CN108357674B - 可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器，包括机架以及沿周向固定在所述机架上的至少三根机臂，所述机臂上安装有转向装置、以及自机架向外依次设置的连接电机的大螺旋桨和连接电机的小螺旋桨，各所述大螺旋桨的旋转轴心共圆，各所述小螺旋桨的旋转轴心共圆且所在圆与大螺旋桨旋转轴心所在圆同心；所述转向装置包括与所述机臂固接的舵机和侧板，以及一端与舵机轴固接、另一端通过短轴与所述侧板轴接的电机座，与小螺旋桨连接的电机固定于所述电机座上。本发明飞行器的载重能力和灵活性、稳定性都得到明显提高，且通过内大桨，外小桨的结构设置，大大降低了飞行器坠机的可能性。

Description

可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及到一种可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器。

背景技术

目前，多旋翼无人飞行器的电机分布于飞行器外侧，同时承担提供升力、调节平衡、转向等多个作用。当飞行器需要承载较大载重时，大螺旋桨的转动惯量和受到空气阻力较大，不利于飞行器的移动、转向和平衡调节，飞行器的灵活性及稳态性能差。其次，传统多旋翼无人飞行器各个螺旋桨在同一平面内旋转，当飞行器做水平运动时，飞行器机体须处于倾斜状态以提供侧向力，这种方式限制了飞行器的水平速度，也不利于飞行器的图像传输、农药喷洒等实际作业。最后，提供主要动力的电机位于飞行器外侧的结构，提高了对飞行器各部件的性能要求，当飞行器为三旋翼无人飞行器或四旋翼无人飞行器时，必须要求所有电机和螺旋桨都正常工作，才能保证飞行器的正常飞行。但由于其桨位于外侧的结构，易发生碰撞而发生断桨、射桨等事故，导致飞行器事故的发生。

现有技术中，多旋翼无人飞行器通过共轴电机和共轴螺旋桨来提高升力和改善灵活性，这种结构的缺陷是：当一轴发生碰撞时，该轴上的两个螺旋桨都极易发生断桨，导致坠机。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器，在大载重时仍能保持较好的转向和平衡调节性能，并且在使用时的安全性较高。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器，包括机架以及沿周向固定在所述机架上的至少三根机臂，所述机臂上安装有转向装置、以及自机架向外依次设置的连接电机的大螺旋桨和连接电机的小螺旋桨，各所述大螺旋桨的旋转轴心共圆，各所述小螺旋桨的旋转轴心共圆且所在圆与大螺旋桨旋转轴心所在圆同心；

所述转向装置包括与所述机臂固接的舵机和侧板，以及一端与舵机轴固接、另一端通过短轴与所述侧板轴接的电机座，与小螺旋桨连接的电机固定于所述电机座上；

还包括安装于所述机架上的信号接收模块、惯性测量和微处理器模块，所述惯性测量和微处理器模块分别与各电机以及信号接收模块电性连接。

本方案中各螺旋桨的分布方式，保证了飞行器本身机构的平衡性，通过大螺旋桨提供升力，利用小螺旋桨进行转向和平衡调节，将小螺旋桨设置在外，使得小螺旋桨对机体中心的力矩大，使其满足飞行器移动、转向和平衡调节的要求。

作为优化，所述机臂上设有若干组螺旋桨，每组螺旋桨包括一个连接电机的大螺旋桨和一个连接电机的小螺旋桨，所有小螺旋桨均位于大螺旋桨的外侧。通过本优化方案的设置，使得飞行器在满足重负载转向和平衡性好的前提下，其规格更多样，适用范围更广，只需根据需求增加机臂的长度，然后选择合适的大螺旋桨和小螺旋桨，机臂数量无需变化，提高了生产效率，可满足批量生产的要求。

作为优选，所述机臂的数量为4，且沿周向均匀分布，每根机臂上设有一个连接电机的大螺旋桨和一个连接电机的小螺旋桨。本优选方案适用范围广，且平衡性好，调节平衡时反应快速。

作为优化，与所述大螺旋桨连接的电机为低KV值无刷电机，与所述小螺旋桨连接的电机为高KV值无刷电机。大螺旋桨7的电机用低KV值无刷电机，可发挥其大扭矩的特性，为飞行器提供足够的升力；小螺旋桨的电机用高KV值无刷电机则利用其良好的调速性能，从而使飞行器载重能力增加、移动和转向更为灵活，调节过程更为迅速。

