CN106240843B - 基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置及方法，包括立柱，立柱内轴承机构，立柱内传动机构，立柱外轴承机构，升降套筒，连杆机构和电机安装杆，立柱内轴承机构包括设在上端部的上端法兰盘、导向键以及设在下端部的升降调节螺母、下端法兰盘和内轴承，立柱内传动机构包括梯形丝杆和梯形螺母轴，所述梯形螺母轴上端部穿过上端法兰盘、导向键并连接有升降套筒的顶部，立柱外轴承机构包括滑动套接在立柱外侧的多个轴承。本发明能够有效解决多旋翼无人机结构设计中的零部件参数匹配实验测试技术手段不足的问题，从无人机机架直径大小、螺旋桨桨叶尺寸、螺旋桨旋翼个数与排列方式、无人机与云台或负载连接的抗振性能等方面均能提供灵活、可变、有效的测试手段。

Description

基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在多旋翼无人机装置，该装置可在无人机设计阶段用于无人机的机架结构设计与性能测试。

背景技术

多旋翼无人机是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机，其通过每个轴上的电动机带动旋翼转动，从而产生升推力。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。与固定翼无人机相比，多旋翼无人机具有以下技术优势：

（1）可操控性强。多旋翼无人机不需要跑道便可以垂直起降，起飞后可在空中悬停，操控原理简单，可控制飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。

（2）可靠性高。在机械结构组成上，多旋翼无人机没有活动部件，其可靠性基本上取决于无刷电机，因此可靠性较高。同时，多旋翼无人机能够悬停，飞行范围受控，相对固定翼无人机更安全。

（3）可维护性强。多旋翼无人机结构简单，电机、电子调速器、电池、螺旋桨和机架等均为模块化设计，易于维修和零部件更换。

但多旋翼无人机也存在以下不足以及发展的瓶颈问题：

（1）机架结构刚性的优化设计问题。一是机架自重不能过大，否则影响无人机载荷与飞行效能，但自重又不能过轻，否则影响无人机的结构强度；二是机架的刚性要适度，避免在螺旋桨额定转速情况下或在调速过程中因机架刚性问题产生共振，影响飞行安全。

（2）机架直径与螺旋桨桨叶尺寸之间的匹配优化设计问题。机架直径大小决定了无人机在同一圆周平面上所能安装的螺旋桨的个数，当螺旋桨个数确定后，螺旋桨桨叶尺寸越大，就需要更大直径的机架予以支承，从而避免相邻桨叶间产生运动干涉，但机架直径过大又会导致自重偏大，且因迎风面积增大也会导致抗风能力变弱。因此，需要通过计算以及实验测试手段来确定机架直径与螺旋桨桨叶尺寸之间合理的匹配关系。

（3）螺旋桨桨叶尺寸与桨叶转速之间的匹配优化设计问题。多旋翼无人机的螺旋桨桨距一般是不能在运行中随意调节的，因此，多旋翼无人机改变螺旋桨升力的主要方法是设计一定大小的螺旋桨桨叶尺寸，并在运行中改变其转速。然而，一方面，桨叶尺寸越大，越难迅速改变其转速；另一方面，速度频繁变化所引起的螺旋桨上下振动易导致大尺寸的桨叶折断。这就要求桨叶尺寸与转速之间也要有良好的匹配关系，即：桨叶尺寸与螺旋桨驱动电机之间的匹配问题。

