一种可折叠式变体无人机及其控制方法

1.本发明属于飞行器领域，特别涉及一种可折叠式变体无人机及其控制方法。


背景技术：

2.折叠翼飞行器属于变体飞行器的一种，其机翼或尾翼可折叠。相比传统的固定翼类飞行器，折叠翼飞行器的优势主要体现在：1)实现变后掠翼或者变展长能力，通过在飞行过程中改变机翼或尾翼的某些参数，如后掠角、展长、上反角等，可适应不同的飞行环境或作战任务，从而扩大飞行包线或提升飞行性能；2)通过折叠机翼或者尾翼，大大减小飞行器的尺寸，从而节省装载尺寸，方便发射和回收。
3.折叠翼技术最早在舰载机上应用，因航母的空间有限，舰载机的机翼、尾翼进行折叠能有效节省航空母舰的储放空间，提高利用效率。目前，主流的舰载机上的折叠方式主要采用上折方式，上折式的折叠方式较简单，一般采用液压机构来实现机翼的折叠。
4.近些年，随着无人机的飞速发展，折叠翼技术逐渐被应用于无人机上。折叠翼无人机具有装载尺寸小、发射方便、成本低的特征，可适应于远程机载投放、箱式发射、炮射等多种发射方式，折叠翼无人机应用于“蜂群”、“忠诚僚机”等作战系统将具有极大的优势。
5.为实现箱式发射、炮射等多种发射方式，无人机折叠后外轮廓需小于发射筒的尺寸，不能有较大的外凸物，且要求折叠机构简单可靠、结构重量小，这对无人机的折叠方式及折叠机构提出较高的要求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，结合折叠翼技术与变体飞行器技术，提出一种可折叠式变体无人机及其控制方法。
7.本发明所采用的具体技术方案如下：
8.第一方面，本发明提供了一种可折叠式变体无人机，包括机身、机翼、垂尾和平尾；所述机身以上单翼布局，在背部对称设有一对带副翼的机翼；两个机翼的连接处设有第一折叠机构，两个机翼能通过所述第一折叠机构以变后掠的方式上下叠放于机身背部；所述机身以双垂尾布局，在尾部两侧对称设有一对带方向舵的垂尾；两个垂尾之间设有第二折叠机构，两个垂尾能通过所述第二折叠机构以向前倾倒的方式折叠于机身尾部两侧；所述机身以下平尾布局，在尾部下方对称设有一对带升降舵的平尾；两个平尾上分别设有第三折叠机构，两个平尾能通过所述第三折叠机构以变前掠的方式并排位于机身尾部下方。
9.作为优选，所述机身的头部为子弹头形平滑结构，其头部的径向横截面为圆角正方形。
10.作为优选，所述机翼采用展弦比范围为8-10的梯形翼，翼型采用naca6系列。
11.作为优选，所述可折叠式变体无人机折叠后的横截面尺寸小于400mm。
12.作为优选，所述第一折叠机构包括第一转轴、第一轴柄、底座和第二轴柄；所述底座固定于机身背部，其上设有滑轨机构；滑轨机构的两端具有高度差，且高度差值不小于机
翼的最大厚度；所述底座上竖直固定有第一转轴，第一转轴上转动连接有位于上方的第一轴柄和位于下方的第二轴柄，第二轴柄上设有能沿所述滑轨机构滑动的滑动头，滑动头的滑动位置能通过锁死机构进行限位；所述机翼包括分别位于机身两侧的第一机翼和第二机翼；所述第一轴柄与第一机翼相连接，第一机翼能通过第一轴柄以第一转轴为中心轴沿水平方向转动，实现第一机翼的展开和折叠；所述第二轴柄与第二机翼相连接，第二机翼能通过滑动头在滑轨机构内的滑动，实现第二机翼的展开和折叠；所述第二机翼展开状态下，滑动头位于滑轨机构内较高的一端，使第二机翼和第一机翼处于同一水平面高度；所述第二机翼折叠状态下，滑动头位于滑轨机构内较低的一端，使第二机翼叠放于第一机翼下方。
13.进一步的，所述第一机翼和第二机翼上分别设有与舵机连接的拉杆轴，舵机能通过拉杆轴控制第一机翼和第二机翼的转动。
14.进一步的，所述滑轨机构包括以第一转轴呈中心对称的两条弧形滑轨，每条弧形滑轨由高至低包括依次连接的水平第一滑轨、过渡第二滑轨和水平第三滑轨；所述第二轴柄上连接有两个分别位于不同弧形滑轨中的滑动头。
15.作为优选，所述第二折叠机构包括扭簧、第二转轴和垂尾耳片；第二转轴的两端分别通过垂尾耳片垂直固定于两个垂尾的内侧，第二转轴外周套设有扭簧；扭簧的一端与第二转轴固定连接，另一端与驱动装置连接；驱动装置能通过扭簧带动第二转轴转动，进而同步实现两个垂尾的展开或前倾式折叠。
