CN106143899B - 变距旋翼及包括该变距旋翼的多旋翼飞行器及其飞行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变距旋翼，其包括：转动轴、轮毂和安装于所述轮毂上的多片桨叶；第一驱动机构，其用于提供使桨叶变距的驱动力；第一传动机构，其与所述第一驱动机构连接，以及通过一连接器与所述多片桨叶分别转动连接，并通过带动所述连接器往复滑动而带动所述多片桨叶变距。本发明还提供了包括前述变距旋翼的多旋翼飞行器及其飞行方法，其多个旋翼的转速相同，通过改变旋翼的桨叶桨距角来改变飞行时的气动力。通过本发明能够快速改变桨叶桨距角，而且能够高效快速地改变飞行时的气动力，从而快速调整飞行姿态。

Description

变距旋翼及包括该变距旋翼的多旋翼飞行器及其飞行方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行领域，尤指一种变距旋翼，以及包括该变距旋翼的多旋翼飞行器，以及多旋翼飞行器的飞行方法。

背景技术

常见飞行器通常被分为固定翼、直升机和多旋翼，其中多旋翼又以其优良的操控性能成为微小型无人机或航模的主流。

在多旋翼飞行器中，四旋翼机最为流行。其旋转的桨叶是实现运动和机动的主要力的来源，桨叶的气动性能对于四旋翼机的整体性能影响极大。目前主流的桨叶主要为一体式的两片或三片桨叶，每片桨叶沿展向的截面翼型，长度，扭角按照一定的规律变化，桨叶因而获得较高的气动性能或者效率。对于特定的机型及任务或者功能，四旋翼机需要匹配对应的桨叶。桨叶转速的变化引起气动力的变化，从而改变飞行姿态。

本领域技术人员致力于解决如何快速高效改变桨叶气动力从而达到较好飞行机动性的问题。目前四旋翼机改变气动力主要依靠电机改变单个桨叶的转速，四个桨叶的气动力产生相应变化形成飞行姿态的改变。但是这种方案中，通过改变转速来改变气动力的效果不佳，尤其是高转速时改变气动力需要转速改变的幅度很大，不仅对电机是一种损耗，同时改变气动力的效果也会降低。而且由于电机存在惯量，响应也会延迟，进一步导致不能高效快速地改变桨叶气动力。进一步地，配置多电机的结构在成本上也是一种负担。

发明内容

本发明的目的是提供一种变距旋翼，其能够快速改变桨叶桨距角，从而改变桨叶气动力。

本发明的另一个目的是提供一种包括前述变距旋翼的多旋翼飞行器，其能够高效快速地改变飞行时的气动力，从而快速调整飞行姿态。

本发明的再一个目的是提供一种多旋翼飞行器的飞行方法，其也能实现高效快速地改变飞行气动力。

本发明提供的技术方案如下：

一种变距旋翼，其包括：转动轴、轮毂和安装于所述轮毂上的多片桨叶；

所述变距旋翼还包括：

第一驱动机构，其用于提供使桨叶变距的驱动力；

第一传动机构，其与所述第一驱动机构连接，以及通过一连接器与所述多片桨叶分别转动连接，并通过带动所述连接器往复滑动而带动所述多片桨叶变距。

进一步地，所述连接器套设于所述转动轴上；

所述第一传动机构带动所述连接器沿所述转动轴的轴向方向进行往复滑动。

进一步地，所述第一驱动机构进一步包括一舵机。

进一步地，所述第一传动机构进一步包括:摇臂和拉杆结构；

其中，所述摇臂与所述第一驱动机构连接，所述拉杆结构的一端与所述摇臂连接，所述拉杆结构的另一端与所述连接器连接；

所述第一驱动机构通过所述摇臂带动所述拉杆结构运动，并进一步通过所述拉杆结构拉动所述连接器往复滑动，以使与所述连接器转动连接的桨叶变距。

本发明还提供了一种多旋翼飞行器，其包括如前述的变距旋翼，并进一步包括：

第二驱动机构，其用于同时为多个所述变距旋翼的转动提供驱动力；

第二传动机构，其与所述第二驱动机构连接，并同时与多个所述变距旋翼的转动轴连接，以带动多个变距旋翼以相同的转速转动。

进一步地，所述第二驱动机构为一电机。

进一步地，所述第二传动机构进一步包括齿轮组和皮带组；

所述齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮，其中所述主动齿轮与所述第二驱动机构连接并被其驱动转动，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合并被带动进行转动；

