CN107284165B - 一种共轴双旋翼陆空两用飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器技术领域，涉及一种共轴双旋翼陆空两用飞行器。本发明包括飞行器机身、电机支架、两个直流电机、蓄电池、粗、细传动轴、齿轮、轴套、旋翼夹、旋翼、前、后轮支架、尾旋翼、尾部电机。上、下旋翼分别与细、粗轴用销连接固定，上、下齿轮分别与粗、细轴固定套在一起由轴套固定，再分别由各自的电机驱动从而带动上下旋翼旋转。因为这两个电机转速相同，转向相反，所以上、下旋翼同速反向旋转。平衡旋翼扭矩并产生较大的升力。通过改变两个前电机的转速和尾部电机的转向能实现飞行器在地面和空中的前进、后退、上升、下降、左转、右转等功能。本发明专利结构简单，成本低廉，易于装配，功能齐全，实现陆空两用，有较好的发展前景。

Description

一种共轴双旋翼陆空两用飞行器

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，涉及一种共轴双旋翼陆空两用飞行器。

背景技术

近年来，随着地震、洪水等自然灾害的频发，以及航拍需求的激增，小型多旋翼无人机的研发成为无人飞行器的关注热点。小型多旋翼无人机具有成本低、耗能少、无人员伤亡风险及可涉足较恶劣环境工作等优点，目前在各个领域具有广泛的应用，如低空侦察、气象勘测、航空摄影等。然而现有多旋翼无人机普遍存在着质量大、结构复杂，体积大，装载部件较多、不便于携带、不可折叠，对易损部件缺少保护、续航时间短、动力源较多、不易拆卸、大多一体化成型、成本较高、部件多、结构复杂以及狭窄空间无法飞行(最小飞行空间等于它的轴距)等缺点，难以满足多元化的发展要求，因此有必要对现有技术中的多旋翼无人机进行改进。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种结构设计合理，制造成本低，功能效果好的一种共轴双旋翼陆空两用飞行器。

本发明的技术方案如下

一种共轴双旋翼陆空两用飞行器，包括机身、电机支架、直流电机A、直流电机B、蓄电池、细传动轴、下齿轮、轴套A、粗传动轴、上齿轮、轴套B、轴套C、下旋翼夹、下旋翼、轴套D、上旋翼夹、上旋翼；前轮支架、后轮支架、尾部电机和尾旋翼；其中，在机身内部，电机支架与机身固定连接，直流电机A和直流电机B对称地固定在电机支架两侧，蓄电池安放在电机支架中间的电池槽内，细传动轴与下齿轮通过键链接固定，粗传动轴为中空结构与上齿轮通过键连接固定，同时细传动轴穿过粗传动轴内部，上、下齿轮通过轴套A隔开固定，粗传动轴通过轴套B在机身内部固定，粗、细两传动轴转动互不干扰；在机身外部，粗传动轴通过轴套C与机身再次固定，使粗传动轴相对机身顶部保持垂直状态，下旋翼夹通过销钉固定在粗传动轴外壁，在下旋翼上方，上旋翼夹通过销钉固定在细传动轴外壁，上、下旋翼夹中间通过轴套D固定，上、下旋翼的根部分别插入上、下旋翼夹水平相对设置的薄槽内，并通过销轴定位，销轴与旋翼夹通过螺纹固定，旋翼能够绕销轴180度旋转；两个前轮支架对称地固定在机身前端左右两侧面，再通过轴承与两个前轮连接；后轮支架一端通过键与机身底座的尾部连接，后轮支架能够绕连接轴旋转，旋转幅度为偏离机身头尾方向水平中心轴30度，后轮支架另一端为一根横轴通过轴承与两个后轮连接；尾部电机安装于机身尾部、尾旋翼直接与尾部电机的传动轴固定，同速转动。

进一步地，直流电机A和直流电机B转速相同，转向相反。

进一步地，当机身头尾方向水平中心轴与空间水平面平行时，前轮的下边缘高于后轮的下边缘。

进一步地，两个前轮之间的距离小于前、后轮之间的距离。

所述机身为流线型的设计，曲面过渡平滑，造型美观以及优质的轻质合金材料耐摔抗撞。

所述两个直流电机为双滚珠轴承设计，前后铸铝托盖，由无缝钢管精加工而成，具有结构简单、质量轻、噪声小、功率转速较大，并且采用高性能碳刷，比一般电机寿命长3倍。

所述蓄电池为锂聚合物电池具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池，外包装为铝塑包装，有别于液态锂电的金属外壳，如膨胀等内部质量隐患可立即通过外包装变形而显现出来安全可靠。

