CN107399429B - 一种双旋翼碟形无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双旋翼蝶形无人机，属于飞行器技术领域。该无人机由机体、上旋翼、下旋翼、传动系、舵控系、定位轮系等组成。上旋翼位于机体上部，下旋翼位于机体下部，传动系的主动轮和舵控系的舵叶都位于上、下旋翼之间，主动轮直接与上下旋翼的碟盘接触，定位轮系分布在碟盘的圆周上，保持上下旋翼与主动轮的接触压力并绕机体中心转动。传动系的主动轮驱动上旋翼和下旋翼作等速反向旋转产生无人机所需的推力，舵机改变舵叶的初始方位，从而改变推力的大小分布和方向。该双旋翼蝶形无人机机体前后的推力大小和方向可以独立灵活调节，机动性能强，有利于复杂空间的飞行和起降控制。

Description

一种双旋翼碟形无人机

技术领域

本发明属于旋翼飞行器技术领域，具体涉及一种双旋翼碟形无人机。

背景技术

旋翼飞行器是通过旋翼的主动运动产生升力和机动性控制的飞行器，它比固定翼飞机具有更强的机动性，起飞和降落不需要跑道，可以垂直起降、低速飞行或悬停，适应在复杂的空间中飞行。一般的旋翼直升机旋翼悬臂长度大，承载能力小，飞行阻力大，且需要尾翼和复杂的桨距控制机构来控制飞行器的空中姿态和机动性，结构复杂、造价高。公知的一种双旋翼无人机(CN106428543A)利用机械陀螺仪的原理将一对旋翼作为转子铰接于内框架，内框架与外框架铰接，外框架与无人机的机身铰接，通过控制旋翼绕两个铰接轴旋转及调整旋翼转速达到机动性控制的目的。由于其框架外形大，控制***的惯量大，控制灵敏性较差。

发明内容

为了克服现有旋翼飞行器旋翼控制机构复杂、旋翼悬臂长度大，承载能力小，飞行阻力大等不足，本发明提供了一种双旋翼碟形无人机，以期该无人机具有传动机构简单、控制机构占用空间小，机身前后的气动力大小和方向都可灵活调节等特点，能实现垂直升降、水平前进与后退、空中悬停、灵活转向等功能。

本发明所提供的一种双旋翼碟形无人机包括：

机身17、支座20、上翼片16、下翼片2、上碟盘18、下碟盘25、左传动系31、右传动系29、前舵控系28、后舵控系30、定位轮系27；所述机身17与n个支座20固定连接形成轴对称的机体，支座20的轴线垂直于机身的轴线，支座20均匀分布在机身17的外圆周上且支座轴线位于同一平面；所述上翼片16与上碟盘18的底板连接形成转动副，转动副的轴线平行于上碟盘18的轴线而垂直于上翼片16的回转平面，上翼片16沿上碟盘18的圆周均匀分布，形成无人机的上旋翼；所述下翼片2与下碟盘25的底板连接形成转动副，转动副的轴线平行于下碟盘25的轴线而垂直于下翼片2的回转平面，下翼片2沿下碟盘25的圆周均匀分布，形成无人机的下旋翼；所述上碟盘18位于机身17的上部，上碟盘18的轴线与机身17的轴线重合，上碟盘18的底板在上而它的碟口面板在下；所述下碟盘25位于机身17的下部，下碟盘25的轴线与机身17的轴线重合，下碟盘25的底板在下而它的碟口面板在上；所述左传动系31和右传动系29均位于上碟盘18和下碟盘25之间，对称安装在机体的两侧，两者的结构组成相同，统称为传动系；该传动系的主动轮7同时与上碟盘18和下碟盘25的碟口面板正面接触；所述前舵控系28和后舵控系30均位于上碟盘18和下碟盘25之间，对称安装在机体的前后，两者的结构组成相同，统称为舵控系；该舵控系的承载轮24同时与上碟盘18和下碟盘25的碟口面板正面接触，舵控系的舵叶22悬臂伸出机体外；所述定位轮系27位于上翼片16和下翼片2之间，n个定位轮系沿机体圆周均匀分布，分别与支座20连接的主动轴8和定轴23铰接；该定位轮系的上压轮15与上碟盘18的碟口面板反面接触，其下压轮3与下碟盘25的碟口面板反面接触；定位轮系的上定心轮12与上碟盘18的碟口面板外圆接触，定位轮系的下定心轮6与下碟盘25的碟口面板外圆接触。

