CN103523199A - 一种新型管式结构电动无人直升机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型管式结构电动无人直升机，具有负载大、稳定性高、航行时间长等突出优势，应用在不用行业中，能够优化工作流程，提高工作效率，降低劳动人员的作业强度和安全风险。本发明是通过以下技术方案得以实现的：一种使用了新型材料，四管式结构设计的低成本、高安全性、能够搭载不同设备进行作业的电动无人直升机；通过高传动比和负载比的设计，加上锂聚合物电池，延长了新能源电池的航行时间，并且可以搭载重量更大的作业设备；尾管可拆卸装置，尾舵减震***，及无副翼结构，都保证了无人直升机飞行的稳定性和安全性；云台增稳技术确保了拍摄角度，在高空拍摄时，能够最大程度的减少画面抖动；实现真正意义的无人直升机工业级应用。

Description

一种新型管式结构电动无人直升机
技术领域
本发明涉及一种新型管式结构电动无人直升机，具有负载大、稳定性高、航行时间长等突出优势，应用在不用行业中，能够优化工作流程，提高工作效率，降低劳动人员的作业强度和安全风险。 
本发明采用四管式机身结构(1)，尾管可拆卸装置(2)、尾舵机减震***(3)及无副翼结构(5)，是一种高传动比和负载比(4)的设计，加载锂聚合物电池的新型电动无人直升机。涉及一种利用新能源动力，能够搭载不同设备进行作业的无人直升机***，结合无线电、卫星导航、陀螺仪技术，能够实现无人直升机自动驾驶，远距离安全作业，远距离数据传输、存储的无人直升机***。增加了云台增稳技术(8)则确保了拍摄的角度，同时在高空拍摄的时候，能够最大程度的减少画面的抖动。 
本发明即保证了电动无人直升机飞机的稳定性和安全性，延长了新能源电池的航行时间；又为相关行业提高了工作效率，节省了劳动成本。 
背景技术
随着无人直升机在各行业的应用研究，人们越发现无人直升机在社会生产和生活各个方面的作用日益显著。使用现代化的高新技术机械设备，不仅能够提高工作效率和质量、降低作业成本，还能够降低人员作业的风险，保护生命财产安全。随着科技不断进步，经济能力的增强，消费水平的提升，现代化设备替代传统人力从事高风险、高难度、高作业强度的工作已经成为必然趋势。全球第三次工业革命序幕已经拉开，开发出低成本、高稳定性、应用范围广的无人直升机，已经成为一种迫切的需要。 
目前国内的无人直升机还处于初级发展阶段，因为机身的结构设计问题，导致成本过高、稳定性不够、机身与负载设备匹配度低等瓶颈，一直制约着无人直升机进行工业级别的广泛应用。随着各行业对工业级无人直升机的迫切需求，一种低成本、稳定性高、机身可实现无极调节的无人直升机***显得尤为重要。本发明采用四管式的机身结构，节省制造成本的同时又加强了机身结构的强度，可实现无极调节，可以灵活地搭载不同的行业设备。尾管可拆卸装置(2)设计，不仅可以减少同步带的磨损，减轻同步带共振，保证无人直升机飞行的安全性和稳定性，还可以使得无人直升机运输更加方便，作业效率更高，降低运输成本。尾舵机减震***(3)，能够减轻舵机的负荷，提高尾舵控制的精度和反应速度，保证飞行安全，延长使用寿命。高传动比和负载比(4)能够提供更大的升力，加大无人直升机的负载能力，实现负载比达到1：1.83。无副翼结构(5)不仅减轻了无人直升机的重量，还能够保持飞机飞行的稳定性，控制直升机灵活飞行。采用新型材料和新型动力电源，增强了无人直升机的机身强度，提高了无人直升机的飞机性能，延长了无人直升机的续航时间。而云台增稳技术(8)则确保了拍摄的角度，同时在高空拍摄的时候，能够最大程度的减少画面的抖动。 
本发明能够使无人直升机***与行业应用相结合，实现真正意义的无人直升机工业级别应用。 
