CN109649646A - 一种三维动力飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器设计领域，具体是一种动力机构可以独立改变方向进而实现三维飞行的飞行器，包括中心体（1），第一机架（2），第二机架（3），螺旋桨（4），电机（5），轴承（6），空心轴（7），中心体（1）里面安装有用于飞行器控制的飞行控制组件，中心体（1）两侧用空心轴（7）和轴承连接第一机架（2），第一机架（2）的两侧分别固定有电机（5）和螺旋桨（4），第一机架（2）的两侧用空心轴（7）和轴承（6）连接有第二机架（3）：本发明同现有飞行器相比，结构新颖，设计合理，使飞行器可以在只改变动力方向的情况下向任意方向飞行，实现了目前所有飞行器不能实现的不改变飞行器中心结构的方向而实现三维飞行，大幅提高了飞行器的飞行性能。

Description

一种三维动力飞行器

技术领域

本发明涉及一种航行器，具体涉及一种动力输出方向可以向任意三维方向改变的三维动力飞行器。

背景技术

如今所有飞行器都只是类似结构，飞行器主体与动力结构分离变向不完全。

直升机本质上是不同于飞机的另一种飞行器，其推力、升力和操纵的实现均和飞机有比较大的差距。直升机的突出特点是可以做低空（离地面数米）、低速（从悬停开始）和机头方向不变的机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。

三轴飞行器是能够稳定自身飞行且运用电机最少的可悬停飞行器，没有更多的冗余，可稳定的实行3个方向各相隔120度夹角的水平方向控制，对于竖直方向能够快速地达到位置，相比其他螺旋桨飞行器其飞行的稳定性较弱。六轴飞行器，八轴飞行器相比于四轴飞行器多了更多的冗余电机，增强了其稳定性以至于航拍功能能够更好地实现，相对地失去了灵活翻转等功能。

四旋翼无人机是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置；由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法；四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。多旋翼无人机速度慢，抗风和气流能力差，在大风和乱流中容易偏离航线改变飞行姿态。

虽然航空技术已经能适应绝大多数气象条件，但是风、雨、雪、雾等气象条件仍然会影响飞机的起降安全。飞机只适用于重量轻，时间紧急，航程又不能太近的运输。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种三维动力飞行器，其能够实现上述飞行器所不能实现的三维动力输出，且具有远程运输能力和垂直起降能力。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种三维飞行器，其结构包括：中心体、第一机架、第二机架、驱动电机、螺旋桨及飞行控制组件；其中，第一机架、第二机架为矩形框架结构，所述中心体内置于第一机架，在中心体两侧的对称位置安装有轴承，且通过可旋转的空心轴与第一机架的一组对边进行连接；在第一机架的另一组对边中间位置设置有十字机架[u1] ，在机架边中间位置安装有一组驱动电机，驱动电机组上对应安装有螺旋桨；在十字机架的外侧通过可旋转的空心轴、轴承与第二机架的一组对边进行连接；在第二机架的另一组对边中间位置设置有十字机架，十字机架的中间位置设置有一组驱动电机，驱动电机组上对应安装有螺旋桨；所述轴承与中心体及机架、轴承与空心轴和空心轴与机架连接的配合方式均为过盈配合；所述第一机架与第二机架上对称安装的两组驱动电机呈十字分布；每组驱动电机包括两个驱动电机，两个驱动电机一正一反安装在同一位置的正、反面上。

所述三维飞行器通过电线连接飞行控制组件与驱电机动[u2] ，电线通过中心体与第一机架连接处通过空心轴通向第一机架，电线通过第一机架线路凹槽通向驱动电机；电线顺着线路凹槽到达第一机架与第二机架连接处，通过第一机架外侧空心轴通向第二机架，再通过第二机架线路凹槽通向驱动电机。

所述三维飞行器的飞行控制组件包括电池、主控器、传感器、摄像头、GPS模块及陀螺仪，以控制整个飞行；其中电池、主控器、传感器、GPS模块及陀螺仪设置于中心体内，摄像头安装在中心体的一侧，且所述摄像头中心在中心体两侧轴承中心连线的中垂面上。

所述第一机架或第二机架在不改变中心体的方向下实现二维动力输出实现二维飞行，第一机架和第二机架共同输出三维动力实现三维飞行,为实现三维飞行至少需要两个机架，而三维飞行器机架的旋转是通过控制每个机架上两个电机的转速不同实现的。

