原理，一种有效的解决方案是将多个小型固定翼无人机的机翼翼梢连接在一起，组成可拆解的组合式固定翼无人机。

相邻两架无人机机翼之间的连接技术是组合式无人机的关键技术。现有的连接方式主要是磁力刚性连接和机械刚性连接，通过这种刚性连接形式组合起来的无人机相当于一架大展弦比无人机，优点是可以延长航程，其最突出的问题就是抗风性能差。而且这种刚性的连接会使翼尖部分承受较大的气动载荷，容易发生断裂事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种组合式无人机的翼尖连接结构，已至少部分解决以上所提出的技术问题。

具体技术方案是：

本发明提供了一种组合式无人机的翼尖连接结构，主要包括：

在组合式无人机中各个单机的第一翼尖弦向设置导轨，在各个单机的第二翼尖弦向设置卡槽；

柔性连接组件，设置于导轨内部，并在外力作用下沿着该导轨左右移动；

旋转电磁阻尼器，设置于卡槽内部；

且，该旋转电磁阻尼器与柔性连接组件相适配连接，实现不同单机间翼尖的柔性连接；以及

刚性柱销，其头部带有锥度，设置于第一翼尖上；

柱销孔，其孔口带有锥度，设置于第二翼尖上；

且，该刚性柱销和柱销孔相适配连接，实现不同单机间翼尖的刚性连接。

一些实施例中，该导轨内部还包括：

步进电机，固定在该导轨的底部；

螺旋副，包括丝杠和丝杠螺母，丝杠通过联轴器与步进电机相连，丝杠螺母与柔性连接组件固连。

进一步的，该柔性连接组件包括：

左连接片，连接至丝杠螺母；

柔性空心柱，套接于丝杠上，一些实施例中，该柔性空心柱使用弹性橡胶材料；

右连接片，连接一凸台，一些实施例中，该凸台为外六角凸台，该外六角凸台使用导磁材料。

一些实施例中，上述旋转电磁阻尼器包括：

转动部分，与柔性连接组件的凸台相配合连接，进一步的，该转动部分的后端还连接一平面涡卷弹簧，且该平面涡卷弹簧和旋转电磁阻尼器连接后均安装于卡槽中；

固定部分，实现旋转电磁阻尼器在卡槽内部的固定；

限位销钉，控制组合式无人机各单机间柔性连接时的最大俯仰角。

一些实施例中，该组合式无人机各单机间的翼尖连接为依据风速的大小自动调节为柔性连接或刚性连接，依据风力的等级自动调节柔性连接的强度。

一些实施例中，旋转电磁阻尼器通电时，其转动部分产生电磁力，通过该电磁力的作用实现转动部分与柔性连接组件的凸台的吸合连接；旋转电磁阻尼器断电时，该电磁力消失，转动部分和凸台的连接断开。

本发明提供的该组合式无人机的翼尖连接结构，和其他技术相比较，具有以下有益效果：

(1)本发明增加了翼尖柔性连接方式，这种柔性连接消除了以往刚性连接时易断裂的缺点；

(2)本发明结合使用柔性连接和刚性连接实现一种新型的翼尖连接方式，通过刚性连接和柔性连接的转换以发挥出无人机组合体的最佳飞行性能，同时可实现根据不同的风力等级自动调节连接柔性，采用旋转电磁阻尼器和平面涡卷弹簧实现减振自稳；

(3)本发明设置旋转电磁阻尼器，其在转动过程中可以吸收由阵风产生的能量，起到缓冲减振的作用，从而可抑制无人机俯仰角的最大超调量，防止无人机发生失速；本发明还设置平面涡卷弹簧，借助弹簧的恢复力矩可抵消相邻两个无人机之间的俯仰角差；

(4)本发明的翼尖连接结构，兼具刚性连接和柔性连接的优势。在起飞和巡航阶段，将多个无人机的机翼连接在一起，在无风或风力较小时，相邻两无人机的机翼通过定位销钉和电磁铁刚性连接，延长航程和航时；遇到较大的阵风时，通过柔性连接组件实现两机翼间的柔性连接，提高无人机组合体的抗风性能；

(5)本发明的翼尖连接结构，在任务执行阶段，将旋转电磁阻尼器断电，实现无人机之间的拆解，每个无人机单独执行任务，具有连接方式可变、操作简单、功能完备、稳定性高等优点。

