本發明屬于無人機結構設計技術領域，具體涉及一種擺線槳和螺旋槳協同工作的新型自適應無人飛行器。

背景技術：

無人駕駛機是一種以無線電遙控或由自身程序控制為主的不載人的飛行器。它的研制成功和戰場運用揭開了以遠距離攻擊型智能化武器、信息化武器為主導的非接觸性戰爭的新篇章。與載人飛行器相比，它具有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點，因此，世界各主要軍事國家都在加緊進行無人駕駛飛行器的研制工作。與此同時，機體微型化、綜合集成化和機體隱身化將是無人駕駛飛行器的重要發展方向。微小型無人駕駛飛行器有著常規的無人駕駛飛行器所不具有的優點：目標小，噪音低，雷達可視信號弱，高度靈活性，能偵查衛星和偵察機不能探測的死角等。國內對微小型無人飛行器的研究成果主要分為三類：旋翼型、固定翼型、撲翼型。

與常規的微小型無人飛行器不同，本發明在已有的研究基礎之上采用擺線槳與螺旋槳的合理配合來對飛行器進行控制。早在100年前，就有人提出了擺線槳飛行器的概念，所謂擺線型螺旋槳，是指將幾個葉片安裝在一個旋轉的圓柱形框架的邊緣，當每個葉片在空中運動起來時，將會產生升力和推力。擺線槳具有如下優點：1、可按需要產生360度的全矢量推力，而且瞬時可變；2、擺線槳比常規螺旋槳和渦輪發動機有更高的推力水平；3、推力垂直于螺旋槳轉動軸線，當改變推力矢量的方向時擺線槳飛機物理位置不會改變；4、推力隨著前飛速度的增加而增加，在速度為111.12km/h的時候達到最大，在巡航速度下 耗油量小，這樣就會加大航程；5、擺線槳不管以多大功率轉動，噪音都非常低；6、擺線槳有很多種安裝方法，它可以替代常規飛機平尾、方向舵和升降舵的作用；7、由于擺線槳的出現，飛機整體的機動性將大大提高，可能會出現一種新的姿態機動領域，它可以作為飛行器的姿態控制器。考慮到擺線槳葉片運動的復雜性，目前國際上尚沒有成熟的分析理論，研究仍處于探索階段。國外已經對擺線槳技術進行了半個多世紀的研究，但是由于擺線槳葉片運動時，葉片間存在強烈干擾，流場非常復雜，再加上控制機構和飛行穩定性等原因，世界上一直沒有關于此類飛行器的可控飛行的記錄。直到2011年我國首屆大學生國際無人飛行器創新大賽上西工大本科生研制出風火輪滾翼機之后才標志著此類飛行器首次實現遙控飛行。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種結構簡單、可靠性高、可實現性以及實用性高的新型自適應飛行器。

為達到上述目的，本發明所采取的技術方案為：

一種新型自適應飛行器，包括機身、動力裝置、能源裝置、控制系統、支架系統；所述的機身包括大橢圓框架和小橢圓框架，大橢圓框架可通過轉動軸繞小橢圓框架進行360度自由旋轉；所述的動力裝置由兩個擺線槳和兩個螺旋槳組成，兩個螺旋槳位于大橢圓框架外部且對稱分布，兩個擺線槳位于小橢圓框架的內部，兩個擺線槳共軸且旋轉方向相反；所述的能源裝置位于小橢圓框架的內部對稱分布；小橢圓框架上均布有四個支架系統可以進行收放運動；所述的控制系統包括兩個子控制系統，子控制系統位于小橢圓框架的內部對稱分布，每個子控制系統控制一個螺旋槳以及一個擺線槳的轉速及轉向，同時還控制相鄰的兩個支架系統的收放運動，每個子控制系統還控制相鄰旋轉軸，使大 橢圓框架可以在旋轉軸作用下繞小橢圓框架自由旋轉。

