一种飞行器及其飞行控制方法

1.本发明属于飞行器技术领域，具体地说涉及一种飞行器及其飞行控制方法。


背景技术：

2.现有的飞行器大多只有两个或三个涵道动力系统，前飞速度较慢，且均有固定翼，因此机身的横向尺寸太大，从而需要占用较大空间，无法紧凑存放，也不利于运输，集群作业更不可能；一些无倾转涵道设置的飞行器为了提高速度便会额外增加竖直方向的螺旋桨，提供向前推力，导致机身尺寸进一步过大。
3.公告号us7267300b2——可垂直短距起降的飞行器。该飞行器包括前端、后端，在前端和后端之间延伸的顶部，以及机身、动力装置、至少两个螺旋桨。螺旋桨可旋转地安装在机身上，并且由动力装置提供动力，螺旋桨使飞机向前移动。还包括至少两个可相对旋转的风扇组，风扇组安装在机身上由动力装置提供动力，风扇组提供向上的升力。
4.上述专利结合了涵道动力系统和螺旋桨，使得整机尺寸过大，无法紧凑存放，也不利于运输，集群作业更不可能。现有技术中缺乏一种结构紧凑，利于运输和集群作业且涵道动力系统可翻转、动力足控制稳定的飞行器。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述不足之处提供一种飞行器及其飞行控制方法，拟解决现有技术中缺乏一种结构紧凑，利于运输和集群作业且涵道动力系统可翻转、动力足控制稳定的飞行器等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种飞行器，包括机身、驱动结构和机翼；所述驱动结构用于驱动机翼绕机身上设有的旋转中心自转，改变机翼和机身在竖直方向投影的重叠面积；所述机身上设有若干个主涵道和/或机翼上设有若干个副涵道。
7.进一步的，所述机身前后侧均设有主涵道；所述机翼两侧均设有涵道孔；所述涵道孔内设有可翻转的副涵道。
8.进一步的，所述主涵道下方设有可偏转的扰流片。
9.进一步的，所述机翼为一个整体，机翼以旋转中心为中点向两侧延伸；所述机翼位于机身的上方。
10.进一步的，所述机身左右两侧设有向内凹陷的弧面；所述弧面用于避开翻转的副涵道。
11.进一步的，所述机身前后侧均设有一个主涵道，且主涵道外周与机身左右两侧的弧面过渡衔接。
12.进一步的，所述驱动结构包括驱动电机、齿轮、连接杆和连接板；所述驱动电机用于驱动齿轮带动连接杆旋转；所述连接杆和连接板固定；所述驱动电机固定在机身上、连接板固定在机翼上或驱动电机固定在机翼上、连接板固定在机身上。
13.进一步的，所述机身下方设有可拆卸的货舱或起落架或下方带起落架的货舱。
14.进一步的，所述机身下方设有可拆卸的货舱；所述货舱向前后方向延伸；所述货舱的宽度大于机翼的宽度且小于机翼的长度。
15.一种飞行器的飞行控制方法，采用上述的飞行器，包括抵消偏转力矩步骤；所述抵消偏转力矩步骤具体为：当主涵道工作时，产生的偏转力矩无法被扰流片改变主涵道的气流方向进行抵消时，副涵道进行翻转并产生抵消偏转力矩的气流。
16.本发明的有益效果是：
17.本发明公开了一种飞行器及其飞行控制方法，属于飞行器技术领域，包括机身、驱动结构和机翼；所述驱动结构用于驱动机翼绕机身上设有的旋转中心自转，改变机翼和机身在竖直方向投影的重叠面积；所述机身上设有若干个主涵道和/或机翼上设有若干个副涵道。本发明的一种飞行器及其飞行控制方法，可以解决现有技术中缺乏一种结构紧凑，利于运输和集群作业且涵道动力系统可翻转、动力足控制稳定的飞行器等问题。
