本發(fā)明涉及無人機技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種螺旋槳雙軸矢量伺服變向裝置以及基于此變向裝置所形成的垂直起降固定翼無人機。

背景技術(shù)：

無人機是一種利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操控的不載人飛行器，因其所具有的機動靈活、反應(yīng)快速、無人飛行和操作要求低等優(yōu)點而被被廣泛應(yīng)用于航拍、農(nóng)業(yè)植保、災(zāi)難救援、地質(zhì)測繪、新聞報道、電力巡檢、影視拍攝、軍事偵察等諸多領(lǐng)域。

目前，推力變向技術(shù)在無人機的飛行姿態(tài)調(diào)整以及飛行高度調(diào)整的過程中起到至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)意義上的推力變向技術(shù)一般是指發(fā)動機推力通過噴管或尾噴流的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力分量來替代原飛機的操縱面或增強飛機的操縱功能，對飛機的飛行進行實時控制的技術(shù)，可以有效提高飛機的操縱能力，從而能減小飛機的氣動舵面，增強飛機的綜合飛行性能；但鑒于無人機本身的結(jié)構(gòu)性和功能性，現(xiàn)有的無人機主要是依靠對螺旋槳的控制來實現(xiàn)推力的變向功能，即：通過控制發(fā)動機使其推力產(chǎn)生縱向或橫向的偏轉(zhuǎn)，從而對無人機產(chǎn)生附加的推力分量和附加推力力矩，以實現(xiàn)對飛機的推力偏轉(zhuǎn)，進而使飛機獲得額外的控制能力，實現(xiàn)飛行姿態(tài)及飛行高度的調(diào)整控制。然而，由于現(xiàn)有的螺旋槳推力變向機構(gòu)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上仍然存在一定的不足，導(dǎo)致螺旋槳變向存在靈活性較差、方向變化的范圍小、變向過程穩(wěn)定性差等諸多問題；同時，現(xiàn)有的螺旋槳變向機構(gòu)還存在本身結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、結(jié)構(gòu)部件布置不合理、實現(xiàn)困難等等缺陷。

再者，現(xiàn)有的無人機通常被劃分為固定翼無人機與旋轉(zhuǎn)翼無人機兩種；其中，旋轉(zhuǎn)翼無人機主要依靠引擎使旋轉(zhuǎn)翼繞自身軸線自轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)翼自轉(zhuǎn)時與空氣產(chǎn)生相對運動獲得升力，但是由于旋轉(zhuǎn)翼提供的主要是升力，旋轉(zhuǎn)翼無人機獲得的平行于機身軸線的水平推力較小，所以水平飛行速度較慢。而固定翼無人機則主要是依靠引擎推動，引擎驅(qū)動產(chǎn)生平行于機身軸線的水平推力，使無人機可以在空中高速飛行，但是由于引擎不能產(chǎn)生垂直于機身軸線的升力，所以固定翼無人機只能通過固定翼與空氣間的相對運動來獲得升力，以克服固定翼無人機的重力，升力的大小和固定翼與空氣間的相對運動速度存在正相關(guān)關(guān)系，相對運動速度越大，固定翼無人機所獲得的升力也越大；從而使得固定翼無人機主要存在著以下兩個缺點：一、起飛時需要較長的跑道才能使固定翼無人機獲得足夠的水平速度，以使固定翼無人機獲得足夠的升力起飛；二、固定翼無人機在起飛后需要保持足夠的飛行速度才能獲得足夠的升力以克服自身的重力?；诖耍壳暗臒o人機要么水平飛行速度較慢，要么需要依賴長跑道且起飛后需要保持足夠的飛行速度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的一個目的在于提供一種螺旋槳雙軸矢量伺服變向裝置；本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于此變向裝置所形成的垂直起降固定翼無人機。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的第一個技術(shù)方案為：