发明内容
本发明主要解决的问题在于，克服了现有无人直升机的技术瓶颈，提供一种使用了新型材料，四管式结构设计的低成本、高安全性、能够搭载不同设备进行作业的电动无人直升机；通过高传动比和负载比(4)的设计，加上锂聚合物电池，延长了新能源电池的航行时间，并且可以搭载重量更大的作业设备； 尾管可拆卸装置(2)，尾舵机减震***(3)，及无副翼结构(5)，都保证了无人直升机飞行的稳定性和安全性；云台增稳技术(8)确保了拍摄角度，在高空拍摄时，能够最大程度的减少画面抖动；实现真正意义的无人直升机工业级应用。 
1、四管式机身结构(1) 
本发明采用四管式的机身结构，与传统的设计方式(板式框架结构)相比，能够节省60％的生产材料，降低40％的制造成本，提高20％的生产效率。首先，圆形管材在加工过程中会更加的容易，省去了传统加工过程中的复杂的工艺和繁琐的环节。使主体结构变得简化，加工更加简单，组装也更加的方便；即降低了材料成本，又可以提高生产效率。其次，四管式机身结构(1)比起传统的无人直升机机身结构，因其强度得到了加强，所以抗风能力，抗外界干扰能力得到提升。使无人直升机在飞行过程中更加稳定，产品性能更具备稳定性、可靠性和安全性，达到国内领先水平。再次，四管式机身结构(1)极大地减轻了无人直升机自身的重量，加大负载能力，延长飞行时限。四管式机身机构(1)最为重要的特点，体现在可以实现无极调节，机身可以自由灵活地搭配不同的行业设备，进行工程作业。管式主体结构设计，结构简单。使内部传动***的布局更加合理，增加了内部空间，方便了配套设备的安装。增加了飞行平台机身的空间，使搭载***间连接的方便性有所提高，配重更易操作。目前，由于机身设计与搭载设备不匹配，制约着无人直升机在各行业的应用及安全性。本发明能够灵活调节机身结构，适应不同的行业设备，本发明搭载设备之后，能够调整无人直升机重心，使得飞行更加稳定、安全。 
采用四管式机身结构(1)，即主体框架由四根圆形管材组成，再利用固定卡扣，与无人直升机的传动部分、尾翼部分、云台及脚架进行连接；四管式机 身结构(1)是由3个机身框架连接部件、及2个传动轴固定座部件，通过4段圆形管材并排紧固连接；其特征在于：四管式机身结构(1)可以进行无极调节，机身框架连接部件和传动轴固定座部件可以在圆形管材上自由灵活地进行调整长短和大小；避免了传统设计方式安装的局限性，增大了内部空间，对马达、电池等机械部件的限制性减小，可以方便连接及固定。 
本设计优势：即可以方便安装、调试和更换部件，提高整体零部件的匹配度；又可以在主体框架上设置较多的调节点，随意进行安装，加快安装的速度。避免了传统设计方式安装的局限性，特别是对飞行调试和维修保养，起到了至关重要的作用。 
2、尾管可拆卸装置(2) 
本发明采用尾管可拆卸装置(2)设计，通过加入同步轮，减少尾同步带的长度，这样的好处是可以减少同步带的磨损，延长同步带的使用寿命，降低因为同步带断裂所造成的坠机隐患。因为同步带周长的缩短，降低了同步带在运转过程中所产生的共振，使无人直升机飞行更加稳定，保证飞行的安全性。同时，因为震动的降低，也可以减少震动对搭载的精密仪器设备所产生的影响。 
尾管可拆卸装置(2)的设计使得运输更加方便，在进行工程作业任务的时候，由于经常要转换场地，无人直升机的运输便利性，直接影响到作业的效率。尾管可拆卸装置(2)的设计，方便作业人员能够快速拆装无人直升机的尾管(6)，节省时间，实现快速转场，提高作业效率。同时因为运输无人直升机时所占用的空间减少，运输成本也大幅降低。 
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的： 
