CN103935514B - 双层螺旋桨式多自由度四轴飞行器 - Google Patents

Abstract

一种测量设备领域的双层螺旋桨式多自由度四轴飞行器，双层螺旋桨结构位于动力舱的顶部，竖直转动控制机构设置于动力舱的侧面且与连杆的输出端相连，凸轮由启动电机控制转动且作用于设置于机身主体中部的转向控制结构，该转向控制结构转动且带动其底部的转向电机，转向电机分别与各个连杆的输入端相连使得各个动力舱和双层螺旋桨结构在水平面内自由转动。本发明能够实现飞行整体飞行姿态高度灵活的特点，以适应复杂地形条件下对于飞行器飞行姿态的要求。

Description

双层螺旋桨式多自由度四轴飞行器

技术领域

本发明涉及的是一种测量设备领域的装置，具体是一种双层螺旋桨式多自由度四轴飞行器。

背景技术

四轴飞行器是小型飞行器中多轴飞行器的一种常见样式，因其灵巧、机动的特点，被广泛应用于低空航拍，灾区勘探等复杂地形条件下的飞行任务活动。而四轴飞行器执行复杂地形条件下飞行任务的能力，由其飞行过程中可执行的的飞行动作来标定，常规的四轴飞行器的空中飞行姿态大多需要保持机身整体接近水平，自由度低，可操作性小。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101914893，公开日2010.12.15，记载了一种基于四轴飞行器的桥梁检测机器人，包括四轴飞行器，四轴飞行器的主机体的轴向上设置贯通的安装通道，所述安装通道内部设置有自适应配合调整装置；主机体上还设置有机载飞行控制单元和安装平台，安装平台通过自适应配合调整装置与主机体相连接，安装平台上设置有摄像单元，机载飞行控制单元和地面控制单元组成总控制系统，摄像单元和地面图像处理单元组成图像数据处理系统。但该现有技术与本发明相比的缺陷和不足在于，该四轴飞行器模型作为目前四轴飞行器最为常见的样式，动力系统采用单螺旋桨，并将动力结构与整体机架的外部的四个支撑臂固定，整个机架为不可活动的整体结构，四个支撑臂呈90°夹角的十字型结构，通过调节分布于飞行器四组支撑臂上螺旋桨转速实现飞行在水平面上的方向控制。通过文献检索分析，目前所有的四轴飞行器都是采用的单螺旋桨，机架一体化固定的设计结构。这种类型的飞行器由于其机身的水平飞行姿态，无法通过宽度小于机体自身宽度的狭缝，在复杂危险地形条件下的灵活程度不高，单螺旋桨产生的扭矩也容易导致机体自身的自转。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双层螺旋桨式多自由度四轴飞行器，使得飞行器的每个动力舱都具有两个转动自由度，实现飞行整体飞行姿态高度灵活的特点，以适应复杂地形条件下对于飞行器飞行姿态的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：由遥控电机控制的凸轮、转向控制结构、受无线遥控的启动电机、转向电机、机身主体、四套均匀布置于机身主体周围的双层螺旋桨结构、动力舱、竖直转动控制机构和连杆，其中：双层螺旋桨结构位于动力舱的顶部，竖直转动控制机构设置于动力舱的侧面且与连杆的输出端相连，凸轮由启动电机控制转动且作用于设置于机身主体中部的转向控制结构，该转向控制结构转动且带动其底部的转向电机，转向电机分别与各个连杆的输入端相连使得各个动力舱和双层螺旋桨结构在水平面内自由转动。

所述的转向控制结构包括：第一按压部、第二按压部、第三按压部和第四按压部，其中：第一按压部与机身主体相连，第二按压部的右侧圆筒结构内套接第一按压部，左侧与第三按压部相连，第三按压部的左侧套接第四按压部，第三按压部外壁上的突起结构与第四按压部内壁的凹槽结构相卡接。

所述的第一按压部的整体结构为套筒结构，其顶端与机身主体相连，内侧设有与第二按压部配合的第一锯齿结构。作用是使第二按压部转90°。它和按压部的小的键啮合在一起。

所述的第二按压部的上部外侧设有与第一按压部相配合的键结构，顶端设有与机翼的传动件连接的弹性件，下端设有与第三按压部相配合的第二锯齿结构，弹性件的回力推动整个第二按压部，当每次按下键结构到了第一压部的第一锯齿结构的顶部。然后由于键结构的顶部是斜的，使得到了第一按压部的第一锯齿结构的顶部脱离它的顶部，然后通过弹性件的回力推动且转90°。

