CN104843177B - 飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器领域，本发明提供的飞行器包括机架；第一动力单元，具有第一旋翼装置，安装在机架上；第二动力单元，具有第二旋翼装置，通过转轴可旋转地安装在机架上；旋转动力单元，安装在机架上，驱动转轴转动；第二旋翼装置包括第一子旋翼和第二子旋翼，第一子旋翼与第二子旋翼分布于转轴两侧。由于只需通过倾斜转轴即可使第二旋翼装置产生水平分力，实现偏航，偏航时无需倾斜机架，不会增加飞行阻力，保证了飞行动作的灵活性，第一子旋翼和第二子旋翼分布于转轴两侧，能够在不增大第二动力单元的功率的前提下为飞行器提供更大的气体支承跨度，从而提高飞行器的飞行稳定性。

Description

飞行器

技术领域

本发明属于飞行器领域，尤其涉及一种多轴飞行器。

背景技术

通常,驱动飞行器上升运动的力称为拉力，驱使飞行器水平运动的力称为推力。现有的飞行器通常使用叶片式旋翼作为拉力旋翼为飞行器提供拉力。

飞行器的基本飞行动作有垂直升降运动、前后运动、侧向运动、俯仰运动、横滚运动、偏航运动等。

参见图1，以四轴飞行器200为例，其四个电机呈十字状地分布在水平面中相互垂直的X与Y轴上，并把X轴正方向视为机头方向。电机1位于X轴正半轴，电机3位于X轴负半轴；电机2位于Y轴正半轴，电机4位于Y轴负半轴；Z轴竖直。

升降运动：四个电机同时提高转速，四轴飞行器200获得的拉力增加而沿Z轴正方向移动；四个电机同时降低转速，四轴飞行器200获得的拉力减少而沿Z轴负方向移动。

仰俯运动：电机1提速，电机3降速，四轴飞行器200绕Y轴转动并抬起机头而上仰，同时沿X轴负方向移动；反之，四轴飞行器200绕Y轴转动并下探机头而下俯，同时沿X轴正方向移动。

横滚运动：电机4提速，电机2降速，四轴飞行器200绕X轴转动而左倾，并沿Y轴负方向移动；反之，四轴飞行器200绕X轴转动而右倾，并沿Y轴正方向移动。当电机4和电机2转速差足够大时，四轴飞行器200便会发生完整的横向滚动，即横滚运动。

偏航运动：旋翼5转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩。为了克服反扭矩影响，四个旋翼5的布置方式采用两个正转两个反转，且对置旋翼的转向相同。每个旋翼5产生反扭矩的大小与旋翼5的转速有关，旋翼5转速越高，产生的反扭矩越大。当四个旋翼5转速相同时，四个旋翼5对四轴飞行器200产生的反扭矩相互抵消，四轴飞行器200相对Z轴不发生转动；当四个旋翼5的转速不完全相同，反扭矩不能完全相互抵消时，反扭矩会引起四轴飞行器200相对Z轴转动，从而实现偏航运动。电机1和3转速提高（正转），电机2和4转速降低（反转），四轴飞行器200就会绕Z轴旋转向右偏转，即向右偏航。由于电机1和3转速提高，电机2和4转速降低，总体的拉力不变，所以四轴飞行器200不会上升或下降。

目前，飞行器均利用惯性测量模块（IMU）控制飞行姿态。惯性测量模块包括加速度计和陀螺仪,又称惯性导航组合。参考空间直角坐标系，在X、Y、Z轴方向上，分别布置一个陀螺仪，用于测量多轴飞行器在上述三个方向上的旋转运动；在X、Y、Z轴方向上，分别布置一个加速度计，用于测量多轴飞行器在上述三个方向上平移运动的加速度。惯性测量模块能够检测到飞行器前后俯仰、左右倾斜、偏航等姿态，并将相应的信号反馈给多轴飞行器的控制电路，多轴飞行器根据预设在控制电路中的存储器中的姿态控制规则或遥控器输入的控制信号控制电机转速来调整飞行姿态。

如图2所示，“T”字形的三轴的飞行器100具有主机架110，主机架110的支架111的两端分别设置一个电机112，电机112上设置一个旋翼113。主机架110上还包括转轴120，转轴120的端部连接一个尾部电机121和尾部旋翼122。旋翼113和旋翼122的桨径相同。转轴120能够绕周向方向转动，从而带动尾部旋翼122向转轴120的两侧倾斜。

飞行器100的两个旋翼113为一对正反桨，即一对桨距角大小相同方向相反的旋翼，当两个旋翼113转速相同时，受到来自空气的反扭矩相互抵消。旋翼122是一个正桨或反浆，因此，飞行器100不但需要通过调整旋翼122的转速来控制飞行姿态，还需要通过旋转轴120的转动来控制旋翼122的倾斜角度，以平衡旋翼122受到来自空气的反扭矩。

