技术领域：
本发明属于航空系统技术领域，尤其涉及一种微小型可折叠轮状飞行器。
背景技术：
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20世纪90年代的海湾战争、科索沃战争、21世纪初阿富汗战争等，都使用了大量各种型号的无人机系统来完成战场侦察、监视、诱惑、骚扰、目标搜索与定位、火力与战火评估、反辐射、攻击等各种作战使命，并取得令人瞩目的战果。无人机越来越受到世界各国的重视，并掀起研究热潮。这些无人机主要定位在排师级作战部队，主要由无人飞行器、地面控制站、发射器组成，在地面控制站的控制下完成作战任务。虽然在体积、重量、作战系统复杂性等方面，这些无人机和有人作战飞机相比简单，但是班一级作战的作战部队和单兵并不能部署这些无人机系统。21世纪的军事作战呈现多样化趋势，在非常规作战环境下，由班一级别的小分队甚至单兵来执行作战任务的几率增加，因此对可由班、单兵使用的微型无人机系统提出了作战需求。
微小型无人机具有结构小巧、便于携带、飞行噪声小、操控简单、不易被察觉的特点，可广泛应用至单兵侦察、精确打击等作战领域，同时单兵无人机对飞行器的便携性要求较高。针对上述背景需求，本发明设计了一种微小型可折叠轮状飞行器，该飞行器折叠状态呈车轮状，便于用户携带而且可执行地面滚动前进任务；在飞行状态，该飞行器展开为矢量两旋翼模式，用于执行飞行任务。
技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是针对技术背景中所涉及的单兵无人机对无人机便携性要求较高、需满足不同作战环境、功能多样化的需求，采用便携可折叠、多重功能并重的设计方案，并结合矢量两旋翼无人机悬停稳定，便于控制等优势，设计一种微小型可折叠轮状飞行器。该飞行器主要由机身、旋翼支撑架、矢量动力组、电源模组、飞行控制模块、微型图传、折叠锁紧机构等部件组成。分为折叠和飞行两种工作模式，其中折叠模式飞行器呈车轮状，便于单兵携带，同时可执行地面滚动前进任务；飞行模式飞行器由折叠模式展开为矢量两旋翼模式，可执行飞行侦察、精确攻击等任务。
本发明所采用的技术方案有：一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，具有两种状态：折叠状态、飞行状态；其中折叠状态飞行器折叠为圆柱形，呈车轮状；在飞行状态，飞行器由机身两侧伸出旋翼支撑架，两侧的旋翼支撑架展开与机身呈90度垂直状态，飞行状态能够飞行，能够在地面滚动。
一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，包括机身、旋翼支撑架、矢量动力组(5)、折叠锁紧机构(9)；所述机身为圆柱形；所述折叠锁定机构用于飞行器完成由折叠状态向飞行状态转换；飞行状态，飞行器由机身两侧伸出旋翼支撑架，两侧的旋翼支撑架与机身呈90度垂直状态；折叠状态，旋翼支撑架收回机身两侧，呈车轮状；所述矢量动力组为飞行器地面滚动及空中飞行提供动力来源。
进一步地，所述机身用于安装飞行控制模块、电源设备。
进一步地，所述矢量动力组包括直流无刷电机、螺旋桨、矢量控制机构；直流无刷电机、螺旋桨、矢量控制机构安装于旋翼支撑架上；旋翼支撑架的结构，为圆环形，其与飞行器机身的相邻处外径一致；中螺旋桨、直流无刷电机、旋翼支撑架组成涵道结构；矢量控制机构用于控制飞行器地面滚动过程中的前进与后退以及飞行过程中飞行器的俯仰姿态控制。
进一步地，所述直流无刷电机是该飞行器的动力装置，用于带动螺旋桨高速旋转，为飞行器提供升力及滚动前进动力。
