CN104648667A - 飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞行器，包括主支架，其中，飞行器还设有至少二个连接支架，连接支架的第一端固定在主支架上，连接支架的第二端铰接有活动支架，活动支架绕连接支架的第二端的销轴转动，且至少一个活动支架上安装有第一动力装置。本发明提供的飞行器能根据风向伸展或者弯曲活动支架，从而改变第一动力装置相对于水平面的方向，进而减小风阻对飞行器飞行的影响，减小飞行器抵抗风阻时所需要的能量，从而减小电机消耗的电能，还能保证飞行器的稳定飞行。

Description

飞行器

技术领域

本发明涉及航空设备领域，尤其是涉及一种无人驾驶的飞行器。

背景技术

无人驾驶飞机在航空拍摄、空中运输等领域有广泛的应用，现有的无人驾驶飞行器大多为固定翼飞行器或者多轴飞行器，固定翼飞行器上设置一个或多个机翼，并且在机翼上设置螺旋桨，通过电机带动螺旋桨旋转产生的气流推动飞行器飞行。

多轴飞行器是一种具有两个或更多旋翼轴的旋翼飞行器，参见图1，现有的一种多轴飞行器具有一个主支架11，在主支架11的中部设置有控制器12，控制器12内设置有作为动力源的电池、控制电路板和电子调速器等。在主支架11的周向上设有四根连接支架13，每一根连接支架13的末端设置有一根支轴16，通常，支轴16与主支架11的轴线平行，在飞行器飞行时，支轴16是竖直设置的。

在每一根连接支架13的末端还设有电机15，电机15带动支轴16旋转，且支轴16外还套装有旋翼14，电机15工作时带动支轴16旋转，从而带动旋翼14旋转，为飞行器的起飞、悬停、飞行提供动力。通常旋翼14的迎角相对于主支架11是固定的，通过改变不同旋翼14之间的相对速度即可改变推进力的扭矩，从而控制飞行器的运行轨迹。

由于多轴飞行器结构简单，且多轴飞行器的控制也较为简单，其飞行性能均比较稳定，使得多轴飞行器易于小型化，近年应用普及速度大大提高。现在常见的多轴飞行器为二轴、三轴、四轴、五轴、六轴以及八轴飞行器，也有更多轴的多轴飞行器，但最为常见的是四轴飞行器。

多轴飞行器除了用作遥控飞行表演模型外，还能轻易进入人不宜进入的各种恶劣环境，可执行航拍电影取景、实时监控、地形勘探等飞行任务。并且，现在的多轴飞行器的主支架通常设计得比较扁平，即在水平方向上的尺寸较大，在竖直方向上的尺寸较小，这样能够减少飞行器在飞行过程中水平方向上的风阻，从而降低横风对飞行器飞行的影响，保持飞行器在飞行过程中的平稳。

飞行器起飞阶段，通过提高电机15的转速来提高旋翼14的转速，从而为飞行器提供向上的浮力。飞行器降落时，降低旋翼14的转速以减小飞行器的浮力。在飞行器需要执行俯仰飞行或者偏航等操作时，通过控制四个旋翼14的转速，使得四个旋翼14的转速不相同或者不对称来实现飞行器主支架11与水平面的倾斜，进而实现飞行器俯仰飞行或者偏航、横向运动等操作。

然而，即便由于四根连接支架13均在同一平面上，并且四个旋翼14也基本在同一平面上，飞行器飞行过程中遇到较强的横风时也会发生漂移，即发生水平运动，偏离原来的位置。为克服横风的影响，需要提高去风方向的电机的转速，也就是提高去风方向上旋翼的转速，使得飞行器逆风倾斜，利用旋翼14产生的水平分力抵抗横风。由于飞行器逆风倾斜在迎风方向上，飞行器的迎风面积较大，并且旋翼14将处于迎风位置上，为了确保飞行器处于悬停状态或者确保飞行器继续平稳飞行，需要加大旋翼14的转速，也就是增加电机15的输出功率，导致电机15消耗的电能较多，也不利于飞行器的平稳飞行，也缩短了续航时间。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种有效避免受到横风影响而出现飞行不平稳的飞行器。

为实现上述的主要目的，本发明提供的飞行器包括主支架，其中，飞行器还设有至少二个连接支架，连接支架的第一端固定在主支架上，连接支架的第二端铰接有活动支架，活动支架绕连接支架的第二端的销轴转动，且至少一个活动支架上安装有第一动力装置。

