CN106314772B - 非平面八臂三十二旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空学技术领域，涉及一种非平面八臂三十二旋翼飞行器，包括机体、连接在机体周围的八根支撑臂、设置在支撑臂端部的八对双转子、设置在支撑臂中部的八对双转子、折叠连接件、折叠卡扣和设置在机体中连接控制各双转子的电控系统。每对双转子的上旋翼和下旋翼旋转方向相反，其扭矩大小相等、方向相反，消除了陀螺力矩和反扭力矩的干扰。支撑臂端部和中部的双转子的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成一定的夹角，双转子的合力和合力矩在三个轴上的六个分量分别可控，实现了运动和姿态的解耦。八根支撑臂设计成可折叠结构，支撑臂外段可以折向支撑臂内段，折叠后的支撑臂可以向下再次折叠，减小了飞行器的体积。该飞行器在同等体积下具有更高的机动性、更大的载重能力和更长的飞行时间。

Description

非平面八臂三十二旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种非平面八臂三十二旋翼飞行器。

背景技术

能够垂直起降的飞行器由于对起飞和降落场地的要求较少，因此在军事和民用领域都有广阔的应用需求。够垂直起降的飞行器从升力产生方式不同可以分为固定翼和旋翼两种类型，具有垂直起降功能的固定翼飞行器因其功耗大、技术复杂、可靠性低等缺点主要在军事领域应用并逐步完善技术，由于民用领域对成本、保障条件、可靠性等要求使得具有垂直起降功能的固定翼飞行器短期内还无法应用。旋翼式垂直起降飞行器大致可分为直升机和多旋翼两大类。直升机大致包括单旋翼、双旋翼、倾转旋翼等结构形式，单旋翼直升机需要尾桨结构来抵消旋翼对机体产生的扭力，倾转旋翼机需要在垂直起飞和平飞状态进行旋翼的翼面的倾转，其不足之处在于设计上主桨直径相对于机体较大，结构复杂，灵活性与平稳性较差，且飞行器的升力与重量之比较低，如果设计成小型飞行器则负载能力很差，另外，由于复杂的气动特性导致该类型的飞行器控制难度大、自主性差、安全性不高，影响了其应用发展。除了直升机，另一类具有垂直起降能力的旋翼式飞行器是多旋翼飞行器，常见的是四旋翼飞行器、六旋翼飞行器和八旋翼飞行器。多旋翼飞行器相比直升机取消了复杂的变矩结构，依靠多个旋翼的转速变化实现了对飞行器的控制。相比无人直升机，多旋翼飞行器具有结构简单、操作灵活、稳定性高、自主容易实现等优点，已在消费级领域实现了成功应用。随着多旋翼飞行器在工业领域的应用推广，对其载重要求越来越大，如果仅靠简单增加旋翼直径和电机功率，那么导致的时延将影响多旋翼的控制灵敏性。同时，在现在的平面结构上增加电机和旋翼个数又使得其体积越来越大，运输和使用非常不便。另外，现在的平面多旋翼飞行器通过反扭力矩控制偏航导致控制力矩不足且响应慢，影响了飞行器的整体性能，特别是使用大电机配大直径旋翼会使响应时间变慢，严重时甚至会使控制器失稳。更重要是，现有的多旋翼飞行器在飞行过程中产生的陀螺力矩无法消除，只能作为系统自身的内扰由控制系统来克服，即浪费了能量又降低了控制品质和运动能力。

发明内容

为克服上述技术不足，本发明的目的是提供一种能克服运动时产生的陀螺力矩对飞行器造成的内扰、响应灵敏、体积紧凑、可靠性好且具有高带载能力的非平面八臂三十二旋翼飞行器。

本发明非平面八臂三十二旋翼飞行器，包括机体、连接在机体周围的八根支撑臂、设置在支撑臂端部的八对双转子、设置在支撑臂中部的八对双转子、折叠连接件、折叠卡扣和设置在机体中连接控制各双转子的电控系统。所述的八根支撑臂的几何中心线在同一平面上，称该平面为支撑臂主体平面。所述的每对双转子由上旋翼、下旋翼、驱动上旋翼的上电机、驱动下旋翼的下电机、连接上电机的上固定板、连接下电机的下固定板、连接上固定板和支撑臂的上管夹件、连接下固定板和支撑臂的下管夹组成。每对双转子的上电机和下电机的旋转轴的中心线在一条直线上，电机旋转轴中心线与连接这对双转子的支撑臂的几何中心线垂直。每对支撑臂端部的双转子的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成一相等的夹角，夹角大于0度小于90度。每对支撑臂中部的双转子的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成一相等的夹角，夹角大于或等于0度、小于90度。每根支撑臂端部和中部的两对双转子相对于该根支撑臂的倾转方向相同；相邻两根支撑臂端部的两对双转子相对于各自支撑臂 的倾转方向相反，相邻两根支撑臂中部的两对双转子相对于各自支撑臂的倾转方向也相反。每对双转子的上旋翼和下旋翼旋转方向相反；每根支撑臂端部和中部的两对双转子的上旋翼旋转方向相反，下旋翼旋转方向也相反；相邻两根支撑臂端部的两对双转子的上旋翼旋转方向相反，下旋翼旋转方向也相反，相邻两根支撑臂中部的两对双转子的上旋翼旋转方向相反，下旋翼旋转方向也相反。