所述三维飞行器，以中心体1与第一机架2连接的空心轴轴线中点为坐标原点o，0°水平方向（即上述轴线方向）为x轴，90°水平方向为y轴，垂直方向为z轴建立三维坐标系；第一机架可绕x轴360°旋转，第一机架可在yoz平面内的任意方向实现动力输出，由于在第一机架旋转的同时第一机架和第二机架连接轴轴线在yoz平面内旋转；以第一机架水平时为例，第二机架绕y轴旋转，第二机架可以在xoz平面内的任意方向实现动力输出；第一机架和第二机架共同转动时，第二机架可以向任意方向提供动力，综合可实现三维飞行，且无论在何种飞行状态下此飞行器的重心始终在坐标原点正下方。

当机架只有1个时，在中心体1不改变方向的情况下可以在中心体的两个空心轴轴线的中垂面上实现二维飞行，当机架数量>=2时即可实现三维飞行，其中第一机架上的电机和螺旋桨的数量至少为0组，第二机架至少为2组，在此以机架数量为2个每个机架上的电机和螺旋桨数量为2组为例。其中，中心体1与第一机架2的连接方式如附图3，第一机架2与第二机架3的连接方式同上，其中两对轴的轴线在同一平面内且互相垂直。

本发明的有益效果是：飞行器结构简单，操作便捷，具有远程运输能力和垂直起降能力；能够在只改变动力机构的方向的情况下，实现任意方向的动力输出，任意机架都可以在轴线的中垂面内的任意方向输出动力，第一机架和第二机架所在轴线共面且互相垂直，因此可实现在只改变动力机构的情况下实现三维飞行。

附图说明

图1是三维飞行器立体结构图；

图2是轴承连接图；

图3是螺旋桨安装示意图；

图4是第一机架随机旋转图；

图5是第二机架随机旋转图；

图6是机架转动原理演示图；

图中：1、中心体；2、第一机架；3、第二机架；4、螺旋桨；5、驱动电机6、轴承；7、空心轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1、2所示，本发明提供了一种飞行器，其结构包括中心体1、第一机架2、第二机架3、螺旋桨4、驱动电机5、飞行器控制组件机架能源组件；其中，第一机架2、第二机架3为矩形框架结构，中心体1内置于第一机架2，在中心体1两侧的对称位置安装有轴承6，且通过可旋转的空心轴7与第一机架2的一组对边进行连接，轴承6的可旋转性使得第一机架2可以绕着轴旋转360°；第一机架2的另一组对边设置有十字结构，十字结构外设置有圆环形结构，在机架对边十字结构的中间位置安装有一组驱动电机5，驱动电机5组上对应安装有螺旋桨4，第一机架2对称位置安装的两组电机5及螺旋桨4提供的动力不仅可以提供动力，还可以利用转速差实现旋转；在十字机架的外侧通过可旋转的空心轴7、轴承6与第二机架3的一组对边进行连接；在第二机架3的另一组对边中间位置设置有十字机架，十字机架的中间位置设置有一组驱动电机5，驱动电机5上对应安装有螺旋桨4，同理第二机架实现360°旋转和动力输出；所述第一机架2与第二机架3上对称安装的两组驱动电机5呈十字分布；每组驱动电机5包括两个驱动电机5，两个驱动电机5一正一反安装在同一位置的正、反面上，驱动电机5上分别安装有螺旋桨4，安装在驱动电机5上的螺旋桨4的方向都向上以保证动力的输出向上，如附图3所示，两个螺旋桨4及其电机5工作时具有相同的转速和相反的旋转方向，上下两个螺旋桨4及其电机5旋转时所产生的扭矩相反且等大。

维飞行器通过电线连接飞行控制组件与电机，电线通过中心体1与第一机架2连接处通过空心轴7通向第一机架2，电线通过第一机架2的线路凹槽通向驱动电机5；电线顺着线路凹槽到达第一机架2与第二机架3连接处，通过第一机架2外侧的空心轴7通向第二机架3，再通过第二机架3的线路凹槽通向驱动电机5。

以中心体1与第一机架2连接的空心轴轴线中点为坐标原点o，0°水平方向（即上述轴线方向）为x轴，90°水平方向为y轴，垂直方向为z轴建立三维坐标系，则第一机架2可绕x轴360°旋转，第一机架2可以在yoz平面内的任意方向实现动力输出，随机状态如附图4所示；由于在第一机架2旋转的同时第一机架2和第二机架3连接轴轴线在yoz平面内旋转，所以以第一机架2水平时为例，第二机架3绕y轴旋转，第二机架3可以在xoz平面内的任意方向实现动力输出，随机状态如附图5；所以第一机架2和第二机架3共同转动时第二机架3可以向任意方向提供动力，综合可实现三维飞行，且无论在何种飞行状态下此飞行器的重心始终在坐标原点正下方。