本发明的有益效果为，提供了一种共轴双旋翼陆空两用飞行器，通过手柄红外线远程遥控能实现飞行器在地面和空中的前进、后退、上升、下降、左转、右转等功能，用简单的机械传动实现多状态的运动，减少了不必要的部件，节约了成本。另外，本发明的共轴双旋翼陆空两用飞行器结构设计合理，采用模块化设计，各部分间定位精确，实现高精度配比。采用无基础设计，拆卸运输和维护装配方便，使用灵活，操作简单，适用于各类复杂的空间结构，满足多元化的发展要求。

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2为本发明的正视图。

图3为本发明的左体图。

图4为本发明的内部零件结构图。

图5为本发明的前轮支架图。

图6为本发明的后轮支架图。

图7为本发明的旋翼夹图。

图中：1机身；2电机支架；3直流电机A；4直流电机B；5蓄电池；6细传动轴；7下齿轮；8轴套A；9粗传动轴；10上齿轮；11轴套B；12轴套C；13下旋翼夹；14下旋翼；15轴套D；16上旋翼夹；17上旋翼；18前轮支架；19后轮支架；20尾部电机；21尾旋翼。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图4所示，装配共轴双旋翼陆空两用飞行器，包括从下向上依次安装的电机支架2、直流电机A3、直流电机B4、蓄电池5、细传动轴6、下齿轮7、轴套A8、粗传动轴9、上齿轮10、轴套B11、轴套C12、下旋翼夹13、下旋翼14、轴套D15、上旋翼夹16、上旋翼17。还有前轮支架18、后轮支架19、尾部电机20、尾旋翼21。

使用方法：

1.陆上行驶

前进：由于后轮支架19安装在机身底部而前轮支架18安装在机身侧面，使整个机身向前倾斜，传动轴也向前倾斜从而导致上下旋翼的旋转平面向前倾斜，产生的升力有向前的分量，这个分力就是飞行器在陆地前进的动力。但要保证飞行器在陆地稳定的前进不左右旋转，还需控制两个因素：1)因为摩擦因数u和相对速度v是有关系的,而且v越快u越大,原因在于u体现在对物体加速度的影响,而加速度是单位时间内速度的改变,由于物体速度的加快,相当于单位时间内加大了物体与接触面粗糙面的碰撞次数,即摩擦强度,变相的增加了接触面的粗糙度,故而宏观表现为u值变大。用遥控器控制直流电机A3和直流电机B4同速反向旋转(直流电机A3逆时针旋转，直流电机B4顺时针旋转并且相对传动轴对称地固定)，这样左右电机外壳接触面的摩擦因数u大小始终相等，所以左右电机转子受到的摩擦力大小相等方向相反，可以平衡由于电机转子与电机外壳产生的摩擦力而导致的整个机身旋转。2)由于直流电机A3与下齿轮7啮合，下齿轮7带动细传动轴6，细传动轴6带动上旋翼17，所以上旋翼17顺时针旋转；而直流电机B4与上齿轮10啮合，上齿轮10带动粗传动轴9，粗传动轴9带动下旋翼14，所以下旋翼14逆时针旋转。旋翼旋转会切割空气，空气会给旋翼反方向的旋转力，导致整个机身相对旋翼反方向旋转。上下旋翼(镜面对称)同速反向旋转，这样空气对旋翼的旋转阻力可以相互抵消，机身就会保持稳定不打转。用遥控器控制两电机转速低于临界转速(飞行器在空中悬停时电机的转速)旋转，这样上下旋翼产生的合升力小于飞行器的重力，飞行器就会在陆地上稳定前进。

逆时针旋转：通过遥控器控制直流电机B4减小其转速(直流电机A3转速不变)，这样直流电机B外壳内表面的摩擦因数u减小，转子受到的摩擦力减小，根据牛顿第三定律，直流电机B外壳受到的摩擦力同样减小从而小于直流电机A外壳受到的摩擦力，所以使整个机身逆时针旋转。另一方面减小直流电机B转速会使下旋翼14转速减小，受到顺时针的空气阻力减小，同样使整个机身逆时针旋转。

