CN106542093A

CN106542093A - 高效多旋翼飞行器

Info

Publication number: CN106542093A
Application number: CN201710016976.1A
Authority: CN
Inventors: 刘海涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2017-03-29

Abstract

本发明提出一种高效多旋翼飞行器，将控制动力和控制姿态的旋翼分别单独设置。动力旋翼只负责飞行高度控制，采用大尺寸旋翼低速转动获取更高效率。姿态旋翼负责全面姿态控制，采用小尺寸旋翼快捷变速更灵活省电。本发明的有益效果为：以上措施可以用更少的电量保持更长的续航时间，实现了多旋翼飞行器的高效飞行。

Description

高效多旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及多旋翼飞行器技术领域，特别是涉及一种高效多旋翼飞行器。

背景技术

多旋翼飞行器是一种结构简单、操控灵活、飞行姿态稳定的飞行器。一般常见的有四轴、六轴、八轴等不同种类。得益于近年来微机电、传感器技术的发展，多旋翼飞行器被广泛应用于航模、空中拍摄平台等领域。

以最常见X型布局四轴飞行器为例，多旋翼飞行器控制方法一般为：飞控发出高度控制信号，所有旋翼同步增减转速，飞控发出航向控制信号，处于对角线的两组旋翼分别增减转速，飞控发出俯仰、横滚控制信号，相邻两组旋翼分别增减转速。

多旋翼飞行器通过电池提供动力。其中，传感器、处理器、电机等都需要电池供电，特别是提供动力的电机耗电量最大。局限于目前电池技术发展水平，使用电池为动力的多旋翼飞行器普遍续航时间短、负载能力小，这大大限制了多旋翼飞行器的性能表现和应用领域。为解决多旋翼飞行器续航时间短的缺点，人们考虑许多办法来提高多旋翼飞行器的续航时间，例如：以燃料发动机作为动力，气球作为辅助动力，利用燃料电池等等。但这些方案都有着这样那样的缺点。例如，燃油发动机方案在震动、噪音、响应速度、安全性方面有一定缺陷。燃料电池技术尚不成熟，气球辅助动力体型巨大，受风影响较大。

一般来说旋翼尺寸大且以较低转速运转时飞行效率较高，但快速改变转速较困难，灵活性有缺陷。反之旋翼尺寸小且以较高转速运行时飞行效率较低，但灵活性较高。目前的电池动力多旋翼飞行器，旋翼一般采用同样大小尺寸，无法兼顾大尺寸旋翼的高效与小尺寸旋翼灵活性的优点。

多旋翼飞行器是通过不断快速调整各旋翼转速保持飞行器各种飞行姿态，频繁变速会增加电量消耗降低续航时间，如果旋翼能够以恒定速度旋转或尽量减少变速的频率和幅度会有效降低能耗，延长续航时间。

发明内容

一种高效多旋翼飞行器，包括旋翼机构、起落架、机舱，机舱内安装有飞控箱、电池组、负载舱，其特征在于：

所述旋翼机构包括动力旋翼、动力旋翼电机、动力旋翼支架、姿态旋翼、姿态旋翼电机、姿态旋翼支架，

动力旋翼由动力旋翼电机直联驱动或减速联动，数量为两个或两个以上偶数个，每两个为一组相对于飞行器垂直中轴线对称竖直安装于动力旋翼支架两端且每两个为一组分别采用相同尺寸的正桨和反桨；

姿态旋翼由姿态旋翼电机直联驱动，数量为四个或四个以上偶数个，每两个为一组相对于飞行器垂直中轴线对称分布且同采用相同尺寸正桨或同采用相同尺寸反桨，所有姿态旋翼正桨数量和反桨数量相等，多组间相互交叉不处于同一条直线上；

动力旋翼面积与升力系数的乘积大于姿态旋翼，动力旋翼电机最大功率大于姿态旋翼电机最大功率；

动力旋翼电机与电调信号连接，电调与遥控器接收器信号连接，遥控器接收器与遥控器无线信号连接，遥控器只向动力旋翼电机传递高度控制信号或动力旋翼电机与电调信号连接，电调与飞控箱信号连接，飞控箱只向动力旋翼电机传递高度控制信号；