由于飞行器100具有一个可以动态倾斜的旋翼122，因此其飞行动作较为灵活。正因为飞行器100的旋翼122需要动态倾斜地平衡旋翼122受到来自空气的反扭矩，所以飞行器100的稳定性较弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞行动作灵活且飞行稳定性更好的飞行器。

本发明提供的飞行器包括机架；第一动力单元，其具有第一旋翼装置，安装在机架上；第二动力单元，其具有第二旋翼装置，通过转轴可旋转地安装在机架上；旋转动力单元，安装在机架上，驱动转轴转动；第二旋翼装置包括第一子旋翼和第二子旋翼，第一子旋翼与第二子旋翼分布于转轴两侧。

上述方案可见，由于只需通过倾斜转轴即可使第二旋翼装置产生水平分力，实现偏航，偏航时无需倾斜机架，不会增加飞行阻力，保证了飞行动作的灵活性，第一子旋翼和第二子旋翼分布于转轴两侧，能够在不增大第二动力单元的功率的前提下为飞行器提供更大的气体支承跨度，从而提高飞行器的飞行稳定性。

一个优选的方案是，第一旋翼装置包括第三子旋翼和第四子旋翼，第三子旋翼与第四子旋翼对称分布于转轴两侧；第一子旋翼与第二子旋翼对称分布于转轴两侧；第三子旋翼与第四子旋翼的桨距角大小相等方向相反。

上述方案可见，对称布置能够使得飞行器的旋转动力单元的负载较小;整体受力更稳定，进一步降低反扭矩力和偏航运动。

一个优选的方案是，第一子旋翼与第二子旋翼的桨距角大小相等方向相反。

上述方案可见，第一子旋翼和第二子旋翼受到的空气反扭矩均实现自平衡，无需动态调节转轴来平衡空气反扭矩，飞行稳定性进一步提高。

一个优选的方案是，第二旋翼装置包括两组第一子旋翼与第二子旋翼。

上述方案可见，进一步提高飞行稳定性。

进一步优选的方案是，两个所述第一子旋翼的轴线与两个所述第二子旋翼的轴线共面布置，或者，两个所述第一子旋翼的轴线与两个所述第二子旋翼的轴线成两行两列布置。

上述方案可见，共面时提供尽可能大的气体支承跨度；错开时，可以使得飞行器尺寸较小；并且多组设置的方案能够提供更大的功率。

进一步优选的方案是，第二旋翼装置的直径与第一旋翼装置的直径的比值在0.3至0.7之间。

上述方案可见，既可以获得较高飞行灵活性又可以获得较佳的飞行稳定性。

一个优选的方案是，第一子旋翼与第二子旋翼的第一旋转中心距跟第三子旋翼与第四子旋翼的第二旋转中心距的比值在0.3至0.7之间。

上述方案可见，既可以获得较高飞行灵活性又可以获得较佳的飞行稳定性。

第一子旋翼的轴线与第二子旋翼的轴线相交于第一交点，第一交点位于第一子旋翼和第二子旋翼的进气一侧；第三子旋翼的轴线与第四子旋翼的轴线相交于第二交点，第二交点位于第三子旋翼旋和第四子旋翼的进气一侧；第一子旋翼的轴线与第二子旋翼的轴线所成的第一夹角在4°至10°之间；第三子旋翼的轴线与第四子旋翼的轴线所成的第二夹角在8°至40°之间；其中，第一夹角小于所述第二夹角。

上述方案可见，第一子旋翼的轴线与第二子旋翼的轴线向外下方岔开，第三子旋翼的轴线与第四子旋翼的轴线向外下方岔开，后者岔开幅度大于前者岔开幅度，有利于提高飞行器受到的气体支承跨度，提高飞行的稳定性。

进一步优选的方案是，第一旋翼装置和/或第二旋翼装置设置在涵道内。

上述方案可见：可以提升气动效率和飞行灵活性以及安全性。

本发明提供的另一种飞行器机架；第一动力单元，具有第一旋翼装置，安装在机架上；第二动力单元，具有第二旋翼装置，通过转轴可旋转地安装在机架上；旋转动力单元，安装在机架的脚架 上，驱动转轴转动；第二旋翼装置包括第一子旋翼和第二子旋翼，第一子旋翼与第二子旋翼对称分布于转轴两侧;第一旋翼装置包括第三子旋翼和第四子旋翼，第三子旋翼与第四子旋翼对称分布于转轴两侧；第三子旋翼与第四子旋翼的桨距角大小相等方向相反；第一子旋翼与第二子旋翼对称分布于转轴两侧；第一子旋翼与第二子旋翼的桨距角大小相等方向相反；第二旋翼装置的直径与第一旋翼装置的直径的比值在0.3至0.7之间。

