CN105035313B - 一种倾转四旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种倾转四旋翼飞行器，属于飞行器设计技术领域。本发明的倾转四旋翼飞行器包括飞行旋翼、无刷直流电机、机身、座舱罩、起落架、供电单元、飞行控制系统，还包括固定管、倾转摇臂、连杆、倾转舵机、旋翼臂、球头；通过控制四组飞行旋翼前后方向的转动角度达到前进或者后退飞行的目的；本发明通过改变旋翼的安装角度使四旋翼达到前进飞行的目的，使机身保持水平，保证四旋翼飞行器始终处于最优的气动性能，机身产生最大的升力，提升四旋翼飞行器的飞行速度以及续航时间，从而增大其抗风能力、改善系统作业能力和效率。

Description

一种倾转四旋翼飞行器

技术领域

本发明属于飞行器设计技术领域，尤其涉及一种倾转四旋翼飞行器。

背景技术

四旋翼飞行器(Quadrotor)，是一种具有四个旋翼轴的能够垂直起降的飞行器。其每个轴上的电动机转动，带动旋翼从而产生升推力。四个旋翼均匀分布在机体四周、正反转成对配置。通过改变不同旋翼之间的转速来实现各种飞行动作。

由于其具有结构简单、飞行稳定、易于操作、携带方便特点，近年来多旋翼飞行器尤其是四旋翼飞行器在国内外各个领域都有大量应用。和传统直升机相比，它有许多优点：它的旋翼总距固定，结构简单。每个旋翼的叶片比较短，叶片末端的线速度慢，发生碰撞时冲击力小，不容易损坏，对人也更安全。

常规的四旋翼飞行器一般采用对称结构，各向具有基本相同的飞行性能，这样虽然保证了多旋翼无人机具有良好的机动性，但整体气动性能并不是最优的。当四旋翼飞行器需要前进飞行时，通过增大设置在机身后部两组旋翼的转速，使后面两组旋翼产生的升力大于前面两组旋翼产生的升力从而使四旋翼飞行器产生低头的姿态，通过四组旋翼所产生升力的水平分量达到使四旋翼飞行器前进飞行的目的；这样虽然操作简单，但四旋翼飞行器机身在前进方向上的气动性能并不是最优的，这无疑会增大巡航时的阻力，不利于提升无人机的续航时间以及巡航速度。传统的多旋翼虽然灵活，但是提供的升力有限。这一缺点尤其是在有风的情况下更为突出，快速机动就受到了明显的限制，没有很好的抗风性。

如果能有一种经过气动优化的通过改变旋翼的安装角度来控制前进后退的四旋翼飞行器，那其在载重、续航时间、巡航速度上都将有很大的提升。

已知专利公布号为CN 104229130 A的《气动结构四旋翼无人飞行器》，采用机身轮廓为鹅蛋形，后臂与前臂的垂直高度差异设计，可有效抵消后臂电机加速时所造成的机体前倾现象，使机体在加速前进时可保持平行，进一步减小风阻，改善驾驶性能，有效地提升系统的性能。该方案虽能使机身能产生一定升力，改善飞行器的性能，但在飞行过程中，当飞行速度改变时，机身所处的迎风角度也会改变，同时速度越快机体前倾角度越大，从而飞行的阻力会大大增加，对四旋翼飞行器性能的改变十分有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种倾转四旋翼飞行器来代替传统四旋翼飞行器的方案，通过改变旋翼的安装角度使四旋翼达到前进飞行的目的，使机身保持水平，保证四旋翼飞行器始终处于最优的气动性能，机身产生最大的升力，提升四旋翼飞行器的飞行速度以及续航时间，从而增大其抗风能力、改善系统作业能力和效率。

一种倾转四旋翼飞行器，包括飞行旋翼、无刷直流电机、机身、座舱罩、起落架、供电单元、飞行控制系统，还包括固定管、倾转摇臂、连杆、倾转舵机、旋翼臂、球头；通过控制四组飞行旋翼前后方向的转动角度达到前进或者后退飞行的目的；

机身左前、右前、右后、左后位置分别设置有一个固定管，分别用于安装固定四个旋翼臂；固定管粘接在机身上，前部的两个固定管共线作为第一组，后部的两个固定管共线作为第二组，第一组固定管所在直线平行于第二组固定管所在直线，并且所述的四个固定管的轴线均垂直于机身轴线；

