CN104859854B - 一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，其机体中机身左右两侧安装有旋翼传动机构；通过机体上安装的传动机构将动力分别传递经驱动轴至机体两侧的旋翼传动机构；所述旋翼传动机构通过四个相互啮合的锥齿轮间传动将动力经上旋翼传动杆与下旋翼传动杆传递至上旋翼与下旋翼，实现上旋翼与下旋翼同转速、反向旋转。上述上旋翼传动杆与上旋翼间安装有全变距机构，实现飞行器俯仰角和滚转角的调节；下旋翼传动杆与下旋翼间安装有变总距机构，实现飞行器总距的调节，控制飞行器偏航角以及总升力。本发明的优点为：具有大有效载荷、大输出功率的特点；且采用多余度设计方法，多旋翼、多套变距机构的设计提高了飞行器飞行稳定性。

Description

一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器

技术领域

本发明属于共轴双旋翼飞行器及多轴多旋翼无人飞行器领域，具体来说，是一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器。

背景技术

随着无人机技术的蓬勃发展，用户对无人飞行器性能要求也不断提高，无人飞行器的大载荷和易操控性成为目前研究的热点和重点。

最常见的无人直升机为单旋翼加尾桨布局，共轴双旋翼直升机与之相比，有效载荷更大、结构更为凑，空中悬停效率更是提高17％～30％之多，有着相同量级其他飞行器难以超越的高效率、低功耗的特点。国内外许多科研机构对共轴双旋翼飞行器已经进行了相关研究，并在其气动分析和实验等诸多方面取得了很大的进展，共轴双旋翼以其紧凑的结构和优异的性能在民用和军用领域得到广泛的应用。

尽管如此，传统共轴双旋翼操纵机构复杂、设计难度大，研发成本高，控制变量之间耦合严重等因素都制约着无人共轴双旋翼飞行器的发展；而传统多轴多旋翼布局的无人飞行器，由于受到电机效率、桨叶结构强度、设计尺寸等诸多因素的限制，有效载荷及易操控性都很难满足用户需求。

发明内容

针对上述问题，本发明从简化共轴双旋翼的操纵结构以及提高多轴多旋翼飞行器有效载荷的目的出发，提出一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，达到了大载荷，操控简便，结构设计简单、可靠的目的。

一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，包括机体、控制系统与起落架；其特征在于：

所述机体中机身左右两侧安装有旋翼传动机构；通过机体上安装的传动机构将动力分别传递经驱动轴至机体两侧的旋翼传动机构；

所述旋翼传动机构包括四个锥齿轮、上旋翼传动杆、下旋翼传动杆与随动杆；四个锥齿轮相互啮合，其中，相对两个锥齿轮分别固定在驱动轴右端与随动杆左端；另两相对锥齿轮分别固定在上旋翼传动杆与下旋翼传动杆的输入端；上旋翼传动杆和下旋翼传动杆分别通过轴承与旋翼机舱相连，输出端分别安装上旋翼与下旋翼。

上述上旋翼传动杆与上旋翼间安装有全变距机构，用来调整六片桨叶的安装角，实现无人机飞行器的俯仰角和滚转角的调节；下旋翼传动杆与下旋翼间安装有变总距机构，用来调整六片桨叶的安装角，实现无人飞行器总距的调节，控制飞行器的偏航角以及总升力。

本发明的优点在于：

1、本发明双无人飞行器，相比相同量级(特征尺寸相同)无人飞行器，具有大有效载荷、大输出功率的特点；

2、本发明双无人飞行器，负载率高达60％～70％，较现有小型无人机最高负载率50％具有较大竞争力；

3、本发明无人飞行器，采用全镜像结构，采用全电设计方法，使整机结构重量大大减小，不使用化石燃料对环境友好，结构相对简单，易于装配、维修、维护以及保养；

4、本发明无人飞行器，拥有独立有效的大负载空间，易于吊装物资设备；

5、本发明无人飞行器，采用多余度设计方法，多旋翼、多套变距机构的设计提高了飞行器飞行稳定性。

附图说明

图1为本发明大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器整体结构示意图；

图2为本发明大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器中机体结构示意图；

图3为本发明大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器中左半部机身结构剖视图；

图4为本发明大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器中共轴双旋翼结构示意图；

图5为本发明大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器中全变距机构结构示意图；

图6为本发明大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器中变总距机构结构示意图。

图中：

1-机体 2-控制系统 3-起落架

101-左半部分机体 102-右半部机体 103-机身

104-齿轮驱动机构 105-旋翼传动机构 106-共轴双旋翼

107-全变距机构 108-变总距机构 103a-支撑杆

103b-主支撑架 103c-旋翼机舱 104a-驱动轴

104b-大齿轮 104c-小齿轮 104d-驱动电机

105a-四个锥齿轮 105b-上旋翼传动杆 105c下旋翼传动杆

105d随动杆 106a-上旋翼 106b-下旋翼

106c-桨盘 106d-桨叶 106e-桨夹

107a-全变距操控舵机 107b-全变距球头拉杆A 107c-全变距球头拉杆B

107d-全变距转换盘 108a-变总距舵机 108b-变总距球头拉杆A

108c-变总距球头拉杆B 108d-变总距转换盘

具体实施方案

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，包括机体1、控制系统2与起落架3；且机体1包括左半部机体101与右半部机体102。所述左半部机体101与右半部机体102结构相同，均包括机身103、齿轮驱动机构104、旋翼传动机构105、共轴双旋翼106、全变距机构107、变总距机构108，如图1、图2、图3所示。