所述的第三按压部的端部为与第二按压部相啮合的第三锯齿结构，表面设有与第四按压部相配合的突起结构。

所述的第四按压部的内侧设有与第三按压部的突起结构相配合的凹槽结构用于防止第三按压部的转动。

所述的转向电机和连杆的输入端之间通过设置摩擦轮实现连接。

所述的竖直转动控制机构包括：由无线遥控的控制电机、两个相互啮合的竖直转动锥齿轮，其中：一个竖直转动锥齿轮与动力电机的输出端相连，另一个竖直转动锥齿轮与连杆的输出端相连，动力电机固定于动力舱上。

所述的双层螺旋桨结构包括：两层螺旋桨、动力电机、上锥齿轮、中锥齿轮和下锥齿轮，其中：中锥齿轮的输入端与动力电机的输出端相连，上侧连接上锥齿轮与上层螺旋桨，下侧连接下锥齿轮与下螺旋桨。

下锥齿轮转动带动下层螺旋桨转动，由于齿轮传动，上锥齿轮会以等速率反向转动，带动上层螺旋桨反向转动，从而在提供螺旋桨推力的同时，抵消了由于螺旋桨自转产生的扭矩。

凸轮在竖直平面内进行周期性转动，从而为其底端相连的转向控制结构的第三按压部提供周期性向下的压力，进而控制该转向控制结构转动。每一次无线遥控指令都将得凸轮完成一次周期性转动。

本发明通过机身内部的水平设置的转向控制结构以及飞行器动力舱内侧壁上的竖直转动控制机构两种类型的转动控制机构，使得每个动力舱连同螺旋桨的整体，具有独立的两个旋转自由度，经由matlab分析，这样的结构，可以使得螺旋桨产生朝向空间中任意方向的推力。而由于各个动力舱具有独立的两个旋转自由度，整个四轴飞行器具有高度灵活、机动的特点，能够适应复杂危险环境对于飞行器飞行姿态的要求。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3.1-3.4为转向控制结构的部件分解图(依次为第一、第二、第三、第四按压部)；

图4.1为转向控制结构的组装图；

图4.2为机翼传动件连接的弹性件跟转向控制结构的组装图；

图5为本发明的水平面内自由转动的示意图；

图6为竖直转动控制机构的结构图；

图7为双层螺旋桨结构的示意图；

图8为matlab对于螺旋桨推力的分析结果。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例包括：凸轮(未示出)、转向控制结构1、受无线遥控的启动电机(未示出)、转向电机(未示出)、机身主体2、四套均匀布置于机身主体2周围的双层螺旋桨结构9、动力舱6、竖直转动控制机构5和连杆4，其中：双层螺旋桨结构9位于动力舱6的顶部，竖直转动控制机构5设置于动力舱6的侧面且与连杆4的输出端相连。

如图3.1-3.4和图4.1所示，所述的转向控制结构1包括：第一按压部3、第二按压部8、第三按压部10和第四按压部11，其中：第一按压部3与机身主体2相连，第二按压部8的右侧圆筒结构内套接第一按压部3，左侧与第三按压部10相连，第三按压部10的左侧套接第四按压部11，第三按压部10外壁上的突起结构与第四按压部11内壁的凹槽结构相卡接。

所述的第一按压部3的整体结构为套筒结构，其顶端与机身主体2相连，内侧设有与第二按压部8配合的第一锯齿结构(未示出)。作用是使第二按压部8转90°。它和按压部的小的键啮合在一起。

所述的第二按压部8的上部外侧设有与第一按压部3相配合的键结构12，如图4.2所示，顶端设有与机翼的传动件连接的弹性件13，下端设有与第三按压部10相配合的第二锯齿结构14，弹性件13的回力推动整个第二按压部8，当每次按下小健到了第一按压部3的第一锯齿结构的顶部。由于键结构12的顶部是斜的，使得到了第一按压部3第一锯齿结构的顶部脱离它的顶部，然后通过弹性件13的回力推动且转90°。

所述的第三按压部10的端部为与第二按压部8相啮合的第三锯齿结构15，表面设有与第四按压部11相配合的突起结构16。

所述的第四按压部11的内侧设有与第三按压部10的突起结构16相配合的凹槽结构17用于防止第三按压部10的转动。

如图5所示，凸轮由启动电机控制转动且作用于设置于机身主体2中部的转向控制结构1，该转向控制结构1以每周期90°的形式顺时针旋转且带动其底部的转向电机，转向电机分别与各个连杆4的输入端相连使得各个动力舱6和双层螺旋桨结构9在水平面内自由转动。

