CN106697278A - 一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所采用的技术方案是一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，包括机身、动力系统、起落架和航电系统，所述的机身为全复材的一体化机身，所述的动力系统由发动机系统、变桨距系统、供油系统和旋翼系统组成，所述的起落架为滑橇式起落架，其上设置有柔性的吊装位，以固连不同的任务设备。本发明无需传动机构，结构简单，重量相对减轻10%~20%；本发明靠变桨距角调节升力，对发动机的磨损小，寿命延长30%以上；机身采用嵌套式布局，供油、供电、喷洒等系统均置于机身内部，提高空间利用率，减小废阻。
Description
技术领域
本发明属于油动多旋翼无人机技术领域，具体涉及一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机及其控制方法。
技术背景
一般地，无人机分为无人固定翼、无人直升机、无人多旋翼、无人飞艇、无人伞翼机和无人扑翼机，前三类最为常见，且应用最为广泛。无人固定翼飞行效率最高，续航时间长，巡航速度高，但需要跑道，无法空中悬停，机动性最差；无人直升机可垂直起降，空中悬停，机动性最好，航时长和载重大，但结构最复杂，成本最高；无人多旋翼结构最简单，操作最简单，容错能力强，成本低廉，可垂直起降和空中悬停。
目前，市场上所售电池的能量密度比小，电动多旋翼普遍存在航时短和载重小的缺陷。采用燃油作为动力来源是在电池技术得以突破之前克服航时和载重瓶颈的有效途径。然而，由于发动机的非线性和慢响应，油动多旋翼无人机领域受关注较少。
近来，有几个油动多旋翼方案被提出，如：单机驱动多桨方案、双机驱动多桨方案和油电混合方案，这些方案的特点是结构复杂，成本高，丧失了多旋翼无人机本身的优势，产品均未真正实用。目前，六台发动机驱动六只旋翼的油动直驱定桨距变转速方案是真正实用的方案，缺点是反应慢、机动性差、发动机磨损大和不允许大姿态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机及其控制方法，解决现有多旋翼无人机技术存在的不足和问题。
本发明所采用的技术方案是一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，包括机身、动力系统、起落架和航电系统，所述的机身为全复材的一体化机身，所述的动力系统由发动机系统、变桨距系统、供油系统和旋翼系统组成，所述的起落架为滑橇式起落架，其上设置有柔性的吊装位，以固连不同的任务设备。
直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，其组成包括机身、动力系统、起落架和航电系统；所述机身为全复材的一体化机身；所述动力系统的组成包括发动机系统、变桨距系统、旋翼系统和供油系统；所述航电系统的组成包括飞控、采集模块、供电模块、指示模块和接收机；所述起落架为滑橇式起落架，其上设置有柔性的吊舱位；
所述机身的组成包括主机身、加强件、发动机座、药箱、油箱托、油箱、中心板、机罩和机臂；所述主机身采用碳纤维复合材料一体化成型，机臂设置在主机身上，优点是无机械连接，振动小，比强度和比刚度大，结构轻，可防水、防尘；所述加强件为碳纤维筒，与主机身铆接在一起，一方面可以增强机身刚度，另一方面可以起限位作用，限制药箱的水平自由度；发动机座作为埋覆件固定在主机身上的机臂末端；所述药箱设置在主机身内部的筒形加强件形成的腔内，水平方向的自由度被筒形加强件限制，竖直方向的自由度被主机身限制；油箱托为碳纤维复合材料桶，上部与连接在主机身上平面的中心板连接，下部表面贴在药箱上表面上，限制药箱在竖直方向自由度；油箱放置在油箱托和中心板之间的空间内；机罩为全透明塑料壳；所述机身采用嵌套式布局，供油系统、航电系统、喷洒系统均在主机身内，避免传统的单独悬挂，有利于提高空间利用率，减小废阻。
所述起落架通过6个管夹固定在主机身的下部，起落架采用最简单的滑橇式结构，具有很好的缓冲、吸振作用；起落架结构简单且中部空间充裕，起落架中间部位设置了一块碳纤板，即所述的柔性吊舱位，连接不同的吊舱，通过不同的孔位固定安装不同的任务设备，而不需要费时费力地更改机身或起落架，这是采用嵌套式布局和滑橇式起落架的结果。