所述机身103包括支撑杆103a、主支撑架103b、传动轴103c、旋翼机舱103c；支撑杆103a为两根，上下水平设置；两根支撑杆103a左端均与主支撑架103b紧配合固定，右端均与旋翼机舱103c紧配合固定。上述主支撑架103b与旋翼机舱103c均为由PLA高分子材料3D打印结构框架，支撑杆103a采用高强度超轻碳纤维管。

所述齿轮驱动机构104包括驱动轴104a、大齿轮104b、小齿轮104c与驱动电机104d。其中，驱动轴104a同轴设置与位于上方的支撑杆103a内；且通过轴承与支撑杆103a相连。驱动轴104a左端安装有齿轮驱动机构104；大齿轮104b固定套接在传动端上，小齿轮104c固定于驱动电机104d输出轴上，驱动电机104d固定安装在主支撑架103b。驱动轴104a右端安装有旋翼传动机构105。

所述旋翼传动机构105设置在旋翼机舱103c内，包括四个锥齿轮105a、上旋翼传动杆105b、下旋翼传动杆105c、随动杆105d。其中，四个锥齿轮105a为具有45度曲齿的锥齿轮105a；令四个锥齿轮105a分别为锥齿轮A、锥齿轮B、锥齿轮C与锥齿轮D，相互啮合，且锥齿轮A、锥齿轮C相对，锥齿轮B、锥齿轮D相对。锥齿轮A固定在传动轴103c右端；锥齿轮C固定在随动杆105d的一端；随动杆105d与传动轴103c同轴，另一端通过轴承与旋翼机舱103c相连。锥齿轮B与锥齿轮D分别固定在上旋翼传动杆105b与下旋翼传动杆105c输入端；上旋翼传动杆105b和下旋翼传动杆105c同轴设置，分别通过轴承与旋翼机舱103c相连；且上旋翼传动杆105b与下旋翼传动杆105c的输出端分别穿过旋翼机舱103c上下端，用来安装共轴双旋翼106中上旋翼与下旋翼。通过上述结构，由电机驱动大齿轮104b与小齿轮104c间传动，将动力通过传动轴103c输出至旋翼传动机构105，通过四个锥齿轮105a间相互啮合传动，最终将动力经上旋翼传动杆105b与下旋翼传动杆105c输出至共轴双旋翼106中的上旋翼106a与下旋翼106b，且实现了上旋翼106a与下旋翼106b同转速、反向旋转。

上述共轴双旋翼106中的上旋翼106a与下旋翼106b结构相同，均包括桨盘106c与桨叶106d，如图4所示；其中桨盘106c通过周向上设置的六个桨夹106e，与六片桨叶106d相连。上旋翼106a与下旋翼106b中的桨盘106c分别同轴固定在上旋翼传动杆105b与下旋翼传动杆105c的输出端。

所述全变距机构107包括三个全变距操控舵机107a、六根全变距球头拉杆A107b、三根全变距球头拉杆B107c与一个全变距转换盘107d，如图4、图5所示；其中，全变距转换盘107d通过调心球轴承与上旋翼传动杆105b套接；全变距转换盘107d采用上下双层结构，上层周向上具有六个连接球头，分别与六根全变距球头拉杆A107b一端球铰接；六根全变距球头拉杆A107b的另一端分别与上旋翼106a中桨盘106c上的六个桨夹106e下端设计的连接球头球铰接；下层周向上具有三个连接球头，分别与三根全变距球头拉杆B107c一端球铰接；三根全变距球头拉杆B107c的另一端分别三个全变距操控舵机107a输出轴相连，三个全变距操控舵机107a固定于旋翼机舱103c上。通过上述全变距机构107，由三个全变距舵机带动全变距球头拉杆B107c运动，进而带动全变距转换盘107d运动，再由与全变距转换盘107d球铰接的六根全变距球头拉杆A107b带动上旋翼106a的六片桨叶106d运动，调整六片桨叶的安装角(螺距)，进而实现无人飞行器的俯仰角和滚转角的调节。