所述支座20和定位轮系27的数量n≥4。

所述的左传动系31和右传动系29的组成及零件结构完全相同，统称为传动系；该传动系主要包括主电机1、主动轴8、主动轮7，三者的轴线重合；主动轴8与支座20的孔形成转动副并与主动轮7固定连接，主动轴8的一端中心孔***主电机的输出轴并固定连接，主动轴8的另一端与定位轮系的支架11铰接并用挡圈9和垫圈10进行轴向定位；主电机1与机身17固定连接。

所述的前舵控系28和后舵控系30的组成及零件结构完全相同，统称为舵控系；该舵控系主要包括舵机19、定轴23、承载轮24、转轴21、舵叶22等，它们的轴线重合；定轴23与支座20的孔过盈配合并与承载轮24形成转动副，轴端与定位轮系的支架11铰接并用挡圈9和垫圈10进行轴向定位；转轴21穿过定轴23的中心孔形成转动副，一端与舵机19的输出轴固定连接，另一端与舵叶22固定连接。

所述的定位轮系27包括上压轮3、下轮架4、弹力带5、下定心轮6、支架11、上定心轮12、销13、上轮架14、上压轮15，所述支架11是关于中心孔上下对称的，其上部光轴和下部光轴的轴线重合并与其中心孔的轴线垂直，在上部光轴和下部光轴上设有上下对称的横向销孔并与销13固定连接，支架11的中心孔与所述的定轴23或主动轴8间隙配合形成铰接；所述上定心轮12和上部光轴间隙配合形成转动副，同时与上碟盘18的外圆面接触；所述下定心轮6和下部光轴间隙配合形成转动副，同时与下碟盘25的外圆面接触；所述上轮架14位于上定心轮12的上方，其空套在上部光轴上，销13的伸出端与上轮架14的缺口接触形成沿轴线可调节的移动副，上轮架14的轴径与上压轮15连接形成转动副，上压轮15的转动轴线与支架11的中心孔轴线平行；所述下轮架4位于下定心轮6的下方，其空套在下部光轴上，销13的伸出端与下轮架4的缺口接触形成沿轴线可调节的移动副，下轮架4的轴径与下压轮3连接形成转动副，下压轮3的转动轴线与支架11的中心孔轴线平行；所述弹力带5连接上轮架14和下轮架4平衡上压轮15和下压轮3产生的接触力。

所述上旋翼安装的上翼片16数量和下旋翼安装的下翼片2数量m相同，m≥4，且上翼片16和下翼片2的旋向相反。

所述舵叶22是关于其回转轴线对称的矩形平板，轴向长度小于径向宽度。

左传动系31和右传动系29的主电机1直接通过主动轴8驱动主动轮7转动，机体两侧的两个主动轮转速相同而转向相反；主动轮在定位轮系27的上下压轮作用下依靠主动轮与上下碟盘的附着力驱动上下旋翼转动，同时上下碟盘在定位轮系27的上下定心轮的作用下绕固定的轴线转动；上下旋翼的等速反向转动只产生无人机机体轴向的的推力，改变电机转速可调节推力大小。由于机体上下两个旋翼的螺旋角相同而旋向相反，因此上下旋翼产生的气动推力叠加使推力更大。

前舵控系28和后舵控系30的舵机直接通过转轴带动舵叶转动，改变机体前后舵叶的初始方位，从而改变机体前后的局部推力大小和方向。由于舵叶关于其转轴对称，工作负载小，且传动机构转动惯量小，因此，所述局部推力大小和方向调节灵敏，反应快，操作轻便。

