CN102785775A - 一种具有滚动功能的多旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航模和飞行器领域，特别是一种具有滚动功能的多旋翼飞行器。本发明包括三个圆环、连接臂，六个动力单元，能量源，飞行控制***，载荷，机体，机体上盖，其中，三个动力单元旋转中心在同一平面，另外三个动力单元旋转中心在另一平面，两平面平行但不重合，六个动力单元产生的升力矢量和力矩矢量彼此正交，调节六个动力单元旋翼的转速大小和方向可产生任意方向的力矢量和扭矩，实现飞行器运动和姿态的解耦，飞行器可以完成不同的运动和姿态变化，配合圆环使用，飞行器可以沿地面滚动前进或越过障碍物，该飞行器具有极高的灵活性和操纵性。

Description

一种具有滚动功能的多旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器和航模领域，特别是一种具有滚动功能的多旋翼飞行器。

背景技术

具有垂直起降和悬停等功能的多旋翼飞行器，不但在军事领域发挥着重要的作用，在灾害现场救助，危险环境探查、交通监视、电力巡航以及空中拍摄等多个领域也展示出巨大应用潜力，备受关注。

目前的多旋翼飞行器主要有四旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼等结构形式，比如Xaircraft、德国Microdrone公司、加拿大Dranganflyer公司的多旋翼飞行器等，其特点是通过控制多个旋翼的转速大小改变旋翼升力和转矩大小，实现飞行器姿态和运动的改变，从结构上来看，其旋转中心均在同一平面上，存在的共性问题是：飞行器自身是一个运动耦合***，飞行中的运动方向和姿态耦合，制约着飞行器灵活性和操纵性的提高。因此，研制出一种具有高度灵活性和操纵性的新型结构飞行器势在必行。

发明内容

针对上述问题，为解决现有技术的多旋翼飞行器的灵活性和操纵性较差的问题，本发明提供了一种具有滚动功能的多旋翼飞行器。

为了解决上述技术问题，本发明的具有滚动功能的多旋翼飞行器具体如下：

一种具有滚动功能的多旋翼飞行器，包括：

所处平面相互正交，互相交叉的连在一起半径相等的三个圆环；任意两个所述圆环在相互交叉的位置分别设有一个连接节点；

球形的机体，设置在三个所述圆环中心的位置；

连接臂，分别设置在每个所述连接节点与所述机体之间；

六个所述连接臂分别处于三条相互垂直的直线上；一条直线方向上的两个所述连接臂，在相对三个所述圆环中心的对称位置上分别设有一个动力单元；

所述机体的内部设有为多个所述动力单元提供动力的能量源，以及控制多个所述动力单元的飞行控制***。

上述技术方案中，所述机体的底部还设有起到平衡作用的载荷。

上述技术方案中，所述动力单元设置在所述连接臂的中间位置。

上述技术方案中，同一直线方向的两个所述连接臂上的所述动力单元的旋转轴线相互平行；不同直线方向的所述连接臂上的所述动力单元的旋转轴线相互垂直。

上述技术方案中，所述连接节点包括：配合压紧的上压件和下压件。

上述技术方案中，所述动力单元包括：永磁无刷直流电机、电机座、支座、驱动器和旋翼；

所述永磁无刷直流电机固定于电机座上，其上端同轴安装旋翼，下端安装驱动器；所述电机座固定在所述支座上；所述支座为空心圆柱体。

上述技术方案中，所述动力单元的旋翼叶片为双头反向对称翼型或双头反向非对称翼型。

上述技术方案中，所述连接臂通过内接件、外接件与所述机体配合连接；

所述内接件外表面为球形，与机体内表面曲率半径相同；所述外接件外表面为球形，与所述机体外表面曲率半径相同。

上述技术方案中，所述内接件、所述外接件和所述机体，均设有多个用来走线和机械连接的通孔。

上述技术方案中，所述连接臂为可安装导线的中空结构。

本发明的具有滚动功能的多旋翼飞行器，具有如下有益效果：

通过六个动力单元根据所描述的规则安装结构坐标系进行空间布局，可使飞行器在空间任意方向均具有力和力矩的矢量，避免了传统多旋翼飞行器沿某一方向没有力和力矩矢量的问题，从而使得飞行器可以在任意方向任意姿态下保持平衡或飞行，配合连接臂端部的三个圆环，还可以沿地面滚动前进或越过障碍物，因此该飞行器具有极高的灵活性。

