CN111559496A - 一种小型共轴双旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型共轴双旋翼无人机，涉及无人机技术领域，包括机体、上旋翼机构、下旋翼机构、电机组模块和舵机模组；机体包括机壳和中心轴，上旋翼机构、下旋翼机构和舵机模组依次安装于中心轴上；电机组模块用于上旋翼机构和下旋翼机构旋转，且上旋翼机构和下旋翼机构的旋转方向相反，用于相互抵消转动惯量；上旋翼机构定轴转动，下旋翼机构与舵机模组联动连接，舵机模组能够驱动改变下旋翼机构的旋转平面，进而使下旋翼机构与上旋翼机构之间产生夹角，实现变距功能。本发明提出的小型共轴双旋翼无人机，通过优异的结构设计，简化小型共轴无人机的结构，可靠性高，增强了共轴双旋翼无人机的续航能力和机动性能，能够满足远程点作业要求。

Description

一种小型共轴双旋翼无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种小型共轴双旋翼无人机。

背景技术

现今，无人机技术飞速发展，在各个行业和领域得到了广泛的应用。无人机具有稳定飞行，便于携带，飞行范围较大和续航时间适中等特点，满足了很多行业的特殊需求。针对不同的应用场景和应用领域，无人机发展出了很多不同类型，最为广泛应用的有多旋翼无人机、固定翼无人机和共轴无人机。

目前，飞行器的小型化和快速反应飞行，是无人机发展的一个重要方向。在军用和民用领域，普通的无人机在起飞时，大多起飞时间长，存在起飞速度慢、续航里程不足等缺陷，无法满足小型无人机远程点作业。因此，要想实现远程目标点作业，需要经历长时间的起飞升降，远距离往返飞行达到指定地点时间长，需要增加续航里程，这便不利于无人机小型化。在此基础上，相较于多旋翼和固定翼飞行器，共轴双旋翼具有旋翼可折叠的特点，更容易实现小型化目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型共轴双旋翼无人机，通过优异的结构设计，简化小型共轴无人机的结构，可靠性高，能够满足远程点作业要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种小型共轴双旋翼无人机，包括机体、上旋翼机构、下旋翼机构、电机组模块和舵机模组；所述机体包括机壳和中心轴，所述上旋翼机构、所述下旋翼机构和所述舵机模组依次安装于所述中心轴上；所述电机组模块用于所述上旋翼机构和所述下旋翼机构旋转，且所述上旋翼机构和所述下旋翼机构的旋转方向相反，用于相互抵消转动惯量；所述上旋翼机构定轴转动，所述下旋翼机构与所述舵机模组联动连接，所述舵机模组能够驱动改变所述下旋翼机构的旋转平面，进而使所述下旋翼机构与所述上旋翼机构之间产生夹角，实现变距功能。

可选的，所述机壳为弹形外壳，所述弹形壳体包括弹形头部、弹形中部、弹形下部和弹形底座，所述弹形下部安装于所述弹形底座上。

可选的，所述上旋翼机构包括上旋翼安装座和安装于所述上旋翼安装座顶部的上旋翼桨叶关节，所述上旋翼桨叶关节上铰接一对左旋翼，所述上旋翼安装座通过动力传动组件与所述电机组模块连接。

可选的，所述下旋翼机构包括下旋翼安装座、套装于所述下旋翼安装座顶部的下旋翼框架和一对右旋翼，所述右旋翼通过下旋翼桨叶关节铰接于所述下旋翼框架的两端，所述下旋翼安装座通过动力传动组件与所述电机组模块连接。

可选的，所述电机组模块安装于所述上旋翼机构和所述下旋翼机构之间，包括GPS、与所述GPS信号连接的飞控板、安装于所述中心轴的电机框架以及两个反向安装的电机和，所述GPS固定于所述中心轴顶部，所述电机通过电机盖板固定于所述电机框架上；所述上旋翼安装座底部和所述下旋翼安装座顶部分别安装上旋翼大齿轮和下旋翼大齿轮，两所述电机的输出端分别通过小齿轮与所述上旋翼大齿轮和所述下旋翼大齿轮啮合连接。

可选的，所述下旋翼框架的两侧铰接有框架关节，所述框架关节通过第一球头关节与一鱼眼关节的顶部连接，所述鱼眼关节连接于所述中心轴上，所述鱼眼关节的底部通过第二球头关节与所述舵机模组连接；所述舵机模组通过驱动所述第二球头关节依次联动所述鱼眼关节和所述第一球头关节，使所述下旋翼框架倾斜，实现变距功能。

