CN105438461B - 一种构造飞行器的动力系统及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种构造飞行器的动力系统及飞行器，属于飞行器领域，该动力系统包括旋翼机构，旋翼机构包括可转动的旋转轴和螺旋桨，旋转轴与旋转控制机构连接，旋转控制机构包括控制装置和传动机构，控制装置与旋转轴通过传动机构连接，螺旋桨与驱动装置转动连接，驱动装置与旋转轴固定连接。该动力系统能够构造兼顾垂直起降、空中悬停、飞行速度快、飞行时间长的飞行器。

Description

一种构造飞行器的动力系统及飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体而言，涉及一种构造飞行器的动力系统及飞行器。

背景技术

目前，航模飞行器的种类繁多，例如四轴飞行器和固定翼无人机等。

四轴飞行器的旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四轴飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置，在调节的过程中消耗的电能比较大，高能耗直接导致续航时间短的问题；四轴飞行器飞行速度慢，目前较高端的中小型四轴飞行器的垂直上升最大速度一般为9m/s，水平速度最大只有25m/s；由于续航时间短、飞行速度慢，导致诸如运输、快递、巡线等都难以有效实现。目前四轴飞行器大多数应用均在极其有限空间、时间范围内进行。

固定翼无人机之所以能飞起来，是因为机翼的升力克服了重力。机翼的升力是机翼上下空气压力差形成的。一般固定翼航模是依靠机头的电动机带动螺旋桨高速运转，然后提供推力，当推力大于滑轮的摩擦阻力时，飞机就会向前运动。固定翼飞机在空中飞行速度较快，需要操舵手有良好的反应能力，还有较强的操作技巧，相比于多轴无人机来说，操作是比较复杂的。另外，由于固定翼无人机只有一个提供推力的螺旋桨，且方向是水平的，在飞机的垂直方向上并没有外加的力来平衡飞机机体的重力，没有外加的力来调整飞机的姿态，所以固定翼只能在空中飞行时，利用机翼和尾翼产生的升力和其他力，才能保持平衡，而不能悬停在空中。

目前，尚无一种兼顾垂直起降、空中悬停、飞行速度快、飞行时间长的飞行器。

发明内容

本发明提供了一种构造飞行器的动力系统及飞行器，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的：

一种构造飞行器的动力系统，包括旋翼机构，所述旋翼机构包括可转动的旋转轴和螺旋桨，所述旋转轴与旋转控制机构连接，所述旋转控制机构包括控制装置和传动机构，所述控制装置与所述旋转轴通过所述传动机构连接，所述螺旋桨与驱动装置转动连接，所述驱动装置与所述旋转轴固定连接。

进一步地，所述传动机构包括主动齿轮和传动齿轮，所述主动齿轮与所述传动齿轮啮合，所述主动齿轮与所述控制装置连接，所述传动齿轮固定套设于所述旋转轴上。

采用主动齿轮和从动齿轮相啮合的传动结构，传动精确快速。控制时，控制装置带动主动齿轮转动，主动齿轮带动传动齿轮，由于传动齿轮固定于旋转轴上，从而带动旋转轴转动。

进一步地，所述控制装置包括控制模块和控制电机，所述控制模块与所述控制电机电连接，所述控制电机与所述主动齿轮连接。

控制电机工作带动主动齿轮转动，控制模块控制控制电机的启停、正反转以及转速等，从而实现旋转轴的转停、转向以及转速等，使得旋转轴的控制精确，快速高效地实现多种飞行模式的切换。

进一步地，所述旋翼机构为四个，其中，所述旋转轴为两个，所述螺旋桨为四个；

两个所述旋转轴的两端均分别设置有一个螺旋桨，两个所述旋转轴之间设置有横杆，所述横杆包括第一横杆和第二横杆，其中一个旋转轴通过所述旋转控制机构和所述轴杆连接机构分别与所述第一横杆和所述第二横杆连接，另一个旋转轴通过所述轴杆连接机构和所述旋转控制机构分别与所述第一横杆和所述第二横杆连接。