所述的转向电机和连杆4的输入端之间通过设置摩擦轮实现连接。

如图6所示，所述的竖直转动控制机构5包括：由无线遥控的控制电机(未示出)、两个相互啮合的竖直转动锥齿轮18，其中：一个竖直转动锥齿轮18与动力电机的输出端相连，另一个竖直转动锥齿轮18与连杆4的输出端相连，动力电机固定于动力舱6上。

如图7所示，所述的双层螺旋桨结构9包括：两层螺旋桨、动力电机、上锥齿轮19、中锥齿轮20和下锥齿轮21，其中：中锥齿轮20的输入端与动力电机的输出端相连，上侧连接上锥齿轮19与上层螺旋桨，下侧连接下锥齿轮21与下螺旋桨。

下锥齿轮21转动带动下层螺旋桨转动，由于齿轮传动，上锥齿轮19会以等速率反向转动，带动上层螺旋桨反向转动，从而在提供螺旋桨推力的同时，抵消了由于螺旋桨自转产生的扭矩。

机身主体2的底部设有起落架7。

本发明所使用的螺旋桨采用碳纤维复合材料材料。机身主体2采用玻璃纤维材料，在稍稍减少强度而其他性质基本相同的情况下，节省整个飞行器开支。

如图8所示，经由matlab分析本实施例使得螺旋桨产生朝向空间中任意方向的推力。在控制飞行器飞行时，无需通过调节不同螺旋桨不同的转速来实现转向，取而代之，通过水平设置的转向控制结构1和竖直转动控制机构5来分别控制动力舱6和双层螺旋桨结构9这一整体在以机身主体2为参考的水平方向的转动和绕连杆4竖直方向的转动，从而调整动力舱6上方双层螺旋桨所产生的推力的方向，进而实现四轴飞行器具有多自由度及飞行姿态调整功能的目的，以适应复杂危险环境的需要。

Claims (8)

1.一种双层螺旋桨式多自由度四轴飞行器，其特征在于，包括：由启动电机控制的凸轮、转向控制结构、受无线遥控的启动电机、转向电机、机身主体、四套均匀布置于机身主体周围的双层螺旋桨结构、动力舱、竖直转动控制机构和连杆，其中：双层螺旋桨结构位于动力舱的顶部，竖直转动控制机构设置于动力舱的侧面且与连杆的输出端相连，凸轮由启动电机控制转动且作用于设置于机身主体中部的转向控制结构，该转向控制结构转动且带动其底部的转向电机，转向电机分别与各个连杆的输入端相连使得各个动力舱和双层螺旋桨结构在水平面内自由转动；

所述的转向控制结构包括：第一按压部、第二按压部、第三按压部和第四按压部，其中：第一按压部与机身主体相连，第二按压部的右侧圆筒结构内套接第一按压部，左侧与第三按压部相连，第三按压部的左侧套接第四按压部，第三按压部外壁上的突起结构与第四按压部内壁的凹槽结构相卡接。

2.根据权利要求1所述的飞行器，其特征是，所述的第一按压部的整体结构为套筒结构，其顶端与机身主体相连，内侧设有与第二按压部配合的第一锯齿结构。

3.根据权利要求1所述的飞行器，其特征是，所述的第二按压部的上部外侧设有与第一按压部相配合的键结构，顶端设有与机翼的传动件连接的弹性件，下端设有与第三按压部相配合的第二锯齿结构。

4.根据权利要求1所述的飞行器，其特征是，所述的第三按压部的端部为与第二按压部相啮合的第三锯齿结构，表面设有与第四按压部相配合的突起结构。

5.根据权利要求1所述的飞行器，其特征是，所述的第四按压部的内侧设有与第三按压部的突起结构相配合的凹槽结构用于防止第三按压部的转动。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的飞行器，其特征是，所述的转向电机和连杆的输入端之间通过设置摩擦轮实现连接。

7.根据权利要求6所述的飞行器，其特征是，所述的竖直转动控制机构包括：由无线遥控的动力电机、两个相互啮合的竖直转动锥齿轮，其中：一个竖直转动锥齿轮与动力电机的输出端相连，另一个竖直转动锥齿轮与连杆的输出端相连，动力电机固定于动力舱上。

8.根据权利要求6所述的飞行器，其特征是，所述的双层螺旋桨结构包括：两层螺旋桨、动力电机、上锥齿轮、中锥齿轮和下锥齿轮，其中：中锥齿轮的输入端与动力电机的输出端相连，上侧连接上锥齿轮与上层螺旋桨，下侧连接下锥齿轮与下螺旋桨。