垂直起降式无人机的制作方法

1.本实用新型涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种垂直起降式无人机。


背景技术：

2.随着无人机技术的迅猛发展，其在高空拍照，远距离检测，勘探，物流运输以及边防巡逻等方面有非常广阔的应用。相关技术中，垂直起降固定翼至少具有如下缺点：复杂的机械转动设计，导致安全隐患和技术成本增加；巡航过程中闲置的动力系统增加巡航阻力，从而严重降低了巡航距离。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种垂直起降式无人机，并能简化机械结构、减少巡航阻力。
4.根据本实用新型的第一方面实施例的垂直起降式无人机，包括：
5.机身，具有头部和尾部；
6.机翼，对称连接于所述机身，所述机翼上设置有第一舵面；
7.尾翼，包括对称连接于所述尾部的平尾，所述平尾位于所述机翼的后方，所述平尾上设置有第二舵面；
8.第一螺旋桨，位于所述第一舵面的前方，并向后排风；
9.第二螺旋桨，设置于所述机翼和所述尾翼之间，所述第二螺旋桨对应位于所述第二舵面的前方，并向后排风，所述第一螺旋桨和所述第二螺旋桨沿机翼的延伸方向排布。
10.根据本实用新型实施例的垂直起降式无人机，至少具有如下有益效果：第一螺旋桨设置于第一舵面的前方并向后排风，其转动形成的气流向后流经第一舵面，从而有益于通过第一舵面实现飞行姿态的控制。第二螺旋桨设置于机翼和尾翼之间，平尾上设置有第二舵面，第二螺旋桨对应位于第二舵面的前方并向后排风，故第二螺旋桨转动形成的气流向后流经第二舵面，从而有益于通过第二舵面实现飞行姿态的控制。由此，空气阻力将大幅减少从而增大有效载荷。第一螺旋桨和第二螺旋桨沿机翼的延伸方向排布，避免第一螺旋桨形成的气流对第二螺旋桨形成影响，从而有效提高气动效率。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述第一螺旋桨设置于机翼上并对应位于所述第一舵面的前方，所述第二螺旋桨采用后推式螺旋桨，所述第二螺旋桨设置于所述机翼的后侧并对应位于所述第二舵面的前方。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述第一螺旋桨设置于机翼上并对应位于所述第一舵面的前方，所述第二螺旋桨采用前拉式螺旋桨，所述第二螺旋桨连接于所述机身并位于所述机翼的后方、所述第二舵面的前方。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述第一螺旋桨的个数为偶数，所述第一螺旋桨对称分布于所述机身的两侧。
14.根据本实用新型的一些实施例，各所述第一螺旋桨相互独立。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述第二螺旋桨的个数为偶数，所述第二螺旋桨对称分布于所述机身的两侧。
16.根据本实用新型的一些实施例，各所述第二螺旋桨相互独立。
17.根据本实用新型的一些实施例，所述第一舵面对称设置于所述机身的两侧，各所述第一舵面相互独立。
18.根据本实用新型的一些实施例，所述第二舵面对称设置于所述机身的两侧，各所述第二舵面相互独立。
19.根据本实用新型的一些实施例，所述第一舵面设置于所述机翼上相对所述机身的远端，所述第二螺旋桨设置于所述机翼上相对所述机身的近端。
20.根据本实用新型的一些实施例，所述尾翼还包括垂尾，所述垂尾连接于所述机身的所述尾部，竖直放置的所述垂直起降式无人机能够由所述垂尾与所述平尾支撑。
21.根据本实用新型的一些实施例，所述机身、所述机翼和所述尾翼通过一体化成型工艺成型为一体。
22.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
23.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：
24.图1为本实用新型实施例垂直起降式无人机的立体示意图；
25.图2为一个实施例的俯视图；
26.图3为图2的仰视图；
27.图4为本实用新型实施例垂直起降式无人机竖立状态的示意图；
28.图5为本实用新型另一实施例垂直起降式无人机的立体示意图。
29.附图标记：
30.机身100；
31.机翼200，第一舵面210；
32.尾翼300，平尾310，垂尾320，第二舵面330；
33.第一螺旋桨400；