附图说明

图1为本发明一实施例翼尖连接结构的装配体的拆解图；

图2为本发明一实施例翼尖连接结构中左机翼的连接端面示意图；

图3为本发明一实施例翼尖连接结构中右机翼的连接端面示意图；

图4为本发明一实施例中柔性连接组件的示意图；

图5a-图5b为本发明一实施例中旋转电磁阻尼器的示意图；

图6为本发明一实施例组合式无人机的两机翼间刚性连接的组合示意图；

图7为本发明一实施例应用于多架小型无人机的刚性组合示意图；

图8为本发明一实施例组合式无人机的两机翼间柔性连接的组合示意图；

图9为本发明一实施例应用于多架小型无人机的柔性组合示意图；

图10为本发明一实施例组合式无人机的翼尖断电拆解后的示意图。

图中：

左机翼1步进电机2联轴器3

丝杠4丝杠螺母5柔性连接组件6

旋转电磁阻尼器7平面涡卷弹簧8右机翼9

刚性柱销11、13导轨12柱销孔91、93

卡槽92左连接片61柔性空心柱62

右连接片63外六角凸台64转动部分71

旋转限位销钉72、73同定限位销钉74固定部分75

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明设计的装置技术，使得组合式无人机能够按需组合和拆解，在无风或风力较低时采用刚性连接，相邻无人机的两机翼通过定位销和电磁铁紧密连接在一起，可以最大限度地提高航程和航时；当遇到较大的阵风时，两机翼之间转化为柔性连接，通过柔性组合体、旋转电磁阻尼器和平面涡卷弹簧可以很好地消除阵风对无人机稳定性的影响；在到达任务区执行任务时，通过电磁力控制使两无人机在空中实现拆解，每架无人机单独执行既定的任务。

有鉴于此，本发明一实施例提供了该组合式无人机的翼尖连接结构，包括：

在组合式无人机中各个单机的第一翼尖弦向设置导轨，在各个单机的第二翼尖弦向设置卡槽；

柔性连接组件，设置于导轨内部，并在外力作用下沿着该导轨左右移动；

旋转电磁阻尼器，设置于卡槽内部；

且，该旋转电磁阻尼器与柔性连接组件相适配连接，实现不同单机间翼尖的柔性连接。

需要说明的是，本实施例中，第一翼尖和第二翼尖分别表示一个单机的两侧机翼的翼尖，在具体实施过程中，对于在第一翼尖上设置导轨或卡槽，或者在第二翼尖上设置卡槽或导轨，不做特别的限定，其目的旨在于通过导轨中的柔性连接组件和卡槽中的旋转电磁阻尼器实现组合式无人机中各单机间的柔性连接，且该柔性连接的柔性强弱受外露于导轨的柔性连接组件的长度而有不同，该长度越长，柔性越强。

基于以上实施方式，本实施例中的该组合式无人机的翼尖连接结构，还可包括：

刚性柱销，其头部带有锥度，设置于第一翼尖上；

柱销孔，其孔口带有锥度，设置于第二翼尖上；

且，该刚性柱销和柱销孔相适配连接，实现不同单机间翼尖的刚性连接。

需要说明的是，本实施例中，在第一翼尖上设置刚性柱销或柱销孔，或者是在第二翼尖上设置柱销孔或刚性柱销，同样不受限制，其目的同于上述实施例，旨在于通过该刚性柱销和柱销孔相连接实现组合式无人机中各单机间的刚性连接。进一步的，上述柔性连接组件完全位于导轨内部(即外露于导轨的柔性连接组件的长度为0)时，导轨中的柔性连接组件和卡槽中的旋转电磁阻尼器的连接亦可作为一种刚性连接方式。一些实施例中，此处所述的两种刚性连接方式可合并存在，或可独立存在。

基于上述实施方式，进一步的，其中，在导轨内部还包括：

步进电机，固定在该导轨的底部；

螺旋副，包括丝杠和丝杠螺母，丝杠通过联轴器与步进电机相连，丝杠螺母与柔性连接组件固连。

需要说明的是，该步进电机和螺旋副仅是一种实施方式而已，凡是能够实现柔性连接组件沿着导轨左右移动的任何实现方式，均可对其替换。

一些实施例中，旋转电磁阻尼器还连接一平面涡卷弹簧，且该平面涡卷弹簧和旋转电磁阻尼器连接后均安装于卡槽中。

下面结合图1-图10对本实施方式及其应用场景做进一步说明。

首先请参照图1，本实施例由左机翼1、微型步进电机2、联轴器3、丝杠4、丝杠螺母5、柔性连接组件6、旋转电磁阻尼器7、平面涡卷弹簧8以及右机翼9等组成。需要说明的是，此处的左机翼1、右机翼9即为上述的第一翼尖、第二翼尖，且在左机翼1上设置导轨12，在右机翼9上设置卡槽92。