可选的，所述鱼眼关节包括内轴承套和与所述内轴承套轴承连接的外轴承套，所述第一球头关节连接于所述内轴承套，所述第二球头关节连接于所述外轴承套；所述外轴承套上还安装有斜盘卡座。

可选的，所述下旋翼安装座与所述鱼眼关节之间连接有占位件；所述占位件连接在所述中心轴上。

可选的，所述舵机模组包括舵机、舵机连接架、舵机座和舵机臂；所述舵机座连接于所述中心轴；所述舵机连接架的一端安装所述舵机，另一端固定在所述舵机座上；所述舵机臂紧固在所述舵机的输出轴上；所述舵机的底部连接有舵机安装板，所述舵机安装板上固定有图传；所述舵机座和所述舵机安装板之间支撑有多根支撑铝柱。

可选的，所述弹形底座为圆形底座，所述圆形底座上间隔设置有若干槽片，用于在弹射发射后，进行气流导流，提供升力。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的小型共轴双旋翼无人机，驱动原件少，大大简化了结构，使结构紧凑、纵向尺寸小，提升了可靠性，能够满足远程点作业要求；导弹外形设计可配合无人机弹射器使用，可便携于复杂地形作业；同时，优化的轻量设计，增强了共轴双旋翼无人机的续航能力和机动性能。

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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明小型共轴双旋翼无人机的主视图；

图2是本发明小型共轴双旋翼无人机移除部分的侧视图；

图3是本发明小型共轴双旋翼无人机移除部分的主视图；

图4是本发明小型共轴双旋翼无人机的***立体示意图；

图5是本发明小型共轴双旋翼无人机移除部分的轴测图；

图6是图5中A处的局部放大示意图；

图7是本发明小型共轴双旋翼无人机的下旋翼翼型展开示意图；

图8是本发明小型共轴双旋翼无人机的上旋翼翼型展开示意图；

图9是本发明小型共轴双旋翼无人机的力矩示意图；

图10-1是本发明小型共轴双旋翼无人机的垂直运动操纵示意图；

图10-2是本发明小型共轴双旋翼无人机的纵向运动操纵示意图；

图10-3是本发明小型共轴双旋翼无人机的横向运动操纵示意图；

图10-4是本发明小型共轴双旋翼无人机的航向运动操纵示意图；

其中，附图标记为：101.弹形头部，102.弹形中部，103.弹形底座，104.弹形下部，105.中心轴，110.上旋翼机构，111.左旋翼，112.上旋翼桨叶关节，113.上旋翼安装座，114.上旋翼大齿轮，115.飞控板，120.电机组模块，121.电机，122.电机框架，123.电机盖板，124.GPS，125.小齿轮，126.框架关节，130.下旋翼机构，131.下旋翼大齿轮，132.下旋翼安装座，133.下旋翼框架，134.下旋翼桨叶关节，1351.第一球头关节，1352.第二球头关节，136.占位件，137.内轴承套，138.外轴承套，139.右旋翼，140.舵机模组，141.舵机座，142.舵机，143.舵机臂，144.舵机连接架，145.舵机安装板，146.支撑铝柱，147.图传，148.斜盘卡座，149.电池。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1-8所示，本实施例提供一种小型共轴双旋翼无人机，包括：

机体，其中包括弹形头部101，弹形头部101连接在上旋翼安装座113，与其共同旋转；弹形中部102螺栓紧固在电机盖板123上，弹形底座103和舵机安装板145紧固连接，弹形下部104型面连接在舵机座103上。

上旋翼机构110，其中，左旋翼111销轴连接在上旋翼桨叶关节112上，可实现旋转，上旋翼桨叶关节112螺栓连接在上旋翼安装座113，螺栓构成铰链连接，上旋翼大齿轮114螺栓紧固在上旋翼安装座113。

电机组模块120，其中，GPS 124紧固连接在中心轴105顶端，电机121底部孔连接在电机盖板123，电机盖板123固定于电机框架122，电机框架122侧面孔紧固在中心轴105，小齿轮125紧密连接在的电机121的输出轴上。

下旋翼机构130，其中，下旋翼大齿轮131螺栓紧固在下旋翼安装座132上，实现力传递；下旋翼安装座132轴承连接在中心轴105；下旋翼框架133中间设有T形孔，可以连接在下旋翼安装座132上，侧面有空，连接螺栓，可实现下旋翼框架133和下旋翼安装座132连接；占位件136一端连接下旋翼安装座132，一端连接鱼眼关节(即鱼眼轴承)，鱼眼关节连接在中心轴105上；右旋翼139销轴连接在下旋翼桨叶关节134上，可自由转动；下旋翼框架133四个方位的一对角连接有下旋翼桨叶关节134，另一对角连接有框架关节126；框架关节126和第一球头关节1351连接；内轴承套137轴承连接鱼眼轴承的外轴承圈，外轴承圈的外圆周连接轴承，配合连接外轴承套138；内轴承套137连接通过第一球头关节1351连接下旋翼框架133，外轴承套138通过第二球头关节1352连接舵机模组140。