上述方案可见：脚架充当支架且为旋转动力单元的安装提供了一个合理的安装位置。

附图说明

图1是现有的一种四轴飞行器的结构图。

图2是现有的一种尾部旋翼可转动的飞行器。

图3是本发明提供的飞行器第一实施例的结构图。

图4是本发明提供的飞行器第一实施例在去除一块三角片体后的结构图。

图5是本发明提供的飞行器第一实施例的俯视图。

图6是本发明提供的飞行器第二实施例的结构图。

图7是本发明提供的飞行器第三实施例的结构图。

图8是本发明提供的飞行器第四实施例的结构图。

图9是本发明提供的飞行器第五实施例的结构图。

具体实施方式

第一实施例：

如图3、图4和图5所示，本实施例的“T”字形的四轴的飞行器300具有机架310，机架310具有两块平行设置的三角片体311、第一机臂314、第一动力单元、第二机臂312、第二动力单元、固定连接杆313、作为脚架的固定板370、旋转动力单元和转轴320。

三角片体311上设置四个贯通的立方固定件315。第二动力单元具有第二旋翼装置，第二旋翼装置具有第一子旋翼330和第二子旋翼331。第一动力单元具有第一旋翼装置，第一旋翼装置具有第三子旋翼350和第四子旋翼351。固定连接杆313上固定有两个连接件360。旋转动力单元具有电机、曲柄317、传动杆318、摇臂319。

第二机臂312穿过两个立方固定件315而固定设置在三角片体311上，固定连接杆313穿过两个立方固定件315而固定设置在三角片体311上。转轴320可旋转地安装在两个连接件360上。固定板370通过螺栓方式固定在连接件360上，固定板370上安装有电机，电机的输出轴安装有曲柄317，转轴320上安装有摇臂319，曲柄317与摇臂319之间通过铰接的方式安装有传动杆318。电机依次通过曲柄317、传动杆318、摇臂319把动力传输到转轴320产生转动，第一子旋翼330和第二子旋翼331能够在转轴320的两侧摆动，从而调节飞行器300的飞行姿态。

第一子旋翼330和第二子旋翼331的旋翼直径相等，第三子旋翼350和第四子旋翼351直径相等，第一子旋翼330的旋翼直径与第三子旋翼350的旋翼直径的比值为0.5。第一子旋翼330与第二子旋翼331对称分布于转轴320两侧，第一子旋翼330与第二子旋翼331的桨距角大小相等，且第一子旋翼330与第二子旋翼331同时为一对正桨或一对反桨。第三子旋翼350与第四子旋翼351对称分布于转轴320两侧。第一子旋翼330与第二子旋翼331的第一旋转中心距和第三子旋翼350与第四子旋翼351的第二旋转中心距的比值为0.5。

第二实施例

如图6所示，飞行器600具有第一动力单元，第一动力单元具有第一旋翼装置，第一旋翼装置具有第一子旋翼610和第二子旋翼620，第一子旋翼610和第二子旋翼620为两组，沿转轴630的轴线方向错开排布。

第三实施例

如图7所示，飞行器700具有第一动力单元，第一动力单元具有第一旋翼装置，第一旋翼装置具有第一子旋翼710、第二子旋翼720和第五子旋翼750，其中，第五子旋翼750与转轴730同轴线，第一子旋翼710、第二子旋翼720分布在转轴730的两侧。

第四实施例

如图8所示，飞行器800的第一机臂814与固定连接杆813之间具有一个竖直方向连接杆820。

第五实施例

如图9所示，飞行器900具有第一动力单元，第一动力单元具有第一旋翼装置，第一旋翼装置具有第一子旋翼910和第二子旋翼920，第一子旋翼910和第二子旋翼920的桨距角相等，且为一对正反桨，由于旋转方向相反，从而降低或避免反扭矩的产生。

在其它实施例中，第一旋翼装置和第二旋翼装置可以安装在电机转轴上由电机直接驱动，也可以安装在旋转座上由电机通过带传动、齿轮传动等方式间接驱动。第一旋翼装置和第二旋翼装置的旋转不限于由电机驱动，还可以由油机驱动，当然，还可以使部分旋翼由电机驱动和部分旋翼由油机驱动。第五实施例为一对正反桨，也可以参照第二实施例而设置两组或者更多组的正反桨的第一旋翼装置。第一旋翼和第二旋翼也可以全部为正桨或全部为反桨。固定连接杆与转轴也可以同轴线连接。第一旋翼装置和第二旋翼装置可以设置在涵道内。第一子旋翼330的轴线与第二子旋翼331的轴线相交于第一交点，第一交点位于第一子旋翼旋330和第二子旋翼331的进气一侧；第三子旋翼350的轴线与第四子旋翼351的轴线相交于第二交点，第二交点位于第三子旋翼350和第四子旋翼351的进气一侧；第一子旋翼330的轴线与第二子旋翼331的轴线所成的第一夹角为4°至10°之间；第三子旋翼的轴线与第四子旋翼的轴线所成的第二夹角在8°至40°之间；其中，第一夹角小于所述第二夹角。作为进一步优选方案，旋翼的旋转面的中心位于同一高度，有利于减少气流干扰，提高飞行稳定性。