再请参照图1和图2，柔性连接组件6沿着导轨12左右移动的具体实现方式为：微型步进电机2固定在左机翼1的导轨12内，通过联轴器3带动丝杠4转动。丝杠4和丝杠螺母5构成的螺旋副，可将丝杠4的转动变为丝杠螺母5在导轨12中的移动。柔性连接组件6的一端和丝杠螺母5固连在一起，随着丝杠4的转动控制丝杠螺母5的移动进而控制柔性连接组件6在机翼导轨中左右移动。此处所述的零部件(包括微型步进电机2、联轴器3、丝杠4、丝杠螺母5和柔性连接组件6)均属于左机翼1上的安装组件。

再请参照图1和图3，旋转电磁阻尼器7和平面涡卷弹簧8连接后均安装在右机翼9的安装卡槽92中。

一些实施例中，上述的柔性连接组件进一步包括：

左连接片，连接至丝杠螺母；

柔性空心柱，套接于丝杠上，一些实施例中，该柔性空心柱使用弹性橡胶材料；

右连接片，连接一凸台，一些实施例中，该凸台为外六角凸台，该外六角凸台使用导磁材料。

本实施例中，请参照图4，柔性连接组件6由左连接片61、柔性空心柱62、右连接片63和外六角凸台64连接而成。左、右连接片61、63使用工程塑料加工而成，可以有效减重；柔性空心柱62使用空心弹性橡胶制造，这类材料可以在相邻的两架无人机之间传递俯仰、滚转和偏航三个方向的力和力矩，而且有良好的回弹和缓冲减振效果；外六角凸台64用导磁材料制造成。需要说明的是，此处凸台优选的为外六角凸台，但在具体实施时，对该凸台的形状和结构不做限定，亦可为其他多边形凸台。

一些实施例中，上述的旋转电磁阻尼器包括：

转动部分，与柔性连接组件的凸台相配合连接；

固定部分，实现旋转电磁阻尼器在卡槽内部的固定；

限位销钉，控制组合式无人机各单机间柔性连接时的最大俯仰角。

本实施例中，请参照图5，旋转电磁阻尼器7主要由转动部分71、固定部分75、旋转限位销钉72、73和固定限位销钉74构成。旋转电磁阻尼器随着转动部分71的旋转转速度的变化，阻尼力矩也发生变化。其变化规律为：转速提高，阻尼力矩也提高；转速放慢，阻尼力矩也随之下降。旋转电磁阻尼器7可完全内埋于机翼9的安装卡槽92内，没有外露部分，减少干扰阻力。

基于以上实施方式，再请参照图4和图5a、图5b，外六角凸台64和旋转电磁阻尼器的转动部分71(此处为内六角凹槽构成型面)相配合，可以在相邻两无人机机翼之间传递力和周向力矩。当给旋转电磁阻尼器7通电后，其转动部分71将产生电磁力，与外六角凸台64紧紧吸合在一起，可以传递轴向方向的力。断电后，外六角凸台64和转动部分71在微弱外力的作用下便可分开。需要说明的是，旋转电磁阻尼器71的转动部分71的结构随柔性连接组件6的凸台的结构的改变而改变，只需保证两者结构可相适配连接即可。

以下结合上述实施方式对本发明组合式无人机的翼尖连接结构的具体组合方式做详细描述。

一般的，其具体组合方式基于以下原则实现：

在起飞和巡航阶段，将多架无人机的机翼连接在一起滑跑起飞转水平飞行。在无风或风力较小时，相邻无人机之间采用刚性连接，将多架小型无人机组合成大展弦比无人机；当遇到较大的不稳定风时，飞行控制器根据机载大气数据传感器测得的风速信息，控制步进电机转动，使柔性空心柱伸出导轨，组合体无人机机翼连接机构转化为柔性连接，根据不同的风力等级自动变换不同的连接柔性(在一定范围内，风力越大柔性越大)。相邻无人机之间在三个旋转自由度方向可以有有限角度内的相对扭转。

这种组合方式的主要优点是：

无风或风力较小时，阵风对无人机稳定性影响较弱，各无人机通过紧密的刚性连接可以大幅提高展弦比，降低诱导阻力，提高升阻比，从而最大限度地提高航程航时；遇到较大的阵风时，通过连接处的柔性部件和阻尼弹簧机构，可以很好的减缓阵风对无人机稳定性的影响，从而提高整体的抗风性能；

