CN111332462B - 一种便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机，属于无人机领域。本发明通过舵机转动带动舵机圆盘与舵机连杆转动，进而改变倾斜盘装置的倾斜方向，倾斜盘装置可绕中心球铰倾斜产生倾斜角，从而实现倾斜盘装置平面的自由控制，倾斜盘装置平面的改变带来了上旋翼平面倾向的改变，这使得上旋翼的升力面方向改变，实现飞行器朝各个方向的飞行。此套操纵机构既不复杂，又实现了对共轴反桨三叶片旋翼结构的操纵，由于舵机控制倾斜盘装置平面倾斜角，所以在对其进行控制***的设计时，也比其他类似飞行器容易。本发明在实现共轴反桨无人机功能和发挥其优势的前提下，能够克服以往共轴反桨无人机复杂的结构，并且使其控制***的设计难度降低。

Description

一种便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机

技术领域

本发明涉及一种便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机，属于无人机领域。

背景技术

便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机是一种体积较小、机动灵活性很高的、可垂直起降、定点悬停的无人飞行器，此类飞行器自身结构紧凑，稳定性较高，操纵和悬停效率较高，其桨叶折叠后可以紧贴飞行器外壁，形成圆筒的外形结构，便于携带与发射，在军民两方面具有良好的通用泛用性。

目前也有正在研究中的小型共轴反桨无人机，如北京航空航天大学研究团队的共轴旋翼直升机是基于海鸥的运动特点研制的。它的操纵机构比较复杂，运行原理与直升机相同，但是不含尾桨，有着球型的机体，这种形状的机体非常不利于飞行器的灵活性。(陈铭,徐冠峰,张磊.直升机传动***和旋翼***关键技术[J].航空制造技术,2010(16):32-37.)

但是，目前的共轴反桨无人机种类较少、成熟度相对也较低，较其他种类的飞行器而言，结构设计和姿态控制技术还不够成熟，应用范围较窄，这主要是因为此类飞行器要求机身机构比较复杂，并且控制***设计难度较高，这两方面因素是限制共轴双旋翼飞行器发展的首要原因。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有小型共轴反桨无人机结构复杂的问题，提供一种便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机；所述无人机在实现共轴反桨无人机功能和发挥其优势的前提下，克服以往共轴反桨无人机复杂的结构，并且使其控制***的设计难度降低。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机，包括：中轴、旋翼装置、负载筒、外转子驱动电机和操纵机构；

所述旋翼装置包括：桨叶、上旋翼电机转子、凸台、摆振铰、挥舞铰和下旋翼电机转子；固定在上旋翼电机转子外壳上的凸台、挥舞铰、摆振铰和桨叶依次连接；摆振铰以挥舞铰为支点，实现上下摆动；挥舞铰能够沿着与凸台连接位置转动；

操纵机构包括：倾斜盘装置、舵机底盘、舵机转盘、舵机、舵机连杆、旋翼连杆、小球铰球头、小球铰壳、中心球铰、球铰外壳、固定环内圈、旋转环外圈和轴承；

倾斜盘装置由中心球铰、球铰外壳、固定环内圈、旋转环外圈和轴承组成；球铰外壳能够绕转动，以实现球铰外壳的小角度转动；固定环内圈固定在球铰外壳外侧；轴承的外圈和旋转环外圈固定安装；轴承的内圈和固定环内圈固定连接，进而达到固定环内圈不转但动旋转环外圈转动的目的；旋翼连杆的一端通过小球铰球头、小球铰壳安装在旋翼装置的挥舞铰上；旋翼连杆的另一端活动连接在旋转环外圈的外侧，能够倾斜盘装置的倾斜角度传递给上旋翼的桨叶，从而改变桨叶在旋转过程中的攻角，进而周期变距的目的；舵机连杆一端活动连接在固定环内圈外侧；另一端通过球铰与舵机转盘连接，通过舵机输出的转动角度带动舵机转盘的小角度转动，该转动通过舵机连杆传递到倾斜盘装置的固定环内圈，从而导致倾斜盘装置出现一个小角度的倾斜；舵机底盘固定安装在中轴上；舵机安装在舵机底盘上；舵机的转动轴与舵机转盘连接；

