CN107600415A - 一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，涉及无人机领域，包括机身，从前到后依次设于机身上的横向机臂、纵向机臂；横向机臂与纵向机臂相垂直，横向机臂的两端均设有第一旋翼组；所述横向机臂两端均设有驱动第一旋翼组沿横向机臂轴线旋转的偏转机构；所述纵向机臂的后端设有两个在水平面的投影相互垂直的第二旋翼，纵向机臂上还设有同时驱动两个第二旋翼旋转的驱动机构和同时驱动第二旋翼变距的变距机构。本发明通过设置偏转机构，驱动第一旋翼沿横向机臂轴线旋转，使无人机无须侧倾机身即可实现前进后退动作，实现提高无人机机动性的效果。

Description

一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体的说，是一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机。

背景技术

无人机是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并执行一定任务的飞行器。无人机与普通飞机相比，其结构简单成本低，便于制造和维护；由于无人驾驶，所以其有效载荷更大，能够安装更多的设备或武器，完成任务的效率和可靠性更高；而且即使出现意外险情也不会危及到飞行员的生命安全，因此广泛应用于各种高风险的任务中。按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种，将这两种类型的无人机进行比较，旋翼机有十分突出的优点：体积小、质量小、操纵简单、起降空间小不需要滑跑或弹射、悬停在空中制起来非常灵活等等。垂直起降的无人机对于研究者、爱好者和军事上都非常流行。四旋翼直升机是旋翼机的一种，它是由电机驱动旋翼转动的、能够垂直起降的飞行器。与常规旋翼式直升机相比，其结构更为紧凑，能够产生更大的升力，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩，而不需要专门的反扭矩桨。四旋翼的适应性越好，它们能解决的复杂任务越多。

在小型无人机领域，四旋翼飞行器是最普通最稳定的一种类型，但是由于普通四旋翼仍然是欠驱动强耦合系统并且其动力学设计简单且未能被完全开发，以至于无法完成一些复杂动作以及一些高难度任务，需要在飞行时要调整位置时必须要调整姿态，例如必须侧倾机身才能实现前进后退动作，因而降低了无人机机动性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，用于解决现有技术中由于普通四旋翼仍然是欠驱动强耦合系统并且其动力学设计简单且未能被完全开发导致必须侧倾机身才能实现前进后退动作，降低了无人机机动性的问题。本发明通过设置偏转机构，驱动第一旋翼沿横向机臂轴线旋转，使无人机无须侧倾机身即可实现前进后退动作，实现提高无人机机动性的效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，包括机身，从前到后依次设于机身顶部的横向机臂、纵向机臂；横向机臂与纵向机臂相垂直，横向机臂的两端均设有第一旋翼组；第一旋翼组包括无刷电机以及安装在无刷电机输出端的第一旋翼；所述横向机臂两端均设有驱动第一旋翼组沿横向机臂轴线旋转的偏转机构；所述纵向机臂的后端设有两个在水平面的投影相互垂直的第二旋翼，纵向机臂上还设有驱动两个第二旋翼旋转的驱动机构和驱动两个第二旋翼变距的变距机构；；所述偏转机构包括安装在横向机臂端部的偏转座、套设在偏转座内的电机座、驱动电机座转动的偏转驱动机构；第一旋翼组安装在电机座上。如图2所示，所述水平面是指图2俯视图的投影面；所述两个在水平面的投影相互垂直的第二旋翼，是指两个第二旋翼旋转形成的面相互垂直；这样设置的目的使第二旋翼能够克服无人机其他旋翼旋转产生的力矩，防止无人机打转，从而形成三点旋翼结构，提高无人机的机动性，同时增加无人机后端对外界的抗风能力。如图1或2所示，偏转驱动机构驱动电机座绕横向机臂轴线旋转即可使第一旋翼产生向前或向后的推力，实现无人机的前进或后退的动作，而不需要侧倾机身，减小飞行阻力，进一步提高无人机的机动性。所述偏转驱动机构、驱动机构以及变距机构均可以采用现有技术实现。

进一步地，所述偏转驱动机构包括安装在电机座上的摆臂、偏转连杆、安装在偏转座上的偏转舵机、摇臂；摇臂的一端安装在偏转舵机的输出端，摇臂的另一端与偏转连杆铰接连接；偏转连杆的一端与摇臂铰接连接，偏转连杆的另一端与摆臂铰接连接。如图4和5所示，偏转舵机带动摇臂旋转，通过偏转连杆带动摆臂绕着横向机臂的轴线偏转，从而带动电机座旋转。

