CN103895860A

CN103895860A - 共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器

Info

Publication number: CN103895860A
Application number: CN201410123525.4A
Authority: CN
Inventors: 陶模; 谢兰; 张守旭
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明提供了一种共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器，四根支撑臂在同一平面上且相互垂直，一端连接在机体的周边，另一端通过双自由度陀螺机构安装共轴双旋旋子，起落架连接在机体上，电控系统设置在机体内，控制双自由度机架和四个共轴双旋旋子。本发明能够机体姿态保持不变的完成复杂飞行任务，在提高机载负荷的基础上，航行更加自由，可以在恶劣的外部环境中完成各种复杂飞行任务、直接具有导航功能、支持水中和空中两栖使用。

Description

共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器

技术领域

本发明属于无人航行器（空中与水中）技术领域，涉及一种新型结构与控制的共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器。

背景技术

当前的大部分飞行器都是固定翼式飞行器，这种飞行器无法完成垂直起飞和降落，需要有专用的跑道或发射装置，其机动性能有限。有翼飞行器具有垂直起飞和降落功能，还能够在空中进行悬停，在军事侦察、反恐、公安、消防、森林巡查、核泄漏探测以及救灾等领域具有广泛的需求。特别是微小型旋翼飞行器，具有十分广阔的应用前景，包括提供复杂地形情况下的侦察及监视、通信中继、检测核污染或进行特殊环境下的检测、侦察建筑物内部情况、监视、监听、解救人质以及反恐怖行动等。微小型旋翼飞行器还可用于搜索灾难幸存者、有毒气体或化学污染、建筑物监查评估、石油及电力管线巡查以及民用航空拍摄等多种应用场合。当前有翼飞行器主要有单旋翼(主旋翼+尾桨)直升机、双旋翼(共轴反转)直升机以及四旋翼飞行器三种结构形式，比如美国麦道公司的MH-16直升机、俄罗斯的卡一29直升机、德国Microdrone公司的四旋翼飞行器等。上述旋翼飞行器的升力和重量比较低，设计成微小型飞行器时带载能力很差，专利号为201010152265.5的“共轴反转双转子八旋翼飞行器”在一定程度上提高了带载能力，但其在飞行状态改变时，机体的姿态会发生变化，对于在恶劣的战场环境无法完成复杂的飞行任务，极大制约了其在各个领域的应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器，在飞行状态发生改时，机体姿态保持不变，能够用于完成空中与水中科学实验，执行更加灵活的航行任务，直接具有导航功能(惯性导航原理)并能支持水中和空中两栖作战的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器，包括机体、四根支撑臂、四个共轴双旋旋子、四个双自由度陀螺机构、起落架和电控系统，所述的四根支撑臂一端连接在机体的周边，四根支撑臂的几何中心线在同一平面上，相邻的两根支撑臂的几何中心线夹角为90°；四个共轴双旋旋子分别通过双自由度陀螺机构设置在四根支撑臂的另一端，起落架连接在机体上，电控系统设置在机体内，控制双自由度机架和四个共轴双旋旋子。

所述的共轴双旋旋子包括两个旋翼和电机或油机，每个共轴双旋旋子的两个旋翼转速相同且旋转方向相反，每个共轴双旋旋子的两个旋翼一个是正桨一个是反桨，每个共轴双旋旋子的两个旋翼旋转产生的升力方向都向上，电机或油机具有两个单独的输出轴，分别连接两个旋翼。

所述的机体、支撑臂、共轴双旋旋子、双自由度陀螺机构和起落架均采用防水材料制备，所述的电控系统采用防水材料密封。

本发明的有益效果是：每个共轴双旋旋子由电机或油机直接驱动，消除了传动系统的效率损失，提高了能量利用效率和飞行器的升力/重量比。每个共轴双旋旋子的两个旋翼转速相同且旋转方向相反，对机体产生的扭力大小相等但方向相反，因此对机体的和扭力矩为零，保证了机体姿态稳定。同时增加共轴双旋旋子的转速，通过双自由度陀螺机架改变共轴双旋旋子的角动量（矢量的方向），航行器沿着角动量（矢量）指向的方向航行，可以使航行器完成前航行、倒航行、左航行和右航行，甚至是任意方向航行，指定任一支撑臂的几何中心线方向为前方，在紧急任务时，可以通过双自由度陀螺机架改变左右两个共轴双旋旋子的角动量指向前方提供最大前航行动力，同时可以通过双自由度陀螺机架改变前后两个共轴双旋旋子的角动量在保证满足重力的情况下，也偏指向前方提供最大前航行动力，这样可以实现最大的前航行速度，在这个过程中，可以保持机体姿态不变，由于采用双自由度陀螺机构，也可以实现惯性导航，各个其他同理。