采用四个螺旋桨，使得该动力系统可构造四轴的飞行器，并且旋转轴为两个，使得四个螺旋桨两两为一组，同一组的两个螺旋桨共轴转动。

进一步地，所述旋转控制机构还包括第一连接件，所述横杆与所述旋转轴通过所述第一连接件连接，所述控制装置安装于所述第一连接件上。

通过设置第一连接件，能够对控制装置起到固定作用，可实现该旋转控制机构与第一横杆或第二横杆的连接和固定。

进一步地，所述第一连接件包括第一T形连接件和第一固定板，所述第一T形连接件包括第一连接部和第一固定部，所述第一连接部与所述旋转轴通过轴承连接，所述横杆固定于所述第一固定部和所述第一固定板之间，所述控制装置安装于所述第一固定部上。

控制装置固定在第一固定部上，固定牢靠，使控制装置能够很好地控制主动齿轮转动。旋转轴在传动齿轮的带动下转动时，轴承转动，既能够保证旋转轴的转动，也能够使旋转轴牢靠地与第一连接部连接，使旋转轴不会发生偏移或晃动，传动更加精准。

进一步地，所述轴杆连接机构包括第二连接件，所述第二连接件包括第二T形连接件和第二固定板，所述第二T形连接件包括第二连接部和第二固定部，所述第二连接部与所述旋转轴通过轴承连接，所述横杆固定于所述第二T形连接件和所述第二固定板之间。

第二连接部通过轴承与旋转轴连接固定，第二固定部和第二固定板在连接时将横杆夹紧于第二固定部和第二固定板之间，使横杆与旋转轴能够牢靠连接，既保证了旋转轴的转动，又能够对旋转轴起到支撑和连接作用。

进一步地，所述驱动装置包括电机，所述电机固定于螺旋桨固定座内，所述螺旋桨的轴伸入所述螺旋桨固定座并与所述电机连接，所述螺旋桨固定座与所述旋转轴固定连接。

螺旋桨固定座对电机起到固定和保护作用，螺旋桨固定座与旋转轴固定连接，保证了旋转轴在转动时带动螺旋桨发生偏转。

进一步地，所述螺旋桨固定座的底部的两端分别设置有底板，所述旋转轴上套设有两个连接板，所述底板与所述连接板通过螺栓连接。

通过底板与连接板的连接，能够将螺旋桨固定座与旋转轴很好地固定，便于旋转轴在转动时带动螺旋桨发生偏转。

本发明还提供了一种飞行器，以辅助解决上述技术问题，该飞行器，包括上述任一项构造飞行器的动力系统。

本发明提供的构造飞行器的动力系统的有益效果是：该动力系统工作时，可通过控制装置控制传动机构动作，传动机构带动旋转轴转动，旋转轴带动驱动装置转动，从而使螺旋桨发生偏转，通过旋转控制机构控制旋转轴的转动，可实现螺旋桨工作方向的调整。采用该动力系统构造的飞行器在起飞时，该动力系统的螺旋桨的工作方向竖直，利用螺旋桨的旋转产生升力，并通过相应的控制实现垂直起降和空中悬停；在飞行过程中，旋转轴转动，使螺旋桨的工作方向与飞行方向一致，螺旋桨旋转为飞行器提供推力，加快了飞行速度，并且节约了能耗，续航时间长。因此，该动力系统能够构造兼顾垂直起降、空中悬停、飞行速度快、飞行时间长的飞行器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的构造飞行器的动力系统的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的构造飞行器的动力系统的旋转控制机构的底侧视角的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的构造飞行器的动力系统的螺旋桨固定座的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的构造飞行器的动力系统在两个螺旋桨共轴转动时的结构示意图；

图5为本发明第二实施例提供的构造飞行器的动力系统的轴杆连接机构的底侧视角的结构示意图；

图6为本发明第二实施例提供的构造飞行器的动力系统的结构示意图；

图7为本发明第三实施例提供的飞行器的顶面视角的结构示意图；

图8为本发明第三实施例提供的飞行器的底面视角的结构示意图。

图中标记分别为：

旋转轴101；螺旋桨102；控制装置103；驱动装置104；主动齿轮105；传动齿轮106；横杆107；第一横杆108；第二横杆109；第一T形连接件110；第一固定板111；第一连接部112；第一固定部113；第二T形连接件114；第二固定板115；第二连接部116；第二固定部117；电机118；螺旋桨固定座119；底板120；连接板121；多轴旋翼机架122；固定翼123。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参阅图1，本实施例提供了一种构造飞行器的动力系统，用于构造飞行器，该动力系统包括旋翼机构，旋翼机构包括可转动的旋转轴101和螺旋桨102，旋转轴101与旋转控制机构连接，旋转控制机构包括控制装置103和传动机构，控制装置103与旋转轴101通过传动机构连接，螺旋桨102与驱动装置104转动连接，驱动装置104与旋转轴101固定连接。

