CN105752331A - 一种基于变桨距控制的单内燃机动力多旋翼无人飞行器 - Google Patents

一种基于变桨距控制的单内燃机动力多旋翼无人飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种单动力内燃机驱动变桨距控制的多旋翼无人飞行器，属于飞行器领域。本发明的基于变桨距控制的单内燃机动力多旋翼无人飞行器包括变桨距控制部分和单动力传动部分。变桨距控制部分主要用来改变螺旋桨桨距，它主要包括螺旋桨和变桨距结构；单动力传动部分主要用来实现以内燃机为动力源驱动四个螺旋桨。它主要包括内燃机、多个碳纤维管、多个同步带、多个同步带轮、和多个主传动轴。本发明较于传统的多旋翼飞行器采用单动力输出的方式，减少了电机的数量，进而降低了旋翼飞行器的转动惯量，同时降低了对动力输出轴的输出精度的要求，实现在动力输出轴转向恒定的条件下实现拉力反向，从而增强了旋翼飞行器的机动性。

Description

一种基于变桨距控制的单内燃机动力多旋翼无人飞行器
技术领域
本发明具体涉及一种单动力内燃机驱动变桨距控制的多旋翼无人飞行器，属于飞行器领域。
背景技术
近几年，由于具备稳定的悬停能力和垂直起降能力，小型多旋翼飞行器发展迅速。简单的机械结构和自身较强的鲁棒性使得其广泛应用于航拍、测绘、路面检测等等。传统的多旋翼飞行器大多采用固定桨距的螺旋桨，通过调节螺旋桨的转速产生不同的反扭力矩和拉力来控制飞行姿态的平衡。对于大多数四旋翼来说，这种控制方式是十分有效的。但是由于电机和螺旋桨的转动惯量较低，限制了控制带宽。并且随着尺寸增加带宽低的问题对于多旋翼飞行器就更加明显，较大的多旋翼转动惯量较高，为了达到控制和飞行的要求就需要更大的电机来驱动，这样就又造成了更大的转动惯量。最终当飞行器尺寸增加到一定的范围后，通过调节转速就不能够稳定的控制飞行器的姿态。同时，采用定距螺旋桨不能够实现拉力反向，制约了旋翼飞行器的机动性。
同时，旋翼飞行器大多数采用的是电机驱动，而目前现有的锂电池能量密度都较低(170Wh/kg)，如果要增加飞行器的航时，就需要携带更重的电池，这样就降低了多旋翼飞行器的载重量。而燃油的能量密度较高(12000Wh/kg)，单从能量的角度分析油动力飞行器可以有效的提高多旋翼飞行器航时。国内有采用多个油动机代替电机来解决电驱动多旋翼面对的航时和载重量低的问题。但是由于油动内燃机是通过控制空气的进气量来改变燃油的燃烧程度来控制拉力的变化，这样就会造成控制响应慢。而且油动内燃机质量大，这样的设计使转动惯量过大。同时突风和飞行器的姿态变化会造成进气量突变，温度也会对燃油的燃烧产生一定的影响，这样就造成控制精度难以保证，对飞控系统要求增加。
基于以上的分析，此发明采用单动力输出，变桨距控制的四旋翼。
发明内容
本发明的目的是为了解决多旋翼无人飞行器航时短、载重量低的问题而提供一种单动力内燃机驱动和变桨距控制的多旋翼无人飞行器。
本发明的目的是通过下属技术方案实现的。
本发明的基于变桨距控制的单内燃机动力多旋翼无人飞行器，包括变桨距控制部分和单动力传动部分。
其中，变桨距控制部分包括螺旋桨和变桨距结构。螺旋桨安装在变桨距结构旋翼头顶端；变桨距结构包括舵机、连接杆和旋翼头；每个舵机通过位于其上的转盘以及一根连接杆分别与和每个舵机对应的变桨距结构连接件连接，舵机安装在碳纤维管上。通过控制舵机来控制变桨距机构，进而控制螺旋桨的桨距。变桨距控制部分的主要功能为改变螺旋桨桨距。
单动力传动结构包括内燃机、多个碳纤维管、多个同步带、多个同步带轮、和多个主传动轴。使用三根碳纤维管来构造飞行器的机架，机架采用H型布局。主传动轴安装在碳纤维管内，主传动轴的一端安装三个(一个大尺寸，两个相同的小尺寸)同步带轮，大尺寸同步带轮通过一个同步带与内燃机转轴相连，两个小尺寸同步带轮通过两个同步带分别与两个螺旋桨转轴相连；主传动轴的另外一端安装两个小尺寸同步带轮，两个小尺寸同步带轮通过同步带分别与另外两个螺旋桨转轴相连。为了抵消螺旋桨的反扭力矩，主传动轴的安装方向与螺旋桨转轴的方向垂直，相邻连接主传动轴和螺旋桨转轴的两个同步带反向安装，来让相邻的两个螺旋桨反向转动。内燃机安装在机架的一根碳纤维管上，并让它与这根碳纤维管平行，便于调试飞行器调试重心。单动力传动部分的主要功能为实现以内燃机为动力源驱动四个螺旋桨。