附图说明
18.图1是本发明飞行器展开状态的结构示意图；
19.图2是本发明飞行器折叠状态的结构示意图；
20.图3是本发明驱动结构的示意图；
21.图4是本发明扰流片示意图；
22.图5是本发明货舱示意图；
23.图6是本发明扰流片偏转示意图；
24.图7是本发明副涵道偏转示意图；
25.附图中：1－机身、2－驱动结构、3－机翼、4－齿轮、5－连接杆、6－连接板、7－主涵道、10－副涵道、15－扰流片、17－货舱、18－起落架。
具体实施方式
26.下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。
27.实施例一：
28.见附图1～7。一种飞行器，包括机身1、驱动结构2和机翼3；所述驱动结构2用于驱动机翼3绕机身1上设有的旋转中心自转，改变机翼3和机身1在竖直方向投影的重叠面积；所述机身1上设有若干个主涵道7和/或机翼3上设有若干个副涵道10。由上述结构可知，飞行器由机身1、驱动结构2和机翼3组成，还包括控制器，通过控制器控制驱动结构2驱动机翼3绕机身1上设有的旋转中心自转，进而改变飞行器的整体结构，在竖直方向上投影的面积变小或变大。例如可以是机翼3设置为一体式，既可以设置在机身1上方，也可以设置在机身1下方，此时机身1上的旋转中心位于机身1中心，驱动结构2驱动机翼3绕该旋转中心自转，使得机身1与机翼3呈0
°
的平行关系，此时飞行器在竖直方向上投影的面积为最小，只有机身1或机翼3自身的投影面积，便于对飞行器进行运输或是集群存放，占据的空间更小；驱动结构2驱动机翼3绕该旋转中心自转，使得机身1与机翼3呈90
°
互相垂直的关系，此时飞行器便与常规的固定翼飞行器相似，呈“十字”构型，在飞行器飞行时有良好的空气动力性能。机翼3也可以设置为与机身1两侧单独连接的两个机翼3，机身1中部内侧设有收纳腔，此时机
身1上的旋转中心为机翼3与机身1的连接点，驱动结构2驱动机身1两侧的机翼3绕各自的旋转中心旋转，使得机身1两侧的机翼3分别垂直于机身1侧面，此时飞行器也与常规的固定翼飞行器相似，可以提供良好的空气动力性能；驱动结构2驱动机身1两侧的机翼3绕各自的旋转中心旋转，使得机翼3均收进机身1内侧的收纳腔，此时飞行器在竖直方向的投影面积减少，也就便于飞行器的收纳运输以及集群存放。机身1上设有若干个主涵道7和/或机翼3上设有若干个副涵道10，优选的飞行器可以是只在机身1前后侧设有两个主涵道7，为飞行器提供飞行动力；也可以是只在机翼3两侧设有两个副涵道10，为飞行器提供飞行动力；在机身前侧或后侧设置一个主涵道7，机翼3两侧均设置副涵道10，为飞行器提供飞行动力；也可以设置为机身1前后两侧均设有主涵道7以及机翼3两侧均设有副涵道10，四个涵道可以为飞行器提供更大的飞行动力，提升续航能力。本发明的一种飞行器，结构紧凑，通过改变机翼3的位置减少飞行器所占据的空间，便于运输和集群存放，优选的当飞行器设有四个涵道时，飞行动力更强，续航能力也更久。
29.实施例二：