一種螺旋槳雙軸矢量伺服變向裝置，它包括固定地裝設(shè)于無人機的尾端上的固定舵機、軸連于固定舵機上的轉(zhuǎn)動舵機、軸連于轉(zhuǎn)動舵機上的螺旋槳發(fā)動機以及套裝于螺旋槳發(fā)動機的輸出軸上的螺旋槳；所述固定舵機驅(qū)動轉(zhuǎn)動舵機相對于固定舵機在Y-Z軸平面內(nèi)作上下旋轉(zhuǎn)運動，所述轉(zhuǎn)動舵機驅(qū)動螺旋槳發(fā)動機相對于轉(zhuǎn)動舵機在上X-Y軸平面內(nèi)作左右旋轉(zhuǎn)運動，所述螺旋槳發(fā)動機驅(qū)動螺旋槳以螺旋槳發(fā)動機的中心軸為中軸線作旋轉(zhuǎn)運動。

優(yōu)選地，所述固定舵機包括固定地裝設(shè)于無人機的尾端上的第一舵機基座和固定地裝設(shè)于第一舵機基座上的第一矢量馬達，所述第一矢量馬達的輸出軸沿X軸方向布置，且第一矢量馬達的輸出軸的中心線位于第一舵機基座的中部區(qū)域內(nèi)；

所述轉(zhuǎn)動舵機的底面上且沿X軸方向?qū)ΨQ地設(shè)置有兩個第一旋臂，兩個所述第一旋臂的末端均軸連于第一舵機基座下部區(qū)域內(nèi)且分別位于第一矢量馬達的左側(cè)和右側(cè)，所述第一矢量馬達的輸出軸上套接有第一主動擺臂，所述轉(zhuǎn)動舵機的中部區(qū)域軸連有第一銜接擺臂，所述第一主動擺臂的頭端與第一銜接擺臂的末端相軸連；

所述第一矢量馬達通過第一主動擺臂和第一銜接擺臂驅(qū)動轉(zhuǎn)動舵機以兩個第一旋臂的末端之間的連接線為旋轉(zhuǎn)軸線在Y-Z軸平面內(nèi)相對于第一舵機基座作由上至下或由下至上的旋轉(zhuǎn)運動。

優(yōu)選地，所述第一舵機基座沿X軸方向的截面形狀為“U”形，所述第一矢量馬達固定地裝設(shè)于第一舵機基座的底板上，兩個所述第一旋臂位于第一舵機基座的兩個相對側(cè)板之間且每個所述第一旋臂均通過一樞轉(zhuǎn)軸與對應(yīng)的第一舵機基座的側(cè)板相連。

優(yōu)選地，所述第一主動擺臂的套孔內(nèi)壁上環(huán)周且均勻地設(shè)置有若干條防滑齒條。

優(yōu)選地，所述第一主動擺臂的頭端形成有兩個相對分布的第一軸板，所述第一銜接擺臂的末端夾持于兩個第一軸板之間并通過一連接軸與第一軸板相連。

優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)動舵機包括第二舵機基座和固定地裝設(shè)于第二舵機基座的底面上的第二矢量馬達，兩個所述第一旋臂由第二舵機基座的底面的左右兩側(cè)朝第一舵機基座的方向作延伸后成型，所述第二矢量馬達的輸出軸沿Y軸方向布置，所述第二舵機基座的下部區(qū)域且沿X軸方向開設(shè)有一限位條口，所述第二矢量馬達的輸出軸位于限位條口的中部區(qū)域內(nèi)；

所述螺旋槳發(fā)動機的底面上且位于限位條口的上下兩側(cè)對稱地設(shè)置有兩個第二旋臂，所述第二舵機基座的頂面上且與每個第二旋臂相對應(yīng)的位置均形成有一與對應(yīng)的第二旋臂相軸連的支撐臂，所述第二矢量馬達的輸出軸上套接有第二主動擺臂，所述螺旋槳發(fā)動機的偏心區(qū)域軸連有第二銜接擺臂，所述第二主動擺臂的頭端與第二銜接擺臂的末端相軸連；