上下两个旋翼装置中间安装有操纵机构，上下两个旋翼装置外侧分别安装有外转子驱动电机；所述中轴穿过上述装置然后与负载筒固定连接，外转子驱动电机的定子部分固定在中轴上，外转子部分通过连接件与桨叶相连接，从而带动桨叶的转动。

工作过程：

位于负载筒中的飞控***发出的飞控指令通过中轴导线传递给外转子驱动电机，使驱动电机的上旋翼电机转子和下旋翼电机转子直接带动旋翼装置转动，当需要进行垂直方向的运动时，飞控***发出信号使上、下驱动电机驱动上下旋翼进行旋转，通过控制其转速进而控制产生升力的大小，从而实现飞行器的垂直起降，驱动电机的定子固定在中轴上，转子直接与桨叶部分通过铰链相连接，这样能够更有效地将电机产生的动能传递给旋翼，进而转化为飞行器的升力；当需要改变其行进方向时，飞控***发出指令驱动舵机的转动，从而带动舵机转盘的转动，继而通过舵机连杆的传动，使倾斜盘装置的固定环内圈倾斜并产生倾斜角，倾斜盘装置绕中心球铰倾斜转动通过旋转环外圈和旋翼连杆传递到上旋翼装置上，使得上旋翼装置在转动的时候在转动方向上形成周期变距，进而使得作用在所述飞行器旋翼装置上的升力方向发生改变，飞行器的姿态也得以及时改变，同时通过连杆能够改变桨叶的攻角，实现上旋翼的桨叶攻角可控，这样就增强了飞行器的机动性能；当不需要使用飞行器时，可以将桨叶沿横向的轴折叠，形成圆筒式的结构外形，结构紧凑，便于收纳。

有益效果

1、本发明的便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机，结构新颖，设计合理，通过舵机转动带动舵机圆盘与舵机连杆转动，进而改变倾斜盘装置的倾斜方向，倾斜盘装置可绕中心球铰倾斜产生倾斜角，从而可以实现倾斜盘装置平面的自由控制，倾斜盘装置平面的改变带来了上旋翼平面倾向的改变，这使得上旋翼的升力面方向改变，实现飞行器朝各个方向的飞行。此套操纵机构既不复杂，又实现了对共轴双旋翼结构的操纵，由于舵机控制倾斜盘装置平面倾斜角，所以在对其进行控制***的设计时，也比其他类似飞行器容易。

2、舵机圆盘能够承受舵机输出的较大力矩，圆盘状的结构相比于杆状结构不易产生形变，结构更加可靠，能够更加有效的输出舵机产生的控制力矩。

3、电机外转子直接与装置相连接，避免了齿轮传动等传递过程中的能量损失，降低了旋翼转速控制的延时性，从而提高了飞行器的机动性能。

附图说明

图1是共轴双旋翼飞行器整体示意图；

图2是共轴双旋翼飞行器操纵机构局部示意图；

图3是共轴双旋翼飞行器倾斜盘装置结构示意图；

图4是共轴双旋翼飞行器倾斜盘装置剖面示意图；

图5是共轴双旋翼飞行器上旋翼装置结构示意图；

图6是共轴双旋翼飞行器下旋翼装置结构示意图；

图7是共轴双旋翼飞行器旋翼连杆结构示意图；

图8是共轴双旋翼飞行器整体剖视图。

其中，1—中轴、2—旋翼装置、3—负载筒、4—外转子驱动电机、5—操纵机构、6—倾斜盘装置、7—舵机底盘、8—舵机转盘、9—舵机、10—舵机连杆、 11—旋翼连杆、12—小球铰球头、13—小球铰壳、14—中心球铰、15—球铰外壳、16—固定环内圈、17—旋转环外圈、18—轴承、19—桨叶、20—上旋翼电机转子、21—凸台、22—摆振铰、23—挥舞铰、24—下旋翼电机转子。

