CN105270619B - 一种油动变距四旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油动变距四旋翼无人机，它包括动力系统‑传动系统、旋翼‑操纵系统和机架系统，旋翼‑操纵系统、动力系统‑传动系统都固定在机架系统上。本发明主要解决了常规电动多旋翼载荷小、航时短和抗风性较差等问题，以及常规直升机由于机械结构、结构动力学特性、飞行动力学特性、气动特性和飞行控制系统复杂而带来的采购、使用和维护成本高，使用维护技术门槛高等问题。

Description

一种油动变距四旋翼无人机

技术领域

本发明涉及航空技术领域，特别是涉及一种油动变距四旋翼无人机。

背景技术

常见的垂直起降无人机主要有油动直升机(如图1所示)、电动直升机(如图2所示)以及电动多旋翼(如图4所示)等类型。

如图1和图2，常规直升机按动力系统的不同可分为油动直升机和电动直升机，其机械系统主要包含动力子系统、传动子系统、操纵子系统和旋翼子系统，其机械结构复杂，尤其是传动子系统和操纵子系统。传动子系统通常包含复杂的闭式齿轮系以及密封装置，结构复杂且加工制造成本高，装配工艺要求高。操纵子系统中最重要的部件为自动倾斜器(如图3所示)，自动倾斜器主要包含外环(不动环)、内环(动环)和关节轴承，结构复杂且加工制造成本高，装配工艺要求高。一般来说，直升机靠1个自动倾斜器进行旋翼的总距和周期变距等各通道的操纵，以实现其飞行的控制，因而其飞行动力学耦合严重，带来的直升机的手动飞行操纵和飞行控制系统技术门槛均较高。

如图4，常规电动多旋翼主要机械结构为机架(或机架加可折叠机臂)，主要元器件为电池、电调、电机、飞控和螺旋桨等，通过改变各螺旋桨的转速实现飞行器的控制。其最大的优势为系统简单，成本低廉，手动飞行操纵和飞行控制系统技术门槛均较低。但是由于受电池能量密度的限制，其航时一般仅为10-30分钟，且通过单纯增加电池数量来增长其航时的方式会大大降低其负载能力。因而，相对于油动直升机，电动多旋翼(也包括电动直升机)，其最大的问题是续航性能较差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种油动变距四旋翼无人机，它具有大载荷、长航时等优点，同时降低采购、使用和维护成本以及使用维护技术门槛。

本发明所采用的技术方案是：一种油动变距四旋翼无人机，它主要包括旋翼-操纵系统、动力系统-传动系统和机架系统。它们之间的位置连接关系是：旋翼-操纵系统、动力系统-传动系统都固定在机架系统上。

所述旋翼-操纵系统，包括扭力臂，连接旋翼轴和桨夹的旋翼头，连接变距摇臂和桨叶的桨夹，连接变距外环、变距滑环、变距内环和变距摇臂的变距拉杆，以及连接变距外环和舵机盘的舵机操纵拉杆。它们之间的位置连接关系是：扭力臂固定于旋翼轴上，其作用为，拨动变距摇臂和变距内环随旋翼轴一起旋转。舵机连接舵机盘和舵机支架，舵机的旋转操纵通过舵机盘、舵机操纵拉杆、变距外环、变距滑环、变距内环、变距拉杆、变距摇臂以及桨夹传到桨叶上，从而使桨叶迎角改变，桨叶升力大小改变，实现了旋翼的操纵。旋翼轴通过轴承连接于旋翼轴支座上，旋翼轴支座的作用为支撑旋翼系统的旋转运动，安装固定舵机支架，同时也起到扭力臂的作用，避免舵机操纵拉杆以及变距外环随旋翼一起旋转。

所述动力-传动系统，包括动力子系统和与动力子系统相连的传动子系统，动力子系统与传动子系统通过传动子系统的同步带连接。该动力子系统包括：发动机本体及其相关附属系统(散热系统、排气系统和发电系统)；该传动子系统包括：一级传动系统、二级传动系统以及连接一级传动系统和二级传动系统的主传动轴、从传动轴和换向齿轮。一级传动系统包含一级小带轮、一级大带轮，以及连接一级小带轮和一级大带轮的一级皮带。主传动轴连接一级大带轮、两个二级小带轮一级换向齿轮。一部分动力被分流到两个二级小带轮，剩余动力通过一对换向齿轮传递到从传动轴上，从而进一步传递到另外两个二级小带轮。二级传动系统包含二级小带轮、二级大带轮以及连接二级小带轮和二级大带轮的二级皮带，四个二级小带轮分别将动力传递到二级大带轮上，分别驱动四个旋翼轴，实现动力的传递。

