固定翼无人机冰雪地面起落和滑行推进装置

1.固定翼无人机辅助飞行装置设计领域。


背景技术：

2.随着无人机应用领域的不断扩大，无人机的工作环境也在发生快速的变化，这对无人机自身特性提出了更高的要求。在冰雪地面上，由于雪地较为松软，现有大部分无人机在起降和滑行时容易陷入雪地，导致其无法正常起飞或者结构受损，为了避免这一问题，设计一种专门用于无人机在冰雪地面上起降和滑行的装置成为一种需要。
3.2019年，东创农业有限公司设计出一种雪地无人机起落架，包括防滑脚爪、防滑框架、伸缩装置、伸缩螺母、丝杆和电机。其中，防滑框架安装在无人机的脚架上，伸缩装置处于收缩状态时，无人机的脚架可以正常接触地面，当遇到冰雪环境时，电机驱动丝杆，丝杆带动伸缩螺母做直线运动，从而驱使伸缩装置将防滑脚爪伸出，此时，防滑脚爪可以稳稳的扎入冰雪层，其端部的圆锥形结构可以增加无人机与地面接触处的压强，从而使无人机可以立足在冰雪环境中。该公司设计的雪地无人机起落架需要将防滑脚爪扎入冰雪层，这会导致无人机在起飞时除了需要克服自身重力外，还需要克服防滑脚爪与冰雪层之间的摩擦力，增加了无人机的能量损耗，同时，还可能会造成无人机失衡。
4.2020年，华鼎科技有限公司设计出一种无人机起落支脚结构，包括底座、滑板、滑动槽、固定块、支撑块、连接块、滑动块、挡块、伸缩弹簧等众多零部件。其中，底座的右端固定安装有弧形状的滑板，底端开设有滑动槽，滑动槽的内部顶侧固定安装有固定块，固定块的底端固定安装有支撑块，下端固定安装有伸缩弹簧，支撑块设置在伸缩弹簧的内部，伸缩弹簧的下端固定安装有圆柱状的连接块，连接块的下端固定安装有三角形状的滑动块，滑动块活动安装在滑动槽的内部。在该设计中，当滑动块与雪地接触时，伸缩弹簧推动滑动块使其进入到滑动槽的内部，随后在支撑块和连接块的作用下卡死固定滑动块，使得无人机可以通过滑动块的斜面在雪面滑行时向上抬起，避免了其会陷入雪地，造成失去动力的问题发生。该公司设计的无人机起落支脚结构较为复杂，各种零部件及卡槽总共21个，需要各个零部件之间严密配合，容错率较低，容易造成无人机倾覆，实际使用较为困难。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种可用于固定翼无人机在冰雪地面上起降和滑行的推进装置，可以避免固定翼无人机陷入雪地，实现正常的起降和滑行，提升其适应性，对其发展有着促进作用。