16.作为优选，所述第三折叠机构包括平尾拉杆和第三转轴；第三转轴竖直设置于机身下方，一端与机身固定连接；与平尾舵机相连的平尾拉杆的一端与第三转轴转动连接，另一端与平尾固定连接；平尾舵机能通过平尾拉杆带动平尾绕第三转轴水平转动，以实现平尾的展开或变前掠式折叠。
17.第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述可折叠式变体无人机的控制方法，具体如下：
18.飞行状态下，两片机翼、两片垂尾和两片平尾均处于展开状态；同时，通过第一折叠机构控制两片机翼的展开幅度大小，以满足不同的飞行任务要求；
19.折叠状态下，通过第一折叠机构使两片机翼以变后掠的方式上下叠放于机身背部，通过第二折叠机构使两片垂尾以向前倾倒的方式折叠于机身尾部两侧，通过第三折叠机构使两片平尾以变前掠的方式并排位于机身尾部下方。
20.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
21.1)在传统折叠无人机的基础上，本发明的无人机通过特殊的机翼变后掠机构设计，可实现多种状态的变体与切换，适应于不同的飞行任务要求。使得无人机既可实现低速长航时飞行，也可用于高速机动飞行，大大拓展了无人机的飞行包线。
22.2)本发明的无人机具有轻便、简单、可靠性高的特征。
23.3)本发明的无人机在完全折叠后，横截面尺寸不超过400mm，可适应于远程机载投放、箱式发射和炮射等，应用于无人机集群将具有极大的优势。
附图说明
24.图1为无人机完全展开状态的轴测图；
25.图2为图1中无人机的三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；
26.图3为无人机完全折叠状态的轴测图；
27.图4为图3中无人机的三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；
28.图5为第一折叠机构的局部放大图，其中，(a)为机翼完全展开状态的示意图，(b)为机翼45
°
展开状态的示意图，(c)为机翼完全折叠状态的示意图；
29.图6为底座的结构示意图；
30.图7为第二折叠机构与垂尾的连接关系示意图；
31.图8为第三折叠机构与平尾的连接关系示意图；
32.图中：机身1，机翼2，副翼3，平尾4，升降舵5，方向舵6，垂尾7，第一转轴8，第一轴柄9，拉杆轴10，底座11，第二轴柄12，第一滑轨13，第三滑轨14，第二滑轨15，扭簧16，第二转轴17，垂尾耳片18，平尾舵机19，平尾耳片20，平尾拉杆21，第三转轴22，滑动头23。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
34.本发明提供了一种可折叠式变体无人机，该无人机的折叠方式简单可靠，能兼顾完全折叠与两种变后掠飞行模式，可实现小后掠角低速长航时飞行，也具备大后掠角的高速机动飞行，完全折叠后的无人机横截面尺寸小于400mm，可适用于筒式发射，应用于蜂群无人机具有极大的优势。
35.如图1所示，本发明的无人机主要包括机身1、机翼2、垂尾7和平尾4，整机采用上单翼、双垂尾与下平尾布局。下面将对各部件的结构和连接方式进行具体说明。
36.无人机的机身1以上单翼布局，在背部对称设有一对机翼2，每片机翼2的中段后缘均设有副翼3，副翼3用于实现无人机在飞行状态下的滚转操纵。在两片机翼2的连接处设有第一折叠机构，两个机翼2能通过第一折叠机构，以变后掠的方式往后完全折叠，进而实现两个机翼2以上下叠放的方式置于机身1的背部。
37.在实际应用时，可以将机身1的头部设置为子弹头形的平滑结构，其头部的径向横截面为圆角正方形，如图2所示。该布局不仅可以减小无人机在飞行状态下的阻力，还有利于上方机翼的折叠布置，两侧双垂尾的折叠放置，下方平尾的折叠放置。机翼2可以采用长展弦比梯形翼，展弦比优选设置为8-10，翼型可以采用naca6系列，既能具备较好的高亚声速性能，又可兼顾低速性能。