由上述方案可见，第一动力装置安装在可以相对于连接支架转动的活动支架上，在飞行器飞行过程中遇到横风时，处于来风方向上的活动支架向下弯曲，作为旋翼的第一动力装置也随之相对于水平面发生倾斜，这样，弯曲了的活动支架上的旋翼旋转时产生向上的浮力分力和抵抗横风的水平分力并支撑飞行器保持平稳，也就是飞行器的主支架仍与水平面保持平行，避免主支架相对于水平面发生倾斜，减小飞行器在迎风方向上的面积，从而减小横风导致的阻力，减小电机消耗的电能。

一个优选的方案是，连接支架的数量为四个以上，多个连接支架在主支架的周向上均匀布置，且每一连接支架的第二端均铰接有活动支架。

由此可见，在主支架四个方向上均匀布置一个活动支架，在飞行器飞行过程中，可以根据横风的风向驱动对应方向上的活动支架向下弯曲，从而确保飞行器可以适应不同方向的横风的影响，确保飞行器的平稳飞行，提高了飞行器控制的灵活性。

进一步的方案是，活动支架绕销轴在主支架轴线所在的平面上转动或者在垂直于连接支架的平面上转动。

可见，活动支架的转动方向是主支架轴线所在的平面或者垂直于主支架轴线与连接支架的平面，这样的易与实现活动支架的转动，也有利于活动支架正对横风方向弯曲，确保飞行器的主支架与水平面保持平行，飞行器的结构简单，易于加工制造。

更进一步的方案是，飞行器上还设有驱动组件，驱动组件包括固定在连接支架的第二端的驱动装置以及由驱动装置驱动的驱动杆，驱动杆的第一端与驱动装置连接，驱动杆的第二端与连接件连接，连接件固定在活动支架上，且驱动杆在驱动装置与连接件之间的长度在驱动装置的驱动下伸长或缩短。

由此可见，通过主支架上的控制器控制驱动组件的驱动装置的工作，由此控制活动支架的转动，使得活动支架的旋转可以精确地实现。

更进一步的方案是，驱动装置包括电机，驱动杆包括由电机驱动旋转的螺纹杆，连接件包括固定在活动支架上的固定件以及铰接在固定件上的转动块，转动块上设有螺纹孔，螺纹杆旋入螺纹孔内。

可见，通过电机驱动螺纹杆旋转并带动螺纹管在螺纹孔内旋转以控制螺纹杆在固定件以及电机之间的距离，从而精确控制活动支架与连接支架之间的角度，进而实现对活动支架旋转角度的控制。

更进一步的方案是，主支架上还设有至少一组第二动力装置，第二动力装置朝向主支架的上端设置，第一动力装置朝向主支架的下端设置。

由此可见，在主支架上设置多组主人旋翼或者涵道等第二动力装置，在飞行器飞行过程中提供充足的动力，有利于飞行器更加平稳地飞行。

附图说明

图1是现有一种飞行器的结构图。

图2是本发明实施例的结构图。

图3是本发明实施例中活动支架与连接支架的结构放大图。

图4是本发明实施例中活动支架与连接支架另一视角的结构放大图。

图5是本发明实施例中活动支架与连接支架的结构分解图。

图6是本发明实施例中驱动组件与连接支架的结构分解放大图。

图7是本发明实施例中一个活动支架弯曲后的结构图。

图8是本发明实施例的一个活动支架弯曲后的结构图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的飞行器为无人驾驶飞行器，可以有航空表演、航空拍摄以及航空运输等多种场合。参见图2，本发明提供的飞行器包括主支架21，在主支架21的中部设有一个圆形的控制器22，控制器22内设置有动力源，如电池等，并且设置有控制电路，用于控制电机的工作。当然，控制器22内还设有惯性测量模块（IMU），其包括加速度传感器、陀螺仪等，用于检测飞行器相对于水平面的倾斜角度等飞行姿态。

在主支架21的周向上设有四根安装支架23，每一根安装支架23的第一端固定在主支架21上，本实施例中，安装支架23通过螺钉或者铆钉固定在主支架21上。当然，安装支架23的第一端也可以焊接在主支架21上，或者主支架21与安装支架23一体成型。

在安装支架23的末端设置有电机24以及由电机24驱动的旋翼25，在安装支架23的末端还设有一根支轴26，电机24驱动支轴26旋转，且旋翼25套装在支轴26上，旋翼25在支轴26的带动下旋转，从而为飞行器的飞行提供动力。当然，电机24由控制器22控制工作，因此每一个电机24均与控制器22电连接。