一种电动无人直升机尾管可拆卸装置(2)，包括尾管连接装置和同步传动装置，所述的尾管连接装置包括有连接器和螺丝连接，用于无人直升机尾管(6) 与机身的连接；同步传动装置包括有同步轮和轴及轴承，轴承与连接器镶嵌连接，通过皮带传动，用于尾旋翼的动力传输，减小皮带长度减小皮带磨损及减小皮带共振，同步轮其中一个齿轮通过皮带与无人直升机动力***连接，另一个齿轮通过皮带与无人直升机的尾旋翼的传动齿轮连接，通过这样的连接方式把动力传输给尾旋翼。 
3、尾舵机减震***(3) 
本发明采用尾舵机减震***(3)，是运用无应力原理，来控制尾旋翼的关键组件；由尾舵机、控制***和减震***三部分组成，通过尾舵机控制***带动尾旋翼的旋转，在旋转过程中，安装在尾舵机控制***的8个减震弹簧，会自动平衡尾旋翼旋转的扭力，从而使尾旋翼达到减震；尾舵机减震***(3)，会平衡来自上下左右四个方向的扭力；尾舵机减震***(3)位于无人直升机的尾翼部分，用于控制尾旋翼，平衡无人直升机在飞行时主旋翼产生的反扭矩，调整无人直升机的飞行方向和飞行过程中的姿势。日常工作中由于尾舵机长时间高负荷状态进行工作，使得尾舵机的寿命减短，并且容易发生故障，一旦故障发生结果将是导致整台无人直升机的坠毁，危害人民群众的生命财产安全。 
本发明加入了尾舵机减震***(3)，其特殊的物理结构设计，能够大幅度降低尾舵机在工作时所受到的负荷，提高尾舵机操控的精度，延长尾舵机的使用寿命，保证无人直升机飞行的安全性。 
4、高传动比和负载比(4) 
本发明经过长期的实验验证，总结出一系列的齿轮比系数。高传动比和负载比(4)，采用二级减速传动齿轮组，由马达带动第一级传动齿轮，至第一级的减速齿轮，然后通过第一级的减速齿轮同轴联动，带动第二级传动齿轮，由第二级的传动齿轮，至第二级的减速齿轮(即主齿轮)，，达到减速的目的。通 过二级减速从而可以大幅减小主齿轮的直径，保证了机身结构更加紧凑，增加无人直升机的传动比，在高负载情况下保证无人直升机在工作时马达功率稳定输出，使无人直升机的提升力得到加强，飞行性能提升，保证飞行的安全，达到负载比为1：1.83；这对于延长无人直升机航行时间具有极为积极的意义。 
5、无副翼结构(5) 
本发明使用了无副翼结构(5)是由1个中联、及2个主桨夹两端对置安装，通过横轴连接；2片主桨分别安装在两个主桨夹上，使用螺丝和螺母进行紧固。中联安装在主轴顶端，使用螺丝和螺母穿透紧固，在中联的下方采用紧固设计，使用2个螺丝锁死与主轴的连接，通过2根连杆控制螺距；降低旋翼头的复杂程度，减轻飞机的重量，使重心更靠近主旋翼平面，即保留原有的反应速度和灵活性，又保证飞行的稳定性；本发明使用了无副翼结构(5)与三轴陀螺仪相结合的方式进行控制，结合陀螺仪效应，电子***的反应比利用物理原理进行平衡的副翼反应速度要快很多，修正的量也非常到位，利用舵机的混合控制，能够保持飞机飞行的稳定性，控制直升机灵活飞行。 
6、新材料的应用 
新材料的应用，包括尾管(6)采用特殊碳纤维材料，本碳纤维材料制品是将碳纤维浸渍树脂通过给磨具加温加压连续拉挤成型的，规格形状如棒材、板材及其它异型材；具备高强度、重量轻、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、柔韧好、易加工等特性；脚架(7)部分则采用的是铝镁合金材料；这种材料是一种冷处理锻压合金，强度高，远胜于软钢；无人直升机使用这种材料作为机身板架，增强了无人直升机的耐磨性、机身强度，同时还减轻了无人直升机的重量。 
7、云台增稳技术(8) 