30.见附图1～7。在实施例一的基础上，所述机身1前后侧均设有主涵道7；所述机翼3两侧均设有涵道孔；所述涵道孔内设有可翻转的副涵道10。由上述结构可知，优选的，飞行器设置为机身1前后侧均设有主涵道7以及机翼3两侧均设有副涵道10，机翼3两侧设置有涵道孔，涵道孔的内侧设有两个限位孔，且两个限位孔的连线穿过涵道孔的轴心，同时连线的延长线穿过机翼3的中心点，机翼3结构内部设有驱动电机，驱动电机的输出端末端固定连接有齿轮，齿轮上啮合有副齿轮，副齿轮中心向着远离驱动电机的方向延伸有连接杆，连接杆穿过涵道孔上的限位孔与副涵道10连接，副涵道10上设有与涵道孔上限位孔相对应的通孔，通孔四周设有螺纹孔，连接杆末端也设有螺纹孔，连接杆依次穿过涵道孔上的限位孔和副涵道10上对应的通孔，然后在连接杆末端设置一个连接板，连接板上设有与副涵道10上的螺纹孔以及连接杆末端的螺纹孔相配合的通孔，对齐之后通过螺钉将连接板、副涵道10以及连接杆固定连接，涵道孔另一端的限位孔上设有轴承座，轴承座内设有轴承，轴承上连接一根支撑杆，支撑杆另一端穿过副涵道10上与涵道孔另一端限位孔相对应的通孔内，通过螺钉或其他方式固定连接，控制器控制驱动电机旋转，带动齿轮和副齿轮旋转，副齿轮与连接杆固定连接，进而使得副涵道10以涵道孔两端的限位孔连线为轴进行偏转，轴承的设置，可以使得支撑杆起到支撑的作用下还不干涉副涵道10的偏转。通过副涵道10的偏转，可以为飞行器提供向前或向后的推力，以及用于抵消飞行器飞行时产生的偏转力矩，使得飞行器安全稳定的飞行，以及实现各种情况下飞行器姿态变化，适应更多的工作条件。
31.所述主涵道7下方设有可偏转的扰流片15。由上述结构可知，机身1前后两侧的主涵道7下方均设有扰流片15，扰流片15顶端设有限位杆，主涵道7上设有两个限位孔，两个限位孔的连线穿过主涵道7的轴心，且连线的延长穿过机身1中心，主涵道7上的两个限位孔内均设有轴承座，轴承座内设有轴承，扰流片15顶端的限位杆两端分别连接到限位孔上的轴承内，扰流片15两端还设有若干个螺纹孔，每个主涵道7内部还设有伺服控制器，伺服控制器包括伺服舵机和伺服舵机控制器，伺服舵机与伺服舵机控制器电连接，伺服舵机主要包括舵盘、减速齿轮组等组成，舵盘上设有与扰流片15上的螺纹孔配合的通孔，通过螺钉将舵盘与扰流片15连接，伺服舵机控制器可控制伺服舵机驱动扰流片15绕限位杆偏转，通过偏转可改变气流在主涵道7上的流通方向，从而提供偏转力矩来对机身1航行姿态进行控制，
或是用于抵消飞行器飞行时产生的偏转力矩，保证飞行器在改变姿态过程中保持稳定。每个主涵道7上设有两个伺服控制器，分别与扰流片15两端连接，为保证两个伺服控制器在扰流片15两端同时控制扰流片的偏转，设置两端的两个伺服控制器控制方向相反，当其中一个伺服控制器失效时，另一个伺服控制器可继续控制扰流片15偏转，保证在需要扰流片15工作时能正常运行。扰流片15主要用于在飞行器飞行时抵消偏转力矩和改变机身1航行姿态，在大功率工作的情况下，飞行器更容易产生偏转力矩，此时通过主涵道7的气流强度较大，为了保证扰流片15在大功率的状态下能正常运行，采用高强度蜂窝夹心材料，提高扰流片15的强度。
32.实施例三：
33.见附图1～7。在实施例二的基础上，所述机翼3为一个整体，机翼3以旋转中心为中点向两侧延伸；所述机翼3位于机身1的上方。由上述结构可知，优选的，飞行器的机翼3为整体式的，上表面为具有良好空气动力性能的弧面，机翼3以旋转中心为中点向两侧延伸，当驱动结构驱动机翼3与机身1呈90
°
分布时，即为常规的固定翼飞行器的“十字”构型，将机翼3设置在机身1上方，该设置使得机翼3上表面的弧形面可以充分发挥其空气流动性能，为飞行器节省动力。
34.所述机身1左右两侧设有向内凹陷的弧面；所述弧面用于避开翻转的副涵道10。由上述结构可知，机身1左右两侧设有向内凹陷的弧面，当机翼3上两侧的副涵道10在进行偏转时，可以避免副涵道10与机身1发生碰撞。