舵机模组140，舵机142螺栓连接在舵机连接架144；舵机连接架144紧固在舵机安装板145上，舵机安装板145上固定有图传147；舵机臂143紧固在舵机142的输出轴上，舵机臂143铰链连接在第二球头关机1352，舵机座141中心连接在中心轴105上，侧面设有孔，螺栓紧固；舵机座141和舵机安装板145中间连接有四根支撑铝柱146；还包括用于给舵机142供电的电池149。

上旋翼机构110和下旋翼机构130旋转方向不同，转动惯量相互抵消；上旋翼机构110为固定式旋转方式，下旋翼机构130可实现变距。舵机142驱动带动第二球头关节1352联动外轴承套138，外轴承套138和内轴承套137实现转定分离；内轴承套137与鱼眼轴承连接在一起，舵机臂143带动外轴承套138、内轴承套137倾斜；内轴承套137倾斜联动第二球头关节1351，下旋翼框架133倾斜，实现变距功能。

本实施例中，如图3所示，弹形底座103为圆形和槽片设计，可在弹射发射后，进行气流导流，提供升力。

本实施例中，电机组模块120中两个电机121反向的布置，电机121驱动小齿轮125，通过上旋翼大齿轮114传动，带动上旋翼机构110旋转，其中上旋翼机构110旋转方向为逆时针；通过下旋翼大齿轮131带动下旋翼机构130旋转，其中下旋翼机构130旋转方向为顺时针；由于上旋翼机构110的桨叶为左旋翼111，下旋翼机构130的桨叶为右旋翼，共同产生升力。上下旋翼机钩旋转方向不同，可维持整个飞行器的转动惯量，使飞行器可实现悬停，避免出现悬停自转。

共轴无人机操纵原理如下：

如图9所示，共轴无人机在空中有六个自由度，即沿X、Y、Z轴的移动和绕X、Y、Z轴的转动，沿X、Y、Z轴的运动分别称为纵向移动、横向移动和垂向移动，绕X、Y、Z轴的转动分别称为横滚、俯仰和偏航。

若要改变无人机飞行状态，需要通过改变其沿X、Y、Z轴方向的3个力和绕X、Y、Z轴的3个力矩来实现。由于无人机的纵向移动与俯仰、横向移动与滚转彼此不独立，所以，其运动有以下4个运动：

1)垂直运动，通过调节上下旋翼的总距增大或减小，从而改变旋翼拉力的大小，操纵无人机升降或悬停；垂直运动操纵如图10-1所示；

2)纵向运动，通过使倾斜盘前后倾斜，改变旋翼纵向倾斜角而改变拉力方向，产生附加纵向力来操纵无人机前进或后退；纵向运动操纵如图10-2所示；

3)横向运动，通过使倾斜盘左右倾斜，改变旋翼横向倾斜角而改变拉力方向，产生附加横侧力来实现；横向运动操纵如图10-3所示；

4)航向运动，通过控制上下旋翼扭矩差来操纵，使无人机的航向改变；航向运动操纵如图10-4所示。

以上4个运动操纵是通过3种操纵来实现的，即总距操纵、周期变距操纵和航向操纵：

(1)总距操纵是改变上、下旋翼的总距从而改变旋翼拉力的大小；

(2)周期变距操纵是使倾斜盘沿不同的方向倾斜，导致旋转的旋翼倾斜，即改变旋翼拉力的方向，使无人机沿该方向移动；

(3)航向操纵是改变上、下旋翼的反扭矩，导致上、下旋翼对共轴无人机立轴构成的力矩不平衡，无人机就会绕立轴转动，从而改变它的航向。

下面结合上述操纵原理对本实施例作具体说明。

舵机142驱动，实现下旋翼机构130旋转平面发生改变，实现与上旋翼机构110之间的角度变化；两个舵机142驱动时，舵机臂143绕舵机轴转动；舵机臂143一端固定在舵机142输出轴，一端铰链连接第二球头关节1352，外轴承套138在飞行时，为固定姿态不旋转，内轴承套137为与下旋翼框架133共同旋转；斜盘卡座148设有长槽孔，螺栓连接在外轴承套138，外轴承套138与内轴承套137共同通过鱼眼轴承连接在中心轴105；舵机142驱动，带动第二球头关节1352和外轴承套138，实现在斜盘卡座148方向的偏移；内轴承套137偏移带动第一球头关节1351，第一球头关节1351另一端连接在下旋翼框架133上的框架关节126；下旋翼框架133与下旋翼安装座132设有孔连接，在下旋翼安装座132带动下旋翼框架133旋转时，下旋翼框架133可发生绕孔偏移，改变下旋翼框架133旋转平面角度；右旋翼139旋转片面角度改变，使下旋翼机构130与上旋翼机构110旋转距改变，实现变距功能。

