CN104309802A - 一种燃料动力四旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人飞行器技术领域，尤其涉及一种燃料动力四旋翼无人飞行器。该无人飞行器包括燃料发动机、传动机构、制动机构及飞行控制系统；所述飞行控制系统与所述燃料发动机、传动机构及制动机构连接；所述燃料发动机用于根据所述飞行控制系统的控制命令通过所述传动机构驱动所述四旋翼无人飞行器的四个旋翼转动；所述制动机构用于根据所述飞行控制系统的控制命令分别控制所述四个旋翼的转速。与现有技术相比，本发明采用燃料发动机替代电池作为四旋翼无人飞行器的动力，大大提高了四旋翼无人飞行器的续航能力，同时，降低了四旋翼无人飞行器的成本。

Description

一种燃料动力四旋翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及无人飞行器技术领域，尤其涉及一种燃料动力四旋翼无人飞行器。

背景技术

四旋翼飞行器，国外又称Quadrotor、Four-rotor、4 rotors helicopter、X4-flyer等，是一种具有垂直起降和悬停能力的四螺旋桨飞行器。其优点是维护容易，结构简单，稳定性高，在民用及军用领域均有广泛应用。

当前的多旋翼飞行器均采用电池驱动。由于电池价格高昂，能量密度远低于燃料，且充电条件受限，因此，采用电池驱动的多旋翼飞行器普遍续航能力低。采用电池驱动是当下多旋翼飞行器在实际应用中受限的主要原因。

如果采用燃料驱动，除去内燃机的机械损耗，燃料动力较电池动力仍具有很大的优势。目前市面上尚无燃料动力的多旋翼无人飞行器。已知天津大学申请了一种油电混合动力四旋翼无人飞行器的专利[公布号CN 103359284 A]，通过油动发动机给电池充电，然后由电池驱动电机带动旋翼，该方案因从机械能到电能再到机械能的两次转换使得能量损失太大，在提升续航能力方面显得不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种燃料动力四旋翼无人飞行器，以替代现有的以电池为动力的四旋翼无人飞行器，解决以电池为动力的四旋翼无人飞行器续航能力低的问题。本发明是这样实现的：

一种燃料动力四旋翼无人飞行器，包括燃料发动机、传动机构、制动机构及飞行控制系统；所述飞行控制系统与所述燃料发动机、传动机构及制动机构连接；

所述燃料发动机用于根据所述飞行控制系统的控制命令通过所述传动机构驱动所述四旋翼无人飞行器的四个旋翼转动；

所述制动机构用于根据所述飞行控制系统的控制命令分别控制所述四个旋翼的转速。

进一步地，所述传动机构包括离合器、减速器及差速传动机构；所述燃料发动机依次通过所述离合器、减速器及差速传动机构驱动所述四旋翼无人飞行器的四个旋翼转动；所述离合器的驱动机构与所述飞行控制系统连接，可根据所述飞行控制系统的控制命令改变所述离合器的状态，以切断或传递所述燃料发动机输出到所述减速器的动力。

进一步地，所述差速传动机构包括一个第一差速器及两个第二差速器；

所述减速器输出的动力通过第一差速器的两根半轴分配给两个第二差速器，再通过两个第二差速器各自的两根半轴分配给四个旋翼。

进一步地，所述制动机构包括四个制动装置；所述飞行控制系统通过所述四个制动装置分别控制所述四个旋翼的转速；所述制动装置包括制动器及用于驱动所述制动器的制动器驱动机构；所述制动器驱动机构与所述飞行控制系统连接，用于根据所述飞行控制系统的控制命令通过与其连接的制动器控制相应旋翼的转速。

进一步地，所述飞行控制系统包括：

若干传感器，用于检测所述无人飞行器的飞行参数；

中央控制单元，与所述若干传感器连接，用于接收所述飞行参数，并根据所述飞行参数控制所述燃料发动机、传动机构及制动机构动作。

进一步地，所述飞行参数包括：飞行高度、飞行速度、地理坐标、飞行姿态中的任意一个或多个。

进一步地，所述飞行控制系统还包括四个旋转编码器；所述四个旋转编码器与所述中央控制单元连接，用于分别检测所述四个旋翼的转速，并将检测结果发送到所述中央控制单元。

进一步地，所述四旋翼无人飞行器还包括机架；所述机架包括支撑架和传动架；

所述支撑机架包括两根相互平行的大梁及两个起落架；所述起落架固定连接在两根大梁之间；

所述传动架包括六根空心管及三个罩体；所述六根空心管及三个罩体连接成一个固定的整体作为所述差速传动机构的支撑结构；在所述支撑结构中，所述第一差速器及两个第二差速器分别容纳于所述三个罩体内；所述第一差速器的两根半轴及两个第二差速器各自的两根半轴分别容纳于所述六根空心管内；