以上三方面的不足与问题主要存在于多旋翼无人机最初的结构设计阶段，即：主要涉及如何优化设计并合理选择多旋翼无人机的机架（直径）尺寸、螺旋桨桨叶尺寸、螺旋桨驱动电机的转速匹配这三个方面的参数。由于缺少灵活机动的测试平台，以往的多旋翼无人机结构设计大多采用估算的方法，通常只考虑升力大小与无人机载荷之间的匹配问题，往往忽略了上述三方面的优化匹配问题，从而导致多旋翼无人机大多存在飞行速度调节不灵活、飞行中振动较大（对于用做空中拍摄的无人机，则会因振动太大造成拍摄画面抖动模糊的问题）、抗风能力差、用途变换适应性（换装不同负载的工作适应性）差等缺陷。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有多旋翼无人机结构设计方法与手段不足的缺点，通过设计一种机架直径可调节变化的多旋翼无人机结构测试装置，提供了一种多旋翼无人机结构设计实验测试平台，能够有效解决多旋翼无人机结构设计中的零部件参数匹配实验测试技术手段不足的问题，从无人机机架直径大小、螺旋桨桨叶尺寸、螺旋桨旋翼个数与排列方式、无人机与云台或负载连接的抗振性能等方面均能提供灵活、可变、有效的测试手段。

技术方案：本发明所述的一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置，包括立柱，立柱内轴承机构，立柱内传动机构，立柱外轴承机构，升降套筒，连杆机构和电机安装杆，所述立柱内轴承机构和立柱内传动机构均设置在所述立柱内，所述立柱外轴承机构设在立柱外侧，所述电机安装杆通过连杆机构与所述立柱连接；所述立柱内轴承机构包括设在上端部的上端法兰盘、导向键以及设在下端部的升降调节螺母、下端法兰盘和内轴承，所述立柱内传动机构包括相互套接的梯形丝杆和梯形螺母轴，所述梯形丝杆与升降调节螺母连接，所述梯形螺母轴上端部穿过上端法兰盘、导向键并连接有升降套筒的顶部，所述立柱外轴承机构包括滑动套接在所述立柱外侧的第一轴承、第二轴承以及第三轴承，所述第一轴承与升降套筒的下端部连接，所述第一轴承、第二轴承以及第三轴承分别通过铰链座和连杆机构与电机安装杆活动连接，所述电机安装杆上还设有螺旋桨电机，所述螺旋桨电机还连接有螺旋桨。

进一步的，所述电机安装杆的数量为3-6个，且所述电机安装杆的一端或两端设有螺旋桨。

进一步的，所述立柱底部还设有机身底板，机身底板上还设有电池与控制盒。

进一步的，所述升降套筒设在立柱的外侧，且沿立柱作上下直线运动。

进一步的，每根所述电机安装杆均通过连杆机构与立柱活动连接。

进一步的，所述连杆机构包括连杆和斜撑，电机安装杆的上部通过一连杆与第二轴承连接，电机安装杆的下部通过一连杆与第三轴承连接，电机安装杆的下部同时通过一斜撑与第一轴承连接。

进一步的，通过旋转升降调节螺母从而调整整个机架的直径大小。

本发明还公开了上述一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置的直径调节方法，包括如下步骤：

（1）手动旋转升降调节螺母进行逆时针或顺时针转动，从而使得梯形丝杆作逆时针转动或顺时针转动；

（2）通过下端法兰盘、轴承、上端法兰盘、导向键的共同作用，梯形螺母轴作直线上升或下降运动；

（3）梯形螺母轴带动升降套筒沿立柱上升或下降；

（4）升降套筒的升降带动外轴承机构的升降，从而带动与外轴承机构铰链连接的电机安装杆的升降，从而达到机架直径调节的目的。

有益效果：本发明的有益效果如下：

1、该结构测试装置可通过人工手动螺母旋转调节成多种机架直径状态，从而可以灵活改变各旋翼螺旋桨之间的距离，方便进行各种距离参数的飞行性能实验测试。

2、该结构测试装置可根据测试要求在电机安装杆上换装不同桨叶尺寸的旋翼螺旋桨进行飞机性能实验测试。

3、该结构测试装置可单层、也可上下双层安装旋翼；可全部、也可对称地部分在电机安装杆上安装旋翼。从而可按单层3旋翼、单层4旋翼、单层6旋翼、双层6旋翼、双层8旋翼、双层12旋翼等6种不同的旋翼个数与结构组合模式进行飞行性能实验测试。