35.所述机身1前后侧均设有一个主涵道7，且主涵道7外周与机身1左右两侧的弧面过渡衔接。由上述结构可知，机身1前后侧均设有一个主涵道7，前后侧的主涵道7与机身1一体设置，主涵道7的外周与机身1左右两侧的弧面过渡衔接，保证机身1侧面的平滑度，使得飞行器整体结构更为紧凑且具有较好的流畅性，飞行时气流流通更稳定。
36.所述驱动结构2包括驱动电机、齿轮4、连接杆5和连接板6；所述驱动电机用于驱动齿轮4带动连接杆5旋转；所述连接杆5和连接板6固定；所述驱动电机固定在机身1上、连接板6固定在机翼3上或驱动电机固定在机翼3上、连接板6固定在机身1上。由上述结构可知，采用与机翼3与副涵道同样的偏转机构，在机翼3的底部设有开口，驱动结构2包括有驱动电机、齿轮4、连接杆5和连接板6，驱动电机的输出端末端连接有主齿轮，主齿轮与齿轮4啮合，连接杆5的一端与齿轮4中心连接，另一端穿过机翼3底部的开口与连接板6连接，连接杆5的末端设有螺纹孔，机翼3底部开口四周也设有若干个螺纹孔，连接板6上设有与连接杆5末端的螺纹孔以及机翼3底部的螺纹孔相配合的通孔，通过螺钉将机翼3固定在连接杆5上，控制器可控制驱动电机驱动主齿轮带动齿轮4转动，进而带动机翼3绕着连接杆5转动，实现飞行器收折和展开的形态变化；相反的将驱动结构2固定在机翼3上，具体的连接方式采用如前述的方案，通过连接杆5将机身1中部连接，通过机身1的旋转来实现飞行器的收折和展开的形态变化。
37.所述机身1下方设有可拆卸的货舱17或起落架18或下方带起落架18的货舱17。由上述结构可知，货舱17可以用于运输货物、或者在飞行器不使用时将飞行器进行收纳，起落架18可以支持飞行器的平稳降落，降低飞行器着陆的风险；优选的可以设置为机身1底部仅通过螺钉可拆卸安装货舱17或者仅可拆卸安装起落架18、也可设置为机身1下方可拆卸安装底部带有起落架18的货舱17。当机身1底部仅设置货舱17时，在货舱17底部设置缓冲材
料，在飞行器降落时提供一定的保护。
38.所述机身1下方设有可拆卸的货舱17；所述货舱17向前后方向延伸；所述货舱17的宽度大于机翼3的宽度且小于机翼3的长度。由上述结构可知，为了便于将飞行器收纳进货舱17，要保证折叠状态下的飞行器可以收纳进货舱17内，设置货舱17的宽度大于机翼3的宽度且小于机翼3的长度，可以保证货舱17既不会过大，也可以完全容纳折叠状态下的飞行器，方便运输，在飞行器不使用时提供保护作用。
39.实施例四：
40.见附图1～7。在实施例三的基础上，一种飞行器的飞行控制方法，采用上述的飞行器，包括抵消偏转力矩步骤；所述抵消偏转力矩步骤具体为：当主涵道7工作时，产生的偏转力矩无法被扰流片15改变主涵道7的气流方向进行抵消时，副涵道10进行翻转并产生抵消偏转力矩的气流。由上述结构可知，飞行器内设有姿态传感器，用于检测飞行器的飞行姿态是否稳定，飞行器在飞行过程中，在不同的情况下会需要飞行器以不同的航行姿态来飞行，但在改变航行姿态的过程中，会产生绕垂直于主涵道7为轴的偏转力矩，通过控制器控制扰流片15绕着限位杆偏转，小幅度改变气流流通主涵道7的方向，从而产生一定的偏转力矩来进行抵消，为保证飞行器的最大飞行效率，设置扰流片15的偏转角度最大不超过
±
30
°
。当扰流片15在其工作范围内，无法抵消偏转力矩时，控制器便控制副涵道10的倾转来共同参与抵消主涵道7所产生的偏转力矩。本发明的飞行器可适应多种场景下的飞行：