顺时针旋转：通过遥控器控制直流电机A3减小其转速(直流电机B4转速不变)，这样直流电机A外壳内表面的摩擦因数u减小，转子受到的摩擦力减小，根据牛顿第三定律，直流电机A外壳受到的摩擦力同样减小从而小于直流电机B外壳受到的摩擦力，所以使整个机身顺时针旋转。另一方面减小直流电机A转速会使上旋翼17转速减小，受到逆时针的空气阻力减小，同样使整个机身顺时针旋转。

2.空中飞行

上升或下降：用遥控器控制两电机转速高于或低于临界转速(飞行器在空中悬停时电机的转速)旋转，这样上下旋翼产生的合升力大于或小于飞行器的重力，飞行器就会在空中上升或下降。(由于整个机身重心的设计，飞行器在空中飞行时机身、传动轴、旋翼旋转平面处于水平状态，上下旋翼产生的升力垂直向上)

逆时针旋转：飞行器在空中悬停的状态下通过遥控器控制直流电机B4减小其转速(直流电机A3转速不变)，这样直流电机B外壳内表面的摩擦因数u减小，转子受到的摩擦力减小，根据牛顿第三定律，直流电机B外壳受到的摩擦力同样减小从而小于直流电机A外壳受到的摩擦力，所以使整个机身逆时针旋转。另一方面减小直流电机B转速会使下旋翼14转速减小，受到顺时针的空气阻力减小，同样使整个机身逆时针旋转。

顺时针旋转：飞行器在空中悬停的状态下通过遥控器控制直流电机A3减小其转速(直流电机B4转速不变)，这样直流电机A外壳内表面的摩擦因数u减小，转子受到的摩擦力减小，根据牛顿第三定律，直流电机A外壳受到的摩擦力同样减小从而小于直流电机B外壳受到的摩擦力，所以使整个机身顺时针旋转。另一方面减小直流电机A转速会使上旋翼17转速减小，受到逆时针的空气阻力减小，同样使整个机身顺时针旋转。

前进：用遥控器控制尾部电机逆时针旋转带动尾旋翼逆时针旋转产生向上的力(升力)，导致整个机身低头从而产生向前的分力使飞行器前进。

后退：用遥控器控制尾部电机顺时针旋转带动尾旋翼顺时针旋转产生向下的力(降力)，导致整个机身抬头从而产生向后的分力使飞行器后退。

本发明专利结构简单，成本低廉，易于装配，功能齐全，能实现陆空两用，有较好的发展前景。

Claims (1)

1.一种共轴双旋翼陆空两用飞行器的控制方法，其特征在于，该飞行器包括机身、电机支架、直流电机A、直流电机B、蓄电池、细传动轴、下齿轮、轴套A、粗传动轴、上齿轮、轴套B、轴套C、下旋翼夹、下旋翼、轴套D、上旋翼夹、上旋翼；前轮支架、后轮支架、尾部电机和尾旋翼；其中，在机身内部，电机支架与机身固定连接，直流电机A和直流电机B对称地固定在电机支架两侧，蓄电池安放在电机支架中间的电池槽内，细传动轴与下齿轮通过键链接固定，粗传动轴为中空结构与上齿轮通过键连接固定，同时细传动轴穿过粗传动轴内部，上、下齿轮通过轴套A隔开固定，粗传动轴通过轴套B在机身内部固定，粗、细两传动轴转动互不干扰；在机身外部，粗传动轴通过轴套C与机身再次固定，使粗传动轴相对机身顶部保持垂直状态，下旋翼夹通过销钉固定在粗传动轴外壁，在下旋翼上方，上旋翼夹通过销钉固定在细传动轴外壁，上、下旋翼夹中间通过轴套D固定，上、下旋翼的根部分别插入上、下旋翼夹水平相对设置的薄槽内，并通过销轴定位，销轴与旋翼夹通过螺纹固定，旋翼能够绕销轴180度旋转；两个前轮支架对称地固定在机身前端左右两侧面，再通过轴承与两个前轮连接；后轮支架一端通过键与机身底座的尾部连接，后轮支架能够绕连接轴旋转，旋转幅度为偏离机身头尾方向水平中心轴30度，后轮支架另一端为一根横轴通过轴承与两个后轮连接；尾部电机安装于机身尾部、尾旋翼直接与尾部电机的传动轴固定，同速转动；直流电机A和直流电机B转速相同，转向相反，上下旋翼镜面对称，实现同速反向旋转；当机身头尾方向水平中心轴与空间水平面平行时，前轮的下边缘高于后轮的下边缘；两个前轮之间的距离小于前、后轮之间的距离；控制方法分为两种情况：

