CN104859851A - 由带导流舵的涵道升力风扇驱动的多旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由带导流舵的涵道升力风扇驱动的多旋翼飞行器，它包括多个带导流舵的涵道升力风扇和飞行器机身。所述飞行器机身，包括机架、起落架、动力模块、飞行控制模块、载荷舱等功能模块。所述带导流舵的涵道升力风扇安装于飞行器机身上，其主要由螺旋桨、螺旋桨驱动单元、导流舵、导流舵驱动单元、涵道等构成；螺旋桨周边设置涵道，涵道用于提高螺旋桨效率，保护螺旋桨，降低螺旋桨噪声；螺旋桨由螺旋桨驱动单元驱动；在涵道升力风扇的进风侧或出风侧，设置由导流舵驱动单元驱动的导流舵。

Description

由带导流舵的涵道升力风扇驱动的多旋翼飞行器

所属技术领域

本发明涉及一种多旋翼飞行器，可适用于载人、载物、监测、探测等多用途飞行。

背景技术

现有的多旋翼飞行器，依靠成组的互为正反的开放式螺旋桨按相反旋向旋转，以此抵消螺旋桨产生的自旋力矩和获得升力，其缺点在于：

1、在飞行过程中，为了维持各螺旋桨自旋力矩平衡，多旋翼飞行器的飞行控制***需要频繁的改变各螺旋桨的转速，这种频繁改变螺旋桨的转速会降低整机的工作效率。

2、在飞行过程中，多旋翼飞行器的飞行控制***通过调整各螺旋桨之间的相对转速来调节各个螺旋桨的升力，并克服各螺旋桨的自旋力矩并保持自旋力矩平衡，以控制飞行姿态和实现各种机动飞行，当任意一个螺旋桨失效，则各螺旋桨之间的自旋力矩平衡就无法保持，飞行器失控、自旋坠毁是大概率事件。

3、在飞行过程中，为了保证能平稳飞行，需要保证多旋翼飞行器重心位置固定，且多旋翼飞行器的重心与结构中心需要尽可能重合，这限制了多旋翼飞行器的应用。

4、在飞行过程中，当遇到较大风力影响时，飞行器需要进行较大角度的倾斜，通过各螺旋桨产生的升力和飞行器自身重力的合力来平衡外界干扰风力，飞行过程平稳度差，抗风能力差，安全系数低。

5、开放式螺旋桨还面临效率低、噪声大、安全性差等问题。

有鉴于此，本发明提供一种由带导流舵的涵道升力风扇驱动的多旋翼飞行器，以解决现有的多旋翼飞行器所存在的缺点。

发明内容

本发明提供了一种由带导流舵的涵道升力风扇驱动的多旋翼飞行器，以提高其飞行安全性、飞行平稳性，并且提高飞行效率和降低飞行噪音，以适应多用途飞行。

本发明所采用的技术方案是：由带导流舵的涵道升力风扇驱动的多旋翼飞行器，它由飞行器机身以及安装于飞行器机身的多个涵道升力风扇构成，且在全部或部分的涵道升力风扇的进风侧或出风侧配置有导流舵。

所述飞行器机身，包括机架、起落架、动力模块、飞行控制模块、载荷舱等功能模块；当进行有人飞行时，载荷舱可为驾驶舱；当进行无人飞行时，由遥控站遥控飞行，载荷舱可用于载物。

所述带导流舵的涵道升力风扇，其主要由螺旋桨、螺旋桨驱动单元、导流舵、导流舵驱动单元、涵道等构成；螺旋桨周边设置涵道，涵道用于提高螺旋桨效率，保护螺旋桨并提高安全性，降低螺旋桨噪声；螺旋桨由螺旋桨驱动单元驱动；在涵道升力风扇的进风侧或出风侧，设置由导流舵驱动单元驱动的导流舵，导流舵舵面与涵道升力风扇升力方向所形成的偏转角可根据飞行控制要求动态调整；所有涵道升力风扇驱动的气流作用于各自的导流舵所产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力的合力距来平衡螺旋桨的自旋力矩和控制飞行姿态，