对于支撑臂端部(或中部)的八对双转子，称一对双转子与间隔三对双转子的另一对双转子为一个对角线组，该两对双转子中心的连线为一根对角连线。每个对角线组中两对双转子的中心位于以其对角连线为直径、以机体中心为圆心的一个圆上，与该对角线组相邻的一个对角线组中两对双转子的中心也位于该圆上，与该对角线组相邻的另一个对角线组中两对双转子的中心可以位于该圆上也可以不位于该圆上。每根对角连线与相邻两根对角连线所成的夹角可以相等，也可以不等；对于双转子中心都位于同一个圆上的相邻两根对角连线，飞行器关于该相邻两根对角连线所成夹角的角平分线对称。

每对双转子的上、下两个旋翼分别由上、下电机驱动，控制每对双转子上、下两个旋翼的旋转速度，使其扭矩大小相等、方向相反，对机体的合扭矩为零。在飞行器飞行时，每对双转子正反旋转的两个旋翼消除了对机体的陀螺干扰效应。八对支撑臂端部的双转子的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成八个相等的夹角，八对支撑臂中部的双转子的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线也成八个相等的夹角，使十六对双转子对机体的合力和合力矩在三个轴方向的六个分量分别可控，实现了运动和姿态的完全解耦。另外，由于双转子的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成一定的夹角，使得飞行器的偏航控制力可由旋翼升力在支撑臂主体平面的分量来提供，解决了平面多旋翼飞行器需要用反扭力矩控制偏航存在的响应慢且控制力矩不足的缺点。由于该飞行器消除了飞行时的陀螺力矩和反扭力矩造成的干扰，且能够解耦姿态和平动间的耦合，因此，该飞行器具有高度的机动性，可以实现垂直起降、快速前飞、倒飞、悬停、飞行中任意方向改变。

为了减小该非平面八臂三十二旋翼飞行器的体积，八根支撑臂设计成可折叠结构，便于储存、运输和装卸。在每根支撑臂中部介于两对双转子之间有一个折叠连接件，将支撑臂分为支撑臂外段和支撑臂内段。支撑臂外段可以通过折叠连接件在支撑臂主体平面内折向支撑臂内段，同时支撑臂内段安装一个折叠卡扣固定住折叠后的支撑臂外段。在支撑臂内段的根部也有一个折叠连接件与机体相连，使折叠后的支撑臂可以垂直于支撑臂主体平面向下再次折叠，进一步减小飞行器的体积。

双转子的上下两组电机和旋翼组成的动力系统相比平面结构的多旋翼飞行器的一组平面电机和旋翼组成的动力系统体积利用率高、升力密度高，可折叠的支撑臂大大减小了飞行器的体积，因此该飞行器在同等体积下具有更大的载重能力和更长的飞行时间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的简要示意图；

图3是图1中所示双转子的结构示意图；

图4是图1中双转子位置的简要示意图；

图5是图1中折叠连接件的结构示意图；

图6是图5中两个连接件的结构示意图；

图7是图1中折叠卡扣的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2和图3，非平面八臂十六旋翼飞行器，包括机体1、连接在机体1周围的八根支撑臂2、设置在支撑臂2端部的八对双转子3、设置在支撑臂2中部的八对双转子3、折叠连接件4、折叠卡扣5和设置在机体1中连接控制各双转子3的电控系统6。所述的八根支撑臂2的几何中心线在同一平面上，称为支撑臂主体平面。每对双转子3的上旋翼301由上电机303驱动，下旋翼302由下电机304驱动，上电机303和下电机304的旋转轴中心线在一条直线上，上电机303和下电机304的旋转轴中心线与连接这对双转子3的支撑臂2的几何中心线垂直。每根支撑臂2端部的双转子3的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成相等夹角a，a大于0度小于90度。每根支撑臂2中部的双转子3的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成相等夹角b，b大于或等于0度、小于90度。每根支撑臂2端部和中部的两对双转子3相对于该根支撑臂2的倾转方向相同；相邻两根支撑臂2端部的两对双转子3相对于各自支撑臂2的倾转方向相反，相邻两根支撑臂2中部的两对双转子3相对于各自支撑臂2的倾转方向也相反。每对双转子3的上旋翼301和下旋翼302旋转方向相反；每根支撑臂2端部和中部的两对双转子3的上旋翼301旋转方向相反，下旋翼302旋转方向也相反；相邻两根支撑臂2端部的两对双转子3的上旋翼301旋转方向相反，下旋翼302旋转方向也相反，相邻两根支撑臂2中部的两对双转子3的上旋翼301旋转方向相反，下旋翼302旋转方向也相反。