进一步地，矢量控制机构包括舵机、平行四边形连杆结构；平行四边形连杆结构由舵机摇臂(20)、拉力线(21)、矢量电机安装座(22)组成；舵机摇臂(20安装于舵机转轴上，矢量电机安装座22用于安装电机，其自身安装于旋翼支撑架内部，舵机摇臂(20)和矢量电机安装座(22)通过拉力线(21)连接，形成平行四边形结构；舵机作用于平行四边形连杆机构带动舵机摇臂旋转一定角度，矢量电机安装座(22)带动电机转轴移动，驱动螺旋桨产生矢量拉力；舵机安装于旋翼支撑架内侧。
进一步地，折叠锁定机构包括锁定卡槽、锁定销、翻转机构；翻转机构包括扭簧，在舵机摇臂的驱动下，舵机摇臂旋转，在平行四边形连杆结构的带动下，锁定卡槽与锁定销分离；同时旋翼支撑架在扭簧的带动下向上翻转，轮状飞行器由折叠状态转换为飞行状态。
进一步地，飞行控制模块安装在机身内部，实现飞行器姿态的实时控制。
进一步地，还包括飞行控制模块(7)，飞行控制模块用于实现飞行器姿态的实时控制；包括三轴加速度计、gps、电机驱动模块、遥控器接收机；电机驱动模块用于控制电机转速，实现飞行器的升降及横滚控制，遥控器接收机用于接收遥控器的控制信号，并对信号进行解析，控制飞行器执行滚动、飞行、状态锁定解锁；三轴加速度计、gps用于获取速度、位置、姿态信息。
进一步地，折叠状态直径不超过10cm的车轮状飞行器，飞行状态呈矢量两旋翼模式。
本发明具有如下有益效果：
1.该微小型可折叠轮式飞行器具有地面滚动前进及飞行双重功能，可解决传统微小型无人机穿越狭窄空间难题，并且在滚动前进过程中，飞行器整体噪声变小，适用于无声突防及隐蔽侦察；
2.独特的矢量动力组设计，使得该飞行器在地面滚动及飞行过程中采用同一组动力装置，无需添加附加动力装置，充分减少无人机总体重量及结构复杂性；
3.折叠锁定结构采用一体化微小型设计方式，充分利用矢量动力控制摇臂旋转，通过控制摇臂上卡槽与锁定销的接触与分离，实现折叠锁定结构的锁定与解锁，进而控制飞行器的折叠与展开；
4.采用独特的矢量两旋翼飞行模式，减少飞行器动力部件，降低飞行器总重，提高飞行器续航时间；
附图说明：
图1是本发明的两种工作状态；
图2是本发明机身结构示意图；
图3是本发明旋翼支撑架结构示意图；
图4是本发明矢量动力模块结构示意图；
图5是本发明折叠锁定机构结构示意图。
图中：
1-轮状飞行器折叠状态，2-轮状飞行器展开状态，3-机身，4-微型图传，5矢量动力组，6-旋翼支撑架，7-螺旋桨，8-电源开关，9-直流无刷电机，10-微型图传安装孔，11-电源安装槽，12-飞行控制模块安装槽，13-锁定销安装孔，14-电源开关安装孔，15-旋翼支撑架安装孔，16-矢量动力组安装孔，17-机身配合孔，18-矢量动力模块，19-(矢量控制)舵机，20-舵机摇臂，21-拉力线，22-矢量电机安装座，锁定卡槽24，锁定销25，翻转机构23。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种微小型可折叠轮状飞行器，即一种折叠状态直径不超过10cm的车轮状飞行器，该飞行器折叠状态为圆柱形，便于地面滚动及用户携带，飞行状态呈矢量两旋翼模式，用于执行飞行任务。其特征在于：包含圆柱形机身、矢量动力组、折叠锁定机构三大部件，分为折叠和飞行两种模式，可以实现地面滚动及空中飞行。
所述圆柱形机身为该轮状飞行器的主要结构部件，用于安装飞行控制模块、电源、微型图像传输设备等载荷，并具有承受飞行或降落过程中与地面冲击力的功能，圆柱形机身便于实现飞行器地面滚动功能。