所述多个涵道升力风扇，涵道升力风扇不需严格按照对称和成组方式配置；涵道升力风扇可不限于必须在同一平面；涵道升力风扇的个数可以为任意个；导流舵可为全部或部分涵道升力风扇所配置。

本发明所述多旋翼飞行器：

1、飞行动力由所有涵道升力风扇提供，通过飞行控制模块控制各涵道升力风扇螺旋桨的转速而产生的升力，维持多旋翼飞行器的前后倾斜、左右倾斜的平衡；由飞行控制模块控制的所有涵道升力风扇产生的升力来平衡多旋翼飞行器自身重量和外部干扰，实现多旋翼飞行器的上升、下降、悬停动作，并保持多旋翼飞行器的前后倾斜、左右倾斜的平衡。

2、多旋翼飞行器的向前、向后飞行，由多旋翼飞行器在水平面内的前倾、后倾时所有涵道升力风扇产生的升力与多旋翼飞行器自身重力的合力来驱动。

3、多旋翼飞行器的左右平飞，由多旋翼飞行器在水平面内的左右倾斜时所有涵道升力风扇产生的升力与多旋翼飞行器自身重力的合力来驱动。

4、导流舵舵面与涵道升力风扇升力方向形成偏转角，涵道升力风扇驱动的气流作用于导流舵所产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力，其的大小可随涵道升力风扇螺旋桨的转速和导流舵的偏转角的变化而变化。

5、由涵道升力风扇驱动的气流作用于导流舵时所产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力的合力距来平衡所有涵道升力风扇螺旋桨的自旋力矩和外部干扰，实现多旋翼飞行器左右旋转平衡以及驱动多旋翼飞行器左右转向。

6、由涵道升力风扇驱动的气流作用于导流舵时所产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力的合力距来平衡所有涵道升力风扇螺旋桨的自旋力矩，涵道升力风扇的螺旋桨的转速调整不受限于螺旋桨自旋力矩平衡，螺旋桨的转速可按多旋翼飞行器重心的实时变化而动态调整，多旋翼飞行器重心不必重合于其结构中心。

7、通过飞行控制模块控制所有导流舵的偏转角，涵道升力风扇驱动的气流作用于导流舵时所产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力不仅用于控制多旋翼飞行器的左右旋转平衡和左右转向，还可以为多旋翼飞行器提供额外的驱动力，该驱动力与多旋翼飞行器前后、左右倾斜时所有涵道升力风扇产生的升力、飞行器自身重力共同作用，提高了多旋翼飞行器的抗风能力和飞行平稳性。

8、飞行控制模块检测多旋翼飞行器的飞行姿态数据并根据飞行控制要求，控制各涵道升力风扇螺旋桨的转速和导流舵的偏转角，控制和保持多旋翼飞行器的飞行姿态，实现各种飞行动作。

本发明的有益效果是：当多旋翼飞行器的部分涵道升力风扇失效时，只要保证剩余有效的涵道升力风扇的最大升力能平衡多旋翼飞行器的重量，改变剩余有效螺旋桨的转速和导流舵的偏转角，各螺旋桨的自旋力矩仍然可由导流舵提供的作用力来平衡，多旋翼飞行器仍然可以保持飞行姿态稳定而不会失控坠毁，具有较高的故障冗余度，提高了飞行安全性，可适用于载人等多用途飞行；多个导流舵互为备份，部分导流舵失效时，不会影响多旋翼飞行器的稳定飞行；各涵道升力风扇螺旋桨不需要频繁改变转速来平衡各螺旋桨的自旋力矩，提高了飞行效率；各涵道升力风扇螺旋桨的转速调整不受限于螺旋桨自旋力矩平衡，螺旋桨的转速可根据飞行器自身重心位置的变化而实时动态调整并保持飞行器平衡，多旋翼飞行器对飞行过程中重心位置变化的自适应性好；通过改变各涵道升力风扇螺旋桨的转速和导流舵的偏转角度，可有效提高飞行器的抗风能力和飞行稳定性；螺旋桨***设置涵道，降低飞行噪音，并提高了多旋翼飞行器的飞行安全性。