所述第二矢量馬達通過第二主動擺臂和第二銜接擺臂驅(qū)動螺旋槳發(fā)動機以兩個第二旋臂的末端之間的連接線為旋轉(zhuǎn)軸線在X-Y平面內(nèi)相對于第二舵機基座作由左至右或由右至左的旋轉(zhuǎn)運動。

優(yōu)選地，所述第二主動擺臂的套孔內(nèi)壁上環(huán)周且均勻地設(shè)置有若干條防滑齒條。

優(yōu)選地，所述第二主動擺臂的頭端形成有兩個相對分布的第二軸板，所述第二銜接擺臂的末端夾持于兩個第二軸板之間并通過一連接軸與第二軸板相連。

優(yōu)選地，所述螺旋槳發(fā)動機包括發(fā)動機本體以及固定地裝設(shè)于發(fā)動機本體的底面上的發(fā)動機基座，兩個所述第二旋臂均形成于發(fā)動機基座的底面上，且所述發(fā)動機基座的底面上還對稱地設(shè)置有兩個用于夾持第二銜接擺臂的頭端并與第二銜接擺臂的頭端相軸連的第二軸板，兩個所述第二軸板與兩個第二旋臂以發(fā)動機本體的中軸線為中心呈三角形分布，所述螺旋槳套裝于發(fā)動機本體的輸出軸上。

本發(fā)明采用的第二個技術(shù)方案為：

一種垂直起降固定翼無人機，它包括機身和固定于機身上并相對于機身的長度方向呈對稱分布的兩個機翼，每個所述機翼上均裝設(shè)有垂直動力螺旋槳，所述機身的尾端裝設(shè)有一上述的一種螺旋槳雙軸矢量伺服變向裝置；

所述垂直動力螺旋槳包括沿Z軸方向固定于機翼的前端側(cè)的懸梁、裝設(shè)于懸梁的前端的固定座、沿Y軸方向座設(shè)于固定座上的升降馬達以及裝設(shè)于升降馬達的輸出軸上并以升降馬達的中心軸為轉(zhuǎn)軸在X-Z軸平面內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動的升降螺旋槳。

由于采用了上述方案，本發(fā)明利用固定舵機、轉(zhuǎn)動舵機、螺旋槳發(fā)動機及螺旋槳之間的驅(qū)動及結(jié)構(gòu)關(guān)系，可形成雙軸萬向的驅(qū)動效果，以最終使螺旋槳的轉(zhuǎn)動狀態(tài)能夠在多個方向及平面內(nèi)進行，為實現(xiàn)飛機的高空懸停、水平推送、各種角度的轉(zhuǎn)向等等提供了條件，有效地擴大了無人機變向的范圍，為無人機的飛行姿態(tài)的變換提供了有力的保障；其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、控制精度及穩(wěn)定性高、靈活性強，具有很強的實際應(yīng)用價值和市場推廣價值。同時，由變向裝置所形成的固定翼無人機則不但可以實現(xiàn)垂直起降、空中懸停、飛行姿態(tài)調(diào)整等功能，而且通過對變向裝置以及垂直動力螺旋槳的轉(zhuǎn)換控制，可有效節(jié)省無人機的能量損耗，為延長無人機的續(xù)航時間以及降低其任務(wù)載荷提供了有利條件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的變向裝置在安裝狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的變向裝置的結(jié)構(gòu)裝配示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的變向裝置的結(jié)構(gòu)分解示意圖(一)；

圖4是本發(fā)明實施例的變向裝置的結(jié)構(gòu)分解示意圖(二)；

圖5是本發(fā)明實施例的變向裝置的結(jié)構(gòu)分解示意圖(三)；

圖6是本發(fā)明實施例的變向裝置的結(jié)構(gòu)分解示意圖(四)；

圖7是本發(fā)明實施例的固定翼無人機的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例的固定翼無人機的平面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