本发明中用到的电机5和机架之间用螺栓和螺母连接，其中螺杆直径为3mm，长度为30mm，螺母用匹配的防松螺母以防脱落，保证其优良的飞行性能，其中的机架转动由机架两端的四个电机提供的动力F1和F2不同的大小来实现，如附图6所示，其中以x轴，y轴，z轴正向及一个随机方向为例展示其飞行状态，向x轴方向飞行时，飞行器第一机架2绕y轴向x轴旋转以保证整个飞行器向x轴的分力，同理向y轴飞行时第二机架3绕y轴旋转，向轴飞行时则保持机架水平，总之要实现任意方向的飞行，就必须让飞行器所受合力可以指向任意方向，第一机架1可绕x轴360°旋转，即第一机架2可以在yoz平面内的任意方向实现动力输出，第二机架3绕y轴旋转，第二机架3可以在xoz平面内的任意方向实现动力输出，所以第一机架2和第二机架3共同转动时第二机架3可以向任意方向提供动力，综合可实现三维飞行。

本发明不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离其发明的精神实质与原理下所做的改变，修饰，替代，组合，简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维飞行器，其特征在于：结构包括：中心体、第一机架、第二机架、驱动电机、螺旋桨、飞行控制组件及能源组件；其中，第一机架、第二机架为矩形框架结构，所述中心体内置于第一机架，在中心体两侧的对称位置安装有轴承，且通过可旋转的空心轴与第一机架的一组对边进行连接；在第一机架的另一组对边中间位置设置有十字机架，在机架两边中间位置安装有两组驱动电机，驱动电机组上对应安装有螺旋桨；在十字机架的外侧通过可旋转的空心轴、轴承与第二机架的一组对边进行连接；在第二机架的另一组对边中间位置设置有十字机架，十字机架的中间位置分别设置有两组驱动电机，驱动电机组上对应安装有螺旋桨；所述轴承与中心体及机架、轴承与空心轴和空心轴与机架连接的配合方式均为过盈配合；

所述第一机架与第二机架上对称安装的两组驱动电机呈十字分布；每组驱动电机包括两个驱动电机，两个驱动电机一正一反安装在同一位置的正、反面上；

所述螺旋桨在同一机架上的安装方向相同；

所述飞行控制组件及能源组件设置于中心体内；

所述第一机架与第二机架上设有线路凹槽。

2.如权利要求1所述的一种三维飞行器，其特征在于：所述的每一组驱动电机的转速都分别相同，且旋转方向总是相反。

3.如权利要求1所述的一种三维飞行器，其特征在于：所述三维飞行器通过电线连接飞行控制组件与驱动电机，电线通过中心体与第一机架连接处通过空心轴通向第一机架，电线通过第一机架线路凹槽通向驱动电机；电线顺着线路凹槽到达第一机架与第二机架连接处，通过第一机架外侧空心轴通向第二机架，再通过第二机架线路凹槽通向驱动电机。

4.如权利要求1所述的一种三维飞行器，其特征在于：所述三维飞行器的飞行组件飞行组件包括电池、主控器、传感器、摄像头、GPS模块及陀螺仪；其中电池、主控器、传感器、GPS模块及陀螺仪设置于中心体内，摄像头安装在中心体的任意一侧，且所述摄像头中心在中心体两侧轴承中心连线的中垂面上。

5.如权利要求1所述的一种三维飞行器，其特征在于：以中心体1与第一机架2连接的空心轴轴线中点为坐标原点o，0°水平方向，即上述轴线方向为x轴，90°水平方向为y轴，垂直方向为z轴建立三维坐标系，则第一机架可绕x轴360°旋转，即第一机架可以在yoz平面内的任意方向实现动力输出，由于在第一机架旋转的同时第一机架和第二机架连接轴轴线在yoz平面内旋转，以第一机架水平时为例，第二机架绕y轴旋转，第二机架可以在xoz平面内的任意方向实现动力输出，所以第一机架和第二机架共同转动时第二机架可以向任意方向提供动力，实现三维飞行，且无论在何种飞行状态下此飞行器的重心始终在坐标原点正下方。