进一步地，所述驱动机构包括安装在纵向机臂后端的尾旋翼驱动电机、两个结构相同的传动组件；传动组件包括万向节、传动轴、安装在传动轴上的齿轮、转动安装在纵向机臂后端的转动轴；第二旋翼安装在转动轴上；万向节的一端与转动轴连接，万向节的另一端与传动轴连接；两个齿轮相啮合；尾旋翼驱动电机的输出端与两个传动轴中的任意一个传动轴连接。如图6所示，尾旋翼驱动电机通过涡轮带动其中一个传动轴转动并通过传动轴上的齿轮带动另一个传动轴转动，传动轴通过万向节带动转动轴转动，从而驱动两个第二旋翼旋转，由于齿轮不会打滑，并且两个第二旋翼在水平面的投影相互垂直，因此，两个第二旋翼不会干涉。

进一步地，所述两个传动轴中的任意一个套设安装有涡轮；尾旋翼驱动电机的输出端安装有涡杆；涡杆与涡轮相啮合。

进一步地，所述变距机构包括安装在纵向机臂后端的变距舵机、安装在变距舵机上的变距摇臂、设置在变距摇臂两端的两个变距传动组件；变距传动组件包括变距舵机连杆、直角传动杆、推拉连杆、沿转动轴轴线滑动设置的变距推拉座、套设在转动轴外的变距座、变距连杆、安装在转动轴上的旋翼座、转动设置在旋翼座上的第二旋翼；变距舵机连杆的一端与变距摇臂球铰接，变距舵机连杆的另一端与直角传动杆球铰接；直角传动杆具有依次连接的第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点，直角传动杆的第一铰接点与变距舵机连杆球铰接，直角传动杆的第二铰接点与纵向机臂铰接，直角传动杆的第三铰接点与推拉连杆铰接；推拉连杆的一端与直角传动杆的第三铰接点铰接，推拉连杆的另一端与变距推拉座铰接；变距座沿转动轴轴线转动安装在变距推拉座上；变距连杆的一端与变距座球铰接，变距连杆的另一端与第二旋翼球铰接；第二旋翼沿平行于第二旋翼长度方向的轴线转动。如图3所示，变距舵机带动变距摇臂旋转，变距摇臂拉动或推动直角传动杆绕着直角传动杆的第二铰接点旋转，从而通过推拉连杆拉动或推动变距推拉座沿转动轴轴线滑动，变距推拉座拉动或推动变距座沿转动轴轴线滑动，从而通过变距连杆带动第二旋翼，实现同时改变两个第二旋翼螺距的目的，如图3所示，其中一个第二旋翼螺距变大，则另一个第二旋翼螺距就变小，形成了力差，实现无人机后端快速偏转的效果，同时简化了无人机的机械结构和控制结构。

进一步地，所述机身底部安装有两个板状的起落架。设置板状的起落架，使无人机在高速飞行时，起落架作为稳定面，从而实现增加无人机高速飞行的飞行稳定性的效果。

进一步地，所述起落架上安装有沿前后布置的起落架稳定杆；起落架稳定杆前后方向的长度大于起落架前后方向的长度。起落架稳定杆前后方向的长度大于起落架前后方向的长度，使无人机停靠时的重心落在两个起落架稳定杆之间，增加无人机停靠时的稳定性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过设置偏转机构，驱动第一旋翼沿横向机臂轴线旋转，使无人机无须侧倾机身即可实现前进后退动作，实现提高无人机机动性的效果；

（2）本发明通过在纵向机臂的后端设置两个在水平面的投影相互垂直的第二旋翼，构成三点旋翼结构，实现增加无人机机动性的效果；

（3）本发明通过设置同时驱动两个第二旋翼变距的变距结构，实现简化无人机结构和控制系统的效果。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明俯视图；

图3为变距机构结构示意图；

图4为偏转机构结构示意图；

图5为图4中A-A剖视图；

图6为驱动机构结构示意图；

图7为电机座结构示意图；

其中：1-机身；2-起落架；3-起落架稳定杆；4-横向机臂；5-无刷电机；6-第一旋翼；7-电机座；8-偏转舵机；9-竖向机臂；10-尾管座；11-第二旋翼；12-旋翼座；14-变距连杆；15-变距推拉座；16-变距座；17-推拉连杆；18-直角传动杆；19-变距舵机连杆；20-变距摇臂；21-变距舵机；23-尾旋翼驱动电机；24-转动轴承；25-轴承安装座；27-转动轴；28-齿轮；29-蜗杆；30-万向节；31-偏转连杆；32-摇臂；33-偏转座；34-偏转轴承；35-摆臂；36-涡轮。