如圖1至圖6所示，本實施例提供的一種螺旋槳雙軸矢量伺服變向裝置，它包括固定地裝設(shè)于無人機的尾端(如無人機的尾端端面上)上的固定舵機a、軸連于固定舵機a上的轉(zhuǎn)動舵機b、軸連于轉(zhuǎn)動舵機b上的螺旋槳發(fā)動機c以及套裝于螺旋槳發(fā)動機c的輸出軸上的螺旋槳d；其中，固定舵機a驅(qū)動轉(zhuǎn)動舵機b相對于固定舵機a在Y-Z軸平面內(nèi)作上下旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)動舵機b則可驅(qū)動螺旋槳發(fā)動機c相對于轉(zhuǎn)動舵機b在上X-Y軸平面內(nèi)作左右旋轉(zhuǎn)運動(可以理解為：此中所提及的X-Y軸平面是一個相對的平面，即當轉(zhuǎn)動舵機b與固定舵機a之間未產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動時，此時轉(zhuǎn)動舵機b驅(qū)動螺旋槳發(fā)動機c動作恰好實在一個標準的X-Y軸平面內(nèi)，而當轉(zhuǎn)動舵機b與固定舵機a之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時，則此時的X-Y軸是一個相對的平面)，螺旋槳發(fā)動機c驅(qū)動螺旋槳d以螺旋槳發(fā)動機c的中心軸為中軸線作旋轉(zhuǎn)運動。

如此，利用固定舵機a對轉(zhuǎn)動舵機b的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動作用、轉(zhuǎn)動舵機b帶動螺旋槳發(fā)動機c進行同步轉(zhuǎn)動的作用以及轉(zhuǎn)動舵機b直接對螺旋槳發(fā)動機c的驅(qū)動作用，形成雙軸萬向的驅(qū)動效果，即：可最終使螺旋槳d的轉(zhuǎn)動狀態(tài)能夠在多個方向及平面內(nèi)進行；如在將本實施例的裝置裝設(shè)于諸如固定翼無人機上后，通過配合其他形式的螺旋槳并通過對螺旋槳d的轉(zhuǎn)向控制，實現(xiàn)飛機的高空懸停、水平推送、各種角度的轉(zhuǎn)向等等，有效地擴大了無人機變向的范圍，為無人機的飛行姿態(tài)的變換提供了有力的保障。

為增強固定舵機a對轉(zhuǎn)動舵機b的驅(qū)動效果，本實施例的固定舵機a包括固定地裝設(shè)于無人機的尾端上的第一舵機基座10和固定地裝設(shè)于第一舵機基座10上的第一矢量馬達11；其中，第一矢量馬達11的輸出軸在第一舵機基座10上呈沿X軸方向布置的狀態(tài)，且第一矢量馬達11的輸出軸的中心線位于第一舵機基座10的中部區(qū)域內(nèi)；同時，在轉(zhuǎn)動舵機b的底面上且沿X軸方向?qū)ΨQ地設(shè)置有兩個第一旋臂20，兩個第一旋臂20的末端均軸連于第一舵機基座10下部區(qū)域內(nèi)且分別位于第一矢量馬達11的左側(cè)和右側(cè)，在第一矢量馬達11的輸出軸上套接有第一主動擺臂12，在轉(zhuǎn)動舵機b的中部區(qū)域軸連有第一銜接擺臂21，第一主動擺臂12的頭端與第一銜接擺臂21的末端相軸連；從而，可利用第一矢量馬達11所提供的動力通過第一主動擺臂12和第一銜接擺臂21來驅(qū)動轉(zhuǎn)動舵機b能夠以兩個第一旋臂20的末端之間的連接線為旋轉(zhuǎn)軸線在Y-Z軸平面內(nèi)相對于第一舵機基座10作由上至下或由下至上的旋轉(zhuǎn)運動(即：相當于使轉(zhuǎn)動舵機b能夠以固定舵機a的下邊沿為軸并以一定夾角作開啟或閉合運動)。利用上述結(jié)構(gòu)并通過對相關(guān)部件的具體尺寸控制，可使轉(zhuǎn)動舵機b能夠相對于固定舵機a在90度范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)動，如當轉(zhuǎn)動舵機b的中軸線與固定舵機a的中軸線相重合時(即兩者相對閉合時)，螺旋槳d可在X-Y軸平面內(nèi)作任意角度的左右轉(zhuǎn)動；當轉(zhuǎn)動舵機b的中軸線與固定舵機a的中軸線相垂直時(即兩者相對開啟到最大角度時)，螺旋槳d則可在X-Z軸平面內(nèi)作任意角度的左右轉(zhuǎn)動；同時，利用矢量馬達來提供動力，也可為轉(zhuǎn)動舵機b運動的精密性、穩(wěn)定性及靈活性提供系統(tǒng)控制基礎(chǔ)。