所述的螺旋槳包括三葉槳以及小型發動機，三葉槳與小型發動機連接，小型發動機通過固定支架固定在大橢圓框架兩側。

所述的擺線槳包括葉片、偏心輪、控制桿、葉片驅動桿、驅動軸，驅動軸與葉片驅動桿連接，葉片驅動桿與葉片連接，驅動軸還與偏心輪連接，偏心輪與控制桿連接，控制桿與葉片連接，驅動軸與小橢圓框架連接，兩個擺線槳的驅動軸共軸且旋轉方向相反；兩個擺線槳由驅動軸帶動葉片驅動桿，最葉片驅動桿帶動葉片進行相應的旋轉運動，同時驅動軸帶動偏心輪運動，偏心輪帶動控制桿運動，控制桿帶動葉片，進而改變葉片的迎角值。

所述的能源裝置由兩個氫燃料電池組成。

所述的支架系統包括聯動軸、輕質金屬桿以及彈性橡膠球，小橢圓框架上均布有四個聯動軸，聯動軸與輕質金屬桿連接，輕質金屬桿下部設置有彈性橡膠球；當該飛行器位于地面時，支架系統放下，當該飛行器運動時，支架收入小橢圓框架的內部。

當飛行器垂直起飛時，子控制系統控制轉動軸，大橢圓框架在轉動軸的作用下和小橢圓框架處于同一水平面內，在子控制系統的作用下，相應的擺線槳進行不同方向的同速轉動，飛行器進行垂直起飛，離地之后，在兩個子控制系統的作用下，支架系統收入小橢圓框架內；飛行器降落時，在兩個子控制系統的作用下，支架系統放下，同時擺線槳轉速降低，飛行器緩緩飄落。

當飛行器進行偏轉時，兩個子控制系統分別控制相應的擺線槳進行不同方向的差速轉動，機身受到扭矩的作用發生翻轉，飛行器到達預定方向之后，子控制系統將控制兩個擺線槳做同速轉動，產生的扭矩相互抵消使飛行器按預定方向飛行。

當飛行器處于巡航狀態時，子控制系統控制旋轉軸，旋轉軸帶動大橢圓框架旋轉，使其所在平面和小橢圓框架所在平面呈90度分布，此時飛行器擁有最大推力。

當飛行器的爬升和俯沖時，子控制系統控制旋轉軸，旋轉軸帶動大橢圓框架旋轉，使其所在平面和小橢圓框架平面夾角在0度到90度之間，螺旋槳將提供水平方向的推力和豎直方向的部分升力。

本發明所取得的有益效果為：

(1)本發明采用擺線槳和螺旋槳組合形式，噪音小、能提供較大的升力和推力；(2)本發明結構簡單、體積小、質量輕；(3)本發明機動性好、可靠性高、巡航時間長。

附圖說明

圖1為本次發明的新型飛行器的總體結構示意圖；

圖2為本次發明的新型飛行器的擺線槳結構示意圖；

圖中：1、聯動軸；2、彈性橡膠球；3、大橢圓框架；4、驅動軸；5、小橢圓框架；6、子控制系統；7、轉動軸；8、小型發動機；9、三葉槳；10、氫燃料電池；11、輕質金屬桿；12、葉片；13、固定支架；14、控制桿；15、偏心輪；16、葉片驅動桿。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

如圖1、圖2所示，本發明所述新型自適應飛行器包括機身、動力裝置、能源裝置、控制系統、支架系統。所述的機身包括大橢圓框架3和小橢圓框架5，且大橢圓框架3可通過轉動軸7繞小橢圓框架5進行360度自由旋轉。