本发明以内燃机为单独动力源，内燃机带动同步带，同步带带动主传动轴，传动轴再通过传动带带动四个螺旋桨旋转。通过舵机驱动变桨距机构，变桨距机构改变螺旋桨桨叶的桨距，桨距的改变使螺旋桨桨叶所受拉力发生变化，进而改变飞行器的飞行姿态。
有益效果
相比用多个内燃机驱动油动力旋翼，单动力输出降低了对动力输出轴的输出精度的要求，只需要满足输出轴对功率和转速的要求就可以。
对于螺旋桨来说，拉力的大小与桨叶尺寸、螺旋桨螺距、转速有关。对于定距螺旋桨来说，拉力的控制是通过调节桨叶的转速实现的。而变距螺旋桨则是通过控制螺旋桨的桨距来实现拉力大小控制。并且变距螺旋桨对最大拉力控制响应更快同时更加精确。
对于变距桨来说由于桨距变化范围较大，可以在正负桨距之间切换，因此可以实现在动力输出轴转向恒定的条件下实现拉力反向，增强了旋翼飞行器的机动性。
变桨距虽然增加了机械结构的复杂性，但是单动力输出就不需要每个螺旋桨单独驱动，减少了电机的数量。这样就降低了旋翼飞行器的转动惯量。
附图说明
图1为无人飞行器整体外形示意图；
图2为无人飞行器整体结构爆炸视图；
图3为变桨距结构主视图；
图4为单动力传动结构主视图；
其中，1-1-第一同步带轮、1-2-第二同步带轮、1-3-第三同步带轮、1-4-第四同步带轮、1-5-第五同步带轮、1-6-第六同步带轮、1-7-第七同步带轮、1-8-第八同步带轮、1-9-第九同步带轮、1-10-第十同步带轮、2-1-第一碳纤维管、2-2-第二碳纤维管、2-3-第三碳纤维管、3-第一舵机、4-内燃机、5-离合器、6-1-同步带、6-2-第二同步带、6-3-第三同步带、6-4-第四同步带、6-5-第五同步带、7-1第一起落架、7-2-第二起落架、8-舵机连接杆、9-连接杆、10-主传动轴、11-旋翼头、11-1-连接件、11-2-套筒、11-3-摇杆、11-4第一杆、11-5-第二杆、11-6-旋翼、12-十字连接件、13-载物板。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的，下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的基于变桨距控制的单内燃机动力多旋翼无人飞行器包括变桨距控制部分和单动力传动结构。
其中，变桨距控制部分主要包括螺旋桨和变桨距结构。螺旋桨安装在变桨距结构旋翼头顶端。变桨距结构包括舵机、连接杆和旋翼头。每个舵机通过位于其上的转盘以及一根连接杆分别与和每个舵机对应的变桨距结构连接件连接，舵机安装在碳纤维管上。通过控制舵机来控制变桨距机构，进而控制螺旋桨的桨距。变桨距控制部分的主要功能为改变螺旋桨桨距。
单动力传动部分主要包括内燃机、多个碳纤维管、多个同步带、多个同步带轮、和多个主传动轴。使用三根碳纤维管来构造飞行器的机架，机架采用H型布局。主传动轴安装在碳纤维管内，主传动轴的一端安装三个(一个大尺寸，两个相同的小尺寸)同步带轮，大尺寸同步带轮通过一个同步带与内燃机转轴相连，两个小尺寸同步带轮通过两个同步带分别与两个螺旋桨转轴相连；主传动轴的另外一端安装两个小尺寸同步带轮，两个小尺寸同步带轮通过同步带分别与另外两个螺旋桨转轴相连。为了抵消螺旋桨的反扭力矩，主传动轴的安装方向与螺旋桨转轴的方向垂直，相邻连接主传动轴和螺旋桨转轴的两个同步带反向安装，来让相邻的两个螺旋桨反向转动。内燃机安装在机架的一根碳纤维管上，并让它与这根碳纤维管平行，便于调试飞行器调试重心。单动力传动部分的主要功能为实现以内燃机为动力源驱动四个螺旋桨。