4、该结构测试装置的连杆与立柱之间采用轴承连接这一“柔性”方式进行连接，在有效减少飞行中机架振动对无人机所连接的云台或负载影响程度的同时，还能提高机架的抗风能力，有效化解飞行中突发的阵风或侧风对无人机的飞行安全影响。

本发明克服了现有多旋翼无人机结构设计方法与手段不足的缺点，通过设计一种机架直径可调节变化的多旋翼无人机结构测试装置，提供了一种多旋翼无人机结构设计实验测试平台，能够有效解决多旋翼无人机结构设计中的零部件参数匹配实验测试技术手段不足的问题，从无人机机架直径大小、螺旋桨桨叶尺寸、螺旋桨旋翼个数与排列方式、无人机与云台或负载连接的抗振性能等方面均能提供灵活、可变、有效的测试手段。

附图说明

图1为本发明最大机架直径状态下的多旋翼无人机结构测试装置主视图；

图2为图1底部结构局部放大示意图；

图3为图1中部结构局部放大示意图；

图4为图1顶部结构局部放大示意图；

图5为图1的俯视图；

图6为本发明最小机架直径状态下的多旋翼无人机结构测试装置主视图；

图7为图6的俯视图。

具体实施方式

如图1到图5所示的一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置，包括立柱10，立柱内轴承机构，立柱内传动机构，立柱外轴承机构，升降套筒13，连杆机构和电机安装杆20，所述立柱内轴承机构和立柱内传动机构均设置在所述立柱10内，所述立柱外轴承机构设在立柱10外侧，所述电机安装杆20通过连杆机构与所述立柱10连接。

所述立柱内轴承机构包括设在上端部的上端法兰盘14、导向键15以及设在下端部的升降调节螺母5、下端法兰盘6和内轴承7，所述立柱内传动机构包括相互套接的梯形丝杆8和梯形螺母轴9，所述梯形丝杆8与升降调节螺母5连接，所述梯形螺母轴9上端部穿过上端法兰盘14、导向键15并连接有升降套筒13的顶部，所述立柱外轴承机构包括滑动套接在所述立柱外侧的第一轴承16、第二轴承22以及第三轴承21，所述第一轴承16通过轴承座轴套12与升降套筒13的下端部连接，所述第一轴承16、第二轴承22以及第三轴承21分别通过铰链座17和连杆机构与电机安装杆20活动连接，所述电机安装杆20上还设有螺旋桨电机1，所述螺旋桨电机还1连接有螺旋桨2。其中，第一轴承16、第二轴承22以及第三轴承21外侧还分别设有轴承座11。

具体的，电机安装杆20与立柱10的连接结构如下：

其中的连杆机构包括连杆18和斜撑19，电机安装杆20的上部通过一连杆与中间位置的第二轴承22连接，电机安装杆20的下部通过一连杆与最底部的第三轴承21连接，电机安装杆20的下部同时通过一斜撑与最上部的第一轴承16连接。

本实施例中的电机安装杆20采用双层6旋翼的结构，除了本实施例中的结构外，本发明的电机安装杆的数量可以选择3-6个中的任意一种，且所述电机安装杆的一端或两端设有螺旋桨，即即可以设置单层旋翼也可以设置双层旋翼。

机身底板3上安装有无人机电池与控制盒4，用于对各无人机螺旋桨电机供电，同时根据飞行控制指令控制各螺旋桨电机的转速。由于每个电机安装杆20所对应连接的上下两个连杆18、斜撑19都是与立柱20间通过轴承连接这一“柔性”方式连接，因此可以通过轴承将飞行过程中螺旋桨电机1、螺旋桨2、连杆18与斜撑19所产生的振动与立柱20及其所连接的云台或负载之间进行部分隔离，在有效减少飞行中机架振动对无人机所连接的云台或负载影响程度的同时，还能提高机架的抗风能力，有效化解飞行中突发的阵风或侧风对无人机的飞行安全影响。

