可垂直起降固定翼植保机论文和设计-胡彩旗

全文摘要

一种可垂直起降固定翼植保机，包括安装有固定机翼的机身，所述机身上安装有可倾转的旋翼动力组件，所述旋翼动力组件设置有两组，包括位于固定机翼前侧的第一旋翼动力组件和位于固定机翼后侧第二旋翼动力组件，所述第一旋翼动力组件和第二旋翼动力组件的转轴相互平行。可垂直起降固定翼植保机设置有可倾转的旋翼，在旋翼的转轴竖直时，实现如旋翼无人机一样的垂直起降，在旋翼的转轴水平时，实现如固定翼无人机一样的平飞动作。通过旋翼的倾转，灵活的进行悬停和平飞的切换，不仅能够减轻旋翼的耗能，提高植保机的续航里程，同时能够进行定点转向，兼备灵活性和高速飞行的优点。

主设计要求

1.一种可垂直起降固定翼植保机，包括安装有固定机翼(2)的机身(1)，其特征在于，所述机身(1)上安装有可倾转的旋翼动力组件(3)，所述旋翼动力组件(3)设置有两组，包括位于固定机翼(2)前侧的第一旋翼动力组件(3A)和位于固定机翼(2)后侧第二旋翼动力组件(3B)，所述第一旋翼动力组件(3A)和第二旋翼动力组件(3B)的转轴相互平行。

设计方案

2.根据权利要求1所述的可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述旋翼动力组件(3)包括转轴(31)，转轴(31)两端安装由第一动力电机(41)驱动的旋翼(32)。

3.根据权利要求1所述的可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述机身(1)上安装有倾转驱动组件(5)，所述倾转驱动组件(5)包括第二动力电机(42)、蜗杆(51)和蜗轮(52)；所述旋翼动力组件(3)的转轴(31)可旋转的安装在机身(1)上，蜗轮(52)安装在转轴(31)上，所述第二动力电机(42)驱动的蜗杆(51)与蜗轮(52)相啮合。

4.根据权利要求3所述的可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述机身(1)内安装有药箱(61)，所述倾转驱动组件(5)位于药箱(61)上方。

5.根据权利要求1所述的可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述固定机翼(2)上安装有药水泵(62)和与药水泵(62)通过管路相连的喷嘴(63)，所述机身(1)上安装有药箱(61)，所述药水泵(62)与药箱(61)通过管路相连。

6.根据权利要求5所述可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述药水泵(62)位于固定机翼(2)的中轴线上，所述固定机翼(2)两侧对称安装有喷嘴(63)。

7.根据权利要求1所述的可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述固定机翼(2)内沿长度方向安装肋板(22)，固定机翼(2)内沿长度方向设置多个翼肋(21)，翼肋(21)均与肋板(22)相连；

所述肋板(22)前后间隔设置多个，相邻肋板(22)之间的空间作为电池仓(7)，用于安装和固定电池组件。

8.根据权利要求7所述可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述电池仓(7)内安装电池组件(8)，所述电池组件(8)相对于固定机翼(2)的中轴线对称安装。

9.根据权利要求7所述的可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述电池仓(7)设置仓盖(71)，所述仓盖(71)位于固定机翼(2)中部，所述仓盖(71)为金属或碳纤维制成的构件。

10.根据权利要求9所述的可垂直起降固定翼植保机，其特征在于，所述电池组件(8)包括沿固定机翼(2)长度方向依次串连的多块电池(81)，相邻电池(81)之间通过铰链(82)相连。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于农用设备领域，尤其涉及一种可垂直起降的固定翼植保无人机。

背景技术

我国作为农业大国，拥有1.7亿hm^{2<\/sup>基本农田，农业病虫害的防治依然是农业生产的重点内容，是保证农业高产高质，实现农业经济可持续发展的基础。与发达国家相比，我国的植保机械仍然较为落后，目前使用手动施药机械与背负式机动药械分别约占国内植保机械保有量的93.07％和5.53％，植保作业投入的劳力多、劳动强度大，容易导致环境污染，还会造成施药人员农药中毒现象。}

近年来，为了促使农业作业方式的可持续发展，国家大力扶持农用无人机的发展，与传统地面田间植保机械相比，植保无人机具有效率高、体积小、避免中毒、能应对突发和爆发性病虫害等特点。

但目前的植保无人机，结构主要为多旋翼无人机，由于利用多个电机和旋翼产生升力直接使飞机克服重力起飞，因此巨大能耗令无人机续航能力不足，而且旋翼产生的下旋气流过大，易使农作物被风力吹倒，造成农作物大面积倒伏。

