CN103231802A

CN103231802A - 一种y型非共轴多旋翼飞行器

Info

Publication number: CN103231802A
Application number: CN2013101339723A
Authority: CN
Inventors: 周志艳; 李继宇; 罗锡文; 臧英; 闫梦璐; 祝伟杰
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: CN103231802B

Abstract

本发明公开了一种Y型非共轴多旋翼飞行器，包括主机体，该主机体上设有位于主机体纵向中心平面上的主支撑臂，该主支撑臂的后端设有一个主旋翼；该主支撑臂的前端的两侧对称设有两根辅支撑臂，每一辅支撑臂上设有至少1个辅旋翼；每一辅支撑臂与主支撑臂之间通过铰接形成可转动连接。本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器具有机械效率高、易操控、风场可灵活调节且授粉效果好的优点。

Description

一种Y型非共轴多旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种无人飞行器，具体涉及一种Y型非共轴多旋翼飞行器。

背景技术

杂交水稻辅助授粉是一项技术要求强、精度要求高、时间要求紧的作业，授粉效果受各种因素影响明显，对于授粉方式提出了很高的要求。现行的人工辅助授粉包括人力式和机械式，人力式辅助授粉不但劳动强度大、效率低，且授粉不均现象较明显，降低了制种的产量；机械式授粉取代人力授粉能够有效提高工作效率。但现有的机械式授粉主要还局限于手持式机械授粉和行走式机械授粉两种形式。手持式机械授粉对于提高工作效率的水平非常有限；行走式机械又存在下田困难，行进速度低下，易损伤植株等许多难以应付的复杂田间环境问题。

利用稳定低空飞行的无人飞行器实现辅助授粉能够克服工作效率低下，田间环境复杂，成本昂贵等缺点。水稻制种辅助授粉对于飞行器的要求主要在于旋翼风场的宽度、强度和分布方向，对于飞行器的机动性与效率比的要求并不高。而常规布局的单旋翼带尾桨直升机受限于其飞行原理，机体构造基本相同，其旋翼风场主要由一组(二片或多片)大桨高速旋转而形成。按照旋翼经典涡流理论，对于悬停及垂直上升状态(即轴流状态)，旋翼涡系模型就像一个半无限长的涡拄，由一射线状的圆形涡盘的附着涡系及多层同心的圆柱涡面(每层涡面由螺旋涡线所组成)的尾迹涡系两部分所构成，如图1所示。从图中可以看出，风场宽度主要取决于单旋翼直升机的翼展宽度，且近似平均分布在水稻冠层平面的圆形涡盘上。从提高授粉作业效率的角度来看，这种风场投影在冠层平面的形状并不是最有效的。

随着近年来国内外各领域对于多轴多旋翼飞行器结构与控制方法的不断改进应用，多旋翼飞行器也凭借其自身特点进入到农业航空领域进行各种作业。多旋翼飞行器的控制方法简单，结构对称，飞行时无论从稳定性还是安全性都高于单旋翼直升机，且成本远远低于相同载重能力的单旋翼直升机。但目前市面上绝大部分多旋翼飞行器都是采用对称式气动布局，常见的有四旋翼、八旋翼及更多数量旋翼，这种对称式气动布局受到飞行原理的限制，风场分布难以调整更改，作业速度较低，其设计用途一般无风场要求的作业领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种Y型非共轴多旋翼飞行器，该飞行器具有机械效率高、易操控、风场可灵活调节且授粉效果好的优点。

一种Y型非共轴多旋翼飞行器，包括主机体，其特征在于，所述主机体上设有位于主机体纵向中心平面上的主支撑臂，该主支撑臂的后端设有一个主旋翼；该主支撑臂的前端的两侧对称设有两根辅支撑臂，每一辅支撑臂上设有至少1个辅旋翼；每一辅支撑臂与主支撑臂之间通过铰接形成可转动连接。

本发明的一个优选方案，其中，每一辅支撑臂与主支撑臂之间的可转动连接结构为：辅支撑臂与主支撑臂之间通过铰接头连接，该铰接头的一端与辅支撑臂固定连接，另一端与主支撑臂铰接。

所述两个铰接头上设有用于限定辅支撑臂展开角度的角度控制机构，该角度控制机构为：两个铰接头之间设有限位连杆，该限位连杆上设有多个沿纵向排列的螺纹孔，限位连杆的两头分别通过其中一个螺纹孔以及螺钉与一个铰接头连接；