最后需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式，诸如旋转动力单元通过步进电机进行控制的方案以及其它在本领域技术人员未付出创造性劳动的前提下进行改进之方案也在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.飞行器，包括：

机架；

第一动力单元，其具有第一旋翼装置，安装在所述机架上；

第二动力单元，其具有第二旋翼装置，通过转轴可旋转地安装在所述机架上；

旋转动力单元，安装在所述机架上，驱动所述转轴转动；

其特征在于：

所述第二旋翼装置包括第一子旋翼和第二子旋翼，所述第一子旋翼与所述第二子旋翼对称分布于所述转轴两侧；

所述第一旋翼装置包括第三子旋翼和第四子旋翼，所述第三子旋翼与所述第四子旋翼对称分布于所述转轴两侧；

所述第二旋翼装置的直径与所述第一旋翼装置的直径的比值在0.3至0.7之间；

所述第一子旋翼与所述第二子旋翼的第一旋转中心距跟所述第三子旋翼与所述第四子旋翼的第二旋转中心距的比值在0.3至0.7之间。

2.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：

所述第三子旋翼与所述第四子旋翼的桨距角大小相等方向相反。

3.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：

所述第一子旋翼与所述第二子旋翼的桨距角大小相等方向相反。

4.根据权利要求2所述的飞行器，其特征在于：

所述第二旋翼装置包括两组所述第一子旋翼与所述第二子旋翼。

5.根据权利要求4所述的飞行器，其特征在于：

两个所述第一子旋翼的轴线与两个所述第二子旋翼的轴线共面布置，或者，两个所述第一子旋翼的轴线与两个所述第二子旋翼的轴线成两行两列布置。

6.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：

所述第三子旋翼的轴线与所述第四子旋翼的轴线相交于第二交点，所述第二交点位于所述第三子旋翼旋和所述第四子旋翼的进气一侧；

所述第三子旋翼的轴线与所述第四子旋翼的轴线所成的第二夹角在8°至40°之间。

7.根据权利要求2所述的飞行器，其特征在于：

所述第一子旋翼的轴线与所述第二子旋翼的轴线相交于第一交点，所述第一交点位于所述第一子旋翼和所述第二子旋翼的进气一侧；

所述第三子旋翼的轴线与所述第四子旋翼的轴线相交于第二交点，所述第二交点位于所述第三子旋翼旋和所述第四子旋翼的进气一侧；

所述第一子旋翼的轴线与所述第二子旋翼的轴线所成的第一夹角在4°至10°之间；

所述第三子旋翼的轴线与所述第四子旋翼的轴线所成的第二夹角在8°至40°之间；

所述第一夹角小于所述第二夹角。

8.根据权利要求1至7任一所述的飞行器，其特征在于：

所述第一旋翼装置和/或所述第二旋翼装置设置在涵道内。

9.飞行器，包括，

机架；

第一动力单元，具有第一旋翼装置，安装在所述机架上；

第二动力单元，具有第二旋翼装置，通过转轴可旋转地安装在所述机架上；

旋转动力单元，安装在所述机架的脚架上，驱动所述转轴转动；

其特征在于：

所述第二旋翼装置包括第一子旋翼和第二子旋翼，所述第一子旋翼与所述第二子旋翼对称分布于所述转轴两侧；

所述第一旋翼装置包括第三子旋翼和第四子旋翼，所述第三子旋翼与所述第四子旋翼对称分布于所述转轴两侧；

所述第三子旋翼与所述第四子旋翼的桨距角大小相等方向相反；

所述第一子旋翼与所述第二子旋翼的桨距角大小相等方向相反；

所述第二旋翼装置的直径与所述第一旋翼装置的直径的比值在0.3至0.7之间；

所述第一子旋翼与所述第二子旋翼的第一旋转中心距跟所述第三子旋翼与所述第四子旋翼的第二旋转中心距的比值在0.3至0.7之间；

所述第一子旋翼的轴线与所述第二子旋翼的轴线相交于第一交点，所述第一交点位于所述第一子旋翼和所述第二子旋翼的进气一侧；

所述第一子旋翼的轴线与所述第二子旋翼的轴线所成的第一夹角在4°至10°之间。