所述发动机系统和变桨距系统设置于发动机座上；所述发动机系统由发动机、点火器、喷油器、启动电机、启动装置、发动机电控单元（ECU）和油门舵机组成；所述变桨距系统由变距舵机、舵机摇臂、舵机连杆、H连杆、防扭臂、不动盘、动盘和旋翼夹控制臂组成；所述旋翼系统由旋翼轴、旋翼头、中连块、旋翼夹和旋翼组成；
所述旋翼轴带法兰盘一端与发动机输出轴上的法兰盘直接连接，并穿过与防扭臂、H连杆、舵机连杆和舵机摇臂连接的不动盘，以及通过旋翼夹控制臂与旋翼夹铰接的动盘，不动盘和动盘之间有轴承，旋翼头铰接在旋翼轴的另一端，中连块铰接在旋翼头上，中连块两端连接旋翼夹，旋翼螺接在旋翼夹上，实现发动机输出轴带动旋翼轴转动，旋翼轴带动旋翼同步转动，即发动机直接驱动旋翼系统，无任何机械传动环节，其具有精度高、效率高、噪音低、寿命长、体积小和成本低等优点。
所述采集模块包括由陀螺仪、加速度计、磁力计、激光测距仪、气压计和GPS组成，监测机体当前的姿态和位置，并通过姿态融合算法和高度融合算法实时传给飞控；所述供电模块主要由电池、配电器和航空电缆组成；指示模块包括状态指示灯、航向指示灯。
所述的直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机其控制方法为：遥控器发射PWM信号，接收机接收到信号后经解码、放大等操作后再传给飞控，飞控给配电器指令导通启动电机的电路，启动电路通过启动装置来启动发动机；发动机启动以后推油门杆，接收机接收到油门控制信号传给飞控，飞控给油门舵机发送控制指令，增大油门开度，发动机转速上升，随着油门开度的增大，转速也逐渐增大；这一过程中，霍尔元件监测到转速信号，转速信号输入点火器和发动机电控单元，点火器根据转速信号调节点火时间、点火次数和点火频率，发动机电控单元根据转速信号调整喷油器的喷油时间和喷油频率；当油门推到50%时，触发发动机定速，发动机转速稳定在某一转速，油门通道转为螺距通道，继续推油门杆，接收机接收到螺距控制信号传给飞控，飞控给变距舵机，变距舵机动作带动舵机摇臂动作，引起舵机连杆、H连杆和防扭臂动作，从而引起不动盘上下移动，不同盘靠轴承拖动动盘上下移动，然后通过旋翼夹控制臂调整旋翼夹的安装角即改变旋翼桨距角，采用变桨距而非变转速的方式改变升力，优点是升力变化响应快，升力调整范围广，机动性好，允许大姿态，降低发动机磨损。
所述直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，采用燃油发动机作为动力来源，在电池技术瓶颈得以突破前，这是能够显著提高多旋翼无人机的载重和航时的最理想的动力方案。
所述直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，采用直驱式结构，即发动机直接驱动旋翼，无任何机械传动环节，具有精度高、效率高、噪音低、寿命长、体积小、成本低等优点。
所述直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，采用变桨距而非变转速的方式改变升力，优点是升力变化响应快，升力调整范围广，机动性好，允许大姿态，降低发动机磨损。
所述直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机采用电喷发动机，优点是能规避化油器式小型航空发动机喷油精度低的问题，避免调节油针的繁琐，简化发动机定速过程，而且高效、省油、节能。
所述直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，采用一体化成型的全复材机身，无机械连接，振动小，比强度和比刚度大，结构轻，可防水、防尘。
所述直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，采用嵌套式布局，供油系统、供电系统、喷洒系统均在主机身内，避免传统的单独悬挂，有利于提高空间利用率，减小废阻。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明无需传动机构，结构简单，重量相对减轻10%~20%；
2、本发明靠变桨距角调节升力，对发动机的磨损小，寿命延长30%以上；
3、本发明升力响应快，机动性强，允许大姿态，理论上可以倒飞；
4、一体化成型全复合材料机身，比强度和比模量大，结构轻，机械连接至少减少95%，振动小；
5、机身采用嵌套式布局，供油、供电、喷洒等系统均置于机身内部，提高空间利用率，减小废阻；
6、设置柔性吊舱位，不同的安装位置可连接不同任务设备，执行不同任务。
附图说明