在主支架21的周向上还设有四根连接支架30，每一根连接支架30的第一端固定在主支架21上，如图3所示，连接支架30的第一端设有多个通孔31，使用螺钉或者铆钉穿过通孔31将连接支架30固定在主支架21上。当然，连接支架30也可以焊接在主支架21上，或者连接支架30与主支架21一体成型。

连接支架30的第二端铰接有活动支架35，活动支架35的第一端铰接在连接支架30的第二端，且连接支架30与活动支架35上设有驱动组件40，通过驱动组件40驱动活动支架35的转动。在活动支架35的中部设有电机37以及由电机37驱动的旋翼38，参见图4，电机37固定在活动支架35上，旋翼38套装在电机37的转轴外，在电机37的转轴带动下旋转。活动支架35的末端设有支撑脚36，如图2所示，在飞行器放置在地面的时候，飞行器由四个支撑脚36支撑，避免旋翼36与地面接触，在飞行器降落的时候支撑脚36首先着地，避免旋翼36与地面发生摩擦而损坏。

参见图5与图6，驱动组件40包括一个固定在连接支架30第二端的固定件41，固定件41上安装有电机45，且固定件41上还安装有一根用于限位的销轴43，固定件41的两个侧壁上分别设置有一个弧形的滑槽42。电机45的转轴46与万向节47连接，作为驱动杆的螺纹杆48一端固定在万向节47上，螺纹杆48上设有外螺纹。活动支架35靠近连接支架30的一端铰接在销轴44上，并且可以绕销轴44转动。

活动支架35靠近连接支架30的一端设有固定件50，固定件50的两个侧壁上分别设有一个圆形的安装孔51。固定件50上安装有转动块53，转动块53的两端分别设有限位块54，限位块54穿过安装孔51并将转动块53可旋转地安装在固定件50上。固定件50以及转动块53构成本实施例的连接件。转动块53可以相对固定件50绕安装块51的轴线旋转，在转动块53上设有一个螺纹孔55，螺纹杆48可以旋入螺纹孔55内，如图5所示。

初始状态下，连接支架30与活动支架35之间所成的角为180°，也就是连接支架30与活动支架35在一条直线上。电机45驱动转轴46旋转时带动万向节47转动，从而带动螺纹杆48旋转。螺纹杆48旋转时，螺纹杆48位于转动块53与电机45之间的长度伸长或者缩短，当螺纹杆48在转动块53与电机45之间的长度增加时，活动支架35绕销轴44向下转动，如图7所示。此时，连接支架30向下弯曲，连接支架30与活动支架35之间所成的角为一钝角，连接支架30与活动支架35不在同一直线上。当螺纹杆48在转动块53与电机45之间的长度缩短时，活动支架35绕销轴44向上转动，连接支架30向上弯曲，连接支架30与活动支架35之间所成的角为一优角，连接支架30与活动支架35也不在同一直线上。

这样，在飞行器飞行过程中，如遇上较大的风阻，可以将迎风面上的活动支架35向下弯曲，如图8所示，向下弯曲的活动支架35上的旋翼38旋转时产生的力分解成向上的浮力以及与风向相反的力，一方面可以抵抗风的阻力，另一方面为迎风面上活动支架提供更大的向上的浮力，保持飞行器与水平面平行。可见，在遇上较大的风阻时，飞行器的主支架21也不会发生大角度的倾斜，在水平方向上的投影面积较小，从而减小风力对飞行器产生的阻力，在不增加电机输出功率的情况下确保飞行器的飞行稳定性，减小飞行器的电能消耗。

当横风消失后，电机45驱动螺纹杆48反方向旋转，螺纹杆48在转动块53以及电机45之间的长度缩短，活动支架35绕销轴43向上转动，直至活动支架35与连接支架30在同一直线为止。

从图8可见，本实施例的四根连接支架30与四根安装支架23在主支架21的周向上间隔布置，因此，作为第一动力装置的旋翼38以及作为第二动力装置的旋翼25在主支架21的周向上也是间隔布置的。这样，旋翼38与旋翼25的间隔布置可以确保飞行器飞行的平稳性。

并且，以主支架21的平面作为参考基准，作为第一动力装置的旋翼38位于主支架21的下方，作为第二动力装置的旋翼25位于主支架21的上方。这样，在飞行器起飞过程中，旋翼38可以为飞行器提供充足的动力，在飞行器偏航时，通过控制各个旋翼25的转速可以控制飞行器飞行方向。当四根活动支架35展平时，即各活动支架35与连接支架30在同一直线时，旋翼38的旋转中心比旋翼25的旋转中心更加远离主支架21的轴线，通过控制旋翼38的转速差来控制飞行器的偏航运动比通过控制旋翼25的转速差来控制飞行器的偏航运动要更加灵活敏捷，稳定性更高。进一步的，同时控制旋翼38和旋翼25的转速差来控制飞行器的偏航运动可以达到更高的响应速度，获得更大的灵活性。