旋翼机构可以为多个，螺旋桨102的数量不受限制，每个螺旋桨102连接一个驱动装置104，驱动装置104优选为电机118。例如，旋翼机构为三个，成等腰三角形分布，其中一个位于靠近固定翼123的头部的位置，另两个的连线与固定翼123的延伸方向垂直。

另外，可以是一个螺旋桨102配备一个旋转轴101，每个螺旋桨102都是一个独立的整体，可以独立的在空间中实现任意转动；也可以是一个旋转轴101安装多个螺旋桨102。旋转控制机构用于控制旋转轴101的旋转。另外，可以是一个旋转控制机构通过一个旋转轴101与一个螺旋桨102连接，控制一个螺旋桨102的偏转，也可以是一个旋转控制机构通过同一个旋转轴101控制两个螺旋桨102的偏转，此时这两个螺旋桨102共轴转动，共轴的情况请参阅图5。

该动力系统工作时，可通过控制装置103控制传动机构动作，传动机构带动旋转轴101转动，旋转轴101带动驱动装置104转动，从而使螺旋桨102发生偏转，通过旋转控制机构控制旋转轴101的转动，可实现螺旋桨102工作方向的调整。采用该动力系统构造的飞行器在起飞时，该动力系统的螺旋桨102的工作方向竖直，利用螺旋桨102的旋转产生升力，并通过相应的控制实现垂直起降和空中悬停；在飞行过程中，旋转轴101转动，使螺旋桨102的工作方向与飞行方向一致，螺旋桨102旋转为飞行器提供推力，加快了飞行速度，并且节约了能耗，续航时间长。因此，该动力系统能够构造兼顾垂直起降、空中悬停、飞行速度快、飞行时间长的飞行器。

进一步地，请参阅图1和图2，传动机构包括主动齿轮105和传动齿轮106，主动齿轮105与传动齿轮106啮合，主动齿轮105与控制装置103连接，传动齿轮106固定套设于旋转轴101上。

采用主动齿轮105和从动齿轮相啮合的传动结构，传动精确快速。控制时，控制装置103带动主动齿轮105转动，主动齿轮105带动传动齿轮106，由于传动齿轮106固定于旋转轴101上，从而带动旋转轴101转动。

控制装置103包括控制模块和控制电机118，控制模块与控制电机118电连接，控制电机118与主动齿轮105连接。

控制电机118工作带动主动齿轮105转动，控制模块控制控制电机118的启停、正反转以及转速等，从而实现旋转轴101的转停、转向以及转速等，使得旋转轴101的控制精确，快速高效地实现多种飞行模式的切换。

请参阅图1和图2，旋转控制机构还包括第一连接件，该动力系统包括横杆107，横杆107与旋转轴101通过第一连接件连接，控制装置103安装于第一连接件上。

通过设置横杆107和第一连接件，能够对控制装置103起到固定作用，可实现该旋转控制机构与横杆107的连接和固定。

请参阅图1和图2，第一连接件包括第一T形连接件110和第一固定板111，第一T形连接件110包括第一连接部112和第一固定部113，第一连接部112与旋转轴101通过轴承连接，横杆107固定于第一固定部113和第一固定板111之间，控制装置103安装于第一固定部113上。

控制装置103固定在第一固定部113上，固定牢靠，使控制装置103能够很好地控制主动齿轮105转动。旋转轴101在传动齿轮106的带动下转动时，轴承转动，既能够保证旋转轴101的转动，也能够使旋转轴101牢靠地与第一连接部112连接，使旋转轴101不会发生偏移或晃动，传动更加精准。