本发明使用的云台增稳技术(8)实质是云台减震和增稳技术的有效结合， 由4个安装组件、四组共计12个橡胶球、及1个云台安装板组成；云台安装板的四个顶角安放一组3个橡胶球，共计四组；云台安装板通过橡胶球和4个安装体连接；通过减震球来减轻云台的抖动；，设计的云台为三轴云台，除了能够实现水平翻滚、上下俯仰之外，还能够进行360水平旋转；相较于传统的云台，加入云台增稳技术(8)具有更广阔的视角、更高的稳定性，能够保证云台搭载的设备安全，在进行高空拍摄的时候，能够最大程度的减少画面的抖动。 
8、新能源的应用 
本发明使用比锂离子电池更加环保耐用的锂聚合物电池，相较于传统的电池，锂聚合物电池可以多次循环反复使用，持久耐用，不会对环境产生任何污染；其次，锂聚合物电池具有更高的放电量，能够满足无人直升机高功耗的要求；再次，锂聚合物电池容易设计成不同的形状，而且体积相对较小，能够很好地符合无人直升机的结构要求；最后，锂聚合物电池在同等的体积下，相比其他电池质量更轻，可以有效降低无人直升机的负载压力。 
本发明采用电力驱动，具有比油动无人直升机更低的噪音，隐蔽性更好。本发明的续航时间更长，充放电次数更多，使用寿命更长。 
附图说明
图1是本实施例结构示意图； 
图2是本实施例飞行状态示意图； 
图3是本实施例平面示意图； 
图4是本实施例四管式机身结构(1)整体部件图； 
图5是本实施例四管式机身结构(1)主体部件图； 
图6是本实施例四管式机身结构(1)拆分部件图； 
图7是本实施例尾管可拆卸装置(2)主体部件图； 
图8是本实施例尾管可拆卸装置(2)内部组件图； 
图9是本实施例尾管可拆卸装置(2)拆分部件图； 
图10是本实施例尾舵机减震***(3)整体部件图； 
图11是本实施例高传动比和负载比(4)整体部件图； 
图12是本实施例无副翼结构(5)整体部件图； 
图13是本实施例尾管(6)整体部件图； 
图14是本实施例脚架(7)整体部件图； 
图15是本实施例云台增稳技术(8)整体部件图； 
图16是本实施例云台增稳技术(8)主体部件图； 
图17是本实施例云台增稳技术(8)拆分部件图； 
图18是本实施例电池固定架(9)整体部件图。 
图中，(1)四管式机身结构，(2)尾管可拆卸装置，(3)尾舵机减震***，(4)高传动比和负载比，(5)无副翼结构，(6)尾管，(7)脚架，(8)云台增稳技术，(9)电池固定架。 
具体实施方式
以下结合附图及较佳的实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。 
实施例：如图1-3所示，一种使用了新型材料，四管式结构设计的低成本、高安全性、能够搭载不同设备进行作业的电动无人直升机；通过高传动比和负载比(4)的设计，加上锂聚合物电池，延长了新能源电池的航行时间，并且可以搭载重量更大的作业设备；尾管可拆卸装置(2)，尾舵机减震***(3)，及无副翼结构(5)，都保证了无人直升机飞行的稳定性和安全性；云台增稳技术(8)确保了拍摄角度，在高空拍摄时，能够最大程度的减少画面抖动；实现真 正意义的无人直升机工业级应用。 
本实施例的电动无人直升机，包括以下发明内容： 
1)如图4-6所示，采用四管式机身结构(1)，即主体框架由四根圆形管材组成，再利用固定卡扣，与无人直升机的传动部分、尾翼部分、云台及脚架进行连接；四管式机身结构(1)是由3个机身框架连接部件、及2个传动轴固定座部件，通过4段圆形管材并排紧固连接；其特征在于：四管式机身结构(1)可以进行无极调节，机身框架连接部件和传动轴固定座部件可以在圆形管材上自由灵活地进行调整长短和大小。 
2)如图7-9所示，电动无人直升机尾管可拆卸装置(2)，是由尾管连接装置和同步传动装置组成，所述的尾管连接装置包括有连接器和螺丝连接，用于无人直升机尾管与机身的连接；同步传动装置包括有同步轮和轴及轴承，轴承与连接器镶嵌连接，通过皮带传动，用于尾旋翼的动力传输，同步轮其中一个齿轮通过皮带与无人直升机动力***连接，另一个齿轮通过皮带与无人直升机的尾旋翼的传动齿轮连接，通过这样的连接方式把动力传输给尾旋翼。 