所述矢量动力组是该轮状飞行器的动力来源及控制执行机构，该飞行器中矢量动力组共布置两组，为飞行器地面滚动及空中飞行提供动力来源。矢量动力组主要由直流无刷电机、螺旋桨、矢量控制机构、旋翼支撑架组成。其中螺旋桨、直流无刷电机、旋翼支撑架组成涵道结构，可减少飞行过程中螺旋桨浆尖升力损失，并形成低压区，为涵道提供附加升力；矢量控制机构主要由舵机、平行四边形连杆结构组成，用于控制飞行器地面滚动过程中的前进与后退以及飞行过程中飞行器的俯仰姿态控制。
所述折叠锁定机构是该飞行器完成由折叠状态向飞行状态转换的主要部件，主要由锁定销、锁定卡盘组成，该机构处于锁定状态时，飞行器处于折叠状态；该机构由锁定状态转换为解锁状态的过程中，飞行器在由折叠状态转换为飞行状态；该机构处于解锁状态时，飞行器处于飞行状态。
所述飞行控制模块是该飞行器主要的控制单元，该控制模块主要集成三轴加速度计、气压计、gps、电机驱动模块、遥控器接收机等模块，用于实现飞行器姿态的实时控制及自稳控制；其中，电机驱动模块用于控制电机转速，进而实现飞行器的升降及横滚控制，遥控器接收机用于接收遥控器的控制信号，并对信号进行解析，控制飞行器执行滚动、飞行、状态锁定解锁等功能。
所述微型图传是该飞行器实现侦察图像实时传输的主要模块。主要由微型摄像机、无线图像收发器组成，其中微型摄像头用于采集侦察图像，无线图像收发器用于将采集到的侦察图像回传给地面操控终端，同时用于接收地面操控终端的图像采集控制指令。
所述电源模组是该飞行器的供电模块，用于给飞行控制模块及微型图传设备供电，该电源模块优先选用锂电池，也可以选择其他高能量密度电池。
所述直流无刷电机是该飞行器的动力装置，用于带动螺旋桨高速旋转，为飞行器提供升力及滚动前进动力。
所述螺旋桨是该飞行器产生升力的主要部件，优先选用直径不超过75mm的三叶浆。
所述舵机是矢量控制机构的主要动力部件，作用于平行四边形连杆机构，驱动螺旋桨产生矢量拉力。
如图1所示，本发明所述一种微小型可折叠轮状飞行器主要包括：机身3、旋翼支撑架6、矢量动力组5、电源模组、飞行控制模块、微型图传4、折叠锁紧机构等部件组成。旋翼支撑架通过转轴与机身上的旋翼支撑架安装孔配合，安装与机身上，同理，电源模组、飞行控制模块、微型图传等模块通过相应卡槽安装在机身内部，矢量动力组通过旋翼支撑架安装孔安装于旋翼支撑架上；该轮状飞行器主要包含两种状态模式，分别为折叠模式1和飞行模式2，可实现地面滚动前进、空中飞行等功能，其中，折叠模式该飞行器折叠为车轮状，用于滚动前进或用户携带，同时该模式下，可实现多个飞行器组合，便于执行协同作战任务；飞行模式该飞行器在折叠锁紧机构的驱动下展开为矢量两旋翼模式，用于执行飞行任务。
该轮状飞行器采用可折叠外形结构设计，在折叠状态飞行器为圆柱形，整体呈车轮状，便于存放携带，并且车轮状结构还具有一定的防冲击作用；在飞行状态，该飞行器展开为矢量两旋翼状态，通过矢量动力组控制飞行器实现地面滚动及空中飞行。
如图2，机身为圆柱形，呈车轮状，内部设计有电源安装槽11、飞行控制模块安装槽12、锁定销安装孔13、微型图传安装孔10、电源开关安装孔14、旋翼支撑架安装孔15；机身内部的各个安装槽及安装孔用于安装电源、飞行控制模块、锁定销、微型图传、电源开关等部件，并且圆柱形机身可以很好的缓冲飞行或降落过程中飞行器与地面的冲击力。
如图3所示，旋翼支撑架是该轮式飞行器螺旋桨的主要支撑部件，整体呈圆环形，主要包括矢量动力组安装孔16、机身配合孔17，该部件主要用于矢量动力组的安装及机身和矢量动力组之间的配合安装，矢量动力组通过矢量动力组安装孔安装在旋翼支撑架处，旋翼支撑架通过转轴及扭簧配合安装于机身的旋翼支撑架安装孔处。