本发明能够机体姿态保持不变的完成复杂飞行任务，在提高机载负荷的基础上，航行更加自由，可以在恶劣的外部环境中完成各种复杂飞行任务、直接具有导航功能(惯性导航原理)、支持水中和空中两栖使用。

附图说明

图1是本发明共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器的结构示意图;

图2是本发明的共轴双旋旋子与双自由度陀螺机构结构示意图。

图中，1、机体，2、支撑臂，3、共轴双旋旋子，4、起落架，5、电控系统，6、双自由度陀螺机构，301、第一旋翼，302、第二旋翼，303、驱动机构，601、双自由度陀螺机构支架，602、双自由度陀螺机构外框架，603、双自由度陀螺机构内框架，604、双自由度陀螺机构外框架力矩器和传感器，605、双自由度陀螺机构内框架力矩器和传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器，包括机体、四根支撑臂、四个共轴双旋旋子、双自由度陀螺机构、起落架、防水装置和电控系统，四根支撑臂连接在机体的周边，四根支撑臂的几何中心线在同一平面上，相邻的两根支撑臂的几何中心线夹角为90°；四个共轴双旋旋子分别通过双自由度陀螺机构设置在四根支撑臂的另一端，起落架连接在机体上，电控系统设置在机体内，控制双自由度机架，并且控制并连接四个共轴双旋旋子。

上述的共轴双旋旋子是由两个旋翼和直接驱动连接旋翼的电机或油机构成，每个共轴双旋旋子的两个旋翼转速相同且旋转方向相反，每个共轴双旋旋子的两个旋翼一个是正桨一个是反桨，每个共轴双旋旋子的两个旋翼旋转产生的升力方向都向上，电机或油机具有两个单独的输出轴分别连接每个共轴双旋旋子的两个旋翼。

如图1所示，本发明的共轴反转双转子八旋翼飞行器，包括机体1、连接在机体1周围上的四根支撑臂2、分别设置在各支撑臂2端部上的四个共轴双旋旋子3、连接在机体1上的起落架4和设置在机体1中的控制连接各转子与双自由度陀螺机构力矩器和传感器的电控系统5，所述的四根支撑臂2的几何中心线在同一平面上，各相邻的两根支撑臂2的几何中心线夹角为90°。所述起落架4对称连接在机体1上，为飞行器提供支撑，保护飞行器起飞和降落时旋翼不碰撞地面。

如图2所示，上述的双转子3是由第一旋翼301、第二旋翼302和直接驱动连接第一旋翼301、第二旋翼302的驱动机构303构成，驱动机构303为电机或油机，第一旋翼301和第二旋翼302一个是正桨一个是反桨，第一旋翼301和第二旋翼302分别连接在驱动机构303的两个输出轴上。

每个双转子3的第一旋翼301和第二旋翼302的旋转平面与四根支撑臂2的几何中心线所在平面平行。

双自由度陀螺机构6的双自由度陀螺机构外框架602能够相对双自由度陀螺机构支架601转动。

双自由度陀螺机构6的双自由度陀螺机构内框架603能够相对双自由度陀螺机构外框架602转动。

双自由度陀螺机构6的双自由度陀螺机构外框架602能够相对双自由度陀螺机构支架601转动的转动轴处放有双自由度陀螺机构外框架力矩器和传感器604。

双自由度陀螺机构6的双自由度陀螺机构内框架603能够相对双自由度陀螺机构外框架602转动的转动轴处放有双自由度陀螺机构内框架力矩器和传感器605。

Claims

1.一种共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器，包括机体、四根支撑臂、四个共轴双旋旋子、四个双自由度陀螺机构、起落架和电控系统，其特征在于：所述的四根支撑臂一端连接在机体的周边，四根支撑臂的几何中心线在同一平面上，相邻的两根支撑臂的几何中心线夹角为90°；四个共轴双旋旋子分别通过双自由度陀螺机构设置在四根支撑臂的另一端，起落架连接在机体上，电控系统设置在机体内，控制双自由度机架和四个共轴双旋旋子。

2.根据权利要求1所述的共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器，其特征在于：所述的共轴双旋旋子包括两个旋翼和电机或油机，每个共轴双旋旋子的两个旋翼转速相同且旋转方向相反，每个共轴双旋旋子的两个旋翼一个是正桨一个是反桨，每个共轴双旋旋子的两个旋翼旋转产生的升力方向都向上，电机或油机具有两个单独的输出轴，分别连接两个旋翼。

3.根据权利要求1所述的共轴双旋双自由度八旋翼新型两栖航行器，其特征在于：所述的机体、支撑臂、共轴双旋旋子、双自由度陀螺机构和起落架均采用防水材料制备，所述的电控系统采用防水材料密封。