由于上下旋翼等运动构件的轴对称性，转动件的离心力自平衡，机体上下的气动力偶矩也相互平衡以及高速旋翼的陀螺效应，无人机整体具有自动保持空间方位稳定的能力。机身上、下表面与上、下碟盘的表面形成扁平的飞碟外形，有利于减小流体阻力并提高升力。

当机体轴线铅锤时，前后舵叶的初始方位为0°(图2所示后舵叶的状态)，推力的合力作用点位于机体重心的上方，改变推力大小能够实现无人机的平稳升降。当无人机平稳上升至一定高度时，前、后舵机单独工作使舵叶快速转动90°，待机体前后的推力变化使机体前倾或后倾一定的角度后舵叶快速复位，由此产生推动机体向前或向后的分力使无人机前进或后退。如果机体前后的舵叶同时偏转角小于90°，前、后舵叶会形成转向力偶矩，使无人机产生转向运动。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、上旋翼和下旋翼的圆周上翼片数量多，翼片的转动半径大而悬臂小，适应转速高，能产生的升力大；同时运动构件结构对称，动平衡性能好。

2、上旋翼和下旋翼构造简单，上、下碟盘的刚性大且支承点多，结构的承载能力大。

3、上旋翼和下旋翼转动的传动机构简单，适应环境能力强；前后舵叶控制机构简单，控制力矩小，机动性控制灵敏。

附图说明

图1是双旋翼碟形无人机的主视装配示意图。

图2是双旋翼碟形无人机的俯视装配示意图。

图3是图1中A部位双旋翼碟形无人机传动系及定位轮系的放大图。

图4是图1中B部位双旋翼碟形无人机舵控系及定位轮系的放大图。

图中：1.主电机、2.下翼片、3.下压轮、4.下轮架、5.弹力带、6.下定心轮、7.驱动轮、8.主动轴、9.挡圈、10.垫圈、11.支架、12.上定心轮、13.销、14.上轮架、15.上压轮、16.上翼片、17.机身、18.上碟盘、19.舵机、20.支座、21.转轴、22.舵叶、23.定轴、24.承载轮、25.下碟盘、26.联接螺钉、27.定位轮系、28.前舵控系、29.右传动系、30.后舵控系、31.左传动系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于下述实施例。

图1是双旋翼碟形无人机的主视装配示意图。4个结构相同的上翼片16通过联接螺钉26与上碟盘18连接形成上旋翼，4个结构相同的下翼片2通过联接螺钉26与下碟盘25连接形成下旋翼；机身17与4个支座20用螺钉固定连接形成轴对称的机体，支座20均匀分布在机身17的外圆周上且支座轴线位于同一平面；机身17的下部设有支撑架，无人机可平稳地接触地面。

图2是双旋翼碟形无人机的俯视装配示意图。4组结构组成相同的定心轮系27均匀分布在机体的圆周上，左传动系31和右传动系29结构相同并对称安装在机体的两侧，前舵控系28和后舵控系30结构相同并对称安装在机体的前后。

图3是双旋翼碟形无人机传动系及定位轮系的放大图A。主电机1、主动轴8和主动轮7直接连接形成传动系，三者的轴线重合，主动轴8与支座20的孔形成转动副并与主动轮7过盈联接，主动轴8的一端中心孔***主电机的输出轴并用螺钉固定连接，主动轴8的另一端与定位轮系的支架11铰接并用挡圈9和垫圈10进行轴向定位；主电机1与机身17通过螺钉固定连接。