请参阅图1和图3，驱动装置104包括电机118，电机118固定于螺旋桨固定座119内，螺旋桨102的轴伸入螺旋桨固定座119并与电机118连接，螺旋桨固定座119与旋转轴101固定连接。螺旋桨固定座119对电机118起到固定和保护作用，螺旋桨固定座119与旋转轴101固定连接，保证了旋转轴101在转动时带动螺旋桨102发生偏转。

请参阅图1和图3，螺旋桨固定座119的底部的两端分别设置有底板120，旋转轴101上套设有两个连接板121，底板120与连接板121通过螺栓连接。通过底板120与连接板121的连接，能够将螺旋桨固定座119与旋转轴101很好地固定，便于旋转轴101在转动时带动螺旋桨102发生偏转。

第二实施例

本实施例所提供的构造飞行器的动力系统，其基本结构和原理及产生的技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。

请参阅图4～图6，本实施例中，旋翼机构为四个，其中，旋转轴101为两个，螺旋桨102为四个。两个旋转轴101的两端均分别设置有一个螺旋桨102，两个旋转轴101之间设置有横杆107，横杆107包括第一横杆108和第二横杆109，其中一个旋转轴101通过旋转控制机构和轴杆连接机构分别与第一横杆108和第二横杆109连接，另一个旋转轴101通过轴杆连接机构和旋转控制机构分别与第一横杆108和第二横杆109连接。也就是说，第一横杆108的一端与其中一个旋转轴101通过旋转控制机构连接，另一端与另一个旋转轴101通过轴杆连接机构连接；与第一横杆108通过旋转控制机构连接的旋转轴101与第二横杆109是通过轴杆连接机构连接的，与第一横杆108通过轴杆连接机构连接的旋转轴101与第二横杆109是通过旋转控制机构连接的。

采用四个螺旋桨102，使得该动力系统可构造四轴的飞行器，例如固定翼四轴飞行器，并且旋转轴101为两个，使得四个螺旋桨102两两为一组，同一组的两个螺旋桨102共轴转动。

轴杆连接机构包括第二连接件，第二连接件包括第二T形连接件114和第二固定板115，第二T形连接件114包括第二连接部116和第二固定部117，第二连接部116与旋转轴101通过轴承连接，第一横杆108或第二横杆109固定于第二T形连接件114和第二固定板115之间。

第二连接部116通过轴承与旋转轴101连接固定，第二固定部117和第二固定板115在连接时将第二横杆109夹紧于第二固定部117和第二固定板115之间，使第二横杆109与旋转轴101能够牢靠连接，既保证了旋转轴101的转动，又能够对旋转轴101起到支撑和连接作用。

第三实施例

本实施例提供了一种飞行器，该飞行器包括第二实施例提供的构造飞行器的动力系统，请参阅图7和图8，该飞行器还包括多轴旋翼机架122和固定翼123，横杆107设置于多轴旋翼机架122上，即横杆107为多轴旋翼机架122的一部分。旋转控制机构通过横杆107与多轴旋翼机架122连接。该飞行器实际上为固定翼多轴飞行器，同时具备了固定翼飞行器和多轴飞行器的优点，可实现多轴模式、固定翼123模式以及固定翼123和多轴混合模式，兼顾了垂直起降、空中悬停、飞行速度快、飞行时间长的特点。

该固定翼多轴飞行器的工作原理为：

A.多轴模式：在起降时，多轴旋翼机架122上的多个螺旋桨102的工作方向垂直于机身，只依靠多个螺旋桨102提供的升力进行垂直起降。当它垂直上升到某一高度时，利用多轴的平衡性来使它悬停在空中。再利用多轴飞行器的多个垂直的螺旋桨102提供的动力向前飞行。

B.固定翼123模式：当飞行器速度到达一定速度后，螺旋桨102进行90°的偏转，工作方向与飞行器飞行方向一致。而且固定翼123飞行模式和四轴飞行模式可以快速、反复切换，从而能够以多种姿态进行飞行。