第一种情况，陆上行驶；

前进：由于后轮支架安装在机身底部而前轮支架安装在机身侧面，使整个机身向前倾斜，传动轴也向前倾斜从而导致上下旋翼的旋转平面向前倾斜，产生的升力有向前的分量，这个分力就是飞行器在陆地前进的动力；保证飞行器在陆地稳定的前进不左右旋转，还需控制两个因素：1)用遥控器控制直流电机A和直流电机B同速反向旋转且相对传动轴对称地固定，这样左右电机外壳接触面的摩擦因数u大小始终相等，所以左右电机转子受到的摩擦力大小相等方向相反，可以平衡由于电机转子与电机外壳产生的摩擦力而导致的整个机身旋转；2)由于直流电机A与下齿轮啮合，下齿轮带动细传动轴，细传动轴带动上旋翼，所以上旋翼顺时针旋转；而直流电机B与上齿轮啮合，上齿轮带动粗传动轴，粗传动轴带动下旋翼，所以下旋翼逆时针旋转；旋翼旋转会切割空气，空气会给旋翼反方向的旋转力，导致整个机身相对旋翼反方向旋转；上下旋翼镜面对称同速反向旋转，这样空气对旋翼的旋转阻力可以相互抵消，机身就会保持稳定不打转；用遥控器控制两电机转速低于临界转速，即飞行器在空中悬停时电机的转速旋转，这样上下旋翼产生的合升力小于飞行器的重力，飞行器就会在陆地上稳定前进；

逆时针旋转：通过遥控器控制直流电机B减小其转速，直流电机A转速不变，这样直流电机B外壳内表面的摩擦因数u减小，转子受到的摩擦力减小，根据牛顿第三定律，直流电机B外壳受到的摩擦力同样减小从而小于直流电机A外壳受到的摩擦力，所以使整个机身逆时针旋转；另一方面减小直流电机B转速会使下旋翼转速减小，受到顺时针的空气阻力减小，同样使整个机身逆时针旋转；

顺时针旋转：通过遥控器控制直流电机A减小其转速，直流电机B转速不变，这样直流电机A外壳内表面的摩擦因数u减小，转子受到的摩擦力减小，根据牛顿第三定律，直流电机A外壳受到的摩擦力同样减小从而小于直流电机B外壳受到的摩擦力，所以使整个机身顺时针旋转；另一方面减小直流电机A转速会使上旋翼转速减小，受到逆时针的空气阻力减小，同样使整个机身顺时针旋转；

第二种情况：空中飞行；

上升或下降：用遥控器控制两电机转速高于或低于临界转速即飞行器在空中悬停时电机的转速旋转，这样上下旋翼产生的合升力大于或小于飞行器的重力，对应的飞行器就会在空中上升或下降；由于整个机身重心的设计，飞行器在空中飞行时机身、传动轴、旋翼旋转平面处于水平状态，上下旋翼产生的升力垂直向上；

逆时针旋转：飞行器在空中悬停的状态下通过遥控器控制直流电机B减小其转速，直流电机A转速不变，这样直流电机B外壳内表面的摩擦因数u减小，转子受到的摩擦力减小，根据牛顿第三定律，直流电机B外壳受到的摩擦力同样减小从而小于直流电机A外壳受到的摩擦力，所以使整个机身逆时针旋转；另一方面减小直流电机B转速会使下旋翼转速减小，受到顺时针的空气阻力减小，同样使整个机身逆时针旋转；

顺时针旋转：飞行器在空中悬停的状态下通过遥控器控制直流电机A减小其转速，直流电机B转速不变，这样直流电机A外壳内表面的摩擦因数u减小，转子受到的摩擦力减小，根据牛顿第三定律，直流电机A外壳受到的摩擦力同样减小从而小于直流电机B外壳受到的摩擦力，所以使整个机身顺时针旋转；另一方面减小直流电机A转速会使上旋翼转速减小，受到逆时针的空气阻力减小，同样使整个机身顺时针旋转；

前进：用遥控器控制尾部电机逆时针旋转带动尾旋翼逆时针旋转产生向上的力，导致整个机身低头从而产生向前的分力使飞行器前进；

后退：用遥控器控制尾部电机顺时针旋转带动尾旋翼顺时针旋转产生向下的力，导致整个机身抬头从而产生向后的分力使飞行器后退。

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