由上压轮3、下轮架4、弹力带5、下定心轮6、支架11、上定心轮12、销13、上轮架14、上压轮15等组成定位轮系27，所述支架11的中心孔与所述的定轴23或主动轴8间隙配合形成铰接；上定心轮12和支架11的上部光轴间隙配合形成转动副，同时与上碟盘18的外圆面接触；下定心轮6和支架11的下部光轴间隙配合形成转动副，同时与下碟盘25的外圆面接触；上轮架14与支架11的上部光轴间隙配合并与上部光轴固定连接的销13接触；上轮架14的轴径与上压轮15连接形成转动副，轴端用挡板和螺钉定位；下轮架4与支架11的下部光轴间隙配合并与下部光轴固定连接的销13接触；下轮架4的轴径与下压轮3连接形成转动副，轴端用挡板和螺钉定位；弹力带5连接上轮架14和下轮架4平衡上压轮15和下压轮3产生的接触力。

左传动系31和右传动系29的主电机1直接通过主动轴8驱动主动轮7转动，机体两侧的两个主动轮转速相同而转向相反；主动轮在定位轮组27的上下压轮作用下依靠主动轮与上下碟盘的附着力驱动上下旋翼转动，同时上下碟盘在定位轮系27的上下定心轮的作用下绕固定的轴线转动；上下旋翼的等速反向转动只产生无人机机体轴向的的推力，改变电机转速可调节推力大小。

图4是双旋翼碟形无人机舵控系及定位轮系的放大图B。由舵机19、定轴23、承载轮24、转轴21、舵叶22等组成舵控系，它们的轴线重合；定轴23与支座20的孔过盈配合并与承载轮24形成转动副，定轴23轴端与定位轮系的支架11铰接并用挡圈9和垫圈10进行轴向定位；转轴21穿过定轴23的中心孔形成转动副，一端与舵机19的输出轴固定连接，另一端与舵叶22固定连接。

前舵控系28和后舵控系30的舵机直接通过转轴带动舵叶转动，改变机体前后舵叶的初始方位，从而改变机体前后的局部推力大小和方向。当机体轴线铅锤时，前后舵叶的初始方位为0°(图2所示后舵叶的状态)，推力的合力作用点位于机体重心的上方，改变推力大小能够实现无人机的平稳升降。当无人机平稳上升至一定高度时，前、后舵机单独工作使舵叶快速转动90°，待机体前后的推力变化使机体前倾或后倾一定的角度后舵叶快速复位，由此产生推动机体向前或向后的分力使无人机前进或后退。如果机体前后的舵叶同时偏转角小于90°，前、后舵叶会形成转向力偶矩，使无人机产生转向运动。

Claims (6)

1.一种双旋翼碟形无人机，其特征在于，该无人机包括机身(17)、支座(20)、上翼片(16)、下翼片(2)、上碟盘(18)、下碟盘(25)、左传动系(31)、右传动系(29)、前舵控系(28)、后舵控系(30)、定位轮系(27)；所述机身(17)与n个支座(20)固定连接形成轴对称的机体，支座(20)的轴线垂直于机身的轴线，支座(20)均匀分布在机身(17)的外圆周上且支座轴线位于同一平面；所述上翼片(16)与上碟盘(18)的底板连接形成转动副，转动副的轴线平行于上碟盘(18)的轴线而垂直于上翼片(16)的回转平面，上翼片(16)沿上碟盘(18)的圆周均匀分布，形成无人机的上旋翼；所述下翼片(2)与下碟盘(25)的底板连接形成转动副，转动副的轴线平行于下碟盘(25)的轴线而垂直于下翼片(2)的回转平面，下翼片(2)沿下碟盘(25)的圆周均匀分布，形成无人机的下旋翼；所述上碟盘(18)位于机身(17)的上部，上碟盘(18)的轴线与机身(17)的轴线重合，上碟盘(18)的底板在上而它的碟口面板在下；所述下碟盘(25)位于机身(17)的下部，下碟盘(25)的轴线与机身(17)的轴线重合，下碟盘(25)的底板在下而它的碟口面板在上；所述左传动系(31)和右传动系(29)均位于上碟盘(18)和下碟盘(25)之间，对称安装在机体的两侧，两者的结构组成相同，统称为传动系；该传动系的主动轮(7)同时与上碟盘(18)和下碟盘(25)的碟口面板正面接触；所述前舵控系(28)和后舵控系(30)均位于上碟盘(18)和下碟盘(25)之间，对称安装在机体的前后，两者的结构组成相同，统称为舵控系；该舵控系的承载轮(24)同时与上碟盘(18)和下碟盘(25)的碟口面板正面接触，舵控系的舵叶(22)悬臂伸出机体外；所述定位轮系(27)位于上翼片(16)和下翼片(2)之间，n个定位轮系(27)沿机体圆周均匀分布，分别与支座(20)连接的主动轴(8)和定轴(23)铰接；该定位轮系的上压轮(15)与上碟盘(18)的碟口面板反面接触，其下压轮(3)与下碟盘(25)的碟口面板反面接触；定位轮系的上定心轮(12)与上碟盘(18)的碟口面板外圆接触，定位轮系的下定心轮(6)与下碟盘(25)的碟口面板外圆接触；所述支座(20)和定位轮系(27)的数量n≥4。