具体实施方式

下面通过给出的飞行器各级结构示意图来详细介绍本发明的具体实施方式，同时帮助相关领域的人员更深入的了解本发明。

实施例1

如图1所示本发明的结构，为一种便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机。包括中轴1、旋翼装置2、负载筒3、驱动电机4和传动装置5等。所述旋翼装置2包括上旋翼装置和下旋翼装置，桨叶通过摆振铰22、挥舞铰23以及凸台21与电机的外转子连接，通过挥舞铰23处的连接能够实现桨叶的折叠，方便收纳与携带。所述上下旋翼装置互为镜像，上下颠倒，旋翼装置2通过电机外转子上的凸台21与电机转子相连，操纵机构5和其他零件通过螺钉或者配合安装在中轴1上。所述负载筒3内装有电池、飞控电路板、电线和负载模块等，负责飞行器的能源供给和飞行控制，电线通过中轴1碳纤维管的空心管道与中轴1上各个位置的舵机9、驱动电机4相连。

如图2所示是筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机操纵机构5局部示意图，所述操纵机构5包括舵机底盘7、舵机转盘8、舵机9、舵机连杆10等零件。所述舵机9有三个，结构完全相同，以120°的角度周向分布，舵机底盘7上有若干个螺纹孔，所述舵机9通过螺纹孔固定在舵机底盘7上，所述舵机底盘7对应的固定在碳纤维管的上部位置；所述舵机9通过舵机转盘8、舵机连杆10与倾斜盘装置6相连，所述倾斜盘装置6有三个向外伸出的小支架，小球铰球头 12通过旋翼连杆11与倾斜盘装置6相连；所述旋翼连杆11包括一根光滑杆和小球铰壳13，所述舵机转盘8通过沉头孔直接固连在舵机9上，所述舵机转盘 8上同样有螺纹孔，所述小球头通过螺纹孔与舵机连杆10相连，所述旋翼连杆 11的两端分别连接着倾斜盘装置6上的小球头和挥舞铰23上的小球头。所述倾斜盘装置6通过旋翼连杆11与上旋翼装置相连，当所述倾斜盘装置6转动任意角度时，上旋翼在转动过程中会形成相应角度的周期变距，进而产生不同方向的升力。

如图3所示是筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机倾斜盘装置6结构示意图；所述倾斜盘装置6由中心球铰14、球铰外壳15、固定环内圈16、旋转环外圈 17和轴承18组成。中心球铰14固定连接在中轴1上，球铰外壳15的内侧球面以球面转动的方式配合在中心球铰14外侧，固定环内圈16与球铰外壳15的外侧圆柱面紧贴并通过螺栓紧固在一起，固定环内圈16的外侧与轴承18的内圈以过盈配合的方式固定在一起，轴承18的外圈与旋转环外圈17的内侧以过盈配合的方式固定在一起。当固定环内圈16受到舵机9产生并通过舵机转盘8、舵机连杆10传递过来的操纵力的影响，固定环内圈16与球铰外壳15的固接组件会以球面转动的形式绕中心球铰14的外表面有一个小角度的转动，紧接着带动轴承18、旋转环外圈17和固定环内圈16以同样的角度发生倾斜，由于旋转环外圈17的倾斜，与旋转环外圈17相连接的上旋翼桨叶的攻角会发生改变，从而导致上旋翼2在转动过程中发生周期变距。

如图4所示是筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机倾斜盘装置6的剖面示意图。

如图5所示是筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机上旋翼装置结构示意图。所述上旋翼装置包括三片桨叶和桨叶连接结构，所述桨叶连接结构(见图7)包括摆振铰22、挥舞铰23，所述桨叶连接结构通过旋翼电机转子上的凸台21与电机转子相连，又通过小球铰球头12、小球铰壳13、旋翼连杆11的结构与下方倾斜盘装置6上的旋转环外圈17相连。

