CN107187593A - 一种具有双旋翼系统的多自由度无人机 - Google Patents

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李明生
高峰
杨关发
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Abstract

本发明公开了一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，包括机身、动力机构、主旋翼组件和副旋翼组件，主旋翼组件包括差速变速器、正转主旋翼和反转主旋翼；副旋翼组件安装与主旋翼组件的上方，副旋翼组件包括安装盘、多个副旋翼和相应数量的机臂，副旋翼组件与主旋翼组件间用万向节连接，通过控制多个副旋翼之间的协同工作可改变副旋翼平面的空间角度。本发明飞行稳定性好，续航能力和载重能力强，且开创性的把基于主旋翼的升降系统与基于副旋翼的姿态调整系统分离，通过控制多个副旋翼之间的协同工作，副旋翼组件可实现整体桨面的倾斜和单个旋翼的倾角独立控制，真正实现了无人机的全方位多自由度控制，操控性极强，具极高的推广应用价值。

Description

一种具有双旋翼系统的多自由度无人机
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体涉及一种具有双旋翼系统的多自由度无人机。
背景技术
目前，无人机已经较成熟地应用于多个领域，起到了重要的作用。现有的多旋翼无人机有多种形式，如申请号为201520895185.7的发明专利提供了一种多旋翼无人机混合动力系统，包括主旋翼和多个副旋翼，主旋翼提供无人机的升降，副旋翼控制无人机的飞行姿态，如加速、减速、转向等。转向时，通过改变各个副旋翼的转速，产生不同大小的推力，无人机受力不平衡而改变飞行方向。由于这种无人机在转向时，主旋翼的旋转平面和机身会产生一定的倾斜，影响无人机飞行的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操控性、稳定性、续航能力更好的具有双旋翼系统的多自由度无人机。
本发明的目的是这样实现的：一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，包括机身、动力机构、主旋翼组件和副旋翼组件，所述主旋翼组件包括差速变速器、正转主旋翼和反转主旋翼，所述差速变速器固定安装于机身并与动力机构相连，所述正转主旋翼和反转主旋翼位于差速变速器的上方且分别通过竖直的传动轴与差速变速器相连；所述副旋翼组件安装于主旋翼组件的上方，所述副旋翼组件包括安装盘、多个副旋翼和相应数量的机臂，每个副旋翼通过电机安装于机臂，机臂均匀安装于安装盘的周围；所述副旋翼组件与主旋翼组件间用万向节连接，通过控制多个副旋翼之间的协同工作可改变副旋翼平面的空间角度。
进一步地，所述万向节的外壳上设置有与机臂数量相同的舵机，每个舵机通过传动机构与一机臂相连；通过舵机可实现对每个副旋翼的独立控制，能把多个副旋翼分组，通过各组中副旋翼之间的协同工作，各组副旋翼的工作平面的空间角度可以分开控制。
进一步地，所述安装盘的底部通过万向节连接有一连接杆，所述连接杆的下端与传动轴相连。
进一步地，每个副旋翼的电机与机身内的控制系统电连接。
进一步地，所述动力机构包括油动力发动机和蓄电池，所述差速变速器与油动力发动机传动连接，所述电机与蓄电池电连接。
进一步地，所述传动轴为空心轴，所述连接杆的下端伸入传动轴并与传动轴转动配合。
进一步地，所述副旋翼的数量为4个、6个或8个。
本发明的有益效果是：正转主旋翼和反转主旋翼转速相同，转向相反，为无人机的升空和悬浮提供动力；副旋翼组件与主旋翼组件间用万向节连接，使副旋翼组件平面能够朝着各个方向倾斜，以改变飞行姿态。换向时，改变机臂的倾斜角度或者副旋翼的转速，打破副旋翼组件的受力平衡，为换向提供动力，机身在连接杆的拉动下随着副旋翼组件运动，在此过程中，机身和主旋翼能够始终保持水平或者在惯性的作用下具有微小的倾斜，能够保持平稳地飞行。副旋翼设置在主旋翼的上方，远离无人机的重心位置，避免机臂的倾斜影响机身的平衡，同时克服了传统双旋翼系统无人机副旋翼与主旋翼动力相互削减的缺陷，降低了能耗，提高了续航能力和载重能力。本发明开创性的把基于主旋翼的升降系统与基于副旋翼的姿态调整系统分离，通过控制多个副旋翼之间的协同工作，副旋翼组件可实现整体桨面的倾斜和单个或单组旋翼的倾角独立控制，真正实现了无人机的全方位多自由度控制，操控性极强，具极高的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记：1—机身；2—差速变速器；3—副旋翼；4—万向节；5—机臂；6—油动力发动机；7—蓄电池；8—电机；9—连接杆；10—舵机；11—安装盘；13—正转主旋翼；14—反转主旋翼；15—传动轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本实施例的具有双旋翼系统的多自由度无人机，包括机身1、动力机构、主旋翼组件和副旋翼组件，所述主旋翼组件包括差速变速器2、正转主旋翼13和反转主旋翼14，所述差速变速器2固定安装于机身1并与动力机构相连，所述正转主旋翼13和反转主旋翼14位于差速变速器2的上方且分别通过竖直的传动轴15与差速变速器2相连；所述副旋翼组件安装于主旋翼组件的上方，所述副旋翼组件包括安装盘11、多个副旋翼3和相应数量的机臂5，每个副旋翼3通过电机8安装于机臂5，机臂5均匀安装于安装盘11的周围；所述副旋翼组件与主旋翼组件间用万向节4连接，具体地，安装盘11的底部通过万向节4连接有一连接杆9，连接杆9的下端与传动轴15相连。通过控制多个副旋翼3之间的协同工作可改变副旋翼平面的空间角度。