3)如图10所示，尾舵机减震***(3)，是运用无应力原理，来控制尾旋翼的关键组件；由尾舵机、控制***和减震***三部分组成，通过尾舵机控制***带动尾旋翼的旋转，在旋转过程中，安装在尾舵机控制***的8个减震弹簧，会自动平衡尾旋翼旋转的扭力，从而使尾旋翼达到减震；尾舵机减震***(3)，会平衡来自上下左右四个方向的扭力；尾舵机减震***(3)位于无人直升机的尾翼部分，用于控制尾旋翼，平衡无人直升机在飞行时主旋翼产生的反扭矩，调整无人直升机的飞行方向和飞行过程中的姿势。 
4)如图11所示，高传动比和负载比(4)，采用二级减速传动齿轮组，由马达带动第一级传动齿轮，至第一级的减速齿轮，然后通过第一级的减速齿轮 同轴联动，带动第二级传动齿轮，由第二级的传动齿轮，至第二级的减速齿轮(即主齿轮)，，达到减速的目的。通过二级减速从而可以大幅减小主齿轮的直径，保证了机身结构更加紧凑，增加无人直升机的传动比，在高负载情况下保证无人直升机在工作时马达功率稳定输出，使无人直升机的提升力得到加强，飞行性能提升，保证飞行的安全，达到负载比为1：1.83。 
5)如图12所示，无副翼结构(5)是由1个中联、及2个主桨夹两端对置安装，通过横轴连接；2片主桨分别安装在两个主桨夹上，使用螺丝和螺母进行紧固。中联安装在主轴顶端，使用螺丝和螺母穿透紧固，在中联的下方采用紧固设计，使用2个螺丝锁死与主轴的连接，通过2根连杆控制螺距；降低旋翼头的复杂程度，减轻飞机的重量，使重心更靠近主旋翼平面，即保留原有的反应速度和灵活性，又保证飞行的稳定性；本发明使用了无副翼结构(5)与三轴陀螺仪相结合的方式进行控制，结合陀螺仪效应，电子***的反应比利用物理原理进行平衡的副翼反应速度要快很多，修正的量也非常到位，利用舵机的混合控制，能够保持飞机飞行的稳定性，控制直升机灵活飞行。 
6)如图13-14所示，新材料的应用，包括尾管(6)采用特殊碳纤维材料，本碳纤维材料制品是将碳纤维浸渍树脂通过给磨具加温加压连续拉挤成型的，规格形状如棒材、板材及其它异型材；具备高强度、重量轻、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、柔韧好、易加工等特性；脚架(7)部分则采用的是铝镁合金材料；这种材料是一种冷处理锻压合金，强度高，远胜于软钢；无人直升机使用这种材料作为机身板架，增强了无人直升机的耐磨性、机身强度，同时还减轻了无人直升机的重量。 
7)如图15-17所示，云台增稳技术(8)实质是云台减震和增稳技术的有效结合，由4个安装组件、四组共计12个橡胶球、及1个云台安装板组成；云 台安装板的四个顶角安放一组3个橡胶球，共计四组；云台安装板通过橡胶球和4个安装体连接；通过减震球来减轻云台的抖动；，设计的云台为三轴云台，除了能够实现水平翻滚、上下俯仰之外，还能够进行360水平旋转；相较于传统的云台，加入云台增稳技术(8)具有更广阔的视角、更高的稳定性，能够保证云台搭载的设备安全，在进行高空拍摄的时候，能够最大程度的减少画面的抖动。 
8)如图18所示，新能源的应用是指无人直升机使用了比锂离子电池更加环保耐用的锂聚合物电池；锂聚合物电池是采用锉合金做正极，采用高分子导电材料、聚乙炔、聚苯胺或聚对苯酚等做负极，有机溶剂作为电解质。相较于传统的电池，锂聚合物电池可以多次循环反复使用，持久耐用，具有更高的放电量，能够满足无人直升机高功耗的要求；体积较小，可以设计成不同的形状，能够很好地符合无人直升机的结构要求；采用锂聚合物电池驱动的无人直升机，具有更低的噪音，隐蔽性更好，续航时间更长，充放电次数更多，使用寿命更长。 