C.固定翼123和多轴的混合模式：当飞行器使用固定翼123模式在空中飞行时，遇到一些突发状况，比如：乱流、一个或一组螺旋桨102发生故障，就会采取混合模式。由于前后两组螺旋桨102的电机118是共轴转动，且都是被独立控制的。所以，(1)当遇上紊流时，它可以让任意的单独一组螺旋桨102继续保持原来的工作状态，另外一组螺旋桨102进行共轴转动，进行飞行器平衡和姿态的调整。(2)当遇上飞行器一个螺旋桨102发生故障时，飞行器的一组完好的螺旋桨102和另一组的一个正常工作的螺旋桨102进行配合，控制三个螺旋桨102的转速和方向，调整好飞行器姿态。(3)如果是飞行器的任意一组螺旋桨102发生故障，那么剩余的那组正常工作的螺旋桨102则共轴偏转一些角度，并降低飞行器的飞行速度，以保持飞行器平稳飞行。

该固定翼多轴飞行器具有以下优点：

1.具有固定翼飞行器的机翼，使其在飞行过程中可以利用较低的能耗(推力)获得较大的升力，进而降低能耗，大大提升飞行器的续航能力。

2.具有多轴飞行器垂直起降的功能，起飞不再受地形条件约束，可以在任意地形上完成起飞、降落。

3.具有空中悬停的功能，其飞行路线不再受地理环境影响，可以在譬如丛林、山沟、楼宇等飞行空间狭小的环境下正常飞行。

4.旋转轴101可转动，使得螺旋桨102转动，升力变推力，飞行速度大大提高，极大程度地拓展应用领域。

5.固定翼123模式和多轴模式可以快速切换，并具有混合控制能力，从而能够以多种姿态进行飞行，增强飞行稳定性与操纵性。

6.采用模块化设计，使其能够更好的与现有的多轴飞行器进行组合设计，扩展多轴飞行器的功能与应用领域。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种构造飞行器的动力系统，其特征在于，包括旋翼机构，所述旋翼机构包括可转动的旋转轴和螺旋桨，所述旋转轴与旋转控制机构连接，所述旋转控制机构包括控制装置和传动机构，所述控制装置与所述旋转轴通过所述传动机构连接，所述螺旋桨与驱动装置转动连接，所述驱动装置与所述旋转轴固定连接；

所述传动机构包括主动齿轮和传动齿轮，所述主动齿轮与所述传动齿轮啮合，所述主动齿轮与所述控制装置连接，所述传动齿轮固定套设于所述旋转轴上；

所述旋转轴为两个，所述螺旋桨为四个；两个所述旋转轴的两端均分别设置有一个螺旋桨，两个所述旋转轴之间设置有横杆，所述横杆包括第一横杆和第二横杆，其中一个旋转轴通过所述旋转控制机构和轴杆连接机构分别与所述第一横杆和所述第二横杆连接，另一个旋转轴通过所述轴杆连接机构和所述旋转控制机构分别与所述第一横杆和所述第二横杆连接；

所述旋转控制机构还包括第一连接件，所述横杆与所述旋转轴通过所述第一连接件连接，所述控制装置安装于所述第一连接件上。

2.根据权利要求1所述的构造飞行器的动力系统，其特征在于，所述控制装置包括控制模块和控制电机，所述控制模块与所述控制电机电连接，所述控制电机与所述主动齿轮连接。

3.根据权利要求1所述的构造飞行器的动力系统，其特征在于，所述第一连接件包括第一T形连接件和第一固定板，所述第一T形连接件包括第一连接部和第一固定部，所述第一连接部与所述旋转轴通过轴承连接，所述横杆固定于所述第一固定部和所述第一固定板之间，所述控制装置安装于所述第一固定部上。

4.根据权利要求1所述的构造飞行器的动力系统，其特征在于，所述轴杆连接机构包括第二连接件，所述第二连接件包括第二T形连接件和第二固定板，所述第二T形连接件包括第二连接部和第二固定部，所述第二连接部与所述旋转轴通过轴承连接，所述横杆固定于所述第二T形连接件和所述第二固定板之间。

5.根据权利要求1所述的构造飞行器的动力系统，其特征在于，所述驱动装置包括电机，所述电机固定于螺旋桨固定座内，所述螺旋桨的轴伸入所述螺旋桨固定座并与所述电机连接，所述螺旋桨固定座与所述旋转轴固定连接。

6.根据权利要求5所述的构造飞行器的动力系统，其特征在于，所述螺旋桨固定座的底部的两端分别设置有底板，所述旋转轴上套设有两个连接板，所述底板与所述连接板通过螺栓连接。

7.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的构造飞行器的动力系统。