如图4所示，矢量动力模块18，是该轮状飞行器完成地面滚动前进及飞行控制的主要动力部件，主要包括：舵机19、舵机摇臂20、拉力线21、矢量电机安装座22组成，舵机19安装于旋翼支撑架的舵机安装槽内部，舵机摇臂20安装于舵机转轴处，矢量电机安装座22用于安装电机，其自身安装于旋翼支撑架对应的矢量动力组安装孔内部，舵机摇臂20和矢量电机安装座22通过拉力线21连接，组成平行四边形连杆机构，在舵机19的驱动下完成螺旋桨拉力的矢量控制，独特的平行四边形连杆结构设计，使得舵机摇臂20和矢量电机安装座22通过拉力线21连接，无需进行刚性连接，降低结构整体重量，提高系统执行机构稳定性。
如图5折叠锁定机构是该轮状飞行器完成由折叠状态向飞行状态转换的关键部件，主要由锁定卡槽24、锁定销25、翻转机构23组成，主要工作原理如下：在摇臂舵机20的驱动下，舵机摇臂按照图中方向旋转，在平行四边形连杆机构的带动下，锁定卡槽24与锁定销25分离，同时，翻转机构23在扭簧的带动下按图中箭头方向向上翻转，轮状飞行器由折叠状态转换为飞行状态。同理，轮状飞行器由飞行状态转换为折叠状态的过程中，各部件动作过程与展开过程相反。
该发明所涉及的微小型轮状飞行器执行任务的具体过程如下：
该发明所涉及的微小型轮状飞行器默认处于折叠状态，用户将其携带至任务区域后，首先进行折叠锁定机构的解锁，具体操作为：在摇臂舵机20的驱动下，舵机摇臂按照图5中方向旋转，在平行四边形连杆机构的带动下，锁定卡槽24与锁定销25分离，同时，翻转机构23在扭簧的带动下使得矢量动力模块及旋翼支撑架按图5中箭头方向向上翻转，轮状飞行器由折叠状态转换为飞行状态。在飞行模式下飞行器可以实现地面滚动及空中飞行，如图1所示，在地面滚动过程中，旋翼支撑架展开与机身垂直，防止飞行器在滚动过程中发生侧翻，滚动的具体过程如下：矢量动力模块向前倾转，同时螺旋桨高速旋转形成向前滚动力矩，飞行器在地面上完成向前滚转；向后滚转矢量动力模块的运动方式与之相反；滚动过程中轮状飞行器的转弯通过两个矢量动力组旋翼转速的差速控制轮状飞行器地面滚动过程中的左右方向转弯；飞行过程中，矢量动力组调节旋翼旋转平面，使之与旋翼支撑架上表面平行，旋翼高速旋转产生向上升力，飞行器完成起飞，在空中姿态通过矢量动力模块控制飞行器俯仰姿态，通过动力组中两个电机转速不同，控制飞行器横滚姿态。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，
具有两种状态：折叠状态、飞行状态；其中折叠状态飞行器折叠为圆柱形，呈车轮状；在飞行状态，飞行器由机身两侧伸出旋翼支撑架，两侧的旋翼支撑架展开与机身呈90度垂直状态，飞行状态能够飞行，能够在地面滚动。
2.一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，包括机身、旋翼支撑架、矢量动力组(5)、折叠锁紧机构(9)；
所述机身为圆柱形；
所述折叠锁定机构用于飞行器完成由折叠状态向飞行状态转换；飞行状态，飞行器由机身两侧伸出旋翼支撑架，两侧的旋翼支撑架与机身呈90度垂直状态；折叠状态，旋翼支撑架收回机身两侧，呈车轮状；所述矢量动力组为飞行器地面滚动及空中飞行提供动力来源。
3.根据权利要求2所述的一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，所述机身用于安装飞行控制模块、电源设备。
4.根据权利要求2所述的一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，