41.无负重状态：在该状态下，适用比较简单的场景，飞行器上的前后主涵道7所提供的动力足以克服飞行器本身的重力实现起升，只需要控制器控制驱动结构2驱动机身1或机翼3旋转，使得机身1与机翼3呈90
°
状态，仅通过主涵道7提供升力，以及机翼3共同产生升力，副涵道10不作用，可通过改变前后主涵道7的转速差来实现飞行器的前倾和后仰，进而可以产生向前和向后飞行的力，为避免前后主涵道7的转速差过大，产生较大的偏转力矩，控制器控制前后主涵道7的转速差限定在一定范围内，产生的偏转力矩可通过扰流片15的偏转来抵消，姿态传感器可检测飞行器是否稳定，并将信号传递给控制器，由控制器继续控制是否还需要偏转扰流片15来抵消偏转力矩，直至飞行器稳定；扰流片15的偏转还可以用于改变飞行器的方向，使用一些简单场景下的飞行。
42.负重状态：在该状态下，飞行器可用于运输货物，此时仅凭主涵道7的动力不足以克服飞行器以及货物的重力，需要同时启用副涵道10，来共同产生升力，运输货物。此状态下飞行器的前后飞行，方向改变，以及偏转力矩的抵消均与无负重状态下的控制方法一致。
43.当需要进行大仰角状态飞行时，便需要两个主涵道7产生较大转速差来实现仰角变化，此过程中所产生的偏转力矩，是扰流片15的偏转所抵消不了的，此时姿态传感器检测到飞行器还是不稳定，便发出信号给控制器，控制器控制副涵道10进行偏转，产生相反的偏转力矩来共同参与抵消主涵道所产生的偏转力矩。
44.偏转副涵道10可以给飞行器提供向前或向后的推力，实现飞行器的前飞和后飞，此时不需要改变主涵道7转速差来实现姿态变化便可以实现前飞和后飞，为了保证飞行效率，当副涵道10仅为提供向前的推力时，其偏转角度设定为0
°
～20
°
；在应急情况下参与抵消偏转力矩时，即既要提供前飞的动力，也要提供抵消的偏转扭力，其偏转角度的范围设定为0
°
～35
°
。
45.飞行器在经过一些房区或是狭窄山谷的地形里，其展开状态下的机翼3使得飞行
器宽度过大，控制器控制驱动结构2驱动机身1与机翼3呈0
°
平行设置，减少飞行器的宽度，可适用更复杂的地形。在调节飞行器状态过程中，姿态传感器控制扰流片15以及副涵道10的偏转来使飞行器稳定。
46.当飞行器仅有主涵道7驱动飞行时，在折叠状态下也能实现飞行，即机身1与机翼3呈0
°
平行关系，在一些复杂地形或者不需要大动力飞行情况下飞行，此时若是因为天气恶劣或其他原因需要飞行器快速返航或者离开某个位置，可控制飞行器呈展开状态，即机身1与机翼3呈90
°
垂直关系，并偏转副涵道10产生向前的推力，加快飞行器的动力，快速返航。同样，其调整的过程中姿态传感器和控制器共同作用，控制扰流片15和副涵道10的偏转来使飞行器达到稳定状态。
47.飞行器的副涵道10在不提供向前或向后的推力时，可偏转180
°
，给飞行器提供垂直向下的力，使得飞行器实现快速下降；在飞行器上还设有若干个距离传感器，可检测到飞行器各方向与障碍物的距离，在检测到快要靠近障碍物时，可紧急传递信号给控制器，控制副涵道10的偏转来产生反方向的作用力，也就是刹车的效果，及时稳住飞行器，避免事故的发生。
48.在飞行器放置在库房过久、或者飞行在灰尘较多以及大雪天气的环境里，会有灰尘以及积雪附着在机身1以及机翼3的表面，本发明的飞行器可以通过改变机翼3两侧的副涵道10快速偏转，来使飞行器产生高频率的抖动，来将灰尘或是积雪清除，在飞行器抖动的过程中，姿态传感器和控制器相互协同工作，控制各个驱动结构2和驱动电机来快速回复稳定，避免抖动过度而失控，导致飞行器坠毁。