由于六个动力单元中每两个旋转轴线分别与x轴，y轴，z轴平行，所以六个动力单元中每两个动力单元的升力和力矩矢量与其他两对动力单元的升力矢量和力矩矢量正交，因此在保持相同动力单元情况下，该组合动力单元在任意方向上所需的升力和力矩最小，可有效节约飞行器的能量，提高飞行器的飞行效率。

由于飞行器六个动力单元中每两个动力单元的升力矢量和力矩矢量与其他两对动力单元的升力矢量和力矩矢量正交，因此飞行器在机体坐标系XYZ三轴上均有力和力矩的分量，有效地增加了飞行器操纵性和稳定性。

由于飞行器六个动力单元中每两个动力单元的升力和力矩矢量与其他两对动力单元的升力和力矩矢量正交，使得飞行器的运动方向和姿态完全解耦，有效地降低了飞行控制***难度，提高了控制***可靠性。

当飞行器某个或某些动力单元出现故障时，只要保证飞行器升力方向相同的两个动力单元或三个升力矢量正交的动力单元正常工作，该飞行器即可安全着陆，因此，该飞行器具有较强的容错能力和安全性。

飞行器的旋翼置于圆环之内，降低了旋翼损坏可能性，避免了人员伤害，安全性、防护性好。

附图说明

图1表示本发明的具有滚动功能的多旋翼飞行器一种具体实施方式的结构示意图。

图2表示图1所示的具体实施方式的结构空间位置示意图。

图3表示图1所示的具体实施方式的旋转中心在面20或21上投影示意图。

图4表示图1所示的具体实施方式的圆环安装结构示意图。

图5表示图1所示的具体实施方式的连接臂与机体安装结构示意图。

图6表示图1所示的具体实施方式的动力单元结构示意图。

图7表示图1所示的具体实施方式的连接臂与动力单元安装结构示意图。

图中附图标记表示为：

1-3、圆环；4-9、连接臂；10-15、动力单元；

18、载荷；19、机体；20、平面；21、平面；22、圆周；23、圆周；24、内接件；25、外接件；26、内接件、27、外接件；28、螺栓；50、下压件；51、上压件；66、平面20和21中间的平面；67、机体上盖；

201、永磁无刷直流电机；202、电机座；203、支座；204、驱动器；205、旋翼；

2-1/4、圆环2的四分之一圆环；3-1/2、圆环3的二分之一圆环；

101、动力单元10的旋转中心；111、动力单元11的旋转中心；

121、动力单元12的旋转中心；131、动力单元13的旋转中心；

141、动力单元14的旋转中心；151、动力单元15的旋转中心。

具体实施方式

本发明的发明思想为：一种具有滚动功能的多旋翼飞行器，包括所处平面相互正交，互相交叉的连在一起半径相等的三个圆环；其中，任意两个所述圆环在相互交叉的位置分别设有一个连接节点，用以连接两圆环。此外，本发明的多旋翼飞行器还包括设置在三个所述圆环中心的位置球形的机体，以及六个连接臂，每个连接臂分别设置在每个所述连接节点与所述机体之间。