34.第二螺旋桨500；
35.支架600。
具体实施方式
36.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
37.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方
位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
38.如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
39.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
40.本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
41.随着无人机技术的迅猛发展，其在高空拍照，远距离检测，勘探，物流运输以及边防巡逻等方面有非常广阔的应用。从技术类别上来讲，无人机可分为固定翼和多旋翼(直升机可归为多旋翼种类)两大类。多旋翼无人机最大的优势在于能够垂直起降，不受场地和空间的限制。然而多旋翼的短续航和低载重能力严重限制了其应用范围。相比于多旋翼无人机，固定翼无人机由于优异的机翼气动效率，能够实现超长续航和大载重。但是固定翼无人机需要一定的起降跑道和空间，这又限制了固定翼无人机的应用。相关技术大致包括以下几种类型的固定翼无人机：
42.第一种，采用旋转式电机驱动螺旋桨实现垂直起降，电机整体旋转90度实现巡航的无人机，其缺点在于复杂的控制系统和转动整个电机的机械结构，大大增加了无人机的技术成本和安全隐患。
43.第二种，采用多个固定式电机驱动螺旋桨实现垂直起降，然后通过另外一个在水平方向的电机驱动螺旋桨实现水平飞行。这种无人机的缺点在于巡航过程大部分的动力系统处于闲置状态，极大地增加了无效载荷和巡航阻力，其飞行效率和航程大幅降低。
44.第三种，采用电机与螺旋桨置于机翼前方，整个无人机竖直90度实现垂直起降，再通过置于机身后面的控制面板实现巡航。相比于前两种构型，该构型效率大幅提升。但是这种无人机在垂直起降过程中由于螺旋桨产生的高速气流通过机身或者机舱从而产生阻力，直接降低有效载荷。与此同时，其俯仰和滚转方向的控制相互耦合，导致抗风性能差。
45.与上述方案相比，本实用新型提供的无人机通过对机翼、螺旋桨及舵面进行新的布局，实现了垂直起降并且有效降低巡航阻力。
46.图1为本实用新型实施例垂直起降式无人机的立体示意图，其中，图中以点划线表示的xyz坐标作为无人机自身形态变化的参考坐标，以便描述无人机的飞行姿态，右下角的坐标用于辅助表达无人机的方位。参考图1，本实用新型实施例的垂直起降式无人机，包括机身100、机翼200、尾翼300、第一螺旋桨400和第二螺旋桨500，机身100具有头部和尾部，通常来说，垂直起降时，无人机以机身头部朝上、尾部朝下的姿态竖直飞行、悬停或直立于地面；巡航状态时，无人机大体上以头部朝前、尾部朝后的姿态水平飞行或进行俯仰、滚转、转向等姿态的转换。
47.机翼200对称连接于机身100，机翼200上设置有第一舵面210，第一螺旋桨400设置
于第一舵面210的前方并向后排风，其转动形成的气流向后流经第一舵面210，从而有益于通过第一舵面实现飞行姿态的控制。尾翼300包括对称连接于机身100尾部的平尾310，平尾310位于机翼200的后方，作为无人机的水平尾翼。第二螺旋桨500设置于机翼200和尾翼300之间，平尾310上设置有第二舵面330，第二螺旋桨500对应位于第二舵面330的前方并向后排风，故第二螺旋桨500转动形成的气流向后流经第二舵面330，从而通过第二舵面330实现飞行姿态的有效控制。由此，空气阻力将大幅减少从而增大有效载荷。第一螺旋桨和第二螺旋桨沿机翼的延伸方向排布，避免第一螺旋桨形成的气流对第二螺旋桨形成影响，从而有效提高气动效率。
48.可将无人机以竖直姿态起飞，以第二螺旋桨500为主螺旋桨，通过第二螺旋桨500的转动带动无人机垂直升起，达到所需高度后可保持竖直悬停，调整第二舵面330相对尾翼300的旋转角度，第二螺旋桨500形成的气流向后流向第二舵面330使得机身100发生俯仰姿态的调整，实现从竖直悬停姿态转换到水平巡航姿态。与前文所提的第一种无人机相比，不需要将电机旋转，简化了动力系统的机构；与前文所提的第二种无人机相比，竖直起飞和水平巡航采用同一套动力系统，没有造成动力系统的闲置，能够提高飞行效率和航程；与前文所提的第三种无人机相比，第二螺旋桨500位于机翼200后侧，第二螺旋桨500产生的高速气流不受机身100遮挡地通过机翼200，并流向平尾310，由此，可大幅减少空气阻力，提高气动效率，从而增大有效载荷及航程。