或者为：所述铰接头与主支撑臂之间的铰接轴与铰接头固定成一体，所述主支撑臂上设有一角度控制电机，该角度控制电机的输出轴与所述的铰接轴连接。

本发明的一个优选方案，其中，所述主支撑臂与主旋翼之间的连接结构为：主支撑臂的后端设有一摇臂，该摇臂上连接有主电机底座，该主电机底座上设有主电机安装罩，该主电机安装罩内设有主无刷电机，该主无刷电机的输出轴通过旋翼头与主旋翼连接；所述主支撑臂的后端还设有用于控制摇臂转动角度的摆角控制机构，该摆角控制机构由伺服电机以及曲柄连杆机构构成。

本发明的一个优选方案，其中，所述辅支撑臂与辅旋翼之间的连接结构为：辅支撑臂中与每个辅旋翼对应处设有一个管夹，该管夹的下部夹紧在辅支撑臂上，上部设有侧向电机底座，该侧向电机底座上设有侧向电机安装罩，该侧向电机安装罩内设有侧向无刷电机，该侧向无刷电机的输出轴通过旋翼头与侧旋翼连接。

本发明的一个优选方案，其中，所述主支撑臂包括前段和后段，其中，后段从主机体的后部向后延伸，前段从主机体的前部向前延伸，前段上设有对称地向两侧延伸的两个延伸臂，所述的辅支撑臂连接在该延伸臂的外端上。

本发明的一个优选方案，其中，所述主支撑臂与两根辅支撑臂之间的夹角相等。优选地，所述夹角均为120°，采用该角度时，具有轴向空间分布对称、飞行器飞行稳定的优点。此外，该夹角还可以是其他数值，通常为90°～180°。

本发明的一个优选方案，其中，所述主机体的下部设有脚架；所述主支撑臂和辅支撑臂为中空结构。

本发明的一个优选方案，其中，所述主支撑臂和两根辅支撑臂位于同一水平面上；所述每一根辅支撑臂上的辅旋翼为4个；所述主旋翼和辅旋翼的桨片的数量为1、2、3或4个。

本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器的工作原理是：

工作时，主旋翼和辅旋翼的转向相反，使主旋翼和辅旋翼产生的扭转相互抵消，同时，主旋翼和辅旋翼为飞行器提供垂直升起的升力，并通过控制主旋翼主轴的偏摆角度，为飞行器提供前进或后退的作用力。所述主旋翼和辅旋翼工作时产生向下的吹动的风场，从而吹散花粉，实现辅助授粉。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、与手持式机械授粉和行走式机械授粉相比，本发明的飞行器的机械效率高、易操控，并且工作时无需下田，不与植株接触，因此不但不会损伤植株，而且工作效率大大提高。

2、采用旋翼式无人飞行器进行辅助授粉时，其旋翼在水平面的投影面积大体与飞行器的输出功率成正比，即飞行器的输出功率均匀分布在投影平面上。目前现有技术中的直升机及共轴对称分布的多旋翼飞行器的旋翼投影形状大部分为圆形或者方形，其投影的中心点一般位于飞行器的重心位置；而已有的风场试验数据表明，与飞行器授粉作业前进方向垂直的风场宽度才是所需要的作业宽度，故现有技术中的飞行器输出功率大部分没有作用在有效宽度上。

而本发明中，飞行器的旋翼由位于主机体后部的主旋翼和位于主机体两侧的辅旋翼构成，其中辅旋翼依此排列在辅支撑臂上，其平面投影的形状沿两侧展开，形成沿主机体两侧展开的风场，充分将旋翼功率分布在有效宽度上；且由于辅支撑臂和主支撑臂之间采用可转动连接，因此位于主机体两侧的风场有效宽度可通过调节辅支撑臂与主支撑臂之间的夹角来实现，不同的夹角带来不同特点的气动布局和功率分布，从而可根据水稻父本、母本的实际宽度来调节风场范围的大小，同时，可通过控制各个旋翼的转速来控制风力的大小，使得风场能够灵活调节，同时提高作业速度，对于提高授粉机械效率，改善母本异交结实率有着显著的效果。

3、本发明的飞行器的成本低，易操控，易携带，具有更高的性价比。

附图说明

图1为现有的单旋翼直升机在悬停时的风场示意图。

图2为本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器在辅支撑臂展开时的俯向视图。

图3为本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器在辅支撑臂展开时的立体图。

图4为本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器在辅支撑臂收回时的俯向视图。

图5为本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器在辅支撑臂收回时的正向视图。

图6为本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器中主旋翼与主支撑臂之间的连接结构示意图。

图7为本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器中辅支撑臂与主支撑臂之间的连接结构示意图(辅支撑臂展开时)。