所述旋翼臂由电机座和转动杆组成，所述转动杆为一圆形截面的中空长杆，电机座为一中空圆柱体，所述圆柱体轴线与转动杆长轴垂直；所述转动杆的一端作为自由端连接电机座，另一端穿过固定管，与机身内部的倾转摇臂连接；

所述无刷直流电机和飞行旋翼组成飞行器的动力单元，所述无刷直流电机固定连接在电机座上，所述飞行旋翼固连在无刷直流电机旋转输出轴上，通过无刷直流电机带动飞行旋翼的旋转工作；

所述倾转舵机、连杆、倾转摇臂组成倾转伺服机构；在机身内部的中部位置设置有用于固定倾转舵机的固定座，保证倾转舵机的转动轴位于设置在机身前后两组固定管的中间位置；连杆两端及中间位置都设置有三个球头槽，三个球头在装配时分别硬压入三个球头槽内；所述倾转摇臂与倾转舵机上都分别设置有用于固定球头的固定孔，通过螺钉将以上所述的球头分别与倾转舵机和倾转摇臂连接在一起，其中设置在连杆中部的球头与倾转舵机连接，设置在连杆两端的球头分别与两个倾转摇臂连接。。

本发明的优点在于：

(1)本发明中通过改变旋翼的安装角度控制四旋翼的前进或者后退飞行，大大减小了四旋翼飞行器机体倾斜所产生的阻力；

(2)本发明中将机身采用半椭圆形设计，机身上表面曲率大于机身下表面曲率，在飞行过程中能产生一定的升力，提高四旋翼飞行器的飞行速度；

(3)仍可使用常规四旋翼飞行控制方法以及飞控设备硬件，姿态控制方便、安全可靠；

(4)使用一套倾转伺服单元同时控制四组旋翼达到同步倾转，结构简单、安装使用方便。

附图说明

图1：本发明提供的倾转四旋翼飞行器构型示意图；

图2：本发明中的倾转伺服单元构型示意图；

图3：本发明提供的倾转四旋翼飞行器侧视图；

图4：本发明提供的倾转四旋翼倾转构型示意图；

图5：本发明中的倾转伺服单元局部安装示意图。

图中：

1.飞行旋翼；2.无刷直流电机；3.固定管；4.机身；

5.倾转摇臂；6.连杆；7.倾转舵机；8.起落架；

9.旋翼臂；10.供电单元；11.飞行控制系统；12.球头；

13.座舱罩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供一种倾转四旋翼飞行器，如图1～图3所示，包括飞行旋翼1、无刷直流电机2、固定管3、机身4、倾转摇臂5、连杆6、倾转舵机7、起落架8、旋翼臂9、供电单元10、飞行控制系统11、球头12、座舱罩13。所述的倾转摇臂5、连杆6、倾转舵机7组成倾转伺服单元，所述的飞行旋翼1和无刷直流电机2组成动力单元。

所述机身4、起落架8、旋翼臂9均由碳纤维材料加工制作而成，机身4左前、右前、右后、左后位置设置有固定管3，用于安装固定旋翼臂9；固定管3粘接在机身4上，前部的两个固定管3共线作为第一组，后部的两个固定管3共线作为第二组，第一组固定管3所在直线平行于第二组固定管3所在直线，并且所述的四个固定管3的轴线均垂直于机身轴线。

所述机身4采用半椭圆形外形设计，所述机身4上表面采用中部高四周低的曲面造型，且机身4上表面前部曲线斜率大于机身4后部的曲线斜率，下表面为平面造型；机身4上表面加工设置有座舱罩13，方便机身4内部设备的安装与调试。

所述起落架8上设置有固定孔，通过螺钉与机身4下表面设置的定位孔固连。所述起落架8底部包覆有缓冲海绵，用于减缓四旋翼飞行器在着陆时的冲击。

所述旋翼臂9由电机座901和转动杆902组成，如图2所示，所述转动杆902为一圆形截面的中空长杆，电机座901为一中空圆柱体，所述圆柱体轴线与转动杆902长轴垂直。所述转动杆902的一端作为自由端连接电机座901，另一端穿过固定管3，与机身4内部的倾转摇臂5连接。所述的电机座901、转动杆902和倾转摇臂5均由碳纤维材料一体加工而成。

所述无刷直流电机2和飞行旋翼1组成四旋翼飞行器的动力单元，所述无刷直流电机2通过螺钉固定连接在电机座901上，所述飞行旋翼1固连在无刷直流电机2旋转输出轴上，通过无刷直流电机2带动飞行旋翼1的旋转工作。