姿态旋翼电机与电调信号连接，电调与飞控箱信号连接，飞控箱向姿态旋翼电机传递高度、航向、横滚、俯仰控制信号。

进一步的，动力旋翼由动力旋翼电机减速联动的方式包括通过减速齿轮组或减速皮带轮组减速联动。

进一步的，动力旋翼电机KV值小于姿态旋翼电机KV值。

进一步的，动力旋翼采用慢速桨桨型。

与现有技术相比，本发明的高效多旋翼飞行器具有以下特点和优点：

1、本发明的高效多旋翼飞行器，从功能上区分了提供动力的动力旋翼和调整姿态的姿态旋翼。为设计高效多旋翼飞行器带来比较大的自由度。传统多旋翼飞行器各旋翼功能相同，既承担动力功能又承担姿态功能，在选用旋翼尺寸和旋翼电机功率时受限较多。本发明将动力功能和姿态功能区分开可以更优化的实现动力与调整姿态功能。动力旋翼电机因为只定速运转或只参与高度控制不参与航向、俯仰、横滚姿态调整，其转速变化频率和幅度大大下降，可以采用低速大桨的方法获得更高力效，节约电量延长续航时间。同理，调整姿态的姿态旋翼则可以通过小型化，来实现更灵活更省电的效果。

2、本发明的高效多旋翼飞行器，动力旋翼电机KV值较低有利于获得更好的扭矩性能带动尺寸较大的旋翼，获得更高的力效。姿态旋翼电机KV值较高，变速快捷，有利于获得更好的灵活性。

3、本发明的高效多旋翼飞行器，动力旋翼采用慢速桨桨型。慢速桨在低转速下即可实现较大拉力，能发挥出较高效率。这类螺旋桨外侧面积较大也较厚实，桨根较细。采用慢速桨有利于在低转速下获得更高力效，节约耗电量，延长续航时间。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的一种六轴高效多旋翼飞行器的立体图；

图2: 为本发明实施例2的一种八轴高效多旋翼飞行器的示意图；

其中，

1、动力旋翼， 2、动力旋翼电机，3、姿态旋翼支架，4、姿态旋翼，5、姿态旋翼电机，6、机舱，61、飞控箱，62、电池组，63、负载舱，7、起落架，8、动力旋翼支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明予以详细描述。

如图1所示，本实施例1提供一种高效多旋翼飞行器，在起落架7上装配连接有机舱6。机舱6内部安装有飞控箱61、电池组62、负载舱63。机舱6上安装连接有动力旋翼支架8，动力旋翼支架8两端竖直安装有动力旋翼电机2，动力旋翼电机2的旋转轴上安装连接动力旋翼1。动力旋翼数量是2个分别采用尺寸相同的正桨和反桨，提供同向拉力时可以相互抵消对机身的扭矩作用。机舱6上安装连接有姿态旋翼支架3，姿态旋翼支架3外端竖直安装有姿态旋翼电机5，姿态旋翼电机5的旋转轴上安装连接姿态旋翼4。姿态旋翼的数量是4个，两两相对飞行器垂直中轴线对称分布于机身四周，分别采用尺寸相同的正桨和反桨，同对角线姿态旋翼桨型一致。电池组62与飞控箱61经导线电连接。动力旋翼电机2、姿态旋翼电机5经飞控箱61内安装的电调电连接。动力旋翼电机2、姿态旋翼电机5经电调与飞控箱内的飞控信号连接。