技术实现要素：

6.1.装置总体构型固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置见说明书附图7，主要包括连接板（1）、连接杆（2）、三通管（3）、支撑杆（4）、脚架（5）、滑板（6）、可倾转直驱式舵机（7）、无刷电机（8）、螺旋桨（9）、整流罩（10）、涵道（11）。通过连接板（1）连接固定翼无人机和起落架部件，通过起落架部件中连接杆（2）、三通管（3）、支撑杆（4）、脚架（5）、滑板（6）连接和承载固
定翼无人机与起降和滑行推进装置的其余组成部分，通过推力部件中无刷电机（8）的转动带动螺旋桨（9）旋转从而产生推力，并在整流罩（10）和涵道（11）的作用下对产生的推力做进一步提升，通过倾转部件中可倾转直驱式舵机（7）调整推力的垂直朝向或者水平朝向，在各个零部件的相互配合下最终实现固定翼无人机在冰雪地面上正常起降和滑行一个总体上的功能。
7.2.连接板连接板（1）与固定翼无人机以及起落架部件之间通过螺钉进行连接，用于连接整个起降和滑行装置与固定翼无人机，从而使固定翼无人机在起降和滑行推进装置的作用下具有在冰雪地面上正常起降和滑行的功能。
8.3.起落架部件连接杆（2）与支撑杆（4）之间通过三通管（3）与螺钉进行连接，支撑杆（4）与滑板（6）之间通过脚架（5）与螺钉进行连接，进而构成起落架部件，用于支撑和连接固定翼无人机以及起降和滑行推进装置的其余组成部分。
9.4.倾转部件倾转部件即可倾转直驱式舵机（7），通过螺钉与起落架部件的连接杆（2）以及推力部件的涵道（11）进行连接，通过控制可倾转直驱式舵机（7）进而控制推力部件产生的推力方向，为固定翼无人机的起降和滑行提供垂直推力或者水平推力。
10.5.推力部件无刷电机（8）通过螺钉与涵道（11）相连接，螺旋桨（9）、整流罩（10）与无刷电机（8）之间通过孔轴配合相连接，进而构成推力部件，通过无刷电机（8）的转动带动螺旋桨（9）旋转产生推力，并在整流罩（10）和涵道（11）的作用下对产生的推力做进一步提升，涵道（11）分为外涵道和内涵道，外涵道主要起到保护螺旋桨（9）以及将无刷电机（8）安装到内涵道的作用，整流罩（10）主要起到在螺旋桨（9）旋转时切割空气，优化进气截面的作用。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置采用强度高，质量轻的材料制作，在保证起降和滑行推进装置安全可靠的前提下，减少了其重量，提升了固定翼无人机的续航能力与承载能力。
12.2.推力部件采用涵道式风扇，在同样功率下，不仅能够产生更大的推力，而且结构也更紧凑，在转动时不会产生较大的噪音，气流稳定，能够减少诱导阻力，提升固定翼无人机的安全性。
13.3.通过倾转部件调整推力部件产生的推力方向，为固定翼无人机的起降或者滑行提供垂直推力或者水平推力，通过起落架部件中的滑板，提高固定翼无人机与整个起降和滑行推进装置的着力面积，避免其陷入雪地，通过起降和滑行推进装置中各个零部件之间的配合最终实现固定翼无人机在冰雪地面上的正常起降和滑行，提升了固定翼无人机的适用性，对其发展有着促进作用。
附图说明
14.图1为固定翼无人机（12）示意图图2为倾转部件示意图
图3为起落架部件示意图图4为滑板（6）构成示意图图5为连接板（1）示意图图6为推力部件示意图图7为起降和滑行推进装置示意图图8为固定翼无人机与起降和滑行推进装置总体装配示意图图中，1连接板、2连接杆、3三通管、4支撑杆、5脚架、6滑板、7可倾转直驱式舵机、8无刷电机、9螺旋桨、10整流罩、11涵道、12固定翼无人机。
具体实施例
15.1.固定翼无人机选型冰雪地面起降和滑行推进装置的设计需要依靠固定翼无人机（12）的尺寸，首先对其进行选型，见说明书附图1，其部分参数如下表1所示。
16.表1固定翼无人机部分参数2.倾转部件选型倾转部件需要调整推力部件的朝向，进而控制产生的推力方向，经过比较，选用planner25kgb&bc-cai双轴直驱式舵机作为倾转部件，即可倾转直驱式舵机（7），见说明书附图2，其与连接杆（2）以及涵道（11）通过螺钉相连接。
17.3.起落架部件的设计起落架部件见说明书附图3，连接杆（2）与可倾转直驱式舵机（7）通过螺钉相连接，参考可倾转直驱式舵机（7）的尺寸与起落架部件总体布局，将连接杆（2）设计成弯曲90度，长135.5mm，宽80.5mm，直径25mm的结构。
18.选用由铝合金材料制作，高37mm，宽40mm，直径21mm的脚架作为起落架部件中的脚架（5）。
19.支撑杆（4）通过脚架（5）与滑板（6）相连接，参考脚架（5）的尺寸与起落架部件总体布局，将支撑杆（4）设计成弯曲162度，长122mm，宽35mm，直径20mm的结构。
20.三通管（3）用于连接支撑杆（4）和连接杆（2），参考支撑杆（4）和连接杆（2）的尺寸，将三通管（3）设计成弯曲108度，与连接杆（2）相连接的一头长60mm，外径35mm，内径25mm，与支撑杆（4）相连接的一头高40mm，外径35mm，内径20mm的中空结构。
21.滑板（6）需要增大装置与冰雪地面的接触面积，防止其下陷。参考固定翼无人机（12）的尺寸，将滑板（6）设计成长600mm，宽60mm，厚12mm，两头翘起角度为30
°
，总长为691mm的结构。为了保证结构强度，同时减轻重量，滑板（6）的制作以枫木作为核心，使用玻纤复合材料、碳纤维复合材料等多种材料进行冲压而成，见说明书附图4，各材料的密度及特点如下表2所示。
22.表2滑板材料特性
4.连接板设计连接板（1）用于连接固定翼无人机与起落架部件，需要在与固定翼无人机（12）的机身紧密贴合的同时保证起落架部件水平。由于机身的下半部分为弯曲60度的曲面，并参考连接杆（2）的尺寸，将连接板（1）设计成一头为弯曲30度的平面，与机身贴合，另一头为外径30mm，内径25mm的圆管结构，与连接杆（2）相配合，见说明书附图5，同时，为了使固定翼无人机（12）与起落架部件的连接更为牢固，将连接件（1）的两个侧面设计成平面，有利于安装螺钉，保证飞行任务的顺利完成。
23.5.推力部件设计推力部件见说明书附图6，无刷电机（8）需要带动螺旋桨（9）旋转，经过比较，选用朗宇x2212-kv2450，其部分参数如下表3所示。
24.表3电机部分参数螺旋桨（9）需要通过孔轴配合与无刷电机（8）相连接，在其带动下旋转，从而产生推力，参考无刷电机（8）的尺寸，选用空气切割面大，推力大的多叶桨，其主要参数如下表4所示。
25.表4螺旋桨主要参数螺旋桨（9）产生的推力计算公式如下式（1-1）所示：1）所示：其中，表示大气压强；表示螺旋桨（9）的表面积；表示推力比例因子；表示轴向功率系数；表示螺旋桨（9）的最大转速；表示螺旋桨（9）的初速度。按照经验，由式（1-1）可以计算出。
26.整流罩（10）需要在螺旋桨（9）旋转时切割空气，优化进气截面，其外形为伞形，与无刷电机（8）和螺旋桨（9）通过孔轴配合相连接。参考无刷电机（8）与螺旋桨（9）的尺寸，将整流罩（10）设计成底端直径2.5mm，高3mm，顶端直径10mm，高10mm的结构。
27.涵道（11）中的外涵道需要保护螺旋桨（9），并保证其有充足的空间进行转动，还需要将无刷电机（8）安装到涵道内部，为以后与可倾转直驱式舵机（7）的装配留下一定的空
间。参考无刷电机（8）以及螺旋桨（9）的尺寸，将涵道（11）设计成宽120mm，长40mm，内部有三根宽5mm的支撑杆以及一个电机安装部的结构。涵道（11）会将做进一步提升，从而提高涵道风扇的效率，经过计算可得知涵道（11）产生的推力。
28.6.相关计算（1）雪地下陷量计算：固定翼无人机冰雪地面滑行推进装置中的起落架部件与雪地的接触面积为0.072m2，可以计算出在静止时其对雪地的压强p=1369.4pa。通过由对比实验得出的压强与下陷量之间的关系可以计算出下陷量d=12mm，因为d很小，所以几乎不影响固定翼无人机的正常使用。
29.（2）起降和滑行可行性计算：固定翼无人机冰雪地面滑行推进装置中4个涵道风扇提供的总推力为21.2kg，固定翼无人机和整个滑行推进装置的总重为9.76kg，因为推力21.2kg＞整体的总重9.76kg，所以固定翼无人机可以进行正常的起降和滑行。