為最大限度地優(yōu)化整個固定舵機a的結(jié)構(gòu)，合理地對相關(guān)組成部件進行結(jié)構(gòu)搭配，本實施例的第一舵機基座10采用沿X軸方向的截面形狀為“U”形的結(jié)構(gòu)體，第一矢量馬達11固定地裝設(shè)于第一舵機基座10的底板上，兩個第一旋臂20位于第一舵機基座10的兩個相對側(cè)板之間且每個第一旋臂20均通過一樞轉(zhuǎn)軸與對應(yīng)的第一舵機基座10的側(cè)板相連。以此，可利用第一舵機基座10的U型結(jié)構(gòu)形式，在為第一矢量馬達11提供足夠安裝空間的同時，使得轉(zhuǎn)動舵機b能夠以第一旋臂20為軸相對于固定舵機a進行平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動。

為避免第一矢量馬達11在驅(qū)動轉(zhuǎn)動舵機b進行轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)滑脫的問題，保證整個裝置動作的精密性，在第一主動擺臂12的套孔內(nèi)壁上環(huán)周且均勻地設(shè)置有若干條防滑齒條(圖中未示出)，以利用防滑齒條來增強第一主動擺臂12與第一矢量馬達11的輸出軸之間的摩擦力。

為避免第一主動擺臂12在通過第一銜接擺臂21的過程中出現(xiàn)不必要的擺動，在第一主動擺臂12的頭端形成有兩個相對分布的第一軸板e，第一銜接擺臂21的末端夾持于兩個第一軸板e之間并通過一連接軸與第一軸板e相連。

為最大限度地優(yōu)化整個裝置的結(jié)構(gòu)，本實施例的轉(zhuǎn)動舵機b包括第二舵機基座22和固定地裝設(shè)于第二舵機基座22的底面上的第二矢量馬達23，兩個第一旋臂20由第二舵機基座22的底面的左右兩側(cè)朝第一舵機基座10的方向作延伸后成型，第二矢量馬達23的輸出軸在第二舵機基座22上沿Y軸方向布置，同時在第二舵機基座23的下部區(qū)域且沿X軸方向開設(shè)有一限位條口f，第二矢量馬達23的輸出軸位于限位條口f的中部區(qū)域內(nèi)；在螺旋槳發(fā)動機c的底面上且位于限位條口f的上下兩側(cè)對稱地設(shè)置有兩個第二旋臂30，在第二舵機基座22的頂面上且與每個第二旋臂30相對應(yīng)的位置均形成有一與對應(yīng)的第二旋臂30相軸連的支撐臂24，第二矢量馬達23的輸出軸上套接有第二主動擺臂25，螺旋槳發(fā)動機c的偏心區(qū)域軸連有第二銜接擺臂31，第二主動擺臂25的頭端與第二銜接擺臂31的末端相軸連；以此，可利用第二矢量馬達23所提供的動力通過第二主動擺臂25和第二銜接擺臂31來驅(qū)動螺旋槳發(fā)動機c以兩個第二旋臂30的末端之間的連接線為旋轉(zhuǎn)軸線在X-Y平面內(nèi)相對于第二舵機基座22作由左至右或由右至左的旋轉(zhuǎn)運動(即：相當于時螺旋槳發(fā)動機c能夠以轉(zhuǎn)動舵機c在Y軸方向的中軸線為軸并以一定角度作左向旋轉(zhuǎn)或右向旋轉(zhuǎn)運動)；當固定舵機a與轉(zhuǎn)動舵機b之間未出現(xiàn)相對運動時，可實現(xiàn)整個裝置的左右向變向效果，在固定舵機a與轉(zhuǎn)動舵機b出現(xiàn)相對運動時，也可實現(xiàn)變向效果的疊加，從而為裝置的多方向變向推動提供了條件，有利地保證了無人機的升降、懸停以及變向等功能。