从以上所述的内容，该多旋翼飞行器具有结构简单、飞行安全性高、飞行稳定性好、具有较高的故障冗余度，可较好的适用于载人、载物等多用途飞行。

附图说明

图1所示为本发明第一实施例中多旋翼飞行器的立体示意图

图2所示为本发明第一实施例中多旋翼飞行器的***示意图

图3所示为本发明第一实施例中带偏转舵的涵道升力风扇模组的***示意图

图4所示为本发明第一实施例中多旋翼飞行器机身组件的立体示意图

图5所示为本发明第二实施例中多旋翼飞行器的立体示意图

图中所述：机架1、动力模块2、飞行控制模块3、载荷舱4、起落架5、螺旋桨6、螺旋桨驱动单元7、涵道8、导流舵驱动单元9、导流舵10

具体实施方案

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1和图2所示，多旋翼飞行器包括机架1、动力模块2、飞行控制模块3、载荷舱4、起落架5、螺旋桨6、螺旋桨驱动单元7、涵道8、导流舵驱动单元9、导流舵10。

参图4所示，动力模块2、飞行控制模块3、载荷舱4、起落架5均安装于机架1上，构成多旋翼飞行器机身组件。

参图3所示，螺旋桨6、螺旋桨驱动单元7、涵道8、导流舵驱动单元9、导流舵10一起构成带偏转舵的涵道升力风扇模组，螺旋桨6由螺旋桨驱动单元7驱动并安装在涵道8内，导流舵10由导流舵驱动单元9驱动并安装在螺旋桨6出风侧。本发明并不限定导流舵10必须位于螺旋桨6的出风侧，比如也可为位于螺旋桨6的进风侧。

本实施例共有4个带偏转舵的涵道升力风扇模组，4个带偏转舵的涵道升力风扇模组的螺旋桨6优选为2正2反配置，且螺旋桨按照2正、2反的旋向旋转。螺旋桨6的叶片数量本发明并不限定，比如也可以为2个。涵道升力风扇模组的数量本发明并不限定必须为4个，且本发明也并不限定每个涵道升力风扇模组都必须配置导流舵10和导流舵驱动单元9。

本实施例4个带偏转舵的涵道升力风扇模组安装于机架1上。本发明所有涵道升力风扇模组的螺旋桨6的旋转平面可不限于必须为同一平面，且并不限定所有涵道升力风扇模组必须对称布置。

动力模块2为多旋翼飞行器提供动力。本发明并不限定动力模块2必须为电池组，比如也可以为燃油发动机。本实施例选定动力模块2为电池组时，螺旋桨驱动单元7、导流舵驱动单元9可选定为电动机。

飞行控制模块3通过传感器采集多旋翼飞行器的飞行姿态数据，经飞行控制模块3按相应控制算法进行运算，并根据飞行动作的要求，控制各个螺旋桨6的转速和各个导流舵10的偏转角，导流舵的偏转角是指导流舵舵面与涵道升力风扇升力方向的夹角。

载荷舱4可用作载人飞行时的驾驶舱，也可以在载物飞行是用于载物，或者载人载物同时进行。

以下对本实施例中多旋翼飞行器的工作原理进行说明：

多旋翼飞行器飞行动力由所有螺旋桨6提供，通过飞行控制模块3控制各螺旋桨6的转速而产生的升力，维持多旋翼飞行器的前后倾斜、左右倾斜的平衡；由飞行控制模块3控制的所有螺旋桨6产生的升力来平衡飞行器自身重量和外部干扰，实现多旋翼飞行器的上升、下降、悬停动作，并保持多旋翼飞行器在水平面内前后倾斜、左右倾斜的平衡。

多旋翼飞行器的前后飞行，由多旋翼飞行器在水平面内的前倾、后倾时所有螺旋桨6产生的升力与多旋翼飞行器自身重力的合力来驱动。

多旋翼飞行器的左右平飞，由多旋翼飞行器在水平面内的左右倾斜时所有螺旋桨6产生的升力与多旋翼飞行器自身重力的合力来驱动。

由所有螺旋桨6驱动的气流作用于导流舵10产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力的合力距来平衡所有螺旋桨6的自旋力矩和外部干扰，实现多旋翼飞行器左右旋转平衡以及驱动飞行器左右转向。

