CN110127037A - 一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器 - Google Patents

一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，包括机体、可折叠螺旋桨机构和可折叠格栅翼机构；机体为柱状结构；可折叠螺旋桨机构包括驱动电机和可折叠螺旋桨；可折叠螺旋桨采用多片可折叠式桨叶，携带过程桨叶向下折叠至与机体平行位置，工作时驱动电机桨叶旋转，桨叶展开并保持在与机体垂直的工作位置；可折叠格栅翼机构包括驱动机构和可折叠格栅翼，携带过程格栅翼向上折叠至与机体平行位置，工作时格栅翼展开并保持在与机体垂直的工作位置；驱动机构能够带动格栅翼绕其展向轴线旋转。相比于多轴飞行器，本发明的飞行器电机只需一个，桨叶和格栅翼折叠后小巧便携，并可方便从发射筒发射或飞机携带投放。

Description

一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器
技术领域
本发明涉及垂直起降飞行器领域，具体为一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器。
背景技术
近些年来，随着微机电控制技术的发展，多轴飞行器因其结构简单和价格低廉等特点得到了广泛的发展和应用。为避免多个螺旋桨之间的相互干扰以及提供足够的控制力矩，多轴飞行器在布局上要将多个由电机带动的螺旋桨向外相隔一定距离进行布置，因此，虽然飞行器机体不大，但因为安装有电机和螺旋桨的机臂向外伸展，从而造成飞行器整体体积较大，给包装携带带来了极大的不便。
大疆“御”系列无人机将螺旋桨及安装了螺旋桨和电机的机臂在水平方向折叠并贴近机身，从而减小了携带时的体积，但活动结构较多，且为避免多次折叠后安装间隙的出现和扩大，对折叠机构的加工和装配精度提出很高要求。
专利201610218132.0公布了一种带折叠机臂的便携式无人机方案，其机身为柱形，机臂向下折叠至与机身平行位置，从而减小了携带时的体积，但同样要求折叠机构具有较高的加工和装配精度。
专利201611021801.1公布了一种柱状共轴双桨布局的微型无人机，利用顶部电机驱动的共轴反向旋转的双螺旋桨提供升力，通过倾转安装在万向悬架上驱动电机进行姿态控制。螺旋桨桨叶可向下折叠，无人机可以储存在发射管中，易于部署和释放。双螺旋桨之间相互干扰严重，效率降低，倾转重量较大的电机及螺旋桨等需要具有较大驱动力的舵机。
发明内容
为解决现有多轴及其它螺旋桨驱动的垂直起降无人机体积大不方便携带的问题，本发明提出了一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器。
本发明的技术方案为：
所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：包括机体、可折叠螺旋桨机构和可折叠格栅翼机构；
所述机体为柱状结构，内部容纳包括飞行控制器、任务载荷和动力电池；
所述可折叠螺旋桨机构包括驱动电机和可折叠螺旋桨；所述驱动电机固定安装在机体顶部，驱动电机上部固定安装有带整流罩的螺旋桨桨毂头；所述可折叠螺旋桨采用多片可折叠式桨叶，桨叶内端与桨毂头铰链配合，在携带过程中，桨叶向下折叠至与机体平行位置，工作时驱动电机桨叶旋转，桨叶展开并保持在与机体垂直的工作位置；
所述可折叠格栅翼机构包括驱动机构和可折叠格栅翼；多个可折叠格栅翼沿机体周向均匀分布安装在机体底部侧面，格栅翼内端与机体底部侧面铰链配合，在携带过程中，格栅翼向上折叠至与机体平行位置，工作时格栅翼展开并保持在与机体垂直的工作位置；所述驱动机构能够带动格栅翼绕其展向轴线旋转。
进一步的优选方案，所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：桨叶内端与桨毂头铰链配合，工作时驱动电机桨叶旋转，桨叶在离心力的作用下展开并保持在与机体垂直的工作位置。