本实施例飞行器具备较强的抗横风能力，优选的，由迎角较大转速较低的旋翼25提供主要的浮力，由迎角较小转速较高的旋翼38提供次要的浮力，旋翼38的直径小于旋翼25的直径。

由于竖直气流运动一般较少且较弱，旋翼25的转速不需要太高也可以轻松稳定飞行器的飞行姿态。迎角较大旋翼25转速过高时，电机24扭矩需求迅速增加，电能消耗速度会迅速提高，因此，旋翼25的转速优选的不超过7500转每分钟。

由于水平横风的速度往往可以达到很高的风速，6级风力便超过10米每秒的风速，因此旋翼38为迎角略小的转速较高的旋翼，以便产生高速气流以抵消横风的影响。优选的旋翼38的最大转速不小于10000转每分钟。

以下描述本实施例飞行器优选的抗横风控制方法。

控制方法一：

初始时，四根活动支架35均下摆相同的预定角度，如45°，四个旋翼38停止旋转。

当有横风时，仅来风方向的电机37启动并带动其旋翼38旋转，且逐步提高转速，直至飞行器不再水平移动。与启动后的电机37相邻的电机24转速逐步下降，直至飞行器不再倾斜。

由于起始时，四个旋翼38停止旋转，4个旋翼38均不产生充当浮力的分力。当横风来袭，仅来风方向的电机37启动并带动其旋翼38旋转时，启动后的电机37带动的旋翼38会产生充当浮力的分力使得飞行器来风一侧上台而发生倾斜，此时，降低启动后的电机37相邻的电机24转速可以使得飞行器来风一侧的受到浮力减少从而回复至水平状态。由于没有横风影响时，电机37停转；有横风时，也只是来风方向的电机37启动，对置的电机37不会产生相互抵消的分力，可以极大的减少电能的消耗。

控制方法二：

初始时，4根活动支架35均下摆相同的预定角度，如45°，四个旋翼38低速旋转，优选的，等速低速旋转。

当有横风时，仅来风方向的电机37 带动其旋翼38加速旋转，直至飞行器不再水平移动。与加速转动的电机37相邻的电机24转速逐步下降，直至飞行器不再倾斜。

初始时，四个电机37分别驱动四个旋翼38低速旋转，省略了电机37的启动过程，只需通过电机37之间的转速差来抵消横风的影响，极大提高了执行抵抗横风指令的响应速度。

控制方法三：

初始时，四根活动支架35展平，四个旋翼38停止旋转。

当有横风时，仅来风方向的活动支架35下摆预定角度，如40°，仅去风方向的活动支架35上摆同样的预定角度，即40°。优选的，来风方向的活动支架35和去风方向的活动支架35同步摆动。仅来风方向的电机37和去风方向的电机37同步启动并带动各自旋翼38同步加速旋转，直至飞行器不再水平移动。所有电机24同步逐步降低转速，直至飞行器高度不再发生变化。

该控制方法中，不需要启动的电机37不启动，来风方向旋翼38和去风方向的旋翼38均产生充当浮力的分力和用于抵抗横风的分力，分力之间并没有相互抵消，避免能量的损耗，进一步的提高了工作效率。

控制方法四：

初始时，四根活动支架35展平，四个旋翼38低速旋转，优选的，等速低速旋转。

当有横风时，仅来风方向的活动支架35下摆预定角度，如40°，仅去风方向的活动支架35上摆同样的预定角度，即40°。优选的，来风方向的活动支架35和去风方向的活动支架35同步摆动。仅来风方向的电机37和去风方向的电机37带动各自旋翼38同步加速旋转，直至飞行器不再水平移动。所有电机24同步逐步降低转速，直至飞行器高度不再发生变化。此控制方法也极大地提高了执行抵抗横风指令的响应速度。

控制方法五：

初始时，四根活动支架35展平，四个旋翼38等速旋转。

当有横风时，仅来风方向的活动支架35下摆，仅去风方向的活动支架35同步上摆。直至飞行器不再水平移动。若活动支架35摆动至最大角度即到达极限位置时，飞行器仍水平移动则逐步且同步地提高已到达极限位置的活动支架35上的电机37的转速，直至飞行器不再水平移动。所有电机24同步逐步调整转速，直至飞行器高度不再发生变化。此种控制方法的算法简单，可靠性高，易于控制飞行器。

