CN205327403U - 多旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种多旋翼飞行器，包括一个竖直安装的动力旋翼和多个水平安装的姿态旋翼。动力旋翼可以由发动机或电机驱动，姿态旋翼由电机驱动。本实用新型的有益效果为：1单动力旋翼飞行器空中自平衡稳定性较好，可以使用发动机为动力续航时间长，操控原理简单、部件少，采购成本、使用成本比较低。2保持了电机控制飞行姿态的灵活性。3出现故障时有紧急降落模式，飞行安全性较高。

Description

多旋翼飞行器

技术领域

本实用新型涉及飞行器技术领域，特别是涉及一种多旋翼飞行器。

背景技术

多旋翼飞行器是一种结构简单、操控灵活、飞行姿态稳定的飞行器。得益于近年来微处理器、传感器技术的发展，多旋翼飞行器被广泛应用于航模、空中拍摄平台、农业植保等领域。多旋翼飞行器通过各类传感器感知飞行状态，并通过微处理器向旋翼电机发出转速指令来调整飞行器的不同飞行姿态。

目前，多旋翼飞行器要想获得稳定的飞行姿态需要各类传感器准确感知飞行器状态，并通过微处理器向响应速度很快的旋翼电机发出转速指令来保持飞行状态稳定，这个过程需要各部件反应非常迅速，才能保持飞行器稳定。其中，传感器、处理器、电机都需要电池供电，特别是提供动力的电机耗电量最大。局限于目前电池技术发展水平，使用电池为动力的多旋翼飞行器普遍续航时间短、负载能力小，这大大限制了多旋翼飞行器的性能表现和应用领域。为解决多旋翼飞行器续航时间短的缺点，人们考虑通过燃料发动机作为动力。但燃料发动机与电机相比，最大的缺点就是响应速度慢，这无法满足迅速控制多旋翼飞行器飞行姿态的要求。

另外，传统多旋翼飞行器需要各旋翼相互配合控制飞行姿态，一旦其中一个旋翼出现故障，飞行器就会失控坠机，不适合应用于较贵重负载或载人航空。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种多旋翼飞行器相比于传统电动多旋翼飞行器续航能力更强，负载能力更大，能够保持传统电动多旋翼飞行器操控灵活的优点，而且飞行安全性较高。

本实用新型提供一种多旋翼飞行器，包括起落架、与起落架装配连接的油箱，与油箱装配连接的电池箱，与电池箱装配连接的控制箱，与控制箱装配连接的动力旋翼，动力旋翼为一个，旋翼旋转轴方向通过机身重心竖直安装于机身。所述姿态旋翼为多个，每个姿态旋翼包括电机及其连接的旋翼，旋翼旋转轴方向水平安装于机身与通过机身重心的铅垂线不相交，且至少有两个旋翼旋转轴方向处于同水平面相互平行且分别处于所述铅垂线的两侧。

进一步的，所述姿态旋翼还包括至少一个姿态旋翼，旋转轴方向水平安装于机身，且与通过机身重心的铅垂线相交，并与至少两条处于同水平面相互平行分处于所述铅垂线两侧的姿态旋翼旋转轴方向垂直。

进一步的，所述动力旋翼包括一个动力部件及其连接的旋翼，或一个动力部件及其连接的多个旋翼，或多个动力部件连接的多个旋翼，所述所有旋翼都按旋翼旋转轴同轴线方向连接，所述动力部件包括发动机或电机。

进一步的，所述多旋翼飞行器的机身分为两个部分，两个部分之间铰接可以相对转动，一部分机身包括动力旋翼、姿态旋翼、机架，和配重需要的部分机身组件，另一部分机身包括负载仓和剩余机身组件。

与现有技术相比，本实用新型的多旋翼飞行器具有以下特点和优点：

1、本实用新型的多旋翼飞行器，可以以燃油发动机为主要动力，相比于传统电动多旋翼飞行器其续航时间更长，负载能力更大。

2、本实用新型的多旋翼飞行器，主要通过电机控制飞行姿态，保持了传统多旋翼飞行器控制灵活的优点。

3、本实用新型的多旋翼飞行器采用单动力旋翼空中自平衡稳定性较好，操控原理简单，零部件少，使用维护成本低。

4、本实用新型的多旋翼飞行器当出现动力旋翼故障或姿态旋翼故障时可以应急降落，安全性较高。

结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1中的一种多旋翼飞行器的立体图；

图2为本实用新型实施例1中的一种多旋翼飞行器的飞行原理图；

图3为本实用新型实施例1中的一种多旋翼飞行器的低重心飞行原理图；

图4为本实用新型实施例1中的一种多旋翼飞行器的高重心飞行原理图；

图5为本实用新型实施例2中的一种多旋翼飞行器的立体图；

图6为本实用新型实施例3中的一种多旋翼飞行器的结构图；

其中，

1、起落架，2、油箱，3、电池组，4、控制箱，5、姿态旋翼，51、电机，6、动力旋翼，61、发动机，62、发动机旋翼，7、负载仓，8、机架，81、铰接轴，82、转动支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型予以详细描述。