图8本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器中辅支撑臂与主支撑臂之间的连接结构示意图(辅支撑臂收回时)。

图9为本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器中辅旋翼与辅支撑臂之间的连接结构示意图。

图10为本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器中的角度控制机构的一种实施方式的结构简图。

图中：1、主机体；2、主支撑臂；3、辅支撑臂；4、伺服电机；5、主旋翼；6、主电机底座；7、辅旋翼；8、延伸臂；9、侧向电机安装罩；10、主电机安装罩；11、脚架；12、管夹；13、侧向电机底座；14、连接杆、15、摇臂；16、限位连杆；17、铰接头；18、旋翼头；19、曲柄；20、连接块；21、螺纹孔；22、螺钉；23、铰接轴；24、角度控制电机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图2～图5、图7和图8，本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器包括主机体1，该主机体1上设有飞行器控制系统、电池、GPS定位装置以及其他电子辅助器件。主机体1的底部设有脚架11，起支撑飞行器的作用。

参见图2～图6，主机体1上设有位于主机体1纵向中心平面上的主支撑臂2，该主支撑臂2分成前段和后段，其中，后段从主机体1的后部向后延伸，前段从主机体1的前部向前延伸。所述主支撑臂2的后端(即后段的末端)设有一个主旋翼5，该主旋翼5与主支撑臂2之间的连接结构为：参见图6，主支撑臂2的后端铰接有一摇臂15，该摇臂15上连接有主电机底座6，该主电机底座6上设有主电机安装罩10，该主电机安装罩10内设有主无刷电机和电子调速器，所述主无刷电机的输出轴通过旋翼头18与主旋翼5连接，该主旋翼5由2个桨片组成。参见图6，所述主支撑臂2的后端上还设有用于控制摇臂15转动角度的摆角控制机构，该摆角控制机构由伺服电机4以及曲柄连杆机构构成，其中，伺服电机4固定在主支撑臂2上，曲柄连杆机构由与伺服电机4输出轴连接的曲柄19、连接杆14以及摇臂15构成，其中，连接杆14的一头与曲柄19铰接，另一头与设在摇臂15上的连接块20铰接。所述摆角控制机构的作用在于，可实时控制摇臂15的转动角度，从而改变主旋翼5旋转翼面的俯仰角度，从而为飞行器提供前进或后退的动力，并可进行飞行速度的控制。

参见图2～图5和图7～图9，所述主支撑臂2的前端(即前段)上设有对称地向两侧延伸的两个延伸臂8，每一个延伸臂8上连接有一根辅支撑臂3，每一辅支撑臂3上设有4个辅旋翼7。其中，延伸臂8与辅支撑臂3之间通过铰接形成可转动连接，具体地，该可转动连接结构为：辅支撑臂3与延伸臂8之间通过铰接头17连接，该铰接头17的一端与辅支撑臂3固定连接，另一端与延伸臂8铰接。所述两个铰接头17上设有用于限定辅支撑臂3展开角度的角度控制机构，该角度控制机构为：两个铰接头17之间设有限位连杆16，该限位连杆16上设有多个沿纵向排列的螺纹孔21，这些螺纹孔21对称分布于限位连杆16的中心的两侧，相邻两螺纹孔21之间相距一定的距离，限位连杆16的两头分别通过其中一个螺纹孔21以及螺钉22与一个铰接头17连接，为了确保两个辅支撑臂3的展开角度一致，限位连杆16上与两个铰接头17连接的两个螺纹孔21为相互对称的两个螺纹孔21。由于延伸臂8与辅支撑臂3之间采用可转动连接结构，使得辅支撑臂3可根据需要以不同的角度展开，并通过限位连杆16，将辅支撑臂3固定在所需要的展开角度上(参见图7)；同时，当需要将辅支撑臂3收回时，同样可利用限位连杆16将辅支撑臂3固定在收回状态(参见图8)。本实施方式中，两个辅支撑臂3展开后与主支撑臂2之间的夹角相等，且均为120°，这样三轴(主支撑臂2及两根辅支撑臂3)之间的夹角均为120°(即呈Y型)，构成稳定的空间结构，有利于飞行器飞行的稳定。当然，两根辅支撑臂3的展开角度根据作业时所需要的作业宽度和风场特点来设置，通常，辅支撑臂3与主支撑臂2之间的夹角可90°～180°之间选择。

参见图9，所述辅支撑臂3与辅旋翼7通过以下的结构连接：辅支撑臂3中与每个辅旋翼7对应处设有一个管夹12，该管夹12的下部夹紧在辅支撑臂3上，上部设有侧向电机底座13，该侧向电机底座13上设有侧向电机安装罩9，该侧向电机安装罩9内设有侧向无刷电机和电子调速器，所述侧向无刷电机的输出轴通过旋翼头18与侧旋翼连接，该侧旋翼由2个桨片组成。