38.在实际应用时，第一折叠机构具体可以采用如图5所示结构实现，具体如下：
39.第一折叠机构包括第一转轴8、第一轴柄9、底座11和第二轴柄12。底座11固定于机身1背部，其上设有滑轨机构。滑轨机构的两端具有高度差，且高度差值不小于机翼2的最大厚度，以便于两片机翼折叠状态时能实现上下叠放。底座11上竖直固定有第一转轴8，第一转轴8上转动连接有位于上方的第一轴柄9和位于下方的第二轴柄12，第一轴柄9和第二轴柄12均能以第一转轴8为轴心绕轴转动。第二轴柄12上设有能沿滑轨机构滑动的滑动头23，滑动头23的滑动位置能通过锁死机构进行限位，从而使滑动头23固定于滑轨机构的不同位置。机翼2包括分别位于机身1两侧的第一机翼和第二机翼。第一轴柄9与第一机翼相连接，第一机翼能通过第一轴柄9以第一转轴8为中心轴沿水平方向转动，实现第一机翼的展开和折叠。第二轴柄12与第二机翼相连接，第二机翼能通过滑动头23在滑轨机构内滑动，实现第
二机翼的展开和折叠。第二机翼展开状态下，滑动头23位于滑轨机构内较高的一端，使第二机翼和第一机翼处于同一水平面高度。第二机翼折叠状态下，滑动头23位于滑轨机构内较低的一端，使第二机翼叠放于第一机翼下方。
40.此外，为了更好的控制两个机翼的转动状态，可以在第一机翼和第二机翼上分别设置与舵机连接的拉杆轴10，舵机能通过拉杆轴10控制第一机翼和第二机翼的转动状态。
41.具体的，滑轨机构可以采用如图6所示的结构，即包括以第一转轴8呈中心对称的两条弧形滑轨，每条弧形滑轨由高至低包括依次连接的水平第一滑轨13、过渡第二滑轨15和水平第三滑轨14，第二轴柄12上连接有两个分别位于不同弧形滑轨中的滑动头23。当第二机翼处于完全展开状态时，两个滑动头23均处于两条弧形滑轨的第一滑轨13上，并能通过锁死机构进行限位。当第二机翼处于45
°
展开状态时，即第二机翼的轴向与机身的轴向之间夹角为45
°
时，两个滑动头23均处于两条弧形滑轨的过渡第二滑轨15上，并能通过锁死机构进行限位。当第二机翼处于完全折叠状态时，两个滑动头23均处于两条弧形滑轨的第三滑轨14上，并能通过锁死机构进行限位。
42.进一步的，如图5(b)所示，俯视状态下的滑轨机构示意图，即上方为机身头部位置，下方为机身尾部位置，可以将第一转轴8的中心设置于机身纵向中轴线位置处，两条弧形滑轨分别位于机身轴线左右两侧。每条弧形滑轨的圆心角可设置为80
°
～90
°
，图5(b)中右侧滑轨的上侧边与机身中轴线之间的夹角可设置为0
°
～10
°
。两个滑动头23之间的连线与第二机翼的轴线不重合，两者之间具有一定的夹角，从而使得滑动头23处于滑轨两个端侧时，第二机翼能分别实现完全展开和完全折叠的状态。当然，滑轨机构还可以采用其他的布置方式，比如可以采用整个圆形轨道，通过锁死机构控制第二机翼的转动方向。
43.无人机的机身1以双垂尾布局，在尾部两侧对称设有一对垂尾7，每片垂尾7上均布置有方向舵6，方向舵6用于实现无人机在飞行状态下的航向操纵。在两个垂尾7之间设有第二折叠机构，两个垂尾7能通过第二折叠机构，以向前倾倒的方式，折叠于机身1尾部两侧。
44.在实际应用时，可以将第二折叠机构设置为如图7所示的结构，具体如下：
45.第二折叠机构包括扭簧16、第二转轴17和垂尾耳片18。第二转轴17的轴线应当垂直机身的轴线布设，第二转轴17的两端分别通过垂尾耳片18垂直固定于两个垂尾7的内侧，第二转轴17外周套设有扭簧16。扭簧16的一端与第二转轴17的一端固定连接，另一端与驱动装置连接。驱动装置能通过扭簧16带动第二转轴17转动，进而同步实现两个垂尾7的展开或前倾式折叠。扭簧16应当具有预紧力。
46.无人机的机身1以下平尾布局，在尾部下方对称设有一对平尾4，每片平尾4上均布置有升降舵5，升降舵5用于实现无人机在飞行状态下俯仰方向的操纵。在每片平尾4上均设有第三折叠机构，两个平尾4能通过第三折叠机构，以变前掠的方式往前完全折叠，并排位于机身1尾部下方。