图1为本发明的总装配示意图；
图2为机身结构示意图；
图3为动力系统结构示意图；
其中：机身1、动力系统2、起落架3、航电系统4、发动机系统5、变桨距系统6、旋翼系统7、供油系统8、吊舱位9、主机身11、加强件12、发动机座13、药箱14、油箱托15、油箱16、中心板17、机罩18、机臂19、飞控41、采集模块42、供电模块43、指示模块44、接收机45、发动机51、点火器52、喷油器53、启动电机54、启动装置55、发动机电控单元56、油门舵机57、变距舵机61、舵机摇臂62、舵机连杆63、H连杆64、防扭臂65、不动盘66、动盘67、旋翼夹控制臂68、旋翼轴71、旋翼头72、中连块73、旋翼夹74、旋翼75。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，如图1所示，其组成包括机身1、动力系统2、起落架3和航电系统4；所述机身1为全复材的一体化机身；所述动力系统2的组成包括发动机系统5、变桨距系统6、旋翼系统7和供油系统8；所述航电系统4的组成包括飞控41、采集模块42、供电模块43、指示模块44和接收机45；所述起落架3为滑橇式起落架，其上设置有柔性的吊舱位9；
如图2所示，所述机身1的组成包括主机身11、加强件12、发动机座13、药箱14、油箱托15、油箱16、中心板17、机罩18和机臂19；所述主机身11采用碳纤维复合材料一体化成型，机臂19设置在主机身上；所述加强件12为碳纤维筒，与主机身11铆接在一起；发动机座13作为埋覆件固定在主机身11上的机臂19末端；所述药箱14设置在主机身11内部的筒形加强件12形成的腔内，水平方向的自由度被筒形加强件12限制，竖直方向的自由度被主机身11限制；油箱托15为碳纤维复合材料桶，上部与连接在主机身11上平面的中心板17连接，下部表面贴在药箱14上表面上，限制药箱14在竖直方向自由度；油箱16放置在油箱托15和中心17板之间的空间内；机罩18为全透明塑料壳；所述机身1采用嵌套式布局，供油系统、航电系统均在主机身11内。
所述起落架3通过6个管夹固定在主机身11的下部，起落架3中间部位设置了一块碳纤板，即所述的柔性吊舱位9，通过不同的孔位固定安装不同的任务设备。
如图3所示，所述发动机系统5和变桨距系统6设置于发动机座13上；所述发动机系统5由发动机51、点火器52、喷油器53、启动电机54、启动装置55、发动机电控单元56和油门舵机57组成；所述变桨距系统6由变距舵机61、舵机摇臂62、舵机连杆63、H连杆64、防扭臂65、不动盘66、动盘67和旋翼夹控制臂68组成；所述旋翼系统7由旋翼轴71、旋翼头72、中连块73、旋翼夹74和旋翼75组成；
所述旋翼轴71带法兰盘一端与发动机51输出轴上的法兰盘直接连接，并穿过与防扭臂65、H连杆64、舵机连杆63和舵机摇臂62连接的不动盘66，以及通过旋翼夹控制臂68与旋翼夹74铰接的动盘67，不动盘66和动盘67之间有轴承，旋翼头72铰接在旋翼轴71的另一端，中连块73铰接在旋翼头72上，中连块73两端连接旋翼夹74，旋翼75螺接在旋翼夹74上，实现发动机输出轴带动旋翼轴转动，旋翼轴带动旋翼同步转动，即发动机直接驱动旋翼系统；
所述采集模块42包括由陀螺仪、加速度计、磁力计、激光测距仪、气压计和GPS组成，监测机体当前的姿态和位置，并通过姿态融合算法和高度融合算法实时传给飞控；所述供电模块43主要由电池、配电器和航空电缆组成；指示模块44包括状态指示灯、航向指示灯。
所述的直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机其控制方法为：遥控器发射PWM信号，接收机45接收到信号后经解码、放大等操作后再传给飞控41，飞控41给配电器指令导通启动电机54的电路，启动电路通过启动装置55来启动发动机51；发动机51启动以后推油门杆，接收机45接收到油门控制信号传给飞控41，飞控给油门舵机57发送控制指令，增大油门开度，发动机51转速上升，随着油门开度的增大，转速也逐渐增大；这一过程中，霍尔元件监测到转速信号，转速信号输入点火器52和发动机电控单元56，点火器52根据转速信号调节点火时间、点火次数和点火频率，发动机电控单元56根据转速信号调整喷油器53的喷油时间和喷油频率；当油门推到50%时，触发发动机51定速，发动机51转速稳定在某一转速，油门通道转为螺距通道，继续推油门杆，接收机45接收到螺距控制信号传给飞控41，飞控41给变距舵机61，变距舵机61动作带动舵机摇臂62动作，引起舵机连杆63、H连杆64和防扭臂65动作，从而引起不动盘66上下移动，不动盘66靠轴承拖动动盘67上下移动，然后通过旋翼夹控制臂68调整旋翼夹74的安装角即改变旋翼桨距角，采用变桨距而非变转速的方式改变升力，优点是升力变化响应快，升力调整范围广，机动性好，允许大姿态，降低发动机51磨损。