本发明的具有滚动功能的多旋翼飞行器中，六个所述连接臂分别处于三条相互垂直的直线上。同一条直线方向上的两个所述连接臂，在相对三个所述圆环中心的对称位置上分别设有一个动力单元。同一直线方向的两个所述连接臂上的所述动力单元的旋转轴线相互平行；不同直线方向的所述连接臂上的所述动力单元的旋转轴线相互垂直。所述机体的内部设有为多个所述动力单元提供动力的能量源，以及控制多个所述动力单元的飞行控制***。所述机体的底部还设有起到平衡作用的载荷。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1至7显示本发明的具有滚动功能的多旋翼飞行器一种具体实施方式。如图1、2所示，本发明的具有滚动功能的多旋翼飞行器包括：圆环1、圆环2、圆环3、连接臂4-连接臂9（包括连接臂4、连接臂5、连接臂6、连接臂7、连接臂8以及连接臂9），六个动力单元：动力单元10-动力单元15（包括动力单元10、包括动力单元11、包括动力单元12、包括动力单元13、包括动力单元14以及动力单元15），能量源，飞行控制***，载荷18，机体19，机体上盖67。机体19为空心球形，机体19通过连接臂4-连接臂9分别连接动力单元10-动力单元15；能量源和飞行控制***安装在机体19内部，载荷18安装在机体19底部。机体19采用碳纤维材料或玻纤材料制成。

动力单元10、动力单元11、动力单元12的旋转中心在平面20上，并成120度夹角均匀分布在圆周22上；动力单元13、动力单元14、动力单元15的旋转中心在平面21上，并成120度夹角均匀分布在圆周23上；平面20与平面21平行但不共面，圆周22在平面21上的投影与圆周23重合。

飞行器的结构坐标系，其原点为圆周22圆心和圆周23圆心连线的中点，xyz轴与平面20或21均成45度夹角，指向朝上，直角坐标系满足右手坐标系法则。

动力单元10旋转中心与动力单元13旋转中心连线平行于x轴，旋转轴线平行于y轴，升力朝上；动力单元11旋转中心与动力单元14旋转中心连线平行于y轴，旋转轴线平行于z轴，升力朝上；动力单元12旋转中心与动力单元15旋转中心连线平行于z轴，旋转轴线平行于x轴，升力朝上。

平面20上的动力单元10、动力单元11、动力单元12旋转方向相同，平面21上的动力单元13、动力单元14、动力单元15旋转方向相同，但平面20上的动力单元与平面21上的动力单元的扭矩矢量方向相反。

连接臂4、连接臂7的几何中心线与x轴平行，连接臂5与连接臂8几何中心线与y轴平行，连接臂6与连接臂9几何中心线与z轴平行，连接臂为中空结构，中空部分安装导线。

六个动力单元的旋转中心在平面20或平面21上的投影成60度角均匀分布，如图3所示。

圆环1、圆环2、圆环3的半径相等，圆环1通过连接臂4、连接臂7、连接臂5、连接臂8的端点，圆环1几何中心线经过xy平面；圆环2通过连接臂5、连接臂8、连接臂6、连接臂9的端点，圆环2几何中心线经过yz平面；圆环3通过连接臂6、连接臂9、连接臂4、连接臂7的端点，圆环3几何中心线经过zx平面。

圆环1、圆环2、圆环3均由两个四分之一圆环和一个半圆环组成，如图4所示，在所述圆环相交的位置处设有连接节点，所述连接节点包括上压件50和下压件51。通过下压件50、上压件51配合压紧以及螺栓的固定，两个圆环2的四分之一圆环2-1/4与圆环3的二分之一圆环3-1/2在相交的位置连接起来。下压件50与连接臂6由环氧树脂胶粘接固定。

如图5所示，所述机体19与连接臂4-连接臂9的连接通过内接件24、外接件25与机体19配合，采用机械和粘接两种方式同时固定，内接件24外表面为球形，且与机体19内表面曲率半径相同，外接件25外表面为球形，且与机体19外表面曲率半径相同，内接件24、外接件25与机体19均设有五个通孔，两个通孔用于机械连接，其余三个通孔走线，安装时通孔对齐，将内接件24的球形面与机体19的内表面相配合粘接，通孔对齐，外接件25的球形面与机体19的外表面相配合粘接，通孔对齐，利用两个螺栓穿过两个通孔拧紧，粘接采用环氧树脂胶，外接件25另一端与连接臂固定。

如图6所示，所述动力单元10-动力单元15由永磁无刷直流电机201、电机座202、支座203、驱动器204和旋翼205组成，永磁无刷直流电机201上端同轴安装旋翼205，下端安装驱动器204，并固定于电机座202上，电机座202固定在支座203上，支座203为空心圆柱体。