47.在实际应用时，可以将第三折叠机构设置为如图8所示的结构，具体如下：
48.第三折叠机构包括平尾拉杆21和第三转轴22。第三转轴22竖直设置于机身1下方，其轴线与机身的轴线垂直，第三转轴22的一端与机身1固定连接。平尾拉杆21的一端与第三转轴22转动连接，能绕第三转轴22转动，另一端与平尾4固定连接。平尾拉杆21还连接有平尾舵机19，能通过平尾舵机19控制平尾拉杆21的转动情况，使平尾拉杆21带动平尾4绕第三转轴22水平转动，以控制平尾4的展开或变前掠式折叠。且由于平尾的弦向尺寸较小，两片
平尾折叠后可并排位于机身下方。具体的，可以将平尾拉杆21和平尾舵机19等部件均固定于平尾耳片20上，然后将平尾耳片20固定于平尾4内侧上方。
49.利用上述可折叠式变体无人机的控制方法，具体如下：
50.飞行状态下，两片机翼2、两片垂尾7和两片平尾4均处于展开状态。同时，通过第一折叠机构控制两片机翼2的展开幅度大小，以满足不同的飞行任务要求。即可以通过第一折叠机构控制两个机翼的转动状态相同，从而可以使机翼锁定在两种飞行状态：完全展开状态和45
°
展开状态。其中，小后掠角状态(完全展开状态)具有较好的升阻比，适用于低速长航时飞行任务；45
°
后掠角的高速特性较好，可用来执行高速机动飞行任务。通过第一折叠机构，可实现低速长航时与高速机动模式之间切换。
51.如图3和4所示，折叠状态下，通过第一折叠机构使两片机翼2以变后掠的方式上下叠放于机身1背部，通过第二折叠机构使两片垂尾7以向前倾倒的方式折叠于机身1尾部两侧，通过第三折叠机构使两片平尾4以变前掠的方式并排位于机身1尾部下方。整机折叠后尺寸很小，可在直径不小于400mm的发射筒中发射，便于无人机的运载和发射。
52.本发明的无人机具备折叠变体功能，即机翼采用变后掠折叠方式，折叠过程中可实现高度差，完全折叠后两片机翼上下叠放；垂尾通过往前倾倒的方式，折叠于机身尾部两侧；平尾采用前掠的方式折叠，折叠后并排位于机身尾部下方。机翼的后掠角可实现三种状态的锁定：完全展开状态、45
°
展开状态和完全折叠状态。完全展开状态适用于低速长航时飞行任务；45
°
展开状态可用来执行高速机动飞行任务；完全折叠状态下，横截面径向尺寸不超过400mm，可适应于远程机载投放、箱式发射和炮射等。本发明所提出的可折叠式变体无人机具有折叠机构轻便、简单，折叠方式可靠，且可通过变体实现多任务飞行能力，在军民用领域均具有广泛的应用前景。
53.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种可折叠式变体无人机，其特征在于，包括机身(1)、机翼(2)、垂尾(7)和平尾(4)；所述机身(1)以上单翼布局，在背部对称设有一对带副翼(3)的机翼(2)；两个机翼(2)的连接处设有第一折叠机构，两个机翼(2)能通过所述第一折叠机构以变后掠的方式上下叠放于机身(1)背部；所述机身(1)以双垂尾布局，在尾部两侧对称设有一对带方向舵(6)的垂尾(7)；两个垂尾(7)之间设有第二折叠机构，两个垂尾(7)能通过所述第二折叠机构以向前倾倒的方式折叠于机身(1)尾部两侧；所述机身(1)以下平尾布局，在尾部下方对称设有一对带升降舵(5)的平尾(4)；两个平尾(4)上分别设有第三折叠机构，两个平尾(4)能通过所述第三折叠机构以变前掠的方式并排位于机身(1)尾部下方。2.根据权利要求1所述的一种可折叠式变体无人机，其特征在于，所述机身(1)的头部为子弹头形平滑结构，其头部的径向横截面为圆角正方形。3.根据权利要求1所述的一种可折叠式变体无人机，其特征在于，所述机翼(2)采用展弦比范围为8-10的梯形翼，翼型采用naca6系列。4.根据权利要求1所述的一种可折叠式变体无人机，其特征在于，所述可折叠式变体无人机折叠后的横截面尺寸小于400mm。5.