如图6所示是筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机下旋翼装置结构示意图。所述下旋翼装置包括三片桨叶和桨叶连接结构，所述桨叶连接结构(见图7)包括摆振铰22、挥舞铰23，所述桨叶连接结构通过旋翼电机转子上的凸台21与电机转子相连。

如图7所示是筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机旋翼的桨叶连接结构示意图。所述上下旋翼的桨叶连接结构均为此种结构。当桨叶在转动过程中，桨叶 19受到驱动力和空气阻力的影响会出现挥舞与摆振，挥舞铰23的连接能够满足桨叶的上下挥舞的***，摆振铰22的连接能够满足桨叶19前后方向摆振的***，桨叶机构的挥舞铰23左侧为圆杆式结构，穿过并紧固在凸台21 的圆柱孔上，这样桨叶机构就能够绕着凸台21转动来调整初始桨叶攻角。

如图8所示是筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机整体剖视图。包括中轴1、舵机9、中心球铰14和负载筒3等零件，所述中心球铰14固定在中轴1的中段，所述舵机转盘8固定在中轴1上下旋翼结构上方，所述负载筒3固定在中轴1 的最下方。

为了克服共轴反桨旋翼式无人机结构复杂、控制困难等缺陷，本发明提出一种独特的操纵机构5和旋翼装置2，所述操纵机构5的主体由舵机9和倾斜盘装置6构成，所述的三个舵机9互成120°固定在舵机底盘7上，所述舵机9通过舵机转盘8和舵机连杆10与倾斜盘装置6相连，所述舵机9带动舵机转盘8 转动，继而带动舵机连杆10上、下运动，所述倾斜盘装置6也会跟着舵机连杆 10倾斜转动。所述倾斜盘装置6通过球铰与中轴1连接，所述的三个舵机的任意转角都对应着倾斜盘装置6法向方向唯一且固定的朝向，综上所述所属舵机9可以控制倾斜盘装置6的法向朝着一个一定角度圆锥体内任意方向。

所述上旋翼结构通过旋翼连杆11与倾斜盘装置的旋转环外圈17相连，旋转环外圈17与固定环内圈16之间的轴承18可以确保旋转环外圈17的自由转动而二者的平面倾角是一致的。倾斜盘装置6倾斜时，会带动旋翼连杆11从而改变上旋翼三个桨叶的螺距，产生周期变距，进而改变整个机体的运动方向。而倾斜盘装置6的倾斜转向是由三个舵机9自由控制的，通过控制所述三个舵机9的转动即可自由控制升力面的朝向。

所述下旋翼结构的桨叶不能改变攻角，每片桨叶通过摆振铰22、挥舞铰23 以及凸台21与电机的外转子24连接，当所述驱动电机的外转子24转动时，即可带动下旋翼结构转动产生升力。

综上所述，本发明的小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机，相对其他共轴反桨旋翼式无人机而言，省去了套筒、联轴器、防扭转件，齿轮传动等装置，结构简单；一般共轴反桨旋翼式无人机控制的是倾斜盘装置6呈120°的两个转向，而本发明中通过倾斜盘装置6的旋转环外圈17的转动直接控制上旋翼桨叶的攻角和周期变距，对飞行器的控制相对直接、简单，省去了很多换算，简化了步骤。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、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 (1)

1.一种便携式小型筒式共轴反桨三叶片旋翼式无人机，其特征在于：包括：中轴（1）、旋翼装置（2）、负载筒（3）、外转子驱动电机（4）和操纵机构（5）；

所述旋翼装置（2）包括：桨叶（19）、上旋翼电机转子（20）、凸台（21）、摆振铰（22）、挥舞铰（23）和下旋翼电机转子（24）；固定在上旋翼电机转子外壳上的凸台（21）、挥舞铰（23）、摆振铰（22）和桨叶（19）依次连接；摆振铰（22）以挥舞铰（23）为支点，实现上下摆动；挥舞铰（23）能够沿着与凸台（21）连接位置转动；