高效多旋翼飞行器的主要动力由动力旋翼1提供。动力旋翼1尺寸面积大于姿态旋翼4，动力旋翼电机2最大功率大于姿态旋翼5的最大功率。较大尺寸的旋翼以较低速度旋转有利于获得更高的飞行效率。当飞行器负载恒定时，动力旋翼1提供一个定值拉力等于飞行器总重量，作为主要动力克服飞行器的重力，不参与飞行器、俯仰、横滚、航向姿态调整。飞行器高度、俯仰、横滚、航向飞行姿态由四个姿态旋翼4负责。动力旋翼不参与航向、俯仰、横滚姿态的控制，在飞行过程中转速变化的幅度和频率大大降低，节约了电力。姿态旋翼4尺寸面积较小，选用小功率电机，变速灵活省电。本实施例四个姿态旋翼4控制飞行器姿态的控制逻辑与传统四轴飞行器相同，大大降低飞控开发难度。

下面说明具体控制方法：

一、起飞：

步骤1：遥控器向飞控箱61无线发出起飞命令。

步骤2：飞控箱61向动力旋翼电机2发出定速旋转信号。动力旋翼电机2产生一个定值升力。这个升力优选为恰好等于飞行器重力。

步骤3：飞控箱61向姿态旋翼电机5发出姿态调整命令，包括高度、航向、俯仰、横滚姿态调整信号。

步骤4：飞行器起飞并升到指定高度。

二、悬停

步骤1：遥控器向飞控箱61发出悬停信号。

步骤2：飞控箱61向动力旋翼电机2发出的定速旋转信号维持不变，飞控箱61中姿态传感器感知悬停状态，并向处理器发出状态信号，信号经飞控处理器处理后，向姿态旋翼电机5发出高度、航向、俯仰、横滚姿态调整信号保持悬停。

三、飞行

步骤1：遥控器向飞控箱61发出飞行信号，飞行信号包括前进后退，航向旋转，侧飞横移。

步骤2：飞控箱61向动力旋翼电机2发出的定速旋转信号维持不变。飞控箱61向姿态旋翼电机5发出俯仰信号实现前进后退；发出航向信号，飞行器自旋实现航向旋转功能；发出横滚信号飞行器实现横飞侧移功能。

四、降落

步骤1：遥控器向飞控箱61发出降落命令。

步骤2: 飞控箱61向动力旋翼电机2发出降低高度信号，动力旋翼电机2旋转减速，产生的升力低于飞行器重力。飞控箱61向姿态旋翼电机5发出控制高度、横滚、俯仰，航向信号。飞行器在自身重力和姿态旋翼电机5的控制下降低高度实现降落。

图2：为本发明实施例2的一种八轴高效多旋翼飞行器的示意图。其中四个A旋翼为动力旋翼1，规格为APC公司14*47，动力电机型号4008。四个B旋翼为姿态旋翼4，规格为APC公司11*47，姿态旋翼电机型号4004。

为了进一步验证本发明的优点和高效性，特进行续航时间对比实验。本实验对比两台样机分别为：样机1为传统八轴多旋翼飞行器，样机2为本发明八轴高效多旋翼飞行器。

表1：续航时间数据对比表

实验样机采用同规格电池，起飞重量相同。传统八轴飞行器采用八个相同尺寸的12*45规格螺旋桨和相同规格的电机。本发明八轴高效多旋翼飞行器四个动力旋翼尺寸面积较大，四个旋翼电机功率较大，只负责控制飞行器飞行高度。姿态旋翼负责飞行高度。航向、俯仰、横滚姿态控制。通过表1数据可以看出在同规格电池，同样起飞重量，本发明高效多旋翼飞行器有效延长续航时间50%，进一步验证了本发明的有效性和优越性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高效多旋翼飞行器，包括旋翼机构、起落架、机舱，机舱内安装有飞控箱、电池组、负载舱，其特征在于：

动力旋翼面积与升力系数乘积大于姿态旋翼，动力旋翼电机最大功率大于姿态旋翼电机最大功率；

2.根据权利要求1所述的高效多旋翼飞行器，其特征在于：所述动力旋翼由动力旋翼电机减速联动的方式包括通过减速齿轮组或减速皮带轮组减速联动。

3.根据权利要求1所述的高效多旋翼飞行器，其特征在于：动力旋翼电机KV值小于姿态旋翼电机KV值。

4.根据权利要求1所述的高效多旋翼飞行器，其特征在于：动力旋翼采用慢速桨桨型。