所述皮带组套于所述齿轮组上以被所述齿轮组带动进行转动，同时所述皮带组分别套设于多个所述变距旋翼的转动轴上，以带动多个所述变距旋翼以相同速度进行转动。

进一步地，当所述变距旋翼的数目为偶数个时，位置相对的所述变距旋翼的转动方向相反。

本发明还提供了一种多旋翼飞行器的飞行方法，其包括：

多个旋翼的转速相同，通过改变旋翼的桨叶桨距角来改变飞行时的气动力。

进一步地，多个旋翼被同一驱动机构驱动转动；

多个旋翼的桨叶桨距角相互独立控制改变。

通过本发明提供的变距旋翼及包括该变距旋翼的多旋翼飞行器及其飞行方法，能够带来以下至少一种有益效果：

1、本发明的变距旋翼通过连接器与桨叶转动连接，并通过连接器的往复滑动而带动桨叶转向变距。这种方式简单，较易实现，且可靠性高，易于维护。同时，连接器的滑动相较于其他形式的带动方式来说，例如直接的转动驱动，滑动方式的结构所占的空间小，且范围大，从而对桨叶桨距角的调节范围也相应增大，调节效果更佳。

2、本发明的多旋翼飞行器及其飞行方法，保持多旋翼的转速相同，通过改变旋翼的桨叶桨距角来改变气动力，这种方式相对于现有技术中通过改变转速来改变气动力的方式来说，由于桨距角直接对应气动力，因而改变桨距角的操作更加直接，改变气动力也更为快速。当旋翼保持高转速转动时，改变桨距角相对于改变转速的操作也变得更为容易，通过独立的驱动机构带动传动机构拉动桨叶调整姿态来改变桨距角即可，此处的驱动机构也只需要变动很小的量驱动传动机构作动，这种动量相对于现有技术中电机改变转速的动量来说极小。从而，本发明对于电机的使用也能降低损耗。

3、本发明的多旋翼飞行器可选用电机作为旋翼转动的驱动力，舵机作为改变桨叶桨距角的动力。由于电机转速的改变由电调驱动，因而现有技术改变旋翼转速的方式会由于电机本身惯量的存在而产生响应的延迟。但本发明的电机不用改变转速，且舵机不存在惯量，使用舵机可以直接作用于桨叶，更为快速一点。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种变距旋翼及包括该变距旋翼的多旋翼飞行器及其飞行方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明变距旋翼的一种实施例的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的侧视图；

图5是图1所示的变距旋翼在改变桨距角为正迎角下的状态图；

图6是图1所示的变距旋翼在零迎角下的状态图；

图7是图1所示的变距旋翼在改变桨距角为负迎角下的状态图；

图8是本发明多旋翼飞行器在旋翼部分的一种实施例的结构示意图；

图9是图8中心处齿轮组和皮带组的放大结构示意图。

附图标号说明：

1、转动轴；2、轮毂；3、桨叶；4、接头；5、连接器；501、转动连接部；6、转动套筒；7、滑动套筒；8、舵机；9、组合摇臂；901、第一支臂；902、第二支臂；10、框形拉杆；11、限位件；12、固定板；13、旋翼机臂；14、电机；15、齿轮组；1501、第一齿轮；1502、第二齿轮；1503、第三齿轮；16、皮带组；1601、第一皮带；1602、第二皮带；1603、第三皮带。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

在本发明变距旋翼的实施例一中，参照图1-4所示，该变距旋翼包括转动轴1，以及安装在转动轴1上的轮毂2，以及安装于轮毂2上的一对桨叶3。在旋翼机臂13处，安装有舵机8，舵机8上连接有一组合摇臂9，并通过组合摇臂9将动力传出。组合摇臂通过一组拉杆结构与连接器5连接，同时，连接器5与固定于桨叶3上的接头4转动连接，舵机驱动组合摇臂摆动，组合摇臂再通过拉杆结构带动连接器沿转动轴的轴向方向往复滑动，由于连接器与接头是转动连接，当连接器做滑动时，会拉动接头转动，并带动桨叶转向，实现桨距角的改变。

具体地，组合摇臂9包括图4所示的第一支臂901和第二支臂902，其中，第一支臂901与舵机8转动连接，第二支臂902与一组拉杆结构连接，如图中所示，该组拉杆结构包括一框形拉杆10，框形拉杆的一侧与第二支臂902转动连接，另一侧与限位件11转动连接，同时，限位件11的位置不变，并通过固定板12进行固定。转动轴上设有转动套筒6和滑动套筒7，转动套筒6与连接器5连接，滑动套筒7与转动套筒6连接，滑动套筒7与框形拉杆10的同第二支臂902连接的一侧连接。舵机8驱动第一支臂901和第二支臂902做类平行四边形的运动，并在运动过程中带动框形拉杆10的一侧(图4中的左侧)摆动，框形拉杆10带动滑动套筒7沿转动轴1进行往复滑动，当滑动套筒7滑动时，同时拉动转动套筒6和连接器5也沿转动轴的轴线方向进行往复滑动，连接器5通过接头4带动桨叶3转向，实现桨距角的改变。框形拉杆10、限位件11和固定板12能够限制第二支臂902的活动范围，避免其活动范围过大，导致桨距角的改变超出范围。

