[發明專利]一種采用分布式混合動力的變體高效小型垂直起降無人機

在審

• 申請號: 201710123934.8
• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN106864747A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 馬東立;夏興祿;楊穆清;劉興安;郭陽;陳剛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64C29/02
• 分類號: B64C29/02;B64C1/06;B64D27/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 周長琪

1.一種采用分布式混合動力的變體高效小型垂直起降無人機，包括機身、左機翼、右機翼、水平尾翼與垂直尾翼；所述機身包括前機身與后機身；其特征在于：還具有分布式混合動力系統與后機身變體機構；其中，分布式混合動力系統包括油電混合動力分系統與分布式螺旋槳分系統；后機身變體機構包括后機身變體驅動機構與螺旋槳朝向約束機構；

后機身由水平橫截面分割為后機身上部與后機身下部；后機身上部的前端和后機身下部的前端與前機身后端間鉸接，通過后機身變體驅動機構實現后機身上部與后機身下部相對前機身0～90°的同步轉動；

所述油電混合動力分系統，包括發動機、燃油箱、發電機、儲能電池與能源管理模塊；其中，發動機、燃油箱、發電機、儲能電池、能源管理模塊均安裝于前機身內部；發動機與前機身間剛性固定，用于為巡航提供動力以及發電機的發電；燃油箱用于燃油的儲備以及發動機的供油；發電機的輸入軸與發動機的輸出軸通過聯軸器相連，將發動機輸出的機械能轉換為電能，由儲能電池存儲；儲能電池用于無人機垂直起降過程中大功率輸出的功能；能源管理模塊為油電混合動力系統的控制模塊，進行無人機不同工作狀態能量流向的管理；

所述分布式螺旋槳分系統包括電機、電子調速器與螺旋槳；其中，電機共十個；十個電機中，八個電機剛性固定于左機翼與右機翼前緣內部，輸出軸朝向整個無人機前方；左機翼與右機翼前緣沿展向等間隔設置4個，且左機翼與右機翼上的電機安裝位置對稱；另兩個電機分別剛性固定安裝于兩個垂直尾翼梢部前緣設計的電機艙內，且設計電機艙末端與垂直尾翼間鉸接，使電機艙可轉動；同時兩個水平尾翼同上方的電機艙固接為一體結構；每個電機的輸出軸上安裝有螺旋槳；每個電機還配有電子調速器，通過能源管理模塊為各個電子調速器與電機分配供電，進而控制每個電機轉動，由電子調速器調節電機轉速，且控制左機翼與右機翼上的八個電機中相鄰電機的轉向相反以平衡反扭矩，同時控制垂直尾翼梢部的兩個電機彼此反向轉動；

所述后機身上部與后機身下部進行旋轉運動的過程中，通過螺旋槳朝向約束機構約束住垂直尾翼上的螺旋槳的朝向，使螺旋槳始終同無人機軸線朝向一致。

2.如權利要求1所述一種采用分布式混合動力的變體高效小型垂直起降無人機，其特征在于：前機身后端設計為由上下兩個相交平面構成的尖端結構；同時，后機身上部與后機身下部，后機身上部與后機身下部的前端設計為斜面；且當后機身上部與后機身下部轉動角度為0°時，后機身上部底面與后機身下部頂面相接，形成整體機身結構；當后機身上部與后機身下部轉動至+90度與-90度時，后機身上部與后機身下部前端平面部分分別與前機身后部上下平面貼合。

3.如權利要求1所述一種采用分布式混合動力的變體高效小型垂直起降無人機，其特征在于：后機身變體驅動機構包括步進電機、絲杠、絲杠螺母與驅動連桿；其中，步進電機剛性固定安裝于前機身內部，輸出軸朝向無人機后方；絲杠通過軸承安裝于前機身內部的軸承座上，絲杠前端與步進電機的輸出軸通過聯軸器同軸連接，絲杠后端穿過前機身后端；絲杠螺母螺紋套接于絲杠后部，絲杠的旋轉運動可轉換為絲杠螺母的前后直線運動；驅動連桿為兩根，分別位于絲杠上下相對位置，一端與絲杠螺母鉸接，形成轉動副A；驅動連桿的另一端分別與后機身上部和后機身下部內設計的鉸接架鉸接，形成轉動副B；且轉動副A與轉動副B的轉動軸均沿無人機左右方向。

4.如權利要求1所述一種采用分布式混合動力的變體高效小型垂直起降無人機，其特征在于：螺旋槳朝向約束機構包括兩套平行四連桿與兩根拉桿；其中，兩套平行四連桿中，相鄰兩連桿間通過鉸接軸鉸接；兩套平行四連桿分別設置于后機身上部與后機身下部的垂直尾翼內部，上下對稱，且兩套平行四連桿所在平面與垂直尾翼的縱截面共面；兩套平行四連桿的安裝方式相同，與垂直尾翼間鉸接，同時其中一根連桿與垂直尾翼處的螺旋槳同軸，且平行于無人機軸線，同時另一根連桿的端部與電機艙末端固連；兩根拉桿的輸出端分別固定于兩套平行四連桿中一頂點處的鉸接軸，輸入端分別鉸接于一個環形安裝架上的相對位置，鉸接軸沿無人機左右方向；環形安裝架具有沿機身前后的移動自由度。

5.如權利要求1所述一種采用分布式混合動力的變體高效小型垂直起降無人機，其特征在于：具有垂直起飛階段、高效巡航階段與垂直降落階段；

a、垂直起飛階段，由儲能電池經能源管理模塊向左機翼與右機翼上的八個電機直接供電；由發動機經由發電機向另外兩個電機供電；且控制后機身上部與后機身下部相對前機身轉動90°；此時全部10個螺旋槳均朝向無人機頭部；同時無人機頭部朝上，形成十字形多旋翼布局，垂直起飛；當起飛至預定高度時，飛機進入過渡轉換過程；此時控制后機身上部與后機身下部相對前機身逐漸旋轉轉動至初始狀態；無人機頭部由朝上狀態逐漸轉變為朝前狀態，進入高效巡航模態；

b、高效巡航模態，由發動機帶動發電機運轉，產生的電能一部分經能源管理模塊分配至垂直尾翼梢部的兩個電機驅動螺旋槳轉動，一部分則流入儲能電池進行充電，為垂直降落供能做準備；

c、垂直降落階段，控制后機身上部與后機身下部相對前機身轉動90°，此時全部螺旋槳均朝向無人機頭部；且無人機頭部朝上，由在巡航階段充滿電的儲能電池直接向各個電機供電。