49.本发明的飞行器可适应多种地形以及环境的作业，结构紧凑，通过扰流片15和副涵道10的偏转，控制更加稳定，副涵道10提供富余的动力，实现更长续航。
50.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种飞行器，其特征在于：包括机身(1)、驱动结构(2)和机翼(3)；所述驱动结构(2)用于驱动机翼(3)绕机身(1)上设有的旋转中心自转，改变机翼(3)和机身(1)在竖直方向投影的重叠面积；所述机身(1)上设有若干个主涵道(7)和/或机翼(3)上设有若干个副涵道(10)。2.根据权利要求1所述的一种飞行器，其特征在于：所述机身(1)前后侧均设有主涵道(7)；所述机翼(3)两侧均设有涵道孔；所述涵道孔内设有可翻转的副涵道(10)。3.根据权利要求2所述的一种飞行器，其特征在于：所述主涵道(7)下方设有可偏转的扰流片(15)。4.根据权利要求2所述的一种飞行器，其特征在于：所述机翼(3)为一个整体，机翼(3)以旋转中心为中点向两侧延伸；所述机翼(3)位于机身(1)的上方。5.根据权利要求4所述的一种飞行器，其特征在于：所述机身(1)左右两侧设有向内凹陷的弧面；所述弧面用于避开翻转的副涵道(10)。6.根据权利要求5所述的一种飞行器，其特征在于：所述机身(1)前后侧均设有一个主涵道(7)，且主涵道(7)外周与机身(1)左右两侧的弧面过渡衔接。7.根据权利要求1所述的一种飞行器，其特征在于：所述驱动结构(2)包括驱动电机、齿轮(4)、连接杆(5)和连接板(6)；所述驱动电机用于驱动齿轮(4)带动连接杆(5)旋转；所述连接杆(5)和连接板(6)固定；所述驱动电机固定在机身(1)上、连接板(6)固定在机翼(3)上或驱动电机固定在机翼(3)上、连接板(6)固定在机身(1)上。8.根据权利要求4所述的一种飞行器，其特征在于：所述机身(1)下方设有可拆卸的货舱(17)或起落架(18)或下方带起落架(18)的货舱(17)。9.根据权利要求8所述的一种飞行器，其特征在于：所述机身(1)下方设有可拆卸的货舱(17)；所述货舱(17)向前后方向延伸；所述货舱(17)的宽度大于机翼(3)的宽度且小于机翼(3)的长度。10.一种飞行器的飞行控制方法，其特征在于：采用权利要求3所述的飞行器，包括抵消偏转力矩步骤；所述抵消偏转力矩步骤具体为：当主涵道(7)工作时，产生的偏转力矩无法被扰流片(15)改变主涵道(7)的气流方向进行抵消时，副涵道(10)进行翻转并产生抵消偏转力矩的气流。

技术总结
本发明公开了一种飞行器及其飞行控制方法，属于飞行器技术领域，包括机身、驱动结构和机翼；所述驱动结构用于驱动机翼绕机身上设有的旋转中心自转，改变机翼和机身在竖直方向投影的重叠面积；所述机身上设有若干个主涵道和/或机翼上设有若干个副涵道。本发明的一种飞行器及其飞行控制方法，可以解决现有技术中缺乏一种结构紧凑，利于运输和集群作业且涵道动力系统可翻转、动力足控制稳定的飞行器等问题。题。题。


技术研发人员：岳兴 王伟达 徐彬 杨超 李颖 樊伟 唐寿星
受保护的技术使用者：北京理工大学重庆创新中心 酷黑科技（北京）有限公司
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/6/26