所述机架系统，包括机臂、机身压板以及位于机身压板间的机臂支座、起落架支座和起落架；机臂连接机臂支座和起落架，机臂支座安装于机臂末端。该机身压板呈菱形板料，该机臂支座呈圆筒状，该起落架呈三角形状。

与现有技术相比，本发明的有益效果是解决了常规电动多旋翼(或电动直升机)载荷小和航时短等问题，以及常规直升机由于机械结构、结构动力学特性、飞行动力学特性、气动特性和飞行控制系统复杂而带来的采购、使用和维护成本高，使用维护技术门槛高等问题。

附图说明

图1常规油动直升机典型结构图。

图2常规电动直升机典型结构图。

图3常规油动/电动直升机自动倾斜器典型结构图。

图4常规电动多旋翼典型结构图。

图5油动变距四旋翼结构图。

图6油动变距四旋翼旋翼-操纵系统示意图。

图7 I型油动变距四旋翼示意图。

图8 X型油动变距四旋翼示意图翼。

图9油动变距四旋翼动力-传动系统示意图。

图10油动变距四旋翼传动子系统示意图。

图11油动变距四旋翼机架系统示意图。

附图标记如下：

1-旋翼-操纵系统；2-动力系统-传动系统；3-机架系统。；

4-旋翼轴；5-旋翼头；6-桨夹；7-桨叶；8-变距摇臂；9-变距拉杆；10-扭力臂；11-变距内环；12-变距外环；13-变距滑环；14-舵机操纵拉杆；15-舵机盘；16-舵机；17-舵机支架；18-旋翼轴支座；

19-一级小带轮；20-一级皮带；21-一级大带轮；22-主传动轴；23-二级小带轮；24-二级皮带；25-二级大带轮；26-一级换向齿轮；27-从传动轴；

28-机身压板；29-机臂支座；30-机臂；31-起落架支座；32-起落架；R1、R2、R3、R4-旋翼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1—图11，为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种油动变距四旋翼无人机，解决了常规电动多旋翼(或电动直升机)载荷小和航时短等问题，以及常规直升机由于机械结构、结构动力学特性、飞行动力学特性、气动特性和飞行控制系统复杂而带来的采购、使用和维护成本高，使用维护技术门槛高等问题。

参见图6，与本实施例的油动变距四旋翼无人机相关的旋翼-操纵系统主要构成如下：

旋翼头5连接旋翼轴4和桨夹6，桨夹6连接变距摇臂8和桨叶7，变距拉杆9连接变距外环12、变距滑环13、变距内环11和变距摇臂8，舵机操纵拉杆14连接变距外环12和舵机盘15。扭力臂10固定于旋翼轴4上，其作用为，拨动变距摇臂8和变距内环11随旋翼轴4一起旋转。舵机16连接舵机盘15和舵机支架17，舵机16的旋转操纵通过舵机盘15、舵机操纵拉杆14、变距外环12、变距滑环13、变距内环11、变距拉杆9、变距摇臂8以及桨夹6传到桨叶7上，从而使其迎角改变，升力大小改变，实现了旋翼的操纵。旋翼轴4通过轴承连接于旋翼轴支座18上，旋翼轴支座18的作用为支撑旋翼系统的旋转运动，安装固定舵机支架17，同时也起到扭力臂10的作用，避免舵机操纵拉杆14以及变距外环12随旋翼一起旋转。