具体实施方式

下面结合本发明的优选实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1-6所示，一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，包括机身1，从前到后依次设于机身顶部的横向机臂4、纵向机臂9；横向机臂4与纵向机臂9相垂直，横向机臂4的两端均设有第一旋翼组；第一旋翼组包括无刷电机5以及安装在无刷电机5输出端的第一旋翼6；所述横向机臂4两端均设有驱动第一旋翼组沿横向机臂4轴线旋转的偏转机构；所述纵向机臂9的后端设有两个在水平面的投影相互垂直的第二旋翼11，纵向机臂9上还设有驱动两个第二旋翼11旋转的驱动机构和驱动两个第二旋翼11变距的变距机构；；所述偏转机构包括安装在横向机臂4端部的偏转座33、套设在偏转座33内的电机座7、驱动电机座7转动的偏转驱动机构；无刷电机5安装在电机座7上。

实施例2：

为更好的实施本发明，在实施例1的基础上，结合附图1-6所示，进一步地，所述偏转驱动机构包括安装在电机座7上的摆臂35、偏转连杆31、安装在偏转座33上的偏转舵机8、摇臂32；摇臂32的一端安装在偏转舵机8的输出端，摇臂32的另一端与偏转连杆31铰接连接；偏转连杆31的一端与摇臂32铰接连接，偏转连杆31的另一端与摆臂35铰接连接。

工作原理：

如图4和5所示，本实施例中，偏转座33内套设有偏转轴承34，偏转轴承34套设在电机座7外。偏转舵机8带动摇臂32旋转，通过偏转连杆31带动摆臂35绕着横向机臂4的轴线偏转，从而带动电机座7旋转。

实施例3：

为更好的实施本发明，在实施例1的基础上，结合附图1-6所示，进一步地，所述驱动机构包括安装在纵向机臂9后端的尾旋翼驱动电机23、两个结构相同的传动组件；传动组件包括万向节30、传动轴、安装在传动轴上的齿轮28、转动安装在纵向机臂9后端的转动轴27；第二旋翼11安装在转动轴27上；万向节30的一端与转动轴27连接，万向节30的另一端与传动轴连接；两个齿轮28相啮合；尾旋翼驱动电机23的输出端与两个传动轴中的任意一个传动轴连接。

实施例4：

为更好的实施本发明，在实施例3的基础上，结合附图1-6所示，进一步地，所述两个传动轴中的任意一个套设安装有涡轮36；尾旋翼驱动电机23的输出端安装有涡杆29；涡杆29与涡轮36相啮合。

工作原理：

如图6所示，尾旋翼驱动电机23通过涡轮36带动其中一个传动轴转动并通过传动轴上的齿轮28带动另一个传动轴转动，传动轴通过万向节30带动转动轴27转动，从而驱动两个第二旋翼11旋转，由于齿轮28不会打滑，并且两个第二旋翼11在水平面的投影相互垂直，因此，两个第二旋翼11不会干涉。

实施例5：

为更好的实施本发明，在实施例3的基础上，结合附图1-6所示，进一步地，所述变距机构包括安装在纵向机臂9后端的变距舵机21、安装在变距舵机21上的变距摇臂20、设置在变距摇臂20两端的两个变距传动组件；变距传动组件包括变距舵机连杆19、直角传动杆18、推拉连杆17、沿转动轴27轴线滑动设置的变距推拉座15、套设在转动轴27外的变距座16、变距连杆14、安装在转动轴27上的旋翼座12、转动设置在旋翼座12上的第二旋翼11；变距舵机连杆19的一端与变距摇臂20球铰接，变距舵机连杆19的另一端与直角传动杆18球铰接；直角传动杆18具有依次连接的第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点，直角传动杆18的第一铰接点与变距舵机连杆19球铰接，直角传动杆18的第二铰接点与纵向机臂9铰接，直角传动杆18的第三铰接点与推拉连杆17铰接；推拉连杆17的一端与直角传动杆18的第三铰接点铰接，推拉连杆17的另一端与变距推拉座15铰接；变距座16沿转动轴轴线转动安装在变距推拉座15上；变距连杆14的一端与变距座16球铰接，变距连杆14的另一端与第二旋翼11球铰接；第二旋翼11沿平行于第二旋翼11长度方向的轴线转动。

工作原理：

如图3所示，本实施例中，纵向机臂9的后端套设有筒状的尾管座10；变距舵机21安装在尾管座10上，直角传动杆18通过直角传动杆18的第二铰接点与尾管座10铰接；尾管座10的后端设置有两个筒状的轴承安装座25，轴承安装座25内套设有转动轴轴承24，转动轴轴承24套设在转动轴27外。

如图3所示，变距舵机21带动变距摇臂20旋转，变距摇臂20拉动或推动直角传动杆18绕着直角传动杆18的第二铰接点旋转，从而通过推拉连杆17拉动或推动变距推拉座15沿转动轴27的轴线滑动，变距推拉座15拉动或推动变距座16沿转动轴27的轴线滑动，从而通过变距连杆14带动第二旋翼11，实现同时改变两个第二旋翼11的螺距的目的，如图3所示，其中一个第二旋翼11的螺距变大，则另一个第二旋翼11的螺距就变小，形成了力差，实现无人机后端快速偏转的效果，同时简化了无人机的机械结构和控制结构。