目前也存在固定翼无人机作为植保机，但固定翼无人机起飞需要具有一定专业标准的滑行跑道，由于机身设计原因只能进行倾斜偏航转向，无法做到定点转向持续作业，固定翼飞机飞行速度较快，且飞行高度过高，无法使农药高效的雾化并穿透农作物植被从中到达农作物叶片背部。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有植保无人机存在的问题，提出一种不仅耗能小，而且能够顶点转向精准作业的可垂直起降固定翼植保机。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种可垂直起降固定翼植保机，包括安装有固定机翼的机身，所述机身上安装有可倾转的旋翼动力组件，所述旋翼动力组件设置有两组，包括位于固定机翼前侧的第一旋翼动力组件和位于固定机翼后侧第二旋翼动力组件，所述第一旋翼动力组件和第二旋翼动力组件的转轴相互平行。

作为优选，所述旋翼动力组件包括转轴，转轴两端安装由第一动力电机驱动的旋翼。

作为优选，所述机身上安装有倾转驱动组件，所述倾转驱动组件包括第二动力电机、蜗杆和蜗轮。

作为优选，所述旋翼动力组件的转轴可旋转的安装在机身上，蜗轮安装在转轴上，所述第二动力电机驱动的蜗杆与蜗轮相啮合。

作为优选，所述机身内安装有药箱，所述倾转驱动组件位于药箱上方。

作为优选，所述固定机翼上安装有药水泵和与药水泵通过管路相连的喷嘴，所述机身上安装有药箱，所述药水泵与药箱通过管路相连。

作为优选，所述药水泵位于固定机翼的中轴线上，所述固定机翼两侧对称安装有喷嘴。

作为优选，所述固定机翼内沿长度方向安装肋板，固定机翼内沿长度方向设置多个翼肋，翼肋均与肋板相连；

所述肋板前后间隔设置多个，相邻肋板之间的空间作为电池仓，用于安装和固定电池组件。

作为优选，所述电池仓内安装电池组件，所述电池组件相对于固定机翼的中轴线对称安装。

作为优选，所述电池仓设置仓盖，所述仓盖位于固定机翼中部，所述仓盖为金属或碳纤维制成的构件。

作为优选，所述电池组件包括沿固定机翼长度方向依次串连的多块电池，相邻电池之间通过铰链相连。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

1、可垂直起降固定翼植保机设置有可倾转的旋翼，在旋翼的转轴竖直时，实现如旋翼无人机一样的垂直起降，在旋翼的转轴水平时，实现如固定翼无人机一样的平飞动作。通过旋翼的倾转，灵活的进行悬停和平飞的切换，不仅能够减轻旋翼的耗能，提高植保机的续航里程，同时能够进行定点转向，兼备灵活性和高速飞行的优点。

2、通过两组旋翼动力组件分别呈竖直和水平状态，能够进行慢速平飞巡航，保证每一个区域的植被都能够充分的喷洒足够的农药，保证杀虫效果。竖直的旋翼还能够吹动喷出的雾化药液，使其产生气旋，从而穿透农作物叶丛，使药液喷洒分布的更加充分，提高植保效果。

3、旋翼动力组件均为双旋翼结构，使无人机垂直起降时，呈四旋翼无人机相似的结构，能够具有较强的飞行稳定性。

4、旋翼动力组件的倾转通过蜗轮蜗杆传动结构进行驱动，使蜗轮蜗杆能够对旋翼动力组件的倾转位置进行自锁定，保证旋翼旋转时，其角度位置保持稳定，从而在垂直起飞、悬停以及平飞时，都能够提供稳定的飞行动力，保证飞行的稳定性。

5、装有药液重量较大的药箱位于底部，能够降低植保机整体的重心，提高植保机起飞时的稳定性，同时也便于进行加药和清洗的操作。倾转驱动组件位于药箱上方，防止药箱漏出药液落撒到其上，避免因此受到腐蚀。

6、喷嘴和药水泵安装在固定机翼上，便于拆卸和清洗。药水泵位于固定机翼中轴线，喷嘴对称安装，能够使固定机翼整体的重心位于中轴线上，保持固定机翼以及植保机整体飞行时的平衡。

7、固定机翼沿长度方向设置肋板，能够对固定机翼整体结构进行加固，提高强度，同时能够形成容纳电池组件的电池仓，使电池牢固安装在固定机翼中，不会攒动，防止因此影响植保机飞行时的平衡。电池组件对称安装，保持固定机翼的重心平衡，保证植保机飞行时的稳定性。