基于上述同樣原理，在本實施例的第二主動擺臂25的套孔內(nèi)壁上環(huán)周且均勻地設(shè)置有若干條防滑齒條(圖中未示出)。同時，在第二主動擺臂25的頭端形成有兩個相對分布的第二軸板g，第二銜接擺臂31的末端夾持于兩個第二軸板g之間并通過一連接軸與第二軸板g相連。

另外，本實施例的螺旋槳發(fā)動機c包括發(fā)動機本體32以及固定地裝設(shè)于發(fā)動機本體32的底面上的發(fā)動機基座33，兩個第二旋臂30均形成于發(fā)動機基座33的底面上，且發(fā)動機基座33的底面上還對稱地設(shè)置有兩個用于夾持第二銜接擺臂31的頭端并與第二銜接擺臂31的頭端相軸連的第二軸板h，兩個第二軸板h與兩個第二旋臂30以發(fā)動機本體32的中軸線為中心呈三角形分布，螺旋槳d則套裝于發(fā)動機本體32的輸出軸上。

基于上述的變向裝置的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實施例還提供了一種垂直起降固定翼無人機，如圖7和圖8所示并同時結(jié)合圖1至圖6，它包括機身k和固定于機身k上并相對于機身k的長度方向(即：Z軸方向)呈對稱分布的兩個機翼m，在每個機翼m上均裝設(shè)有垂直動力螺旋槳，在機身k的尾端則裝設(shè)有一上述的一種螺旋槳雙軸矢量伺服變向裝置；其中，垂直動力螺旋槳包括沿Z軸方向固定于機翼m的前端側(cè)的懸梁40、裝設(shè)于懸梁40的前端的固定座41、沿Y軸方向座設(shè)于固定座41上的升降馬達42(其輸出軸可采用沿Y軸方向向上進行布置的形式，也可采用沿Y軸方向向下進行布置的形式)以及裝設(shè)于升降馬達42的輸出軸上并以升降馬達42的中心軸為轉(zhuǎn)軸在X-Z軸平面內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動的升降螺旋槳43。由此，可利用垂直動力螺旋槳所提供的垂直方向的動力(即Y軸方向)來實現(xiàn)無人機的起降，無需為固定翼無人機設(shè)置專門的跑道，使得其能夠在任何環(huán)境場所內(nèi)均能夠進行起降，在此過程中可關(guān)閉變向裝置；當飛機在空中飛行過程中，利用空氣浮力以及變向裝置所產(chǎn)生的多方向的推力，可保持飛機具有足夠的水平飛行動力，并實現(xiàn)飛機的轉(zhuǎn)向以及飛行姿態(tài)的變換等等，在此過程中可關(guān)閉垂直動力螺旋槳；而無人機在空中懸停時則可啟動垂直動力螺旋槳并關(guān)閉變向裝置?；诖?，不但可實現(xiàn)固定翼無人機的垂直起降、空中懸停以及飛行姿態(tài)調(diào)整等功能；而且通過對垂直動力螺旋槳和變向裝置變換啟閉控制，有效地節(jié)省了無人機的能量損耗，有利于延長無人機的續(xù)航時間，并減小無人機的任務(wù)載荷。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。