所述两根大梁各自的两端分别固定连接在所述两个第二差速器各自的两根半轴所对应的空心管上。

进一步地，所述半轴上安装有轴承，所述轴承紧密嵌入该半轴所在的空心管内。

进一步地，所述机架采用碳纤维材料。

与现有技术相比，本发明采用燃料发动机替代电池作为四旋翼无人飞行器的动力，大大提高了四旋翼无人飞行器的续航能力，同时，降低了四旋翼无人飞行器的成本。

附图说明

图1：本发明实施例提供的燃料动力四旋翼无人飞行器结构示意图。

图2：本发明实施例提供的燃料动力四旋翼无人飞行器控制原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

参考图1及图2，本发明提供的燃料动力四旋翼无人飞行器(以下简称无人飞行器)包括燃料发动机1、传动机构、制动机构及飞行控制系统。燃料发动机1上设置有点火器11及启动器12。点火器11设置在启动器12上，当按下点火器11后，启动器12启动燃料发动机1。燃料发动机1所使用的燃料包括柴油、汽油、煤油、各种燃气等。

飞行控制系统与燃料发动机1、传动机构及制动机构连接。飞行控制系统是无人飞行器的控制中心，燃料发动机1、传动机构及制动机构都是根据飞行控制系统的控制命令来工作的。其中，燃料发动机1根据飞行控制系统的控制命令通过传动机构驱动四旋翼无人飞行器的四个旋翼7转动，制动机构根据飞行控制系统的控制命令分别控制四个旋翼7的转速。

传动机构包括离合器2、减速器3及差速传动机构。与汽车的传动机构类似，燃料发动机1依次通过离合器2、减速器3及差速传动机构驱动四旋翼无人飞行器的四个旋翼7转动。离合器2的驱动机构与飞行控制系统连接，可根据飞行控制系统的控制命令改变离合器2的状态，以切断或传递燃料发动机1输出到减速器3的动力。

与汽车中使用的差速传动机构类似，该无人飞行器也采用两级差速传动的方式驱动四个旋翼7转动。差速传动机构包括一个第一差速器4及两个第二差速器5。减速器3输出的动力通过第一差速器4的两根半轴分配给两个第二差速器5，再通过两个第二差速器5各自的两根半轴分配给四个旋翼7。第一差速器4的两根半轴及第二差速器5各自的两根半轴形成一个“工”字形，该工字形的四个末端用于安装无人飞行器的四个旋翼7。第一差速器4及两个第二差速器5均为锥形齿轮差速器。两个第二差速器5各自的两根半轴的末端也都安装有锥形齿轮9，两个第二差速器5各自的两根半轴可通过安装在其末端的锥形齿轮9驱动相应的旋翼7转动。

制动机构包括四个制动装置，飞行控制系统通过四个制动装置分别控制四个旋翼7的转速。制动装置包括制动器6及用于驱动制动器6的制动器驱动机构，制动器驱动机构与飞行控制系统连接，用于根据飞行控制系统的控制命令通过与其连接的制动器6控制相应旋翼7的转速。制动器6可通过与半轴挤压摩擦的方式对旋翼7进行制动。

飞行控制系统包括若干用于检测无人飞行器的飞行参数的传感器以及与这些传感器连接，用于接收飞行参数的中央控制单元8。中央控制单元8可根据接收到的飞行参数控制燃料发动机1、传动机构及制动机构动作。飞行参数包括飞行高度、飞行速度、地理坐标、飞行姿态等。

飞行姿态是指无人飞行器当前所处的飞行状态，包括上升、下降、前移、后移、左移、右移、左旋、右旋等。根据四旋翼无人飞行器的原理可知，四旋翼无人飞行器的飞行姿态主要是由其四个旋翼7的转速大小，以及四个旋翼7之间的转速差决定的。为准确控制无人飞行器的飞行姿态，有必要准确掌握四个旋翼7各自的转速，从而为中央控制单元8提供控制依据。鉴于此，飞行控制系统还进一步包括了四个旋转编码器，四个旋转编码器与中央控制单元8连接，用于分别检测四个旋翼7的转速，并将检测结果发送到中央控制单元8，这样就可实时监测无人飞行器的四个旋翼7的转速以及转速差，为中央控制单元8控制无人飞行器的飞行姿态提供参考依据。为保证无人飞行器飞行稳定性，四个旋翼7的上方还安装了整流罩10。燃料箱13挂载在减速器3的下方。无人飞行器设计时要尽可能使得其在不挂载燃料箱13时的重心与挂载燃料箱13时的重心之间的连线是竖直的，这样才不会使无人飞行器的重心在挂载燃料箱前后产生水平方向的偏移，使无人飞行器的飞行姿态保持稳定。

该无人飞行器的机架采用碳纤维材料，从而可在提高无人飞行器机身强度的同时，大大降低机身重量。机架包括支撑架和传动架。其中，支撑架主要起到支撑整个无人飞行器重量以及作为传动架载体的作用。支撑架包括两根相互平行的大梁及两个起落架14，每个起落架14均固定连接在两根大梁之间，从而使两根大梁以及两个起落架14共同形成一个固定的整体。大梁及起落架14均可采用空心碳纤维管以减轻机身重量，提高机身强度。