8、电池仓设置仓盖，便于电池组件的取出和更换，使植保机能够长时间连续作业，保证植保作业的工作效率。电池仓位于固定机翼中部，采用强度较高的金属或碳纤维制成，能够承受机翼产生升力时向固定机翼中心集中的应力，增加固定机翼中部的强度，提高固定机翼飞行时的稳定性。

9、电池组件采用多块串连且铰接的电池，能够增加电池组件的电容量，提高植保机的续航里程。另外，在仓门位于固定机翼中部且电池组件长度较长时，电池组件能够逐节送入到电池仓中，便于安装。

附图说明

图1为本申请植保机的结构示意图一；

图2为本申请植保机的结构示意图二；

图3为本申请植保机倾转驱动组件的结构示意图；

图4为本申请植保机倾转固定机翼的结构示意图；

图5为本申请植保机倾转固定机翼的剖视示意图；

以上各图中：1、机身；2、固定机翼；21、翼肋；22、肋板；3、旋翼动力组件；3A、第一旋翼动力组件；3B、第二旋翼动力组件；31、转轴；32、旋翼；41、第一动力电机；42、第二动力电机；5、倾转驱动组件；51、蜗杆；52、蜗轮；61、药箱；62、药水泵；63、喷嘴； 7、电池仓；71、仓盖；8、电池组件；81、电池；82、铰链。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至5所示，可垂直起降固定翼植保机，包括安装有固定机翼2的机身1。

机身1上安装有可倾转的旋翼动力组件3，旋翼动力组件3设置有两组，包括位于固定机翼2前侧的第一旋翼动力组件3A和位于固定机翼2后侧第二旋翼动力组件3B，第一旋翼动力组件3A和第二旋翼动力组件3B的转轴相互平行。

水平面上设置相互垂直的X轴和Y轴，竖直平面上设置与水平面垂直的Z轴。

机身1的轴线与X轴平行，植保机水平向前的方向为X轴的正方向，水平向后的方向为 X轴的负方向。Z轴向上的方向为正方向，向下的方向为负方向。指向机身1左侧的方向为Y轴的正方向，指向机身1右侧的方向为Y轴的负方向。

当两组旋翼动力组件3均朝向Z轴的正方向时，旋翼均提供升力，使植保机呈多旋翼无人机状态，实现垂直起降和定点转向飞行，使植保机起飞没有场地限制，飞行灵活，能够悬停作业。

植保机起飞后，旋翼动力组件3倾转至朝向X轴的正方向，为植保机的水平飞行提供动力，固定机翼为植保机提供升力，使植保机由多旋翼无人机状态切换至固定翼无人机状态，进行水平飞行。

植保机水平飞行时，若两组旋翼动力组件均朝向X轴的正方向，均为植保机的水平飞行提供动力，使植保机处于高速水平飞行状态，节省植保机飞行时的耗能，提高飞行距离和续航时间；若一组旋翼动力组件朝向X轴的正方向为水平飞行提供动力，另一组旋翼动力组件朝向Z轴正方向提供升力，使植保机处于慢速水平飞行状态，一定程度的节省植保机飞行时的耗能，同时水平飞行的速度相对较慢，能够向下方植被喷洒充足的药液喷雾，保证植保作业效果，同时朝向Z轴正方向的旋翼动力组件产生的气流向下吹动，将喷出的药液喷雾吹散，并产生气旋，穿过植被的叶丛，使植被的各处都能够喷洒上药液喷雾，提高植保作业的效果。

为了减小植保机重量，同时保证固定机翼产生的升力能够保证水平飞行的稳定，机身长度较小，机身后端连接尾翼，固定机翼位于机身后部。

上述结构设置，使第二旋翼动力组件3B距离固定机翼2较近。为了避免第二旋翼动力组件3B中的旋翼在运转时打到固定机翼2，第二旋翼动力组件3B朝向Z轴正方向时，驱动旋翼的电机位于旋翼上方，从而使旋翼的高度位置低于固定机翼2，避免两者发生碰撞，使植保机坠毁。

为了保证植保机多旋翼无人机状态下飞行的稳定性，旋翼动力组件3包括转轴31，通过转轴31相对于机身的旋转，使旋翼动力组件3倾转至X轴正方向或Z轴正方向。

转轴31两端安装由第一动力电机41驱动的旋翼32，使两组旋翼动力组件3构成四旋翼无人机系统，增加旋翼数量，提高多旋翼无人机状态时，植保机飞行的稳定性。

为了驱动旋翼动力组件3倾转，机身1上安装有倾转驱动组件5。

倾转驱动组件5包括第二动力电机42、蜗杆51和蜗轮52。

旋翼动力组件3的转轴31可旋转的安装在机身1上，蜗轮52安装在转轴31上，第二动力电机42驱动的蜗杆51与蜗轮52相啮合。

第二动力电机42通过驱动相啮合的蜗杆51与蜗轮52组成的传动机构，驱动转轴31转动，从而使旋翼动力组件3倾转至X轴正方向或Z轴正方向。

相互啮合的蜗杆51和蜗轮52具有机械自锁性能，蜗杆51只能带动蜗轮52传动，而蜗轮52不能带动蜗杆51转动。在第二动力电机42处于停止状态时，蜗杆51随之保持不动，从而使蜗轮52保持不动，将转轴31的转动锁定，旋翼动力组件3保持固定的倾转角度。