2.根据权利要求1所述的一种双旋翼碟形无人机，其特征在于，所述的传动系包括主电机(1)、主动轴(8)、主动轮(7)，三者的轴线重合；所述主动轴(8)与支座(20)的孔形成转动副并与主动轮(7)固定连接，主动轴(8)的一端中心孔***主电机(1)的输出轴并固定连接，主动轴(8)的另一端与定位轮系的支架(11)铰接并用挡圈(9)和垫圈(10)进行轴向定位；所述主电机(1)与机身(17)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种双旋翼碟形无人机，其特征在于，所述的舵控系包括舵机(19)、定轴(23)、承载轮(24)、转轴(21)、舵叶(22)，它们的轴线重合；所述定轴(23)与支座(20)的孔过盈配合并与承载轮(24)形成转动副，轴端与定位轮系的支架(11)铰接并用挡圈(9)和垫圈(10)进行轴向定位；所述转轴(21)穿过定轴(23)的中心孔形成转动副，转轴(21)一端与舵机(19)的输出轴固定连接，另一端与舵叶(22)固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种双旋翼碟形无人机，其特征在于，所述的定位轮系(27)包括上压轮(3)、下轮架(4)、弹力带(5)、下定心轮(6)、支架(11)、上定心轮(12)、销(13)、上轮架(14)、上压轮(15)，所述支架(11)是关于中心孔上下对称的，其上部光轴和下部光轴的轴线重合并与其中心孔的轴线垂直，在上部光轴和下部光轴上设有上下对称的横向销孔并与销13固定连接，支架(11)的中心孔与所述的定轴(23)或主动轴(8)间隙配合形成铰接；所述上定心轮(12)和上部光轴间隙配合形成转动副，同时与上碟盘(18)的外圆面接触；所述下定心轮(6)和下部光轴间隙配合形成转动副，同时与下碟盘(25)的外圆面接触；所述上轮架(14)位于上定心轮(12)的上方，其空套在上部光轴上，销13的伸出端与上轮架(14)的缺口接触形成沿轴线可调节的移动副，上轮架(14)的轴径与上压轮(15)连接形成转动副，上压轮(15)的转动轴线与支架(11)的中心孔轴线平行；所述下轮架(4)位于下定心轮(6)的下方，其空套在下部光轴上，销13的伸出端与下轮架(4)的缺口接触形成沿轴线可调节的移动副，下轮架(4)的轴径与下压轮(3)连接形成转动副，下压轮(3)的转动轴线与支架(11)的中心孔轴线平行；所述弹力带(5)连接上轮架(14)和下轮架(4)平衡上压轮(15)和下压轮(3)产生的接触力。

5.根据权利要求1所述的一种双旋翼碟形无人机，其特征在于，所述上旋翼安装的上翼片(16)数量和下旋翼安装的下翼片(2)数量m相同，m≥4，且上翼片(16)和下翼片(2)的旋向相反。

6.根据权利要求1所述的一种双旋翼碟形无人机，其特征在于，所述舵叶(22)是关于其回转轴线对称的矩形平板，其轴向长度小于径向宽度。