控制方法六：

初始时，四根活动支架35展平，四个旋翼38等速旋转。

当有横风时，仅来风方向的活动支架35下摆，直至飞行器不再水平移动。若活动支架35摆动至最大角度即到达极限位置时，飞行器仍水平移动则逐步且同步地提高已到达极限位置的活动支架35上的电机37的转速，直至飞行器不再水平移动。与下摆的活动支架35相邻的电机24转速逐步同步调整，直至飞行器不再倾斜。此种控制方法的算法简单，可靠性高。

当然，驱动组件40还可以使用液压装置或者气压装置来驱动伸缩杆实现，例如，将液压装置或者气压装置设置在连接支架30的第二端，在活动支架35上设置一个连接件，伸缩杆的两端分别固定在液压装置或者气压装置上以及活动支架35的连接件上，且伸缩杆设置在活动支架35的上方。这样，通过液压装置或者气压装置驱动伸缩杆的伸长或者缩短来控制活动支架35的转动。

此外，上述实施例中，活动支架35是绕销轴44在主支架21的轴线所在的平面内转动的，实际应用时，活动支架35也可以是在垂直于连接支架30的平面上转动。这样，遇上较大风阻时，与风向垂直的两根连接支架30上的活动支架35绕销轴44在垂直于连接支架30的平面上转动，转动后的活动支架35上的旋翼38也能为飞行器提供足够的浮力分力以及平衡风阻的分力，由此确保飞行器的稳定飞行，并且减少飞行器的什么倾斜程度，保证较少的水平风阻，降低能耗。

当然，上述实施例仅是本发明较佳的实施方案，实际应用时还可以有更多的变化，例如，飞行器不设置安装支架，也就是不设置第二动力装置，只设置两根连接支架，每一根连接支架上分别设置一根活动支架，在活动支架上设置作为第一动力装置的旋翼；或者，连接支架以及活动支架的数量可以设置为两根、三根、六根、八根等等，这样的改变同样可以实现本发明的目的。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如驱动装置具体结构的改变、旋翼具体形状的改变、驱动旋翼旋转的动力机械类型等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.飞行器，包括

主支架；

其特征在于：

所述飞行器还设有至少二个连接支架，所述连接支架的第一端固定在所述主支架上，所述连接支架的第二端铰接有活动支架，所述活动支架绕设置在所述第二端的销轴转动，且至少一个所述活动支架上安装有第一动力装置。

2.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：

所述连接支架的数量为四个以上，多个所述连接支架在所述主支架的周向上均匀布置，且每一所述连接支架的第二端均铰接有所述活动支架。

3.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：

所述活动支架绕所述销轴在所述主支架轴线所在的平面上转动或者在垂直于所述连接支架的平面上转动。

4.根据权利要求1至3任一项所述的飞行器，其特征在于：

所述飞行器上还设有驱动组件，所述驱动组件包括固定在所述连接支架的第二端的驱动装置以及由所述驱动装置驱动的驱动杆，所述驱动杆的第一端与所述驱动装置连接，所述驱动杆的第二端与连接件连接，所述连接件固定在所述活动支架上，且所述驱动杆在所述驱动装置与所述连接件之间的长度在所述驱动装置的驱动下伸长或缩短。

5.根据权利要求4所述的飞行器，其特征在于：

所述驱动装置包括电机，所述驱动杆包括由所述电机驱动旋转的螺纹杆，所述连接件包括固定在所述活动支架上的固定件以及铰接在所述固定件上的转动块，所述转动块上设有螺纹孔，所述螺纹杆旋入所述螺纹孔内。

6.根据权利要求4所述的飞行器，其特征在于：

所述驱动装置为液压装置或气压装置，所述驱动杆为伸缩杆，所述伸缩杆的两端固定在所述驱动装置与所述连接件上。

7.根据权利要求1至3任一项所述的飞行器，其特征在于：

所述主支架上还设有至少一组第二动力装置。

8.根据权利要求7所述的飞行器，其特征在于：

所述第二动力装置朝向所述主支架的上端设置，所述第一动力装置朝向所述主支架的下端设置。

9.根据权利要求8所述的飞行器，其特征在于：

每一所述活动支架的末端设有支撑脚，所述支撑脚自所述活动支架的末端向下弯曲。

10.根据权利要求7所述的飞行器，其特征在于：

在所述主支架的周向上，所述第一动力装置与所述第二动力装置间隔布置。