为了携带药液进行喷雾播撒，机身1内安装有药箱61，倾转驱动组件5位于药箱61上方，使药箱61位于机身1的底部。

植保机起飞时，药箱61内装有大量的药液，重量较大。药箱61位于机身1底部，则降低了植保机整体的中心，使植保机的起飞更加平稳。

倾转驱动组件5位于药箱61上方，若向药箱61内注入药液时发成药液洒出，或者药箱61内储存的药液洒出时，洒出的药液下落，则不会落到倾转驱动组件5上，防止药液对倾转驱动组件5造成腐蚀。

为了便于拆卸和清洗，固定机翼2上安装有药水泵62和与药水泵62通过管路相连的喷嘴63，药水泵62与机身1上的药箱61通过管路相连。

药水泵62和喷嘴63可随着固定机翼2一同从机身1上拆下，便于移到另一处进行清洗。

同时为了保证固定机翼2整体的重量平衡，药水泵62位于固定机翼2的中轴线上，喷嘴 63对称安装在固定机翼2的两侧，增加播撒面积，同时保持重量平衡。

为了增强固定机翼2的结构强度，固定机翼2内沿长度方向安装肋板22，使肋板22作为固定机翼2长度方向上的加强筋。固定机翼2内沿长度方向设置多个翼肋21，翼肋21均与肋板22相连，则使肋板22能够同时提高翼肋21的稳定性，提高固定机翼2宽度方向上的强度。

为了更充分的利用空间，植保机的电池组件8安装在固定机翼2内。

肋板22前后间隔设置多个，相邻肋板22之间的空间作为电池仓7，用以容纳和固定电池组件8。

两侧的肋板22将电池组件8固定，避免电池组件8在固定机翼2中攒动，影响固定机翼 2整体的重量平衡。

为了保证固定机翼2的重量平衡，电池组件8相对于固定机翼2的中轴线对称安装。

为了对电池组件8进行拆装更换，电池仓7设置仓口，并安装有仓盖71，以便能够将电池仓7打开，将电量耗尽或者损坏的电池组件8取出，再将电量充足或者功能良好的电池组件8装入，进行电池组件8的更换，便于进行维护，使植保机能够长时间进行作业。

仓盖71采用金属、碳纤维制成等材料制成，具有较高的强度，并且设置在固定机翼2中部，从而使仓盖71关闭后作为固定机翼2的一部分，承受固定机翼2产生升力时向固定机翼 2中心集中的应力，增加固定机翼2中部的强度，提高固定机翼2飞行时的稳定性。

为了保证电池组件8具有较大的电容量，电池组件8包括沿固定机翼2长度方向依次串连的多块电池81。

由于仓盖71位于固定机翼2中部，串连多块电池81的电池组件8长度较长，为了便于电池组件8的拆装，电池组件8中相邻电池81之间通过铰链82相连，使电池组件8成多节结构。

由于相邻电池81之间能够通过铰链82相对弯折，电池组件8装入时，先将一节电池81 平放，送入打开的仓口，进入到电池仓一端，将其沿固定机翼2长度方向穿入到固定机翼2 内部。随后将下一节电池81放平，通过仓口，进入到电池仓一端，穿入到固定机翼2内部。

按照上述方式，电池组件8中的电池81逐节送入到固定机翼2内，关上仓盖71，即完成电池组件8的安装。

电池组件8逐节装入的过程中，位于电池仓7外的部分，可通过铰链82自由摆动，不会阻碍电池81的穿入。

电池组件8中电池81之间可通过导线串连导通，也可通过导电的铰链串连导通。

药水泵62位于固定机翼2中心时，电池组件8成对设置，分别对称安装在固定机翼2两侧。以电池组件8设置两个为例，如图4至5所示，两组电池组件8分别对称安装在固定机翼2两侧对应设置的电池仓7中，两个电池仓7的仓盖71对称设置，并均位于内端，用以使仓盖71位于固定机翼2的中部，增强固定机翼2的强度。

设计图

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设计说明书

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