如图1-4所示，本实施例1提供一种多旋翼飞行器，包括起落架1，与起落架装配连接的油箱2，与油箱装配连接的电池箱3，与电池箱装配连接的控制箱4，与控制箱竖直装配连接的发动机61，与发动机连接的发动机旋翼62，两个姿态旋翼5对称水平安装于机身外侧。油箱2与发动机61经输油管路连接，电池组3与电机51、经导线电连接，实现了多旋翼飞行器上以发动机为动力，续航时间长、载能力大的特性，同时实现了电机控制飞行姿态,响应速度快的特点。电池组3的上方装配连接有控制箱4，控制箱内安装有各类传感器、处理器可感知、控制飞行姿态，控制箱4与电池组3电连接，并与发动机61、电机51信号连接。通过控制箱4控制发动机油门大小和电机转速和转动方向。施例1中的多旋翼飞行器，主要飞行动力由动力旋翼6提供，其由发动机61驱动续航时间长。单动力旋翼飞行器重心靠下，与上轻下重的钟摆类似，受重力原因空中飞行姿态自平衡比较好，这简化了对飞行器飞行姿态控制的要求。增减发动机油门可以实现飞行器的上升下降。两个水平对称安装于机身外侧的姿态旋翼5是主要控制飞行姿态的部件。其对飞行器的控制分三种情况1、两个姿态旋翼旋转轴所在平面与通过机身重心的水平面同平面。2、两个姿态旋翼旋转轴所在平面高于通过机身重心的水平面。3、两个姿态旋翼旋转轴所在平面低于通过机身重心的水平面。

如图2所示第一种情况下，两个姿态旋翼A和B只会对机身施加水平方向扭矩，假设动力旋翼6升力恰好抵消重力，设其作用于机身的反扭矩是顺时针方向。当两个姿态旋翼A和B拉力大小一样但方向相反，且其对机身的合扭矩为逆时针方向恰好等于动力旋翼作用于机身的反扭矩大小，则飞行器实现悬停。在悬停基础上，同时增加两个姿态旋翼A和B的转速，控制其增加的拉力大小一致，其合扭矩大于动力旋翼反扭矩则机身实现原地逆时针转向，原地顺时针转向原理类似。在悬停基础上，增加姿态旋翼B的拉力同时减少姿态旋翼A的拉力，控制拉力的变化量一致，则其合扭矩不变，机身不旋转，但机身朝向姿态旋翼B增加拉力的方向直飞，实现直飞功能。

如图3所示第二种情况，两个姿态旋翼旋转轴所在平面高于通过机身重心的水平面。为便于描述图3相对图2水平旋转了90度。悬停和原地转向原理与图2所示第一种情况相同。直飞功能情况有所不同。因为两个姿态旋翼5旋转轴所在平面高于通过机身重心的水平面，所以两个姿态旋翼5会对机身产生竖直平面方向的扭矩。F1是两个姿态旋翼5的合拉力，在F1的作用下机身延竖直平面逆时针旋转了一个角度α此时姿态旋翼给机身水平方向的力是F2=F1*cosα.因为机身的旋转动力旋翼6同样逆时针旋转了一个角度α，其水平分力是其拉力的一个分力F6=F4*sinα,F2与F6同方向，飞行器会在F2和F6的合力下水平飞行，需要指出的是，因为角度α的存在动力旋翼和姿态旋翼都会损失重力方向升力，α值较小的情况下升力损失很小，α值较大的情况应该适当加大发动机转速予以补偿。

如图4所示第三种情况，两个姿态旋翼旋转轴所在平面低于通过机身重心的水平面。悬停和原地转向原理与图2所示第一种情况相同。直飞功能与图3所示原理稍有不同。因为两个姿态旋翼5旋转轴所在平面低于通过机身重心的水平面，所以姿态旋翼5会对机身产生竖直平面方向的扭矩。F1是两个姿态旋翼5的合拉力，在F1作用下机身顺时针旋转了一个角度α此时姿态旋翼给机身水平方向的力是F2=F1*cosα.因为机身的旋转动力旋翼6同样顺时针旋转了一个角度α，其水平分力是其拉力的一个分力F6=F4*sinα,可以看出水平分力F2和F6方向相反，在α值很小的情况下，cosα非常接近于1，sinα非常接近于0所以姿态旋翼水平分力F2会大于动力旋翼水平分力F6此时飞行器朝向F2方向飞行。当加大F1的拉力α值越来越大时cosα越来越小，sinα越来越大，最终导致F6大于F2此时飞行器会朝向F6方向飞行。这个特性可以用小角度调整悬停姿态，大角度用于动力飞行。