通过四套旋翼-操纵系统总距操纵之间的配合，可形成油动变距四旋翼无人机纵向、横向、总距和偏航的四个通道的控制。

油动变距四旋翼无人机的四个旋翼的飞行模式和常规电动四旋翼的模式类似，可分为I型(如图7所示)和X型(如图8所示)。

其操纵控制原理如下：

四副旋翼同时进行总距增加或减小操纵形成了油动变距四旋翼无人机的总距操纵。

旋翼R1和R3进行总距增加/减小操纵，旋翼R2和R4进行等量反向的总距操纵，油动变距四旋翼将形成偏航操纵。

对于I型油动变距四旋翼无人机，旋翼R1和R4同时进行总距增加/减小操纵，旋翼R3进行等量反向的总距操纵，油动变距四旋翼将形成纵向操纵。

对于I型油动变距四旋翼无人机，旋翼R2进行总距增加/减小操纵，旋翼R4进行等量反向的总距操纵，油动变距四旋翼将形成横向操纵。

对于X型油动变距四旋翼无人机，旋翼R1和R2进行总距增加/减小操纵，旋翼R3和R4进行等量反向的总距操纵，油动变距四旋翼将形成纵向操纵。

对于X型油动变距四旋翼无人机，旋翼R1和R4进行总距增加/减小操纵，旋翼R2和R3进行等量反向的总距操纵，油动变距四旋翼将形成横向操纵。

参见图9，本实施例的油动变距四旋翼无人机的动力-传动系统构成包括动力子系统和传动子系统，如下：

动力子系统包括发动机本体及其相关附属系统(散热系统、排气系统和发电系统)。

参见图10，本实施例的油动变距四旋翼无人机相关的传动子系统主要构成如下：

一级皮带20连接一级小带轮19和一级大带轮21，主传动轴22连接一级大带轮21、两个二级小带轮23和一级换向齿轮26。一部分动力被分流到两个二级小带轮23，剩余动力通过一级换向齿轮26传递到从传动轴27上，从而进一步传递到另外两个二级小带轮23。二级皮带24连接二级小带轮23和二级大带轮25，四个二级小带轮23将动力传递到二级大带轮25上，分别驱动四个旋翼轴4，实现动力的传递。

参见图11，与本实施例的油动变距四旋翼无人机相关的机架系统主要构成如下：

机臂支座29位于两块机身压板28间并连接机臂30，起落架32由起落架支座31连接于机臂30上，旋翼轴支座18安装于机臂30末端。

本发明的有益效果是解决了常规电动多旋翼(或电动直升机)载荷小和航时短等问题，以及常规直升机由于机械结构、结构动力学特性、飞行动力学特性、气动特性和飞行控制系统复杂而带来的采购、使用和维护成本高，使用维护技术门槛高等问题。

Claims (1)

1.一种油动变距四旋翼无人机，其特征在于：它包括旋翼-操纵系统、动力系统-传动系统和机架系统；旋翼-操纵系统、动力系统-传动系统都固定在机架系统上；

所述旋翼-操纵系统，包括扭力臂，连接旋翼轴和桨夹的旋翼头，连接变距摇臂和桨叶的桨夹，连接变距外环、变距滑环、变距内环和变距摇臂的变距拉杆，以及连接变距外环和舵机盘的舵机操纵拉杆；扭力臂固定于旋翼轴上，其作用为，拨动变距摇臂和变距内环随旋翼轴一起旋转；舵机连接舵机盘和舵机支架，舵机的旋转操纵通过舵机盘、舵机操纵拉杆、变距外环、变距滑环、变距内环、变距拉杆、变距摇臂以及桨夹传到桨叶上，从而使桨叶迎角改变，桨叶升力大小改变，实现了旋翼的操纵；旋翼轴通过轴承连接于旋翼轴支座上，旋翼轴支座的作用为支撑旋翼系统的旋转运动，安装固定舵机支架，同时也起到扭力臂的作用，避免舵机操纵拉杆以及变距外环随旋翼一起旋转；

所述动力系统-传动系统，包括动力子系统和与动力子系统相连的传动子系统；动力子系统和传动子系统通过传动子系统的同步带连接；该动力子系统包括：发动机本体及其相关附属系统即散热系统、排气系统和发电系统；该传动子系统包括：一级传动系统、二级传动系统以及连接一级传动系统和二级传动系统的主传动轴、从传动轴和换向齿轮；一级传动系统包含一级小带轮、一级大带轮，以及连接一级小带轮和一级大带轮的一级皮带；主传动轴上分别连接有一级大带轮，两个二级小带轮，一级换向齿轮；一部分动力被分流到两个二级小带轮，剩余动力通过一对换向齿轮传递到从传动轴上，从而进一步传递到另外两个二级小带轮；二级传动系统包含二级小带轮、二级大带轮以及连接二级小带轮和二级大带轮的二级皮带，四个二级小带轮分别将动力传递到二级大带轮上，分别驱动四个旋翼轴，实现动力的传递；

所述机架系统，包括机臂、机身压板以及位于机身压板间的机臂支座、起落架支座和起落架；机臂连接机臂支座和起落架，无人机的旋翼-操纵系统安装于机臂末端；该机身压板呈菱形板料，该机臂支座呈圆筒状，该起落架呈三角形状。