Claims (5)
1.一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，其特征在于，其组成包括机身、动力系统、起落架和航电系统；所述机身为全复材的一体化机身；所述动力系统的组成包括发动机系统、变桨距系统、旋翼系统和供油系统；所述航电系统的组成包括飞控、采集模块、供电模块、指示模块和接收机；所述起落架为滑橇式起落架，其上设置有柔性的吊舱位；
所述机身的组成包括主机身、加强件、发动机座、药箱、油箱托、油箱、中心板、机罩和机臂；所述主机身采用碳纤维复合材料一体化成型，机臂设置在主机身上；所述加强件为碳纤维筒，与主机身铆接在一起；发动机座作为埋覆件固定在主机身上的机臂末端；所述药箱设置在主机身内部的筒形加强件形成的腔内，水平方向的自由度被筒形加强件限制，竖直方向的自由度被主机身限制；油箱托为碳纤维复合材料桶，上部与连接在主机身上平面的中心板连接，下部表面贴在药箱上表面上，限制药箱在竖直方向自由度；油箱放置在油箱托和中心板之间的空间内；机罩为全透明塑料壳；所述机身采用嵌套式布局，供油系统、航电系统均在主机身内。
2.根据权利要求1所述的一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，其特征在于，所述起落架通过6个管夹固定在主机身的下部，起落架中间部位设置了一块碳纤板，即所述的柔性吊舱位，通过不同的孔位固定安装不同的任务设备。
3.根据权利要求1所述的一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，其特征在于，所述发动机系统和变桨距系统设置于发动机座上；所述发动机系统由发动机、点火器、喷油器、启动电机、启动装置、发动机电控单元和油门舵机组成；所述变桨距系统由变距舵机、舵机摇臂、舵机连杆、H连杆、防扭臂、不动盘、动盘和旋翼夹控制臂组成；所述旋翼系统由旋翼轴、旋翼头、中连块、旋翼夹和旋翼组成；
所述旋翼轴带法兰盘一端与发动机输出轴上的法兰盘直接连接，并穿过与防扭臂、H连杆、舵机连杆、舵机摇臂连接的不动盘，以及通过旋翼夹控制臂与旋翼夹铰接的动盘，不动盘和动盘之间有轴承；旋翼头铰接在旋翼轴的另一端，中连块铰接在旋翼头上，中连块连接旋翼夹；旋翼螺接在旋翼夹上，实现发动机输出轴带动旋翼轴转动，旋翼轴带动旋翼同步转动，即发动机直接驱动旋翼系统。
4.根据权利要求1所述的一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，其特征在于，所述采集模块包括由陀螺仪、加速度计、磁力计、激光测距仪、气压计和GPS组成，监测机体当前的姿态和位置，并通过姿态融合算法和高度融合算法实时传给飞控；所述供电模块主要由电池、配电器和航空电缆组成；指示模块包括状态指示灯、航向指示灯。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种直驱式油动定转速变桨距多旋翼无人机，其特征在于，其控制方法为：遥控器发射PWM信号，接收机接收到信号后经解码、放大等操作后再传给飞控，飞控给配电器指令导通启动电机的电路，启动电路通过启动装置来启动发动机；发动机启动以后推油门杆，接收机接收到油门控制信号传给飞控，飞控给油门舵机发送控制指令，增大油门开度，发动机转速上升，随着油门开度的增大，转速也逐渐增大；这一过程中，霍尔元件监测到转速信号，转速信号输入点火器和发动机电控单元，点火器根据转速信号调节点火时间、点火次数和点火频率，发动机电控单元根据转速信号调整喷油器的喷油时间和喷油频率；当油门推到50%时，触发发动机定速，发动机转速稳定在某一转速，油门通道转为螺距通道，继续推油门杆，接收机接收到螺距控制信号传给飞控，飞控给变距舵机，变距舵机动作带动舵机摇臂动作，引起舵机连杆、H连杆和防扭臂动作，从而引起不动盘上下移动，不动盘靠轴承拖动动盘上下移动，然后通过旋翼夹控制臂调整旋翼夹的安装角即改变旋翼桨距角，采用变桨距而非变转速的方式改变升力。
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