所述矢量动力组包括直流无刷电机、螺旋桨、矢量控制机构；直流无刷电机、螺旋桨、矢量控制机构安装于旋翼支撑架上；旋翼支撑架的结构，为圆环形，其与飞行器机身的相邻处外径一致；中螺旋桨、直流无刷电机、旋翼支撑架组成涵道结构；
矢量控制机构用于控制飞行器地面滚动过程中的前进与后退以及飞行过程中飞行器的俯仰姿态控制。
5.根据权利要求4所述的一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，所述直流无刷电机是该飞行器的动力装置，用于带动螺旋桨高速旋转，为飞行器提供升力及滚动前进动力。
6.根据权利要求4所述的一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，矢量控制机构包括舵机、平行四边形连杆结构；平行四边形连杆结构由舵机摇臂(20)、拉力线(21)、矢量电机安装座(22)组成；
舵机摇臂(20安装于舵机转轴上，矢量电机安装座22用于安装电机，其自身安装于旋翼支撑架内部，舵机摇臂(20)和矢量电机安装座(22)通过拉力线(21)连接，形成平行四边形结构；
舵机作用于平行四边形连杆机构带动舵机摇臂旋转一定角度，矢量电机安装座(22)带动电机转轴移动，驱动螺旋桨产生矢量拉力；舵机安装于旋翼支撑架内侧。
7.根据权利要求2所述的一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，
折叠锁定机构包括锁定卡槽、锁定销、翻转机构；翻转机构包括扭簧，锁定卡槽位于矢量电机安装座(22)上，在舵机摇臂的驱动下，舵机摇臂旋转，在平行四边形连杆结构的带动下，矢量电机安装座(22)转动，锁定卡槽与锁定销分离；同时旋翼支撑架在扭簧的带动下向上翻转，轮状飞行器由折叠状态转换为飞行状态。
8.根据权利要求4所述的一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，飞行控制模块安装在机身内部，实现飞行器姿态的实时控制。
9.根据权利要求8所述的一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，还包括飞行控制模块(7)，飞行控制模块用于实现飞行器姿态的实时控制；包括三轴加速度计、gps、电机驱动模块、遥控器接收机；电机驱动模块用于控制电机转速，实现飞行器的升降及横滚控制，遥控器接收机用于接收遥控器的控制信号，并对信号进行解析，控制飞行器执行滚动、飞行、状态锁定解锁；三轴加速度计、gps用于获取速度、位置、姿态信息。
10.根据权利要求1或3所述的一种微小型可折叠轮状飞行器，其特征在于，折叠状态直径不超过10cm的车轮状飞行器，飞行状态呈矢量两旋翼模式。
技术总结
本发明公开一种微小型可折叠轮状飞行器，属于航空系统技术领域，所涉及的轮状飞行器主要由机身、旋翼支撑架、矢量动力组、折叠锁紧机构等部件组成。该轮状飞行器主要包含两种状态模式，分别为折叠模式和飞行模式，可实现地面滚动前进、空中飞行等功能，其中，折叠模式该飞行器折叠为车轮状，用于滚动前进或用户携带，同时该模式下，可实现多个飞行器组合，便于执行协同作战任务；飞行模式该飞行器在折叠锁紧机构的驱动下展开为矢量两旋翼模式，用于执行飞行任务。本发明涉及的飞行器具有结构新颖、便携可折叠、功能多样化、便于单兵作战使用的优势。
技术研发人员：贾华宇;李兆博;巫伟男;尹晓旭;杨志
受保护的技术使用者：北京特种机械研究所
技术研发日：.11.20
技术公布日：.02.28