操纵机构（5）包括：倾斜盘装置（6）、舵机底盘（7）、舵机转盘（8）、舵机（9）、舵机连杆（10）、旋翼连杆（11）、小球铰球头（12）、小球铰壳（13）、中心球铰（14）、球铰外壳（15）、固定环内圈（16）、旋转环外圈（17）和轴承（18）；

倾斜盘装置（6）由中心球铰（14）、球铰外壳（15）、固定环内圈（16）、旋转环外圈（17）和轴承（18）组成；球铰外壳（15）能够绕中心球铰（14）转动，以实现球铰外壳（15）的小角度转动；固定环内圈（16）固定在球铰外壳（15）外侧；轴承（18）的外圈和旋转环外圈（17）固定安装；轴承（18）的内圈和固定环内圈（16）固定连接，进而达到固定环内圈（16）不转但动旋转环外圈（17）转动的目的；旋翼连杆（11）的一端通过小球铰球头（12）、小球铰壳（13）安装在旋翼装置（2）的挥舞铰（23）上；旋翼连杆（11）的另一端活动连接在旋转环外圈（17）的外侧，能够将倾斜盘装置（6）的倾斜角度传递给上旋翼的桨叶，从而改变桨叶在旋转过程中的攻角，进而周期变距的目的；舵机连杆（10）一端活动连接在固定环内圈（16）外侧；另一端通过球铰与舵机转盘（8）连接，通过舵机（9）输出的转动角度带动舵机转盘（8）的小角度转动，该转动通过舵机连杆（10）传递到倾斜盘装置（6）的固定环内圈（16），从而导致倾斜盘装置（6）出现一个小角度的倾斜；舵机底盘（7）固定安装在中轴（1）上；舵机（9）安装在舵机底盘（7）上；舵机（9）的转动轴与舵机转盘（8）连接；

上下两个旋翼装置中间安装有操纵机构（5），上下两个旋翼装置外侧分别安装有外转子驱动电机；所述中轴（1）穿过两个旋翼装置和倾斜盘装置然后与负载筒固定连接，外转子驱动电机的定子部分固定在中轴（1）上，外转子部分通过连接件与桨叶相连接，从而带动桨叶的转动;

位于负载筒（3）中的飞控***发出的飞控指令通过中轴导线传递给外转子驱动电机（4），使驱动电机的上旋翼电机转子（20）和下旋翼电机转子（24）直接带动旋翼装置转动，当需要进行垂直方向的运动时，飞控***发出信号使上、下驱动电机驱动上下旋翼进行旋转，通过控制其转速进而控制产生升力的大小，从而实现飞行器的垂直起降，驱动电机的定子固定在中轴上，转子直接与桨叶部分通过铰链相连接，这样能够更有效地将电机产生的动能传递给旋翼，进而转化为飞行器的升力；当需要改变其行进方向时，飞控***发出指令驱动舵机（9）的转动，从而带动舵机转盘（8）的转动，继而通过舵机连杆（10）的传动，使倾斜盘装置（6）的固定环内圈（16）倾斜并产生倾斜角，倾斜盘装置（6）绕中心球铰（14）倾斜转动通过旋转环外圈（17）和旋翼连杆（11）传递到上旋翼装置上，使得上旋翼装置在转动的时候在转动方向上形成周期变距，进而使得作用在所述飞行器旋翼装置上的升力方向发生改变，飞行器的姿态也得以及时改变，同时通过旋翼连杆（11）能够改变桨叶的攻角，实现上旋翼的桨叶攻角可控，这样就增强了飞行器的机动性能；当不需要使用飞行器时，将桨叶沿横向的轴折叠，形成圆筒式的结构外形，结构紧凑，便于收纳。

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