参见图2～图9，所述的主支撑臂2和辅支撑臂3均为中空结构，其内部空间供导线穿过。所述的主旋翼5的尺寸较辅旋翼7大，相应的，主无刷电机的功率亦大于侧向无刷电机的功率，具体设置时参照以下要求：工作时确保主旋翼5产生的扭矩与8个辅旋翼7产生的扭矩相互抵消，保证飞行器稳定飞行，同时能够为飞行器提供足够的升力和前进、后退的动力。所述主支撑臂2和两根辅支撑臂3位于同一水平面上，这样更有利于飞行器飞行的稳定。

实施例2

参见图10，本实施例中，所述的角度控制机构为：所述铰接头17与延伸臂8之间的铰接轴23与铰接头17固定成一体，即铰接头17随铰接轴23一起转动，所述延伸臂8上设有一角度控制电机24，该角度控制电机24为一伺服电机，该角度控制电机24的输出轴与所述的铰接轴23连接。通过控制角度控制电机24的转动角度，可根据需要实时、方便地控制辅支撑臂3的展开角度，灵活性进一步提高。

本实施例上述以外的其他实施方式与实施例1相同。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，例如，每一个辅支撑臂3上的辅旋翼7的数量还可以是3个、5个或者更多个，可根据所需要的风场的大小来选择；旋翼上的桨片的数量可以是1个、3个或4个等；此外，本发明的Y型非共轴多旋翼飞行器除开可用于水稻辅助授粉外，还可以用于喷药、施肥、航拍等领域；总之，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

1.一种Y型非共轴多旋翼飞行器，包括主机体，其特征在于，所述主机体上设有位于主机体纵向中心平面上的主支撑臂，该主支撑臂的后端设有一个主旋翼；该主支撑臂的前端的两侧对称设有两根辅支撑臂，每一辅支撑臂上设有至少1个辅旋翼；每一辅支撑臂与主支撑臂之间通过铰接形成可转动连接。

2.根据权利要求1所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，每一辅支撑臂与主支撑臂之间的可转动连接结构为：辅支撑臂与主支撑臂之间通过铰接头连接，该铰接头的一端与辅支撑臂固定连接，另一端与主支撑臂铰接。

3.根据权利要求2所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，所述两个铰接头上设有用于限定辅支撑臂展开角度的角度控制机构，该角度控制机构为：两个铰接头之间设有限位连杆，该限位连杆上设有多个沿纵向排列的螺纹孔，限位连杆的两头分别通过其中一个螺纹孔以及螺钉与一个铰接头连接；

4.根据权利要求3所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，所述主支撑臂与主旋翼之间的连接结构为：主支撑臂的后端设有一摇臂，该摇臂上连接有主电机底座，该主电机底座上设有主电机安装罩，该主电机安装罩内设有主无刷电机，该主无刷电机的输出轴通过旋翼头与主旋翼连接；所述主支撑臂的后端还设有用于控制摇臂转动角度的摆角控制机构，该摆角控制机构由伺服电机以及曲柄连杆机构构成。

5.根据权利要求4所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，所述辅支撑臂与辅旋翼之间的连接结构为：辅支撑臂中与每个辅旋翼对应处设有一个管夹，该管夹的下部夹紧在辅支撑臂上，上部设有侧向电机底座，该侧向电机底座上设有侧向电机安装罩，该侧向电机安装罩内设有侧向无刷电机，该侧向无刷电机的输出轴通过旋翼头与侧旋翼连接。

6.根据权利要求2所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，所述主支撑臂包括前段和后段，其中，后段从主机体的后部向后延伸，前段从主机体的前部向前延伸，前段上设有对称地向两侧延伸的两个延伸臂，所述的辅支撑臂连接在该延伸臂的外端上。

7.根据权利要求6所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，所述主支撑臂与两根辅支撑臂之间的夹角相等。

8.根据权利要求7所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，所述主支撑臂与两根辅支撑臂之间的夹角均为120°。

9.根据权利要求1～8任一项所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，所述主机体的下部设有脚架；所述主支撑臂和辅支撑臂为中空结构。

10.根据权利要求9所述的Y型非共轴多旋翼飞行器，其特征在于，所述主支撑臂和两根辅支撑臂位于同一水平面上；所述每一根辅支撑臂上的辅旋翼为4个；所述主旋翼和辅旋翼的桨片的数量为1、2、3或4个。