由所有螺旋桨6驱动的气流作用于导流舵10产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力的合力距来平衡所有螺旋桨6的自旋力矩，螺旋桨6的转速调整不受限于螺旋桨6自旋力矩的平衡，螺旋桨6的转速可按多旋翼飞行器的重心的实时变化而动态调整，多旋翼飞行器的重心不必要求重合于多旋翼飞行器的结构对称中心。

当螺旋桨6的转速一定时，螺旋桨6驱动的气流作用于导流舵10产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力受控于导流舵10的舵面与螺旋桨6驱动的气流方向所形成的偏转角。螺旋桨6的转速与导流舵10的偏转角度由飞行控制模块3根据飞行姿态和飞行要求动态调整，既保证所有螺旋桨6提供满足飞行的升力，又使得螺旋桨6驱动的气流作用于导流舵而产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力的合力距满足平衡所有螺旋桨6的自旋力矩，以及满足多旋翼飞行器的各种飞行动作要求。

通过飞行控制模块3控制所有导流舵10的偏转角，螺旋桨6驱动的气流作用于导流舵10产生的作用力不仅用于控制飞行器左右旋转平衡和驱动飞行器左右转向，还可以为多旋翼飞行器提供额外驱动力，该驱动力与多旋翼飞行器所有螺旋桨6产生的升力、多旋翼飞行器自身重力共同作用，提高了多旋翼飞行器的抗风能力和飞行平稳性。

飞行控制模块3根据传感器数据，按照相关算法运算，控制各螺旋桨6的转速和导流舵10的偏转角，控制和保持多旋翼飞行器的飞行姿态，并根据操作指令实现各种飞行动作。

参图5所示的第二实施例中，导流舵10设置于螺旋桨6的进风侧。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体和操作直接存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均就包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.由带导流舵的涵道升力风扇驱动的多旋翼飞行器，其由飞行器机身以及安装于飞行器机身的多个涵道升力风扇构成，其特征是：涵道升力风扇的数量可为任意个，且全部或部分的涵道升力风扇带有位于涵道升力风扇进风侧或出风侧的导流舵，导流舵舵面与涵道升力风扇升力方向所形成的偏转角可根据飞行控制要求进行动态调整；涵道升力风扇驱动的气流作用于导流舵时，产生垂直于涵道升力风扇升力方向的分力，该分力的大小由涵道升力风扇的螺旋桨转速和导流舵舵面与涵道升力风扇升力方向所形成的偏转角决定；所有的带导流舵的涵道升力风扇驱动的气流作用于导流舵所产生的垂直于涵道升力风扇升力方向的分力的合力距，用于平衡所有涵道升力风扇螺旋桨的自旋力矩，并与涵道升力风扇产生的升力一起驱动多旋翼飞行器。

2.根据权利要求1所述带导流舵的涵道升力风扇，其特征是：主要由螺旋桨、螺旋桨驱动单元、导流舵、导流舵驱动单元、涵道及相关的辅助模块组成；螺旋桨由螺旋桨驱动单元驱动并安装在涵道内；在涵道升力风扇的进风侧或出风侧设置由导流舵驱动单元驱动的导流舵；导流舵舵面与涵道升力风扇升力方向所形成的偏转角可根据飞行控制要求进行动态调整；螺旋桨***的涵道用于提高螺旋桨效率、降低螺旋桨噪音和保护螺旋桨提高飞行安全性。

3.根据权利要求1所述飞行器机身，主要由机架、起落架、动力模块、飞行控制模块、载荷舱等功能模块构成，其中：动力模块不限于必须为电池组；飞行控制模块检测多旋翼飞行器的飞行姿态，并根据飞行控制要求，精确控制各个涵道升力风扇的螺旋桨的转速、导流舵舵面与涵道升力风扇升力方向所形成的偏转角。