所述倾转舵机7、连杆6、倾转摇臂5组成倾转伺服单元；在机身4内部的中部位置设置有用于固定倾转舵机7的固定座，保证倾转舵机7的转动轴位于设置在机身4前后两组固定管3的中间位置。连杆6两端及中间位置都设置有三个球头槽，三个球头12在装配时分别硬压入三个球头槽内，保证球头12在球头槽内能在一定范围内灵活转动；所述倾转摇臂5与倾转舵机7上都分别设置有用于固定球头12的固定孔，通过螺钉将以上所述的球头12分别与倾转舵机7和倾转摇臂5连接在一起，其中设置在连杆6中部的球头12与倾转舵机7连接，设置在连杆6两端的球头12分别与两个倾转摇臂5连接。

所述倾转摇臂5采用“⊥”字型设计，如图5，倾转摇臂5底座两侧分别设置有两处固定孔，分别与两组旋翼臂9的转动杆902端头上设置的定位孔用螺钉固定连接。

所述供电单元10安装在机身4内部，固定在机身4内部连杆6左侧，供电单元10电源输出端与飞行控制系统11电源输入端连接，所述供电单元10为四旋翼飞行器飞行提供所需的电能。

所述飞行控制系统11还包括有数据收发单元以及各种传感器，所述飞行控制系统11的信号输出端分别连接动力单元的信号输入端以及倾转舵机7的信号输入端，通过飞行控制系统11发出的信号指令控制动力单元飞行旋翼1的转速以及倾转舵机7的转动从而控制四旋翼飞行器的飞行姿态。所述各种传感器用于感知飞行旋翼1的转速以及飞行旋翼1的倾转角度，飞行控制系统11通过传感器收集到的数据判断四旋翼飞行器的飞行姿态；所述数据收发单元用于接收传感器收集到的数据和发送飞行控制系统11的指令。

上述组成倾转四旋翼飞行器的各部件的装配过程为：如图1和图2所示，首先将四组旋翼臂9分别与四组动力单元组成四组装配体，然后将所述装配体分别插入设置在机身4左前、右前、右后、左后的四组固定管3中，使安装在左前和右前的两组旋翼臂9的转动杆902的端头接触在一起且使安装在旋翼臂9上的飞行旋翼1处于同一平面。所述两根转动杆902相接触的一端分别设置有两处定位孔，将所述倾转摇臂5上设置的四处固定孔与两根转动杆902上设置的四处定位孔用螺钉对应固定连接，通过倾转摇臂5将二者连接为一整体，同时旋翼臂9的转动杆902能在固定管3中灵活转动；以同样的方法将设置在机身4后部的两组旋翼臂9的转动杆902与倾转摇臂5用螺钉固定连接。通过连杆6将设置在机身前部两组旋翼臂9、倾转舵机7以及设置在机身后部的两组旋翼臂9三者连接在一起。从机身左侧观看，如图3，当倾转舵机7向前倾转时，分别设置在机身4前后部的4组旋翼臂9通过连杆6带动也会逆时针转动，从而达到通过一套倾转伺服单元使四组动力单元同步向前或向后的倾转。

如图3所示：在本发明实施例中，通过引入传统飞行器的气动设计理念，所述机身4与座舱罩13为一整体设计为大致呈现半椭圆形，并采用固定翼飞行器机翼外形设计，机身4上表面为具有一定弧度的曲面，且机身4上表面前部曲线斜率大于机身4后部的曲线斜率，机身4下表面为一平面。在机身4与空气相对运动时，流过上表面的空气在同一时间内走过的路程比流过下表面的空气的路程远，所以在上表面的空气的相对速度比下表面的空气快。又根据伯努利原理可知“流体对周围的物质产生的压力与流体的相对速度成反比。”，因此机身4上表面产生的压力要小于机身4下表面产生的压力，从而能够使机身产生一定的升力。