如图1-2所示，本发明的4个旋翼头(11)对称布置，3根碳纤维管第一碳纤维管(2-1)、第二碳纤维管(2-2)、第三碳纤维管(2-3)组成H型机架，主传动轴(10)装在第一碳纤维管(2-1)中，载物板(13)安装在第一碳纤维管(2-1)上，内燃机(4)安装在载物板(13)上，第二同步带轮(1-2)和第一同步带轮(1-1)分别安装在主传动轴(10)和内燃机(4)的动力输出轴上，第一同步带轮(1-1)和第二同步带轮(1-2)之间通过第一同步带(6-1)连接，4个舵机第一舵机(3-1)、第二舵机(3-2)、第三舵机(3-3)、第四舵机(3-4)对称安装在第二碳纤维管(2-2)、第三碳纤维管(2-3)上，十字连接件(12)用于连接第二碳纤维管(2-2)、第三碳纤维管(2-3)与主传动轴(10)，第一起落架(7-1)、第二起落架(7-2)放于机架最低端；
如图3所示，舵机(3)驱动连接杆(9)的一端，连接杆(9)的另一端驱动旋翼头上的连接件(11-1)左右运动，连接件(11-1)驱动套筒(11-2)上下运动，与套筒(11-2)相连的摇杆(11-3)随套筒(11-2)上下运动的同时带动第一杆(11-4)上下运动，第一杆(11-4)带动第二杆(11-5)转动，第二杆(11-5)带动旋翼(11-6)正时针或逆时针转动。以这种方式通过舵机(3)来控制旋翼(11-6)的迎角,在转速恒定的情况下控制飞行器的姿态；
如图4所示，内燃机(4)安装在载物板(13)上，内燃机(4)把动力通过自己的动力输出轴传给第二同步带轮(1-2)，第二同步带轮(1-2)通过第一同步带(6-1)把动力传给第一同步带轮(1-1)。第一同步带轮(1-1)与主传动轴(10)相连，带动主传动轴(10)转动。4个小同步带轮第三同步带轮(1-3)、第四同步带轮(1-4)、第五同步带轮(1-5)、第六同步带轮(1-6)分别与图2中的4个同步带第二同步带(6-2)、第三同步带(6-3)第四同步带(6-4)、第五同步带(6-5)连接并安装在主传动轴(10)上。4个同步带(6-1)的另一端分别连接在旋翼头(11)下面的4个同步带轮第七同步带轮(1-7)、第八同步带轮(1-8)、第九同步带轮(1-9)、第十同步带轮(1-10)上。这样即实现了内燃机(4)单动力输出驱动4个螺旋桨旋转的目的，从而解决了多旋翼无人飞行器航时短、载重量低的问题。
本发明的控制方法为：
1)启动发动机驱动第一同步带轮(1-1)，第一同步带轮(1-1)通过第一同步带(6-1)带动与主传动轴相连的第二同步带轮(1-2)，第二同步带轮(1-2)带动主传动轴(10)转动，主传动轴(10)带动四个同步带轮第三同步带轮(1-3)、第四同步带轮(1-4)、第五同步带轮(1-5)、第六同步带轮(1-6)转动，其中四个同步带轮第三同步带轮(1-3)、第四同步带轮(1-4)、第五同步带轮(1-5)、第六同步带轮(1-6)分别通过跟自己相连的第二同步带(6-2)、第三同步带(6-3)第四同步带(6-4)、第五同步带(6-5)带动第七同步带轮(1-7)、第八同步带轮(1-8)、第九同步带轮(1-9)、第十同步带轮(1-10)转动，从而驱动各变桨距结构中的旋翼头(11)转动，以保证飞行器顺利起飞；
2)启动舵机(3)，通过舵机连接杆(9)带动连接件(11-1)转动；连接件(11-1)带动套筒(11-2)沿旋转轴上下运动，套筒(11-2)通过连接件(11-3)带动第一杆(11-4)转动；第一杆(11-4)通过第二杆(11-5)带动旋翼(11-6)转动，完成对飞行器的转向控制，从而具体地解决了多旋翼无人飞行器航时短、载重量低的问题。

Claims (2)

1.一种基于变桨距控制的单内燃机动力多旋翼无人飞行器，其特征在于，包括：变桨距控制部分和单动力传动部分；
其中，变桨距控制部分主要用来改变螺旋桨桨距，它包括螺旋桨和变桨距结构；螺旋桨安装在变桨距结构旋翼头顶端；变桨距结构包括多个舵机、连接杆和旋翼头；每个舵机通过位于其上的转盘以及一根连接杆分别与和每个舵机对应的变桨距结构连接件连接，舵机安装在碳纤维管上；通过控制舵机来控制变桨距机构，进而控制螺旋桨的桨距；