机身1采用现有无人机的常用结构，包含控制系统以及执行任务的执行机构，还可设置起落架等。差速变速器2能够将动力机构的动力传递至两传动轴15，且使两传动轴15的转向相反，转速保持一致。正转主旋翼13和反转主旋翼14设置于机身1的顶部中心处，两者由传动轴15带动，转速相同，转向相反，能够推动机身1整体上升或悬浮在空中。机臂5通过螺钉等安装于安装盘11的周围，由于副旋翼组件的安装盘11的通过万向节4与主旋翼组件相连，安装盘11和机臂5能够朝着各个方向倾斜，以便于改变机臂5与水平面之间的夹角，打破副旋翼组件的受力平衡，改变飞行方向，当副旋翼组件换向时，连接杆9拉动机身1换向。换向时，机身1不需要在水平面内转动，有利于保持平稳。
正转主旋翼13和反转主旋翼14转动产生的推力要大于或等于无人机整体的重力，需要消耗较多的能量，而副旋翼3转动产生的推力用于无人机的减速、加速和转向，只需要较小的推力即可，因此，副旋翼3消耗的能量较少，本实施例可采用单一的动力机构，如电池或发动机，但主旋翼2和副旋翼3的转速不同，需要分别控制，如果采用电池作为动力机构，则续航能力差，如果采用发动机作为动力机构，则需要多个额外的传动机构与副旋翼3相连，增加了无人机的重量，构造更加复杂，不利于制造和检修。因此，所述动力机构包括油动力发动机6和蓄电池7，所述差速变速器2与油动力发动机6传动连接，所述电机8与蓄电池7电连接。蓄电池7为电机8提供电能，使电机8转动。油动力发动机6能够提供足够的能量，有利于保证续航能力，由于副旋翼3需要的能量较少，采用一般的蓄电池7即可满足需求，油动力发动机6和蓄电池7结合使用，不仅能够大幅度提高续航能力，还能够简化无人机的机构，降低制造和维护成本，方便对副旋翼3的控制。
需要改变飞行状态时，可采用两种方式控制，一种是副旋翼组件与主旋翼组件间用万向节4自由连接，副旋翼组件的平面可随意倾斜，通过控制多个副旋翼3之间的协同工作可改变副旋翼平面的空间角度，例如有4个副旋翼3时，通过调整各副旋翼3的转速，在空气动力的影响下，整个副旋翼平面的空间角度将会根据需要改变，以实现姿态控制。另一种方式是在副旋翼组件的每个机臂5上安装能独立控制机臂5倾角的舵机10，通过舵机10可实现对每个副旋翼的独立控制，能把多个副旋翼分成两组或多组，通过控制各组中副旋翼之间的协同工作，各组副旋翼的工作平面的空间角度可以分开控制，从而实现更灵活的机身姿态调整和控制。
所述传动轴15为空心轴，所述连接杆9的下端伸入传动轴15并与传动轴15转动配合。连接杆9可通过轴承与传动轴15相连，避免传动轴15转动时带动连接杆9转动而影响副旋翼组件，连接杆9也可穿过空心的传动轴15直接与机架连接。连接杆9的上端可以与万向节转动配合。
优选的，副旋翼3的数量可以为4个、6个、8个、10个等，具体应用数量可以根据多旋翼无人机任意阶段技术水平的发展情况确定，能应用在常规多旋翼无人机上的，均可组合应用到本发明的副旋翼组件中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，包括机身（1）、动力机构、主旋翼组件和副旋翼组件，其特征在于：所述主旋翼组件包括差速变速器（2）、正转主旋翼（13）和反转主旋翼（14），所述差速变速器（2）固定安装于机身（1）并与动力机构相连，所述正转主旋翼（13）和反转主旋翼（14）位于差速变速器（2）的上方且分别通过竖直的传动轴（15）与差速变速器（2）相连；所述副旋翼组件安装于主旋翼组件的上方，所述副旋翼组件包括安装盘（11）、多个副旋翼（3）和相应数量的机臂（5），每个副旋翼（3）通过电机（8）安装于机臂（5），机臂（5）均匀安装于安装盘（11）的周围；所述副旋翼组件与主旋翼组件间用万向节（4）连接，通过控制多个副旋翼（3）之间的协同工作可改变副旋翼平面的空间角度。
2.根据权利要求1所述的一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，其特征在于：所述万向节（4）的外壳上设置有与机臂（5）数量相同的舵机（10），每个舵机（10）通过传动机构与一机臂（5）相连；通过舵机（10）可实现对每个副旋翼（3）的独立控制，能把多个副旋翼（3）分组，通过各组中副旋翼（3）之间的协同工作，各组副旋翼（3）的工作平面的空间角度可以分开控制。
3.根据权利要求1所述的一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，其特征在于：所述安装盘（11）的底部通过万向节（4）连接有一连接杆（9），所述连接杆（9）的下端与传动轴（15）相连。
4.根据权利要求1所述的一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，其特征在于：每个副旋翼（3）的电机（8）与机身（1）内的控制系统电连接。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，其特征在于：所述动力机构包括油动力发动机（6）和蓄电池（7），所述差速变速器（2）与油动力发动机（6）传动连接，所述电机（8）与蓄电池（7）电连接。
6.根据权利要求1所述的一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，其特征在于：所述传动轴（15）为空心轴，所述连接杆（9）的下端伸入传动轴（15）并与传动轴（15）转动配合。
7.根据权利要求1所述的一种具有双旋翼系统的多自由度无人机，其特征在于：所述副旋翼（3）的数量为4个、6个或8个。
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