在任务执行阶段，通过拆解机构又变成多架独立的小型无人机，各自执行任务。

具体而言，基于上述原则：

一些实施例中，该组合式无人机各单机间的翼尖连接为依据风速的大小自动调节为柔性连接或刚性连接，依据风力的等级自动调节柔性连接的强度。

本实施例中，对于刚性连接方式，通过在机翼端面弦向布置的两个头部带锥度的销钉和孔口带锥度的柱销孔，配合旋转电磁阻尼器7的磁力，实现机翼的刚性连接。具体地，请参照图2、图3和图6，当无风或风力较小时，可将相邻两架无人机的翼梢刚性连接。图2中11和13是左机翼1上两个刚性柱销，柱销头部带一定的锥度。图3中91和93是右机翼9上两个柱销孔，孔口带一定的锥度。锥度设计的目的是引导柱销和孔在有一定的不同心度范围内也可以顺利配合。图6为两机翼刚性连接示意图，此时旋转电磁阻尼器7上电，转动部分71与柔性连接组件6的外六角凸台64紧密吸合。微型步进电机2带动丝杠4旋转，进而带动丝杠螺母5、柔性连接组件6、旋转电磁阻尼器7和右机翼9向左机翼1方向移动，最终使两机翼端面紧密贴合，刚性柱销11、13插入柱销孔91、93中，从而限制了两机翼相对运动的六个自由度，从而实现刚性连接。

基于以上刚性连接方式，再请参照图7，为多架无人机刚性连接的示意图，相邻无人机翼端紧密贴合，所有机翼均保持在一个平面上，相当于一架大展弦比无人机，这种组合方式可以最大限度地减少翼尖涡损失，增大升阻比，从而提高航程和航时。

本实施例中，对于刚性转柔性连接，遇到阵风时，微型步进电机2旋转，使柔性连接组件6伸出左机翼，实现两无人机之间的柔性连接。具体地，请参照图8，当遇到较大的阵风时，两机翼之间转化为柔性连接。旋转电磁阻尼器7保持通电状态，与柔性连接组件6吸合，从而将机翼1和机翼9连接在一起。微型步进电机2带动丝杠4反向旋转，进而推动丝杠螺母5向外移动使柔性连接组件6伸出机翼1。此时，两机翼之间力和力矩的传递主要依靠弹性传动组件6的柔性空心柱62。

具体地，当遇到较大的阵风时，突风位置处的无人机受到干扰，俯仰角速度会迅速变大，这时相邻两侧无人机上的旋转电磁阻尼器7会产生相反方向的较大的阻尼力矩阻止俯仰角继续增大，从而保证整个组合体的稳定性。同时，通过旋转电磁阻尼器7的回转运动可以消耗扰动旋转动能，使组合体迅速趋于稳定状态。平面涡卷弹簧8中心与旋转电磁阻尼器7的转动部分71的后端相连，可产生一个俯仰恢复力矩，使相邻两个无人机的俯仰角保持一致。若旋转电磁阻尼器7本身的阻尼力矩不足以抵消阵风产生的俯仰力矩时，通过限位销钉控制最大俯仰角，防止无人机失速坠落。

需要说明的是，通过控制微型步进电机2的旋转角度就可以控制柔性空心柱62的伸出长度，即控制连接柔性的大小，进而可以调节相邻两无人机之间传递力和力矩的大小：伸出长度越长，柔性越大，传递扭矩能力越弱；伸出越短，柔性越弱，传递扭矩能力越强；当伸出量为0时，就退化为刚性连接。

本实施例中，对于柔性连接方式，请参照图9，为多架小型无人机的柔性组合的示意图，无人机之间通过柔性组件连接在一起，相邻无人机之间可以有滚转、俯仰、偏航三个方向的相对转动。

一些实施例中，旋转电磁阻尼器通电时，其转动部分产生电磁力，通过该电磁力的作用实现转动部分与柔性连接组件的凸台的吸合连接；旋转电磁阻尼器断电时，该电磁力消失，转动部分和凸台的连接断开。

本实施例中，需要执行任务时，请参照图10，为无人机组合体拆解后的翼梢部分示意图，将旋转电磁阻尼器7断电，外六角凸台64和转动部分71在微弱外力的作用下便可分开，从而实现组合式无人机在空中的拆解。拆解之后，微型步进电机2旋转带动柔性连接组件6缩回左机翼1的导轨槽内，减少机翼的干扰阻力。

至此，完成本发明关于组合式无人机的翼尖连接结构及其实现方式的实施例描述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，凡是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、改进和等同替换等，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以所述权利要求的保护范围为准。