如图4所示：通过常规四旋翼飞行器的飞行原理可知，常规四旋翼飞行姿态的改变由其四个飞行旋翼1的转速来控制，通过控制四个飞行旋翼1产生不同的转速来控制四旋翼飞行器的俯仰、滚转、偏航不同飞行姿态以及飞行高度的改变。本发明中将传统四旋翼飞行器前进飞行的控制方法加以改变，通过控制四组飞行旋翼1前后方向的转动角度达到前进或者后退飞行的目的。在这只对前进飞行的控制加以说明：当四旋翼飞行器需要向前飞行时，飞行控制系统11控制倾转舵机7产生制动，通过连杆6带动旋翼臂9转动从而使四组飞行旋翼1向前倾转，通过四组飞行旋翼1所产生推力的水平分力达到使四旋翼飞行器前进飞行的目的，同时产生的竖直方向的分力用来克服四旋翼飞行器的重力达到保持其飞行高度的目的。这样的好处是，四旋翼飞行器整体不用向前倾斜，使机身始终保持与水平面平行，这样即没有增加飞行的阻力，使其在前进方向上具有最优气动性能，同时机身4也能产生一定的升力，从而达到四旋翼飞行器巡航速度的增加，提升四旋翼飞行器续航能力。

安装时，保证倾转舵机7的输出旋转轴处于设置在机身4前后两处旋翼臂9转动杆902之间的中心位置；当四组飞行旋翼1都竖直向上与水平面保持平行时，设置在倾转舵机7上的球头连接固定孔与设置在倾转摇臂5上的球头连接固定孔在同一高度，设置在连杆6中部的球头槽到两端的球头槽距离相等。这样达到使四个飞行旋翼1的偏转角度保持一致的目的。

Claims (4)

1.一种倾转四旋翼飞行器，包括飞行旋翼、无刷直流电机、机身、座舱罩、起落架、供电单元、飞行控制系统，其特征在于：还包括固定管、倾转摇臂、连杆、倾转舵机、旋翼臂和球头；通过控制四组飞行旋翼前后方向的转动角度达到前进或者后退飞行的目的；

所述机身左前、右前、右后、左后位置分别设置有一个固定管，分别用于安装固定四个旋翼臂；固定管粘接在机身上，前部的两个固定管共线作为第一组，后部的两个固定管共线作为第二组，第一组固定管所在直线平行于第二组固定管所在直线，并且所述的固定管的轴线均垂直于机身轴线；

所述旋翼臂由电机座和转动杆组成，所述转动杆为一圆形截面的中空长杆，电机座为一中空圆柱体，所述圆柱体轴线与转动杆长轴垂直；所述转动杆的一端作为自由端连接电机座，另一端穿过固定管，与机身内部的倾转摇臂连接；

所述无刷直流电机和飞行旋翼组成飞行器的动力单元，所述无刷直流电机固定连接在电机座上，所述飞行旋翼固连在无刷直流电机旋转输出轴上，通过无刷直流电机带动飞行旋翼的旋转工作；

所述倾转舵机、连杆、倾转摇臂组成倾转伺服单元；在机身内部的中部位置设置有用于固定倾转舵机的固定座，保证倾转舵机的转动轴位于设置在机身前后两组固定管的中间位置；连杆两端及中间位置都设置有球头槽，每个位置一个合计三个球头槽，三个球头在装配时分别硬压入三个球头槽内；所述倾转摇臂与倾转舵机上都分别设置有用于固定球头的固定孔，通过螺钉将以上所述的球头分别与倾转舵机和倾转摇臂连接在一起，其中设置在连杆中部的球头与倾转舵机连接，设置在连杆两端的球头分别与两个倾转摇臂连接。

2.根据权利要求1所述的一种倾转四旋翼飞行器，其特征在于：所述机身、起落架、旋翼臂均由碳纤维材料加工制作而成，所述的转动杆和倾转摇臂均由碳纤维材料一体加工而成。

3.根据权利要求1所述的一种倾转四旋翼飞行器，其特征在于：所述机身采用半椭圆形外形设计，所述机身上表面采用中部高四周低的曲面造型，且机身上表面前部曲线斜率大于机身后部的曲线斜率，下表面为平面造型；机身上表面加工设置有座舱罩，方便机身内部设备的安装与调试。

4.根据权利要求1所述的一种倾转四旋翼飞行器，其特征在于：安装时，保证倾转舵机的输出旋转轴处于设置在机身前后两处旋翼臂转动杆之间的中心位置；当四组飞行旋翼都竖直向上与水平面保持平行时，设置在倾转舵机上的球头连接固定孔与设置在倾转摇臂上的球头连接固定孔在同一高度，设置在连杆中部的球头槽到两端的球头槽距离相等，这样达到使四个飞行旋翼的偏转角度保持一致的目的。