如图6和图7所示为最小机架直径状态下的多旋翼无人机结构测试装置主视图，经由图1到图5最大直径状态下调节到图6和图7最小直径状态具体的流程如下：

通过手动逆时针旋转升降调节螺母5，使梯形丝杆8作逆时针转动，通过立柱下端法兰盘6、轴承7、立柱上端法兰盘14、导向键15的共同作用，梯形螺母轴9作直线上升运动，从而带动升降套筒13沿立柱10上升。升降套筒13的升降带动外轴承机构的升降，从而带动与外轴承机构铰链连接的电机安装杆的升降，从而达到机架直径调节的目的。一个电机安装杆对应一组铰链座17、连杆18、斜撑19。升降套筒13上升时，电机安装杆20向上运动，机架直径便可进行收缩调节。

本发明的目的在于克服现有多旋翼无人机结构设计方法与手段不足的缺点，通过设计一种机架直径可调节变化的多旋翼无人机结构测试装置，提供了一种多旋翼无人机结构设计实验测试平台，能够有效解决多旋翼无人机结构设计中的零部件参数匹配实验测试技术手段不足的问题，从无人机机架直径大小、螺旋桨桨叶尺寸、螺旋桨旋翼个数与排列方式、无人机与云台或负载连接的抗振性能等方面均能提供灵活、可变、有效的测试手段。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置的直径调节方法，其特征在于：所述的基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置包括立柱，立柱内轴承机构，立柱内传动机构，立柱外轴承机构，升降套筒，连杆机构和电机安装杆，所述立柱内轴承机构和立柱内传动机构均设置在所述立柱内，所述立柱外轴承机构设在立柱外侧，所述电机安装杆通过连杆机构与所述立柱连接；所述立柱内轴承机构包括设在上端部的上端法兰盘、导向键以及设在下端部的升降调节螺母、下端法兰盘和内轴承，所述立柱内传动机构包括相互套接的梯形丝杆和梯形螺母轴，所述梯形丝杆与升降调节螺母连接，所述梯形螺母轴上端部穿过上端法兰盘、导向键并连接有升降套筒的顶部，所述立柱外轴承机构包括滑动套接在所述立柱外侧的第一轴承、第二轴承以及第三轴承，所述第一轴承与升降套筒的下端部连接，所述第一轴承、第二轴承以及第三轴承分别通过铰链座和连杆机构与电机安装杆活动连接，所述电机安装杆上还设有螺旋桨电机，所述螺旋桨电机还连接有螺旋桨；

直径调节方法包括如下步骤：

(1)手动旋转升降调节螺母进行逆时针或顺时针转动，从而使得梯形丝杆作逆时针转动或顺时针转动；

(2)通过下端法兰盘、轴承、上端法兰盘、导向键的共同作用，梯形螺母轴作直线上升或下降运动；

(3)梯形螺母轴带动升降套筒沿立柱上升或下降；

(4)升降套筒的升降带动外轴承机构的升降，从而带动与外轴承机构铰链连接的电机安装杆的升降，从而达到机架直径调节的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置的直径调节方法，其特征在于：所述电机安装杆的数量为3-6个，且所述电机安装杆的一端或两端设有螺旋桨。

3.根据权利要求1所述的一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置的直径调节方法，其特征在于：所述立柱底部还设有机身底板，机身底板上还设有电池与控制盒。

4.根据权利要求1所述的一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置的直径调节方法，其特征在于：所述升降套筒设在立柱的外侧，且沿立柱作上下直线运动。

5.根据权利要求2所述的一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置的直径调节方法，其特征在于：每根所述电机安装杆均通过连杆机构与立柱活动连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置的直径调节方法，其特征在于：所述连杆机构包括连杆和斜撑，电机安装杆的上部通过一连杆与第二轴承连接，电机安装杆的下部通过一连杆与第三轴承连接，电机安装杆的下部同时通过一斜撑与第一轴承连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于可变径机架的多旋翼无人机结构测试装置的直径调节方法，其特征在于：通过旋转升降调节螺母从而调整整个机架的直径大小。