实施例6：

为更好的实施本发明，在实施例1的基础上，结合附图1-6所示，进一步地，所述机身1底部安装有两个板状的起落架2。

实施例7：

为更好的实施本发明，在实施例6的基础上，结合附图1-6所示，进一步地，所述起落架2上安装有沿前后布置的起落架稳定杆3；起落架稳定杆3前后方向的长度大于起落架2前后方向的长度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，包括机身（1），从前到后依次设于机身（1）顶部的横向机臂（4）、纵向机臂（9）；横向机臂（4）与纵向机臂（9）相垂直，横向机臂（4）的两端均设有第一旋翼组；第一旋翼组包括无刷电机（5）以及安装在无刷电机（5）输出端的第一旋翼（6），其特征在于：

所述横向机臂（4）两端均设有驱动第一旋翼组沿横向机臂（4）轴线旋转的偏转机构；所述纵向机臂（9）的后端设有两个在水平面的投影相互垂直的第二旋翼（11），纵向机臂（9）上还设有驱动两个第二旋翼（11）旋转的驱动机构和驱动两个第二旋翼（11）变距的变距机构；

所述偏转机构包括安装在横向机臂（4）端部的偏转座（33）、套设在偏转座（33）内的电机座（7）、驱动电机座（7）转动的偏转驱动机构；无刷电机（5）安装在电机座（7）上。

2.根据权利要求1所述的一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，其特征在于，所述偏转驱动机构包括安装在电机座（7）上的摆臂（35）、偏转连杆（31）、安装在偏转座（33）上的偏转舵机（8）、摇臂（32）；摇臂（32）的一端安装在偏转舵机（8）的输出端，摇臂（32）的另一端与偏转连杆（31）铰接连接；偏转连杆（31）的一端与摇臂（32）铰接连接，偏转连杆（31）的另一端与摆臂（35）铰接连接。

3.根据权利要求1所述的一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，其特征在于，所述驱动机构包括安装在纵向机臂（9）后端的尾旋翼驱动电机（23）、两个结构相同的传动组件；传动组件包括万向节（30）、传动轴、安装在传动轴上的齿轮（28）、转动安装在纵向机臂（9）后端的转动轴（27）；第二旋翼（11）安装在转动轴（27）上；万向节（30）的一端与转动轴（27）连接，万向节（30）的另一端与传动轴连接；两个齿轮（28）相啮合；尾旋翼驱动电机（23）的输出端与两个传动轴中的任意一个传动轴连接。

4.根据权利要求3所述的一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，其特征在于，所述两个传动轴中的任意一个套设安装有涡轮（36）；尾旋翼驱动电机（23）的输出端安装有涡杆（29）；涡杆（29）与涡轮（36）相啮合。

5.根据权利要求3所述的一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，其特征在于，所述变距机构包括安装在纵向机臂（9）后端的变距舵机（21）、安装在变距舵机（21）上的变距摇臂（20）、设置在变距摇臂（20）两端的两个变距传动组件；变距传动组件包括变距舵机连杆（19）、直角传动杆（18）、推拉连杆（17）、沿转动轴（27）轴线滑动设置的变距推拉座（15）、套设在转动轴（27）外的变距座（16）、变距连杆（14）、安装在转动轴（27）上的旋翼座（12）、转动设置在旋翼座（12）上的第二旋翼（11）；变距舵机连杆（19）的一端与变距摇臂（20）球铰接，变距舵机连杆（19）的另一端与直角传动杆（18）球铰接；直角传动杆（18）具有依次连接的第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点，直角传动杆（18）的第一铰接点与变距舵机连杆（19）球铰接，直角传动杆（18）的第二铰接点与纵向机臂（9）铰接，直角传动杆（18）的第三铰接点与推拉连杆（17）铰接；推拉连杆（17）的一端与直角传动杆（18）的第三铰接点铰接，推拉连杆（17）的另一端与变距推拉座（15）铰接；变距座（16）沿转动轴轴线转动安装在变距推拉座（15）上；变距连杆（14）的一端与变距座（16）球铰接，变距连杆（14）的另一端与第二旋翼（11）球铰接；第二旋翼（11）沿平行于第二旋翼（11）长度方向的轴线转动。

6.根据权利要求1所述的一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，其特征在于，所述机身（1）底部安装有两个板状的起落架（2）。

7.根据权利要求6所述的一种采用交叉变距旋翼结构的可倾转式高机动无人机，其特征在于，所述起落架（2）上安装有沿前后布置的起落架稳定杆（3）；起落架稳定杆（3）前后方向的长度大于起落架（2）前后方向的长度。