对比图5、图6和图7，其中，图5为变距旋翼在改变桨距角为正迎角下的状态图，图6为变距旋翼在零迎角下的状态图，图7为变距旋翼在改变桨距角为负迎角下的状态图。在三幅图中，组合摇臂9的运动状态均不同，相应地，连接器相对于转动轴的位置高低也有所调整，接头4的位置分别有不同的转向，桨叶3的转向也不同。

在本实施例中，变距旋翼在转动时，一起转动的结构有：转动轴、转动套筒、连接器、轮毂、接头和桨叶。

在其他实施例中，桨叶的数目还可以是三片或更多片。当桨叶的数目改变时，连接器的结构也相应调整，如图1和图4所示，连接器5的转动连接部501的数目与桨叶的数目相匹配。

在其他实施例中，用于连接连接器与桨叶的接头4的结构可以省去或者采用其他形式的结构代替。

图1所示的连接器套设于转动轴上的结构是本发明的优选方案，能够使结构更为稳定。在其他实施例中，连接器的设置位置可以相应调整，其滑动方向也不一定是要沿转动轴的轴向方向，只要能够通过连接器的转动带动桨叶改变桨距角即可。例如可以在位置和方向上作出偏移调整。

在其他实施例中，舵机也可以用其他驱动机构取代(第一驱动机构)。同时，前述的组合摇臂以及框形拉杆、限位件、固定板、滑动套筒、转动套筒组成的一组拉杆结构(第一传动机构)也是本发明的优选方案，在其他实施例中，还可以通过其他方案实现，只要通过拉杆结构带动连接器做往复滑动，进而带动桨叶改变桨距角即可。

本发明还提供了多旋翼飞行器的多个实施例，其中，多旋翼飞行器包括前述实施例的变距旋翼。

在多旋翼飞行器的实施例一中，参见图8和图9，多旋翼飞行器设置有四个变距旋翼，为四旋翼机。在四旋翼的中心位置，还设置一电机14，电机14作为唯一动力，通过齿轮组15和皮带组16同时驱动四旋翼以相同的转速进行转动。具体地，齿轮组中的第一齿轮1501为主动齿轮，其与电机14连接，第一齿轮1501同时与作为从动齿轮的第二齿轮1502和第三齿轮1503啮合，其中，第二齿轮1502和第三齿轮1503的位置相对，转动方向相反。皮带组16中的第一皮带1601直接套设于电机14的转轴上，同时，该第一皮带与处于对角线位置的一对旋翼的转动轴1同时连接，电机14在转动时，通过第一皮带1601直接驱动与第一皮带连接的一对旋翼转动；第二皮带1602与第二齿轮1502连接，同时第二皮带1602套设于与第二齿轮同侧旋翼的转动轴上，当第二齿轮1502转动时，通过第二皮带1602带动同侧的旋翼转动；第三皮带1603与第三齿轮1503连接，同时第三皮带1603套设于与第三齿轮同侧旋翼的转动轴上，当第三齿轮1503转动时，通过第三皮带1603带动同侧的旋翼转动。由于电机14是四旋翼的同一驱动力，因而当通过齿轮组15和皮带组16将动力输出到四旋翼的转动轴时，四旋翼将会以相同的转速转动。

当本实施例中的四旋翼以相同的转速转动时，通过改变各旋翼的桨叶桨距角来改变飞行时的气动力，以调整飞行姿态。本实施例的四旋翼机应用前述实施例中的变距旋翼来实现桨叶桨距角的改变。

在本发明多旋翼飞行器的其他实施例中，多旋翼飞行器可以为四旋翼机，也可以为其他数目旋翼的飞行器，例如六旋翼机等。(1)当为四旋翼机时，同时，作为驱动力(第二驱动机构)的电机可以采用其他动力结构实现；作为传动力(第二传动机构)的齿轮组和皮带组也可以通过其他结构实现，例如可以保留图8中的主动齿轮，从动齿轮调整为四个，与四旋翼一一对应，且四个从动齿轮同时与主动齿轮啮合。每个从动齿轮均通过一根皮带与对应的旋翼的转动轴连接，驱动旋翼转动。(2)当为其他数目旋翼的飞行器时，例如六旋翼机，作为驱动力(第二驱动机构)的电机可以也采用其他动力结构实现；作为传动力(第二传动机构)的齿轮组和皮带组也可以通过其他结构实现，例如为更复杂的传动结构，其中，与电机相连的主动齿轮设为一个或两个或更多个，从动齿轮的数目与旋翼数目相同，且多个从动齿轮与一个或多个主动齿轮啮合后，多个从动齿轮同时与多个旋翼一一对应，每个从动齿轮带动一个旋翼转动。例如与电机相连的主动齿轮设为一个或两个或更多个，从动齿轮的数目与旋翼数目相同，且多个从动齿轮与一个或多个主动齿轮啮合后，多个从动齿轮同时与多个旋翼一一对应，每个从动齿轮带动一个旋翼转动。