本实施例的飞行器结构可置于某弹射发射装置中，发射后，左旋翼111和右旋翼139收束在弹形外壳下部，当GPS 124检测反馈位置信息给飞控板115，达到指定地点时，在惯性的作用下桨叶关节转动，右旋翼139和左旋翼111展开，此时电机121驱动，可实现悬停。其中飞控板115设置于弹形底座103内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，包括机体、上旋翼机构、下旋翼机构、电机组模块和舵机模组；所述机体包括机壳和中心轴，所述上旋翼机构、所述下旋翼机构和所述舵机模组依次安装于所述中心轴上；所述电机组模块用于所述上旋翼机构和所述下旋翼机构旋转，且所述上旋翼机构和所述下旋翼机构的旋转方向相反，用于相互抵消转动惯量；所述上旋翼机构定轴转动，所述下旋翼机构与所述舵机模组联动连接，所述舵机模组能够驱动改变所述下旋翼机构的旋转平面，进而使所述下旋翼机构与所述上旋翼机构之间产生夹角，实现变距功能。

2.根据权利要求1所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述机壳为弹形外壳，所述弹形壳体包括弹形头部、弹形中部、弹形下部和弹形底座，所述弹形下部安装于所述弹形底座上。

3.根据权利要求1所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述上旋翼机构包括上旋翼安装座和安装于所述上旋翼安装座顶部的上旋翼桨叶关节，所述上旋翼桨叶关节上铰接一对左旋翼，所述上旋翼安装座通过动力传动组件与所述电机组模块连接。

4.根据权利要求3所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述下旋翼机构包括下旋翼安装座、套装于所述下旋翼安装座顶部的下旋翼框架和一对右旋翼，所述右旋翼通过下旋翼桨叶关节铰接于所述下旋翼框架的两端，所述下旋翼安装座通过动力传动组件与所述电机组模块连接。

5.根据权利要求4所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述电机组模块安装于所述上旋翼机构和所述下旋翼机构之间，包括GPS、与所述GPS信号连接的飞控板、安装于所述中心轴的电机框架以及两个反向安装的电机和，所述GPS固定于所述中心轴顶部，所述电机通过电机盖板固定于所述电机框架上；所述上旋翼安装座底部和所述下旋翼安装座顶部分别安装上旋翼大齿轮和下旋翼大齿轮，两所述电机的输出端分别通过小齿轮与所述上旋翼大齿轮和所述下旋翼大齿轮啮合连接。

6.根据权利要求4所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述下旋翼框架的两侧铰接有框架关节，所述框架关节通过第一球头关节与一鱼眼关节的顶部连接，所述鱼眼关节连接于所述中心轴上，所述鱼眼关节的底部通过第二球头关节与所述舵机模组连接；所述舵机模组通过驱动所述第二球头关节依次联动所述鱼眼关节和所述第一球头关节，使所述下旋翼框架倾斜，实现变距功能。

7.根据权利要求6所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述鱼眼关节包括内轴承套和与所述内轴承套轴承连接的外轴承套，所述第一球头关节连接于所述内轴承套，所述第二球头关节连接于所述外轴承套；所述外轴承套上还安装有斜盘卡座。

8.根据权利要求6所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述下旋翼安装座与所述鱼眼关节之间连接有占位件；所述占位件连接在所述中心轴上。

9.根据权利要求1所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述舵机模组包括舵机、舵机连接架、舵机座和舵机臂；所述舵机座连接于所述中心轴；所述舵机连接架的一端安装所述舵机，另一端固定在所述舵机座上；所述舵机臂紧固在所述舵机的输出轴上；所述舵机的底部连接有舵机安装板，所述舵机安装板上固定有图传；所述舵机座和所述舵机安装板之间支撑有多根支撑铝柱。

10.根据权利要求2所述的小型共轴双旋翼无人机，其特征在于，所述弹形底座为圆形底座，所述圆形底座上间隔设置有若干槽片，用于在弹射发射后，进行气流导流，提供升力。

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