起落架14可包括三根空心碳纤维管，其中一根碳纤维管的两个端部通过三通接头或L型转接头分别与另外两根碳纤维管的其中一个端部连接，另外两根碳纤维管的另一个端部通过三通接头分别连接在两根大梁上，从而使起落架14固定连接在两根大梁之间。两个起落架14都可采用这种方式与大梁固定连接，当两个起落架14都与大梁固定连接后，就形成了一个固定的整体。起落架14也可以采用直接弯折的整体结构替代由三根空心碳纤维管通过三通接头或L型转接头连接的结构，但采用后者的方式不需要对材料进行弯折处理，只需要选择合适的碳纤维管与接头就可进行组装，选材方便灵活。起落架14也可直接焊接在大梁上，但起落架14与大梁之间通过三通接头连接便于起落架14的更换。

传动架包括六根空心管15及三个罩体。六根空心管15也可采用碳纤维材料。这六根空心管15及三个罩体连接成一个固定的整体作为差速传动机构的支撑结构。在支撑结构中，第一差速器4及两个第二差速器5分别容纳于三个罩体内，第一差速器4的两根半轴及两个第二差速器5各自的两根半轴分别容纳于六根空心管15内。两根大梁各自的两端分别固定连接在两个第二差速器5各自的两根半轴所对应的空心管15上。同样，这里也可以采用三通接头的固定连接方式，从而可以使支撑架与传动架方便分离，便于维修或更换出现问题的结构。

为在各半轴转动的时候起到良好的支撑及固定作用，还在半轴上安装有轴承，并将轴承紧密嵌入该半轴所在的空心管15内。这样，空心管15可通过轴承对半轴起到良好的支撑及固定作用，使差速传动机构运行更稳定，从而确保无人飞行器飞行的可靠性。制动器6也可安装在空心管15内，编码器可安装在空心管15末端，通过检测半轴转动的角速度的方式检测旋翼7的转速。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，包括燃料发动机、传动机构、制动机构及飞行控制系统；所述飞行控制系统与所述燃料发动机、传动机构及制动机构连接；

所述燃料发动机用于根据所述飞行控制系统的控制命令通过所述传动机构驱动所述四旋翼无人飞行器的四个旋翼转动；

所述制动机构用于根据所述飞行控制系统的控制命令分别控制所述四个旋翼的转速。

2.如权利要求1所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述传动机构包括离合器、减速器及差速传动机构；所述燃料发动机依次通过所述离合器、减速器及差速传动机构驱动所述四旋翼无人飞行器的四个旋翼转动；所述离合器的驱动机构与所述飞行控制系统连接，可根据所述飞行控制系统的控制命令改变所述离合器的状态，以切断或传递所述燃料发动机输出到所述减速器的动力。

3.如权利要求2所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述差速传动机构包括一个第一差速器及两个第二差速器；

所述减速器输出的动力通过第一差速器的两根半轴分配给两个第二差速器，再通过两个第二差速器各自的两根半轴分配给四个旋翼。

4.如权利要求1所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述制动机构包括四个制动装置；所述飞行控制系统通过所述四个制动装置分别控制所述四个旋翼的转速；所述制动装置包括制动器及用于驱动所述制动器的制动器驱动机构；所述制动器驱动机构与所述飞行控制系统连接，用于根据所述飞行控制系统的控制命令通过与其连接的制动器控制相应旋翼的转速。

5.如权利要求1所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述飞行控制系统包括：

若干传感器，用于检测所述无人飞行器的飞行参数；

中央控制单元，与所述若干传感器连接，用于接收所述飞行参数，并根据所述飞行参数控制所述燃料发动机、传动机构及制动机构动作。

6.如权利要求5所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述飞行参数包括：飞行高度、飞行速度、地理坐标、飞行姿态中的任意一个或多个。

7.如权利要求5所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述飞行控制系统还包括四个旋转编码器；所述四个旋转编码器与所述中央控制单元连接，用于分别检测所述四个旋翼的转速，并将检测结果发送到所述中央控制单元。

8.如权利要求3所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述四旋翼无人飞行器还包括机架；所述机架包括支撑架和传动架；

所述支撑机架包括两根相互平行的大梁及两个起落架；所述起落架固定连接在两根大梁之间；

所述传动架包括六根空心管及三个罩体；所述六根空心管及三个罩体连接成一个固定的整体作为所述差速传动机构的支撑结构；在所述支撑结构中，所述第一差速器及两个第二差速器分别容纳于所述三个罩体内；所述第一差速器的两根半轴及两个第二差速器各自的两根半轴分别容纳于所述六根空心管内；

所述两根大梁各自的两端分别固定连接在所述两个第二差速器各自的两根半轴所对应的空心管上。

9.如权利要求8所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述半轴上安装有轴承，所述轴承紧密嵌入该半轴所在的空心管内。

10.如权利要求8所述的燃料动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述机架采用碳纤维材料。