变总距机构108包括一个变总距舵机108a、六根变总距球头拉杆A108b、一根变总距球头拉杆B108c与变总距转换盘108d，如图4、图6所示；其中，变总距转换盘108d通过直线轴承与下旋翼传动杆105c套接；变总距转换盘108d同样采用双层结构，下层周向上具有六个连接球头，分别与六根变总距球头拉杆A108b一端球铰接；六根变总距球头拉杆A108b的另一端分别与下旋翼106b中桨盘106c上的六个桨夹106e上端设计的连接球头球铰接。上层周向上具有1个连接球头，与一根变总距球头拉杆B108c一端球铰接；变总距球头拉杆B108c的另一端与变总距舵机108a输出轴相连，变总距舵机108a固定于旋翼机舱103c上。通过上述飞行器变总距机构108，由变总距舵机108a带动变总距球头拉杆B108c运动，进而带动变总距转换盘108d运动，再由与变总距转换盘108d球铰接的六根变总距球头拉杆A108b带动下旋翼106b的六片桨叶106d运动，调整六片桨叶106d的安装角(螺距)，进而实现无人飞行器总距的调节，控制飞行器的偏航角(自旋)以及总升力。

通过上述变总距机构108及全变距机构107共同作用，即能实现无人飞行器飞行姿态和运动轨迹的控制，简化了共轴双旋翼无人飞行器操纵机构，降低了设计难度和研发成本，大大提高了共轴双旋翼无人飞行器的有效载荷，有利于共轴双旋翼无人飞行器在更多领域的应用和推广。

上述结构左半部机体101与右半部机体102左右对称，互为镜像设置，使左半部机体101与右半部机体102中齿轮驱动机构104相对；通过将左半部机体与右半部机体102中的主支撑架103b间相互固定，形成整个机体。机体1下方通过安装支架设置有由嵌入式飞控计算机、机载雷达与机载电源系统控制系统2，分别用来控制无人飞行器的运动姿态，用来实现无人飞行器的定位导航和轨迹规划以及为无人飞行器供电。同时机体1上通过两根竖直设置的连接杆与起落架3相连。

Claims (5)

1.一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，包括机体、控制系统与起落架；其特征在于：

所述机体中机身左右两侧安装有旋翼传动机构；通过机体上安装的传动机构将动力分别传递经驱动轴至机体两侧的旋翼传动机构；

所述旋翼传动机构包括四个锥齿轮、上旋翼传动杆、下旋翼传动杆与随动杆；四个锥齿轮相互啮合，其中，相对两个锥齿轮分别固定在驱动轴右端与随动杆左端；另两相对锥齿轮分别固定在上旋翼传动杆与下旋翼传动杆的输入端；上旋翼传动杆和下旋翼传动杆分别通过轴承与旋翼机舱相连，输出端分别安装上旋翼与下旋翼；

上述上旋翼传动杆与上旋翼间安装有全变距机构，用来调整六片桨叶的安装角，实现无人机飞行器的俯仰角和滚转角的调节；下旋翼传动杆与下旋翼间安装有变总距机构，用来调整六片桨叶的安装角，实现无人飞行器总距的调节，控制飞行器的偏航角以及总升力。

2.如权利要求1所述一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，其特征在于：所述机身由左半部与右半部构成；左半部与右半部结构相同，包括支撑杆、主支撑架、旋翼机舱；支撑杆左端与主支撑架紧配合固定，右端与旋翼机舱紧配合固定。

3.如权利要求1所述一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，其特征在于：所述全变距机构包括三个全变距操控舵机、六根全变距球头拉杆A、三根全变距球头拉杆B与一个全变距转换盘；其中，全变距转换盘通过调心球轴承与上旋翼传动杆套接；全变距转换盘采用上下双层结构，上层周向上具有六个连接球头，分别与六根全变距球头拉杆A一端球铰接；六根全变距球头拉杆A的另一端分别与上旋翼中桨盘上的六个桨夹下端设计的连接球头球铰接；下层周向上具有三个连接球头，分别与三根全变距球头拉杆B一端球铰接；三根全变距球头拉杆B的另一端分别与三个全变距操控舵机输出轴相连。

4.如权利要求1所述一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，其特征在于：变总距机构包括一个变总距舵机、六根变总距球头拉杆A、一根变总距球头拉杆B与变总距转换盘；其中，变总距转换盘通过直线轴承与下旋翼传动杆套接；变总距转换盘采用双层结构，下层周向上具有六个连接球头，分别与 六根变总距球头拉杆A一端球铰接；六根变总距球头拉杆A的另一端分别与下旋翼中桨盘上的六个桨夹上端设计的连接球头球铰接；上层周向上具有1个连接球头，与一根变总距球头拉杆B一端球铰接；变总距球头拉杆B的另一端与变总距舵机输出轴相连，变总距舵机固定于旋翼机舱上。

5.如权利要求2所述一种大载荷低结构复杂度双共轴双旋翼无人飞行器，其特征在于：所述主支撑架与旋翼机舱均为由PLA高分子材料3D打印结构框架，支撑杆采用高强度超轻碳纤维管。