进一步的优选方案，所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：所述驱动机构安装在机体底部，驱动机构的输出轴上安装有圆形法兰盘，圆形法兰盘嵌入在机体底部侧面，且能够在驱动机构的输出轴带动下绕输出轴轴线转动；圆形法兰盘外表面上安装有带锁定结构的铰链机构，格栅翼内端与带锁定结构的铰链机构配合，在携带过程中，格栅翼向上折叠至与机体平行位置，工作时格栅翼展开至与机体垂直的工作位置并锁定，且能够随圆形法兰盘整体绕驱动机构的输出轴轴线转动。
进一步的优选方案，所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：驱动机构的输出轴轴线垂直并通过机体中心轴线。
进一步的优选方案，所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：飞行器重心位于靠近可折叠螺旋桨机构的机体上部。
有益效果
相比于多轴飞行器，本发明的飞行器电机数量小，只需一个，桨叶和格栅翼折叠后小巧便携，并可方便从发射筒发射或飞机携带投放。并且螺旋桨直径大，桨盘载荷小，飞行效率高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1实施例一螺旋桨和格栅翼折叠收纳状态示意图；
图2实施例一螺旋桨和格栅翼展开飞行状态示意图；
图3实施例二螺旋桨和格栅翼折叠收纳状态示意图；
图4实施例二螺旋桨和格栅翼展开飞行状态示意图；
其中：1、机体；2、可折叠螺旋桨；3、可折叠格栅翼；4、格栅翼偏转驱动机构。
具体实施方式
本发明提出的一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器可分为圆柱状机体、可折叠螺旋桨及驱动电机、可折叠格栅翼及驱动机构三个部分。
机体呈圆柱状，具有一定的结构强度，内部容纳飞行控制器、任务载荷和动力电池等设备，电机、螺旋桨、格栅翼等亦安装在机体上。
螺旋桨驱动电机固定安装在机体顶部，其上再固定安装有带整流罩的螺旋桨桨毂头。螺旋桨桨叶为可多片可折叠式，在携带过程中，螺旋桨桨叶向下折叠至与机身平行位置；工作时驱动电机转动带动螺旋桨旋转，桨叶在离心力的作用下展开至与机身垂直的工作位置。
两片以上的格栅翼及其驱动机构安装在机体底部，与飞行器重心有较大距离，具有良好的姿态操纵效能。在携带过程中，格栅翼向上折叠至与机身平行位置，使用时手动或通过弹簧回复力展开至与机身垂直位置并锁定。相比常规舵面，格栅翼厚度小，折叠后占用体积小且不需要嵌入机体内部，操纵铰链力矩小。驱动机构旋转轴线与格栅翼左右及上下中心线重合，垂直并通过机体中心轴线。
一个具体的格栅翼及其驱动机构形式为：驱动机构安装在机体底部，驱动机构的输出轴上安装有圆形法兰盘，圆形法兰盘嵌入在机体底部侧面，且能够在驱动机构的输出轴带动下绕输出轴轴线转动；圆形法兰盘外表面上安装有带锁定结构的铰链机构，格栅翼内端与带锁定结构的铰链机构配合，在携带过程中，格栅翼向上折叠至与机体平行位置，工作时格栅翼展开至与机体垂直的工作位置并锁定，且能够随圆形法兰盘整体绕驱动机构的输出轴轴线转动。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
本实施例采用两桨叶螺旋桨及两片可折叠格栅翼。圆柱状机体1直径90mm，高度240mm，一台最大功率为1kW外转子无刷直流电机安装在机体顶部，其上安装带整流罩的桨毂及螺旋桨2。螺旋桨2直径为480mm，单片桨叶长度为190mm，携带时可向下折叠至与机体平行位置。
两片格栅翼3，宽38mm，长100mm，高10mm，与其偏转驱动机构4一起对称安装在机体1的底部。携带时格栅翼3向上折叠至与机身1平行位置，使用时手动展开至与机身1垂直位置并锁定。驱动机构4的旋转轴线与格栅翼3左右及上下中心线重合，垂直并通过机体1的中心轴线。飞行过程中，偏转机构4带动格栅翼3绕其中心线旋转，进而在螺旋桨2洗流的作用下产生相应的操纵气动力。