49.在一些实施例中，参考图1，机翼200上设置有第一舵面210、第一螺旋桨400和第二螺旋桨500。第一螺旋桨400设置于机翼的前侧并位于第一舵面210的前方，第一螺旋桨400采用前拉式螺旋桨，其转动形成的气流向后流经第一舵面210，从而通过第一舵面210实现飞行姿态的有效控制。第二螺旋桨500采用后推式螺旋桨，设置于机翼200的后侧并向后排风，由此，空气阻力将大幅减少从而增大有效载荷。由此，上述第一螺旋桨400和第二螺旋桨500形成前拉和后推式螺旋桨组合的结构，能有效增强无人机前后方向的推力，即当无人机竖直起飞时，能有效增强竖直方向的推力。第一舵面210作为滚转控制面位于第一螺旋桨400之后，第二舵面330作为俯仰控制面位于第二螺旋桨500之后，即用于进行俯仰和滚转的控制舵面直接位于后推式螺旋桨和前拉式螺旋桨的气流之后，螺旋桨形成的气流直接流经舵面，实现悬停以及巡航过程中的对飞行姿态的有效控制，有效避免无人机低速状况下的失控问题。
50.基于上述实施例，参考图2，其中，图中以点划线表示的xyz坐标作为无人机自身形态变化的参考坐标，以便描述无人机的飞行姿态，右下角的坐标用于辅助表达无人机的方位。在一些实施例中，第一螺旋桨400的个数为偶数，并对称分布于机身100的两侧，有益于无人机的滚转控制，可通过第一螺旋桨400的转速、转向控制实现相应的姿态控制，具体控制方法将在后文详述。为提高其抗风性，各第一螺旋桨400可相互独立，即各第一螺旋桨400采用独立控制的方式，能够有效避免由于耦合控制引起的抗风性差的问题。图中示出的实施例第一螺旋桨400的个数为2，根据实际需求可以适当增加第一螺旋桨400的数量。
51.参考图2，在进一步的实施例中，第一舵面210对称设置于机身100的两侧，有益于无人机的滚转姿态控制，各第一舵面210相互独立，采用独立控制的方式，可结合第一螺旋桨400的转动控制，通过第一舵面210的同向、异向转动实现相应的姿态控制，能够进一步提高无人机的抗风性。
52.参考图2，在一些实施例中，第二螺旋桨500的个数为偶数，并对称分布于机身100的两侧，有益于无人机升降及俯仰的控制，保持稳定性，可通过第二螺旋桨500的转速、转向控制实现相应的姿态控制，具体控制方法将在后文详述。为提高其抗风性，各第二螺旋桨500可相互独立，即各第二螺旋桨500采用独立控制的方式，能够避免由于耦合控制引起的抗风性差的问题。图中示出的实施例第二螺旋桨500的个数为2，根据实际需求可以适当增加第二螺旋桨500的数量。
53.参考图2，在进一步的实施例中，第二舵面330对称设置于机身100的两侧，有益于无人机的俯仰姿态控制，各第二舵面330相互独立，采用独立控制的方式，可结合第二螺旋桨500的转动控制，通过第二舵面330的同向、异向转动实现相应的姿态控制，能够进一步提高无人机的抗风性。
54.参考图2，在一些实施例中，第一舵面210设置于机翼200上相对机身100的远端，第二螺旋桨500相对于第一舵面210更靠近机身100，避免第二螺旋桨500形成的气流影响第一舵面210对滚转姿态的控制，有助于高效控制无人机的滚转姿态。进一步的，无人机可采用大展弦比的机翼，大展弦比表明机翼200比较长且窄，采用大展弦比的机翼通常具有诱导阻力小和升力线斜率高的优点，能够大幅提升整机气动升阻比，从而达到长续航。
55.参考图3，其中，图中以点划线表示的xyz坐标作为无人机自身形态变化的参考坐标，以便描述无人机的飞行姿态，右下角的坐标用于辅助表达无人机的方位。在一些实施例中，尾翼300还包括垂尾320，垂尾320连接于机身100的尾部，其延伸方向垂直于平尾310。由此，垂尾320可以作为竖立支架，竖直放置的无人机能够由垂尾320与平尾310支撑而保持竖立。因此，可以将无人机竖直放置，再进行起飞操作，不需要额外设置用于支撑无人机竖直放置的支架等结构。
56.在一些实施例中，机身100、机翼200和尾翼300通过一体化成型工艺成型为一体，实现了结构简单而且强度大的特性，进一步提升安全性。具体可采用碳纤维开模一体化制造，该工艺为无人机机身制造领域较为成熟的工艺技术，在此不做赘述。