技术特征：
1.一种固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置，其特征在于，包括连接板(1)、由连接杆(2)、三通管(3)、支撑杆(4)、脚架(5)、滑板(6)共同构成的起落架部件、由可倾转直驱式舵机(7)作为倾转部件、由无刷电机(8)、螺旋桨(9)、整流罩(10)、涵道(11)共同构成的推力部件，其中，连接板(1)用于连接固定翼无人机和起落架部件，滑板(6)用于增大整个起降和滑行推进装置与冰雪地面的接触面积，防止其下陷，推力部件采用特性较优的涵道式风扇，倾转部件可以控制推力部件的朝向，可同时提供垂直推力和水平推力，用于固定翼无人机的起降和滑行。2.根据权利要求书1所述的固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置，其特征在于起降和滑行装置通过连接板(1)和螺钉与固定翼无人机相连接，结构简单，并且起降和滑行推进装置中大部分零部件都采用碳纤维材料制作，质量较轻。3.根据权利要求书1所述的固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置，其特征在于连接板(1)一头为弯曲30度的平面，另一头为圆管结构，在与固定翼无人机的机身腹部紧密贴合的同时能使起落架部件保持水平。4.根据权利要求书1所述的固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置，其特征在于通过滑板(6)增大起降和滑行推进装置与冰雪地面的接触面积，防止其下陷，辅助实现固定翼无人机正常的起降和滑行，同时为了减少滑行时的阻力，滑板(6)采用两头翘起中间平直的结构。5.根据权利要求书1所述的固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置，其特征在于可以通过倾转部件调整推力部件的垂直朝向，产生垂直方向上的用于固定翼无人机起降的推力。6.根据权利要求书1所述的固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置，其特征在于可以通过倾转部件调整推力部件的水平朝向，产生水平方向上的用于固定翼无人机滑行的推力。7.根据权利要求书1所述的固定翼无人机冰雪地面起降和滑行推进装置，其特征在于推力部件采用涵道式风扇，在同样的功率下能够产生更大的推力，并且由于涵道(11)具有环括作用，结构很紧凑，在转动时不会产生较大的噪音，气流也很稳定，能够减少诱导阻力，提升安全性。

技术总结
本发明公开了一种冰雪地面起降和滑行推进装置，属于固定翼无人机辅助飞行装置设计领域，为了解决固定翼无人机在冰雪地面起降和滑行时容易陷入雪地，导致其无法正常起飞或者结构受损的问题。本发明包括一个起落架部件、四个倾转部件、四个推力部件以及四块连接板。起落架部件通过连接板与固定翼无人机进行连接，倾转部件可以控制推力部件的垂直或者水平朝向，进而产生垂直方向上的用于固定翼无人机起降或者水平方向上的用于固定翼无人机滑行的推力，通过各个部件之间的相互配合最终使固定翼无人机具有在冰雪地面上的正常起降和滑行的功能，提升其适应性，对其发展有着促进作用。对其发展有着促进作用。对其发展有着促进作用。


技术研发人员：石永康 刘云辉 闫育华 段智岗 程舒彤 闫佳慧
受保护的技术使用者：新疆大学
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/4/5