所述的動力裝置由兩個擺線槳和兩個螺旋槳組成。兩個螺旋槳位于大橢圓 框架3外部，且對稱分布。螺旋槳包括三葉槳9以及小型發動機8，三葉槳9與小型發動機8連接，小型發動機8通過固定支架13固定在大橢圓框架3兩側。擺線槳位于小橢圓框架5的內部，擺線槳包括葉片12、偏心輪15、控制桿14、葉片驅動桿16、驅動軸4，驅動軸4與葉片驅動桿16連接，葉片驅動桿16與葉片12連接，驅動軸4還與偏心輪15連接，偏心輪15與控制桿14連接，控制桿14與葉片12連接，驅動軸4與小橢圓框架5連接，兩個擺線槳的驅動軸4共軸且旋轉方向相反。兩個擺線槳首先由驅動軸4帶動葉片驅動桿16，最后葉片驅動桿16帶動葉片12進行相應的旋轉運動，同時驅動軸4帶動偏心輪15運動，偏心輪15帶動控制桿14運動，控制桿14帶動葉片12，進而改變葉片12的迎角值，故所述的擺線槳時刻進行變化攻角的旋轉運動，以達到較大的升力的目的。

所述的能源裝置由兩個氫燃料電池10組成，它們是整個飛行器的動力來源，能源裝置位于小橢圓框架5的內部，對稱分布。

所述的支架系統包括聯動軸1、輕質金屬桿11以及彈性橡膠球2，小橢圓框架5上均布有四個聯動軸1，聯動軸1與輕質金屬桿11連接，輕質金屬桿11下部設置有彈性橡膠球2。在飛行器降落時，彈性橡膠球2起到一定的緩沖作用，從而減小撞擊對內部設備的影響。支架系統可以進行收放運動，當該飛行器位于地面時，由輕質金屬桿11以及彈性橡膠球組成的支架放下起到支撐機身的作用，當該飛行器運動時，支架收入小橢圓框架5的內部。

所述的控制系統包括兩個子控制系統6，子控制系統6位于小橢圓框架5的內部，成對稱分布。每個子控制系統6控制一個螺旋槳以及一個擺線槳的轉速及轉向，同時還控制相鄰的兩個支架系統的收放運動，另外每個子控制系統6還控制相鄰旋轉軸7，使大橢圓框架3可以在旋轉軸7作用下繞小橢圓框架5自 由旋轉。每個擺線槳的驅動軸4共軸且轉動方向相反，進而防止兩個擺線槳因旋轉方向不同產生的扭矩造成飛行器的翻轉。

工作原理及過程：

當飛行器垂直起飛時，子控制系統6控制轉動軸7，大橢圓框架3在轉動軸7的作用下和小橢圓框架5處于同一水平面內，在子控制系統6的作用下，每個驅動軸4帶動相應的擺線槳進行不同方向的同速轉動，因為轉速相同，所以兩個擺線槳轉動產生的扭矩相互抵消，從而使得飛行器進行垂直起飛，離地之后，在兩個子控制系統6的作用下，支架系統通過聯動軸1作用使由輕質金屬桿11以及彈性橡膠球2構成的支架收入小橢圓框架5內。飛行器降落時，在兩個子控制系統6的作用下，支架系統通過聯動軸1使由輕質金屬桿11以及彈性橡膠球2構成的支架放下，同時擺線槳轉速降低，飛行器緩緩飄落，著陸時彈性橡膠球2具有一定的緩沖作用，從而增加了該新型飛行器的可靠性。

當飛行器進行偏轉時，兩個子控制系統6分別控制兩個驅動軸4，每個驅動軸4帶動相應的擺線槳進行不同方向的差速轉動，因兩個擺線槳因旋轉產生的扭矩無法抵消，故機身將受到一個扭矩的作用，該扭矩使飛行器發生翻轉，飛行器到達預定方向之后，子控制系統6將控制兩個擺線槳做同速轉動，使產生的扭矩相互抵消，最終使飛行器按預定方向飛行。

當飛行器處于巡航狀態時，子控制系統6控制旋轉軸7，旋轉軸7帶動大橢圓框架3旋轉，使其所在平面和小橢圓框架5所在平面呈90度分布，此時飛行器可擁有最大推力；

當飛行器的爬升和俯沖時，子控制系統6控制旋轉軸7，旋轉軸7帶動大橢圓框架3旋轉，使其所在平面和小橢圓框架5平面夾角在0度到90度之間，螺旋槳將提供水平方向的推力和豎直方向的部分升力已達到飛行姿態要求。