根据权利要求1所述的一种可折叠式变体无人机，其特征在于，所述第一折叠机构包括第一转轴(8)、第一轴柄(9)、底座(11)和第二轴柄(12)；所述底座(11)固定于机身(1)背部，其上设有滑轨机构；滑轨机构的两端具有高度差，且高度差值不小于机翼(2)的最大厚度；所述底座(11)上竖直固定有第一转轴(8)，第一转轴(8)上转动连接有位于上方的第一轴柄(9)和位于下方的第二轴柄(12)，第二轴柄(12)上设有能沿所述滑轨机构滑动的滑动头(23)，滑动头(23)的滑动位置能通过锁死机构进行限位；所述机翼(2)包括分别位于机身(1)两侧的第一机翼和第二机翼；所述第一轴柄(9)与第一机翼相连接，第一机翼能通过第一轴柄(9)以第一转轴(8)为中心轴沿水平方向转动，实现第一机翼的展开和折叠；所述第二轴柄(12)与第二机翼相连接，第二机翼能通过滑动头(23)在滑轨机构内的滑动，实现第二机翼的展开和折叠；所述第二机翼展开状态下，滑动头(23)位于滑轨机构内较高的一端，使第二机翼和第一机翼处于同一水平面高度；所述第二机翼折叠状态下，滑动头(23)位于滑轨机构内较低的一端，使第二机翼叠放于第一机翼下方。6.根据权利要求5所述的一种可折叠式变体无人机，其特征在于，所述第一机翼和第二机翼上分别设有与舵机连接的拉杆轴(10)，舵机能通过拉杆轴(10)控制第一机翼和第二机翼的转动。7.根据权利要求5所述的一种可折叠式变体无人机，其特征在于，所述滑轨机构包括以第一转轴(8)呈中心对称的两条弧形滑轨，每条弧形滑轨由高至低包括依次连接的水平第一滑轨(13)、过渡第二滑轨(15)和水平第三滑轨(14)；所述第二轴柄(12)上连接有两个分别位于不同弧形滑轨中的滑动头(23)。8.根据权利要求1所述的一种可折叠式变体无人机，其特征在于，所述第二折叠机构包括扭簧(16)、第二转轴(17)和垂尾耳片(18)；第二转轴(17)的两端分别通过垂尾耳片(18)垂直固定于两个垂尾(7)的内侧，第二转轴(17)外周套设有扭簧(16)；扭簧(16)的一端与第二转轴(17)固定连接，另一端与驱动装置连接；驱动装置能通过扭簧(16)带动第二转轴(17)转动，进而同步实现两个垂尾(7)的展开或前倾式折叠。9.根据权利要求1所述的一种可折叠式变体无人机，其特征在于，所述第三折叠机构包
括平尾拉杆(21)和第三转轴(22)；第三转轴(22)竖直设置于机身(1)下方，一端与机身(1)固定连接；与平尾舵机(19)相连的平尾拉杆(21)的一端与第三转轴(22)转动连接，另一端与平尾(4)固定连接；平尾舵机(19)能通过平尾拉杆(21)带动平尾(4)绕第三转轴(22)水平转动，以实现平尾(4)的展开或变前掠式折叠。10.一种利用权利要求1～9任一所述可折叠式变体无人机的控制方法，其特征在于，具体如下：飞行状态下，两片机翼(2)、两片垂尾(7)和两片平尾(4)均处于展开状态；同时，通过第一折叠机构控制两片机翼(2)的展开幅度大小，以满足不同的飞行任务要求；折叠状态下，通过第一折叠机构使两片机翼(2)以变后掠的方式上下叠放于机身(1)背部，通过第二折叠机构使两片垂尾(7)以向前倾倒的方式折叠于机身(1)尾部两侧，通过第三折叠机构使两片平尾(4)以变前掠的方式并排位于机身(1)尾部下方。

技术总结
本发明公开了一种可折叠式变体无人机及其控制方法，无人机包括机身、机翼、垂尾和平尾，整机采用上单翼、双垂尾与下平尾布局。两个机翼的连接处设有第一折叠机构，两个机翼能通过第一折叠机构以变后掠的方式上下叠放于机身背部；两个垂尾之间设有第二折叠机构，两个垂尾能通过第二折叠机构以向前倾倒的方式折叠于机身尾部两侧；两个平尾上分别设有第三折叠机构，两个平尾能通过第三折叠机构以变前掠的方式并排位于机身尾部下方。本发明的无人机具有折叠机构轻便、简单，折叠方式可靠，且可通过变体实现多任务飞行能力，在军民用领域均具有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。


技术研发人员：曾丽芳 邵雪明 陶伟明 黎军 张钦博
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8