单动力传动部分主要用来实现以内燃机为动力源驱动四个螺旋桨；它包括内燃机、多个碳纤维管、多个同步带、多个同步带轮、和多个主传动轴；使用三根碳纤维管来构造飞行器的机架，机架采用H型布局；主传动轴安装在碳纤维管内，主传动轴的一端安装三个同步带轮，包括一个大尺寸同步带轮以及两个相同尺寸的的小尺寸同步带轮；大尺寸同步带轮通过一个同步带与内燃机转轴相连，两个小尺寸同步带轮通过两个同步带分别与两个螺旋桨转轴相连；主传动轴的另外一端安装两个小尺寸同步带轮，两个小尺寸同步带轮通过同步带分别与另外两个螺旋桨转轴相连；为了抵消螺旋桨的反扭力矩，主传动轴的安装方向与螺旋桨转轴的方向垂直，相邻连接主传动轴和螺旋桨转轴的两个同步带反向安装，使相邻的两个螺旋桨反向转动；内燃机安装在机架的一根碳纤维管上，并与这根碳纤维管平行，便于调试飞行器调试重心；
所述的旋翼头(11)有四个，对称布置，3根碳纤维管第一碳纤维管(2-1)、第二碳纤维管(2-2)、第三碳纤维管(2-3)组成H型机架，主传动轴(10)装在第一碳纤维管(2-1)中，载物板(13)安装在第一碳纤维管(2-1)上，内燃机(4)安装在载物板(13)上，第二同步带轮(1-2)和第一同步带轮(1-1)分别安装在主传动轴(10)和内燃机(4)的动力输出轴上，第一同步带轮(1-1)和第二同步带轮(1-2)之间通过第一同步带(6-1)连接，4个舵机(3)对称安装在第二碳纤维管(2-2)、第三碳纤维管(2-3)上，十字连接件(12)用于连接第二碳纤维管(2-2)、第三碳纤维管(2-3)与主传动轴(10)，第一起落架(7-1)、第二起落架(7-2)放于机架最低端；
所述的舵机(3)驱动连接杆(9)的一端，连接杆(9)的另一端驱动旋翼头上的连接件(11-1)左右运动，连接件(11-1)驱动套筒(11-2)上下运动，与套筒(11-2)相连的摇杆(11-3)随套筒(11-2)上下运动的同时带动第一杆(11-4)上下运动，第一杆(11-4)带动第二杆(11-5)转动，第二杆(11-5)带动旋翼(11-6)正时针或逆时针转动；以这种方式通过舵机(3)来控制旋翼(11-6)的迎角,在转速恒定的情况下控制飞行器的姿态；所述的内燃机(4)安装在载物板(13)上，内燃机(4)把动力通过自己的动力输出轴传给第二同步带轮(1-2)，第二同步带轮(1-2)通过第一同步带(6-1)把动力传给第一同步带轮(1-1)；第一同步带轮(1-1)与主传动轴(10)相连，带动主传动轴(10)转动；4个小同步带轮第三同步带轮(1-3)、第四同步带轮(1-4)、第五同步带轮(1-5)、第六同步带轮(1-6)分别与图2中的4个同步带第二同步带(6-2)、第三同步带(6-3)第四同步带(6-4)、第五同步带(6-5)连接并安装在主传动轴(10)上；4个同步带(6-1)的另一端分别连接在旋翼头(11)下面的4个同步带轮第七同步带轮(1-7)、第八同步带轮(1-8)、第九同步带轮(1-9)、第十同步带轮(1-10)上，这样即实现了内燃机(4)单动力输出驱动4个螺旋桨旋转的目的。
2.如权利要求1所述的一种基于变桨距控制的单内燃机动力多旋翼无人飞行器的控制方法，其特征在于，具体步骤为：
1)启动发动机驱动第一同步带轮(1-1)，第一同步带轮(1-1)通过第一同步带(6-1)带动与主传动轴相连的第二同步带轮(1-2)，第二同步带轮(1-2)带动主传动轴(10)转动，主传动轴(10)带动四个同步带轮第三同步带轮(1-3)、第四同步带轮(1-4)、第五同步带轮(1-5)、第六同步带轮(1-6)转动，其中四个同步带轮第三同步带轮(1-3)、第四同步带轮(1-4)、第五同步带轮(1-5)、第六同步带轮(1-6)分别通过跟自己相连的第二同步带(6-2)、第三同步带(6-3)第四同步带(6-4)、第五同步带(6-5)带动第七同步带轮(1-7)、第八同步带轮(1-8)、第九同步带轮(1-9)、第十同步带轮(1-10)转动，从而驱动各变桨距结构中的旋翼头(11)转动，以保证飞行器顺利起飞；
2)启动舵机(3)，通过舵机连接杆(9)带动连接件(11-1)转动；连接件(11-1)带动套筒(11-2)沿旋转轴上下运动，套筒(11-2)通过连接件(11-3)带动第一杆(11-4)转动；第一杆(11-4)通过第二杆(11-5)带动旋翼(11-6)转动，从而完成对飞行器的转向控制。
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