Claims (8)

1.一种新型管式结构电动无人直升机，采用四管式机身结构(1)，即主体框架由四根圆形管材组成，再利用固定卡扣，与无人直升机的传动部分、尾翼部分、云台及脚架进行连接；四管式机身结构(1)是由3个机身框架连接部件、及2个传动轴固定座部件，通过4段圆形管材并排紧固连接；其特征在于：四管式机身结构(1)可以进行无极调节，机身框架连接部件和传动轴固定座部件可以在圆形管材上自由灵活地进行调整长短和大小。
2.电动无人直升机尾管可拆卸装置(2)，是由尾管连接装置和同步传动装置组成，所述的尾管连接装置包括有连接器和螺丝连接，用于无人直升机尾管与机身的连接；同步传动装置包括有同步轮和轴及轴承，轴承与连接器镶嵌连接，通过皮带传动，用于尾旋翼的动力传输，同步轮其中一个齿轮通过皮带与无人直升机动力***连接，另一个齿轮通过皮带与无人直升机的尾旋翼的传动齿轮连接，通过这样的连接方式把动力传输给尾旋翼。
3.尾舵机减震***(3)，是运用无应力原理，来控制尾旋翼的关键组件；由尾舵机、控制***和减震***三部分组成，通过尾舵机控制***带动尾旋翼的旋转，在旋转过程中，安装在尾舵机控制***的8个减震弹簧，会自动平衡尾旋翼旋转的扭力，从而使尾旋翼达到减震；尾舵机减震***(3)，会平衡来自上下左右四个方向的扭力；尾舵机减震***(3)位于无人直升机的尾翼部分，用于控制尾旋翼，平衡无人直升机在飞行时主旋翼产生的反扭矩，调整无人直升机的飞行方向和飞行过程中的姿势。
4.高传动比和负载比(4)，采用二级减速传动齿轮组，由马达带动第一级传动齿轮，至第一级的减速齿轮，然后通过第一级的减速齿轮同轴联动，带动第二级传动齿轮，由第二级的传动齿轮，至第二级的减速齿轮(即主齿轮)，，达到减速的目的。通过二级减速从而可以大幅减小主齿轮的直径，保证了机身结构更加紧凑，增加无人直升机的传动比，在高负载情况下保证无人直升机在工作时马达功率稳定输出，使无人直升机的提升力得到加强，飞行性能提升，保证飞行的安全，达到负载比为1：1.83。
5.无副翼结构(5)是由1个中联、及2个主桨夹两端对置安装，通过横轴连接；2片主桨分别安装在两个主桨夹上，使用螺丝和螺母进行紧固。中联安装在主轴顶端，使用螺丝和螺母穿透紧固，在中联的下方采用紧固设计，使用2个螺丝锁死与主轴的连接，通过2根连杆控制螺距；降低旋翼头的复杂程度，减轻飞机的重量，使重心更靠近主旋翼平面，即保留原有的反应速度和灵活性，又保证飞行的稳定性；本发明使用了无副翼结构(5)与三轴陀螺仪相结合的方式进行控制，结合陀螺仪效应，电子***的反应比利用物理原理进行平衡的副翼反应速度要快很多，修正的量也非常到位，利用舵机的混合控制，能够保持飞机飞行的稳定性，控制直升机灵活飞行。
6.根据权利要求1所述的一种新型管式结构电动无人直升机，其特征在于，所述尾管(6)采用新型碳纤维材料制成、脚架(7)采用新型铝镁合金材料制成。
7.云台增稳技术(8)实质是云台减震和增稳技术的有效结合，由4个安装组件、四组共计12个橡胶球、及1个云台安装板组成；云台安装板的四个顶角安放一组3个橡胶球，共计四组；云台安装板通过橡胶球和4个安装体连接；通过减震球来减轻云台的抖动；，设计的云台为三轴云台，除了能够实现水平翻滚、上下俯仰之外，还能够进行360水平旋转；相较于传统的云台，加入云台增稳技术(8)具有更广阔的视角、更高的稳定性，能够保证云台搭载的设备安全，在进行高空拍摄的时候，能够最大程度的减少画面的抖动。
8.根据权利要求1所述的一种新型管式结构电动无人直升机，其特征在于，所述电池固定架(9)将携带一种锂聚合物的新能源电池。
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