如图5所示，是本实施例2的一种多旋翼飞行器立体图，对比于实施例1增加了两个姿态旋翼，其旋转轴方向与通过机身重心的铅垂线水平相交，对称分布于机身外侧。这两个姿态旋翼5的增加主要为了控制飞行器的侧飞和进一步精确控制飞行姿态，应用于对飞行位置定点精度较高的场合。当增加的两个姿态旋翼旋转轴方向处于同平面时，可以控制飞行器侧飞。当增加的两个姿态旋翼旋转轴延长线方向平行且以重心为对称点分布时，不仅可以控制侧飞而且可以控制两个姿态旋翼旋转轴延长线所在平面的机身扭矩，进一步提高飞行姿态控制的精确度。两个姿态旋翼同向加力且力的大小一致飞行器只侧飞不旋转，当两个姿态旋翼相互反向加力，且力的大小一致，则产生原地扭转效果。

如图6所示，是本实施例3的一种多旋翼飞行器结构图，根据图2-4所述原理可以看出重心对飞行姿态的控制存在影响。当飞行器用来挂载负载，而且负载是一个变化的量，比如说喷洒农药的农业植保机所携带的液体农药，在喷洒的过程中农药不断减少，则机身重心也不断变化。这种变化的重心给精确控制飞行姿态带来干扰。如图6所示的多旋翼飞行器机身分为两个部分，两个部分之间通过铰接轴81铰接，相互之间可以转动。其中第一部分机身包括机架8、提供飞行动力的动力旋翼6、控制飞行姿态的姿态旋翼5，和主要是配重考虑而增加的电池组3，配重要求静止状态时动力旋翼可以在重力作用下保持竖直向上的位置。第二部分机身包括起落架1，负载仓7，油箱2，控制箱4。无论负载仓以及油箱的重量如何变化，机身第一部分给其力的作用只能通过双方唯一的连接点铰接轴81来实现，姿态旋翼控制飞行姿态时会首先推动机架绕铰接轴81转动，更加灵活，耗电也少。并且在重力的作用下第二部分机身可以绕铰接轴旋转使其始终有稳定垂直向下的趋势不会随机架的旋转而旋转，特别适合载人飞行。本实用新型多旋翼飞行器还拥有较高的飞行安全性，当飞行过程中发动机出现故障时，姿态旋翼可以控制动力旋翼与水平面呈一定角度下降，这样在空气阻力作用下飞行器下落的轨迹是一个斜线，下降过程中动力旋翼被动受空气阻力减少了一部分下降速度，一部分势能转化为动力旋翼的旋转被储存起来，斜线下降使飞行器获得一定水平动能，当飞行器下降到一定安全高度时，姿态旋翼操纵飞行姿态，在水平前进速度方向动力旋翼保持短时间大迎角。在空气阻力以及动力旋翼储备的旋转动能的作用下飞行器产生了水平方向和竖直方向的减速，实现了飞行器的安全着陆。当姿态旋翼之一出现故障时，仍然有另外一个姿态旋翼可以保持对机身水平面旋转的功能，降低发动机转速，飞行器可以安全紧急降落，所以本实用新型多旋翼飞行器飞行安全性比较高，特别适合载人飞行。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种多旋翼飞行器，包括动力旋翼、姿态旋翼、油箱、电池组、控制箱、机架、负载仓、起落架，其特征在于：

所述动力旋翼为一个，旋翼旋转轴方向通过机身重心竖直安装于机身；

所述姿态旋翼为多个，每个姿态旋翼包括电机及其连接的旋翼，旋翼旋转轴方向水平安装于机身与通过机身重心的铅垂线不相交，且至少有两个旋翼旋转轴方向处于同水平面相互平行且分别处于所述铅垂线的两侧。

2.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于：所述姿态旋翼还包括至少一个姿态旋翼旋转轴方向水平安装于机身，且与通过机身重心的铅垂线相交，并与至少两条处于同平面相互平行分处于所述铅垂线两侧的姿态旋翼旋转轴方向垂直。

3.根据权利要求1至2的任意一项所述的多旋翼飞行器，其特征在于：所述动力旋翼包括一个动力部件及其连接的旋翼，或一个动力部件及其连接的多个旋翼，或多个动力部件连接的多个旋翼，所述所有旋翼都按旋翼旋转轴同轴线方向连接，所述动力部件包括发动机或电机。

4.根据权利要求1至2的任意一项所述的多旋翼飞行器，其特征在于：所述多旋翼飞行器的机身分为两个部分，两个部分之间铰接可以相对转动，一部分机身包括动力旋翼、姿态旋翼、机架，和配重需要的部分机身组件，另一部分机身包括负载仓和剩余机身组件。