本实施例最大飞行重量为2kg，飞行时通过控制驱动电机及螺旋桨2转速，调节向上的螺旋桨2拉力，进而进行飞行高度及升降控制。而飞行姿态控制方式为：飞行时飞行器在螺旋桨2驱动反扭矩的作用下以约1转每秒的角速度自转，偏转驱动机构4操纵格栅翼3在一个自转周期内类似正弦波的正反向偏转，从而产生向一个方向的水平平均合成控制力，此合成控制力绕飞行器重心产生控制力矩，进而改变飞行器姿态，使其可以向所需方向飞行。
此种控制方式，只需一套格栅翼操纵机构，结构简单，可减小由于机体不对称引起的干扰，适合携带一些不需要指向固定点和方向的载荷，如通讯中继设备等。
实施例2：
本实施例采用三桨叶螺旋桨及三片可折叠格栅翼。圆柱状机体1直径90mm，高度240mm，一台最大功率为1kW外转子无刷直流电机安装在机体顶部，其上安装带整流罩的桨毂及螺旋桨2。螺旋桨2直径为480mm，单片桨叶长度为190mm，携带时可向下折叠至与机体平行位置。
格栅翼3，宽28mm，长100mm，高10mm，与其偏转驱动机构4一起相隔120度安装在机体1的底部。携带时格栅翼3向上折叠至与机身1平行位置，使用时手动展开至与机身1垂直位置并锁定。驱动机构4的旋转轴线与格栅翼3左右及上下中心线重合，垂直并通过机体1的中心轴线。飞行过程中，偏转机构4带动格栅翼3绕其中心线旋转，进而在螺旋桨2洗流的作用下产生相应的操纵气动力。
本实施例最大飞行重量为2kg，飞行时通过控制驱动电机及螺旋桨转速，调节向上的螺旋桨2拉力，进而进行飞行高度及升降控制。三片格栅翼3向同一方向偏转，其产生的水平方向气动力相对机体1轴线形成偏航力矩，用于抵消螺旋桨2的驱动反扭矩及进行偏航控制。因为三片格栅翼3相隔120度均匀布置，当三片格栅翼3的偏转角度及产生的水平气动力一样大时，除产生偏航力矩外，前后及左右方向的合力为零。在进行俯仰或滚转姿态控制时，可在偏航控制偏转角度值的基础上给各片格栅翼叠加不同的偏转角度值，从而保持偏航力矩不变，而前后或左右方向合力不为零，进而产生绕重心的操纵力矩，改变飞行器姿态，使其可以向所需方向飞行。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：包括机体、可折叠螺旋桨机构和可折叠格栅翼机构；
所述机体为柱状结构，内部容纳包括飞行控制器、任务载荷和动力电池；
所述可折叠螺旋桨机构包括驱动电机和可折叠螺旋桨；所述驱动电机固定安装在机体顶部，驱动电机上部固定安装有带整流罩的螺旋桨桨毂头；所述可折叠螺旋桨采用多片可折叠式桨叶，桨叶内端与桨毂头铰链配合，在携带过程中，桨叶向下折叠至与机体平行位置，工作时驱动电机桨叶旋转，桨叶展开并保持在与机体垂直的工作位置；
所述可折叠格栅翼机构包括驱动机构和可折叠格栅翼；多个可折叠格栅翼沿机体周向均匀分布安装在机体底部侧面，格栅翼内端与机体底部侧面铰链配合，在携带过程中，格栅翼向上折叠至与机体平行位置，工作时格栅翼展开并保持在与机体垂直的工作位置；所述驱动机构能够带动格栅翼绕其展向轴线旋转。
2.根据权利要求1所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：桨叶内端与桨毂头铰链配合，工作时驱动电机桨叶旋转，桨叶在离心力的作用下展开并保持在与机体垂直的工作位置。
3.根据权利要求1所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：所述驱动机构安装在机体底部，驱动机构的输出轴上安装有圆形法兰盘，圆形法兰盘嵌入在机体底部侧面，且能够在驱动机构的输出轴带动下绕输出轴轴线转动；圆形法兰盘外表面上安装有带锁定结构的铰链机构，格栅翼内端与带锁定结构的铰链机构配合，在携带过程中，格栅翼向上折叠至与机体平行位置，工作时格栅翼展开至与机体垂直的工作位置并锁定，且能够随圆形法兰盘整体绕驱动机构的输出轴轴线转动。
4.根据权利要求3所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：驱动机构的输出轴轴线垂直并通过机体中心轴线。
5.根据权利要求1所述一种采用可折叠单螺旋桨和格栅翼的圆柱状垂直起降飞行器，其特征在于：飞行器重心位于靠近可折叠螺旋桨机构的机体上部。
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