如图7所示，所述动力单元10-动力单元15与连接臂4-连接臂9的连接是通过内接件26、外接件27与支座203配合，采用机械和粘接两种方式同时固定，内接件26外表面为圆柱形，且与支座203内圆柱面半径相同，外接件27外表面为圆柱形，且与支座203外表面半径相同，内接件26、外接件27与支座203均设有五个通孔，两个用于机械连接，其余三个走线，安装时通孔对齐，将内接件26的圆柱形面与支座203的内表面相配合粘接，通孔对齐，外接件27的圆柱形面与支座203的外表面相配合粘接，通孔对齐，利用两个螺栓28穿过两个通孔拧紧，粘接采用环氧树脂胶，外接件27另一端与连接臂固定。

动力单元10-动力单元15的旋翼叶片可采用常规NACA翼型，采用双头反向对称翼型或双头反向非对称翼型通过调节旋转方向可产生向上或向下的升力以及正负方向的扭矩。

本发明的具有滚动功能的多旋翼飞行器的飞行原理如下：

动力单元10、动力单元11、动力单元12安装相同旋翼，旋转方向为顺时针，动力单元13、动力单元14、动力单元15安装相同旋翼，旋转方向为逆时针。当上述六个动力单元旋翼以相同的转速旋转，该飞行器合扭力为零。调节六个旋翼转速使产生的升力在重力方向的合力与重力相等时，该飞行器在一定高度悬停。当六个旋翼转速同时增加或减小时，飞行器可沿重力方向上升或下降。

调节六个旋翼转速，使动力单元10、动力单元11、动力单元12转速相同，动力单元13、动力单元14、动力单元15转速相同，但两者转速不同，因此产生沿重力方向的扭矩，飞行器可绕重力方向滚转。由于六个动力单元产生的升力矢量互相垂直，因此，调节六个动力单元旋翼的转速大小和方向可产生任意方向的力矢量和扭矩，实现飞行器运动和姿态的解耦，飞行器可以完成不同的运动和姿态变化，配合圆环使用，飞行器可以沿地面滚动前进或越过障碍物，该飞行器具有极高的灵活性和操纵性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种具有滚动功能的多旋翼飞行器，其特征在于，包括：

所处平面相互正交，互相交叉的连在一起半径相等的三个圆环；任意两个所述圆环在相互交叉的位置分别设有一个连接节点；

球形的机体，设置在三个所述圆环中心的位置；

连接臂，分别设置在每个所述连接节点与所述机体之间；

六个所述连接臂分别处于三条相互垂直的直线上；一条直线方向上的两个所述连接臂，在相对三个所述圆环中心的对称位置上分别设有一个动力单元；

所述机体的内部设有为多个所述动力单元提供动力的能量源，以及控制多个所述动力单元的飞行控制***。

2.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述机体的底部还设有起到平衡作用的载荷。

3.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述动力单元设置在所述连接臂的中间位置。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的多旋翼飞行器，其特征在于，

同一直线方向的两个所述连接臂上的所述动力单元的旋转轴线相互平行；不同直线方向的所述连接臂上的所述动力单元的旋转轴线相互垂直。

5.根据权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述连接节点包括：配合压紧的上压件和下压件。

6.根据权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述动力单元包括：永磁无刷直流电机、电机座、支座、驱动器和旋翼；

所述永磁无刷直流电机固定于电机座上，其上端同轴安装旋翼，下端安装驱动器；所述电机座固定在所述支座上；所述支座为空心圆柱体。

7.根据权利要求6所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述动力单元的旋翼叶片为双头反向对称翼型或双头反向非对称翼型。

8.根据权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述连接臂通过内接件、外接件与所述机体配合连接；

所述内接件外表面为球形，与机体内表面曲率半径相同；所述外接件外表面为球形，与所述机体外表面曲率半径相同。

9.根据权利要求8所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述内接件、所述外接件和所述机体，均设有多个用来走线和机械连接的通孔。

10.根据权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述连接臂为可安装导线的中空结构。

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