参照图3，所述的双转子3由上旋翼301、下旋翼302、驱动上旋翼301的上电机303、驱动下旋翼302的下电机304、连接上电机303的上固定板305、连接下电机304的下固定板306、连接上固定板305和支撑臂2的上管夹件307以及连接下固定板306和支撑臂2的下管夹件308组成。上旋翼301和下旋翼302通过螺栓分别固定在上电机303和下电机304上，上电机303和下电机304通过螺栓分别固定在上固定板305和下固定板306上，上固定板305、下固定板306、上管夹件307和下管夹件308通过螺栓固定在支撑臂2上。通过上管夹件307、下管夹件308和支撑臂2来调节角度a和角度b。

参照图4，对于支撑臂2端部(或中部)的八对双转子3，称一对双转子3与间隔三对双转子3的另一对双转子3为一个对角线组7，该两对双转子3中心的连线为对角连线8。每个对角线组7中两对双转子3的中心位于以其对角连线8为直径、以机体中心9为圆心的一个圆上，与该对角线组7相邻的一个对角线组7中两对双转子3的中心也位于该圆上，与该对角线组7相邻的另一个对角线组7中两对双转子3的中心可以位于该圆上也可以不位于该圆上。每根对角连线8与相邻两根对角连线8所成的夹角可以相等，也可以不等；对于双转子3中心都位于同一个圆上的相邻两根对角连线8，飞行器关于该相邻两根对角连线8所成夹角c的角平分线10对称。

参照图5和图6，折叠连接件4由连接件401和连接件402组成。连接件401的一端有光孔4011和螺纹孔4012，另一端通过机械、胶结或二者组合方式与机体1或支撑臂2连接。连接件402的一端有光孔4021和光孔4022，另一端通过机械、胶结或二者组合方式与支撑臂2连接。光孔4011和光孔4021的直径相等，螺纹孔4012的公称直径和光孔4022的直径相等。连接件401的光孔4011和连接件402的光孔4021通过销轴连接在一起，连接件401和连接件402可以绕销轴旋转。连接件401的螺纹孔4012和连接件402的光孔4022通过螺栓连接在一起。

参照图7，折叠卡扣5由管夹件501、管夹件502和卡扣件503组成。管夹件501和管夹件502通过螺栓固定在支撑臂2内段上，管夹件502和卡扣件503通过螺栓连接在一起。卡扣件503的圆弧凹部的直径与支撑臂2外段的直径相等，卡扣件503通过圆弧凹部固定住折叠后的支撑臂2外段。

Claims (3)

1.非平面八臂三十二旋翼飞行器，其特征在于：该飞行器包括机体、连接在机体周围的八根支撑臂、设置在支撑臂端部的八对双转子、设置在支撑臂中部的八对双转子、折叠连接件、折叠卡扣和设置在机体中连接控制各双转子的电控系统；八根支撑臂的几何中心线在支撑臂主体平面上；每对双转子由上旋翼、下旋翼、驱动上旋翼的上电机、驱动下旋翼的下电机、连接上电机的上固定板、连接下电机的下固定板、连接上固定板和支撑臂的上管夹件、连接下固定板和支撑臂的下管夹组成；每对双转子的上电机和下电机的旋转轴的中心线在一条直线上，电机旋转轴中心线与连接这对双转子的支撑臂的几何中心线垂直；每对支撑臂端部的双转子的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成一相等的夹角，夹角大于0度小于90度；每对支撑臂中部的双转子的电机旋转轴中心线与支撑臂主体平面的法线成一相等的夹角，夹角大于或等于0度、小于90度；每根支撑臂端部和中部的两对双转子相对于该根支撑臂的倾转方向相同；相邻两根支撑臂端部的两对双转子相对于各自支撑臂的倾转方向相反，相邻两根支撑臂中部的两对双转子相对于各自支撑臂的倾转方向也相反；每对双转子的上旋翼和下旋翼旋转方向相反；每根支撑臂端部和中部的两对双转子的上旋翼旋转方向相反，下旋翼旋转方向也相反；相邻两根支撑臂端部的两对双转子的上旋翼旋转方向相反，下旋翼旋转方向也相反，相邻两根支撑臂中部的两对双转子的上旋翼旋转方向相反，下旋翼旋转方向也相反。

2.如权利要求1所述的非平面八臂三十二旋翼飞行器，其特征在于：每个对角线组中两对双转子的中心位于以其对角连线为直径、以机体中心为圆心的一个圆上，与该对角线组相邻的一个对角线组中两对双转子的中心也位于该圆上，与该对角线组相邻的另一个对角线组中两对双转子的中心可以位于该圆上也可以不位于该圆上；每根对角连线与相邻两根对角连线所成的夹角可以相等，也可以不等；对于双转子中心都位于同一个圆上的相邻两根对角连线，飞行器关于该相邻两根对角连线所成夹角的角平分线对称。

3.如权利要求1所述的非平面八臂三十二旋翼飞行器，其特征在于：支撑臂外段可以通过折叠连接件在支撑臂主体平面内折向支撑臂内段，同时支撑臂内段安装一个折叠卡扣固定住折叠后的支撑臂外段；支撑臂内段的根部可以通过折叠连接件垂直于支撑臂主体平面向下折叠。