在本发明多旋翼飞行器的其他实施例中，当变距旋翼的数目为偶数个，例如图8所示的四个，或六个时，位置相对的变距旋翼的转动方向相反，以保持飞行时的平衡。

本发明还提供了一种多旋翼飞行器的飞行方法，其可应用于前述实施例中的多旋翼飞行器，也可以应用于除此之外的其他结构的多旋翼飞行器中。

在飞行方法的实施例一中，多个旋翼的转速相同，通过改变旋翼的桨叶桨距角来改变飞行时的气动力。这样的飞行方法相较于改变转速来调整气动力的方法来说，效果更佳。

在飞行方法的实施例二中，多个旋翼被同一驱动机构驱动转动；多个旋翼的桨叶桨距角相互独立控制改变。如图8所示的四旋翼机中，四旋翼被同一电机驱动转动，其转速相同；在四旋翼改变桨叶桨距角时，各旋翼采用如图1所示的变距旋翼，各旋翼在改变桨叶桨距角时，独立改变，互不影响。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种变距旋翼，其包括：转动轴、轮毂和安装于所述轮毂上的多片桨叶；

其特征在于，所述变距旋翼还包括：

第一驱动机构，其用于提供使桨叶变距的驱动力；

第一传动机构，其与所述第一驱动机构连接，以及通过一连接器与所述多片桨叶分别转动连接，并通过带动所述连接器往复滑动而带动所述多片桨叶变距；

所述连接器套设于所述转动轴上；

所述第一传动机构带动所述连接器沿所述转动轴的轴向方向进行往复滑动；

所述第一驱动机构进一步包括一舵机；

所述第一传动机构进一步包括:摇臂和拉杆结构；

其中，所述摇臂与所述第一驱动机构连接，所述拉杆结构的一端与所述摇臂连接，所述拉杆结构的另一端与所述连接器连接；

所述第一驱动机构通过所述摇臂带动所述拉杆结构运动，并进一步通过所述拉杆结构拉动所述连接器往复滑动，以使与所述连接器转动连接的桨叶变距；

所述摇臂为组合摇臂，组合摇臂包括第一支臂和第二支臂，其中，第一支臂与舵机转动连接，第二支臂与所述拉杆结构连接，所述拉杆结构包括一框形拉杆，所述框形拉杆的一侧与所述第二支臂转动连接，另一侧与一限位件转动连接，所述限位件的位置不变，并通过一固定板进行固定；

所述转动轴上设有转动套筒和滑动套筒，所述转动套筒与所述连接器连接，所述滑动套筒与所述转动套筒连接，所述滑动套筒与所述框形拉杆的同所述第二支臂连接的一侧连接。

2.一种多旋翼飞行器，其特征在于，包括多个如权利要求1所述的变距旋翼，并进一步包括：

第二驱动机构，其用于同时为多个所述变距旋翼的转动提供驱动力；

第二传动机构，其与所述第二驱动机构连接，并同时与多个所述变距旋翼的转动轴连接，以带动多个变距旋翼以相同的转速转动。

3.根据权利要求2所述的多旋翼飞行器，其特征在于：

所述第二驱动机构为一电机。

4.根据权利要求2所述的多旋翼飞行器，其特征在于：

所述第二传动机构进一步包括齿轮组和皮带组；

所述齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮，其中所述主动齿轮与所述第二驱动机构连接并被其驱动转动，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合并被带动进行转动；

所述皮带组套于所述齿轮组上以被所述齿轮组带动进行转动，同时所述皮带组分别套设于多个所述变距旋翼的转动轴上，以带动多个所述变距旋翼以相同速度进行转动。

5.根据权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于：

当所述变距旋翼的数目为偶数个时，位置相对的所述变距旋翼的转动方向相反。

6.一种如权利要求2-5任一项所述的多旋翼飞行器的飞行方法，其特征在于，包括：

多个旋翼的转速相同，通过改变旋翼的桨叶桨距角来改变飞行时的气动力。

7.根据权利要求6所述的飞行方法，其特征在于：

多个旋翼被同一第二驱动机构驱动转动；

多个旋翼的桨叶桨距角相互独立控制改变。