57.在一些实施例中，无人机通过独立运行的电池系统来大幅提升飞行器安全性。通过自主导航和自动控制系统实现自主运行功能。自动控制系统内置三套累赘系统，大幅提升飞行可靠性和安全性。在结构上，机身100内部设置机舱，自主导航、自动控制系统和电池系统内置于机舱，减小飞行阻力。
58.参考图5，图中以虚线表示旋转状态下的第一螺旋桨400和第二螺旋桨500的叶片。与前文所述的一些实施例相对比，在本实用新型的另一些实施例中，机翼200上设置有第一舵面210和第一螺旋桨400，第一螺旋桨400设置于机翼200的前侧，第一舵面210连接于机翼200并位于第一螺旋桨400的后方。第一螺旋桨400采用前拉式螺旋桨，其转动形成的气流向后流经第一舵面210，从而通过第一舵面210实现飞行姿态的有效控制。第二螺旋桨500采用前拉式螺旋桨，该第二螺旋桨500连接于机身100并位于机翼200的后方、第二舵面330的前方，因此，第二螺旋桨500不在机翼上设置，而是将第二螺旋桨500设置于机翼200后侧，由此减少机翼上的结构，形成较为干净的机翼，第二螺旋桨500产生的高速气流不受机身100遮挡地通过机翼200，并流向平尾310，由此，可大幅减少空气阻力，提高气动效率，从而增大有效载荷及航程。
59.参考图5，在一些实施例中，第二螺旋桨500可通过支架600连接于机身，支架600对
称连接于机身100并位于机翼200和尾翼300之间，提供了螺旋桨的安装空间，由此，减少了机翼上的动力结构设置，减少气流阻力，提高气动效率，并且，简化了机翼的结构，有益于降低加工难度和制造成本。支架600上连接有第二螺旋桨500，第二螺旋桨500对应位于机翼200的后方并对应于第二舵面330位于尾翼300的前方，第二螺旋桨500采用前拉式螺旋桨，其转动形成的气流向后流经第二舵面330，从而有益于通过第二舵面330实现飞行姿态的控制。
60.基于上述实施例，参考图1至图5，其中，图中以点划线表示的xyz坐标用于在描述无人机的飞行姿态时作为参考坐标，右下角的坐标为无人机的方位坐标。无人机的飞行控制方法大致如下：
61.垂直起飞过程：如图4所示，利用平尾310和垂尾320竖直立于地面，未设置垂尾320的实施例，可采用外设支架支撑无人机使其机身100竖立。通过驱动第一螺旋桨400和第二螺旋桨500的旋转提供竖直方向的推力来实现垂直起飞。左右机翼200的第一螺旋桨400转动方向相反，用于抵消整机在x轴的力矩和旋转。
62.竖直悬停过程，通过第二舵面330绕y轴的同向转动来实现整机绕y轴的转动平衡。通过第一舵面210绕y轴的异向转动来实现整机绕x轴的转动平衡。通过机翼200两边的第二螺旋桨500的推力差来实现绕z轴的转动平衡。
63.竖直悬停转换到水平巡航过程：通过第二舵面330绕y轴正方向的大幅同向转动来实现整机绕y轴大幅转动，从而实现从竖直方向到水平方向的转换。
64.巡航过程：通过第二舵面330绕y轴的同向转动来实现整机绕y轴的转动平衡。通过第一舵面210绕y轴的异向转动来实现整机绕x轴的转动平衡。通过机翼200两边的第二螺旋桨500的推力差来实现绕z轴的转动平衡以及实现空中转弯。
65.水平巡航转换到竖直悬停过程：通过第二舵面330绕y轴反方向的大幅同向转动来实现整机绕y轴大幅转动，从而实现从水平方向到竖直方向的转换。
66.垂直降落过程：在竖直悬停状态，通过减少第一螺旋桨400和第二螺旋桨500在竖直方向的推力(具体可以通过减小转速实现)来实现垂直降落。
67.本实用新型实施例的无人机主要是从无人机的结构布局进行改进，其飞控系统可采用常用的技术结合实际情况进行合理配置，在此不做赘述。例如，以上各过程中，无人机的平衡稳定通过主动控制系统中的pid控制器(proportion integration differentiation.比例
‑
积分
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微分控制器)来调节，pid控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，在无人机的飞行控制系统也被广泛应用。
68.本实用新型实施例的无人机可以应用于森林火灾探测、巡检，无人机物流、大气水质监测与信息收集等，具有结构简单、易于实现，并且气动效率高，有效载荷及航程大，因此具有较强的实用性。
69.上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。