本发明的有益效果为：

1、飞行器的载重能力和灵活性、稳定性都得到明显提高。利用大螺旋桨提供较大的升力大，在提供升力时，对其转速调节的要求降低，对机体中心的力矩的要求也降低，故把大螺旋桨放在内侧。小螺旋桨的转动惯量和受到的空气阻力也较小，同时小螺旋桨设置在外侧，使得小螺旋桨对机体中心的力矩大，能很好地满足飞行器移动、转向和平衡调节的要求。

2、可倾转螺旋桨的设计，给飞行器平移提供了新的方案，即通过倾转螺旋桨来提供侧向力而实现飞行器的平移。采用此方案可给飞行器提供更大的侧向力而提高飞行器的平移速度；同时，该设计可保持飞行器主体一直处于水平状态，即飞行器不用通过俯仰运动和滚转运动就能实现平移，大大降低了控制算法的难度，提高了飞行器的稳定性。此外，可以保持飞行器主体在飞行过程中一直处于水平状态，有利于降低飞行器实际作业的难度，如图像传输时调节摄像头角度更加方便，植保无人机喷洒农药时能垂直向下喷洒以提高其精准度等。

3、内大桨，外小桨的结构，大大降低了飞行器坠机的可能性。采用内大桨、外小桨的结构，当飞行器外侧与物体发生碰撞时，大螺旋桨在内侧不易受到撞击，外侧的小螺旋桨即使发生断桨或电机故障，大螺旋桨仍能发挥提供升力的作用，且大螺旋桨也具有一定的移动、转向和平衡调节作用，不会过多影响飞行器性能，在发生碰撞的情况下，也能安全着陆。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明中转向装置结构示意图；

图中所示：

1、机架，2、信号接收模块，3、惯性测量和微处理器模块，4、脚架，5、机臂，6、低KV值无刷电机，7、大螺旋桨，8、高KV值无刷电机， 9、第一小螺旋桨，10、第二小螺旋桨，11、第三小螺旋桨，12、第四小螺旋桨，13、侧板，14、轴承，15、舵机，16、电机座，17、内圆，18、外圆。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面以四轴四旋翼为例，对本方案进行阐述。

如图1所示一种可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器，包括机架1、与机架1固接的脚架4，以及沿周向固定在所述机架1上的四根机臂5，四根机臂5沿周向均匀分布，所述机臂5上安装有转向装置、以及自机架向外依次设置的一个连接电机的大螺旋桨7和一个连接电机的小螺旋桨，大螺旋桨7的尺寸大于小螺旋桨，各小螺旋桨依次为第一小螺旋桨9、第二小螺旋桨10、第三小螺旋桨11和第四小螺旋桨12，与所述大螺旋桨7连接的电机为低KV值无刷电机6，与所述小螺旋桨连接的电机为高KV值无刷电机8。

各大螺旋桨7的旋转轴心和各低KV值无刷电机6的旋转轴心均位于同一个内圆17上，各小螺旋桨的旋转轴心和各高KV值无刷电机8的旋转轴心均位于同一个外圆18上，内圆17和外圆18同心，图中内圆17和外圆18为辅助线，并无实体。

转向装置包括与所述机臂5固接的舵机15和侧板13，以及一端与舵机轴固接、另一端通过短轴与所述侧板轴接的电机座16，与小螺旋桨连接的电机固定于所述电机座16上，为了提高电机座转动的灵活性而提高调节的灵活性，短轴通过轴承14与侧板连接。当舵机15接收到惯性测量和微处理器模块3的信号，就带动电机座16转动，从而实现高KV值无刷电机8和小螺旋桨的大角度倾转。

本实施例还包括安装于所述机架上的信号接收模块2、惯性测量和微处理器模块3，所述惯性测量和微处理器模块3分别与各电机以及信号接收模块2电性连接。

本发明的工作原理为：

本发明飞行器垂直起飞时，惯性测量和微处理器模块3发送指令使转向装置带动小螺旋桨转向正上方，并检测飞行器主体是否处于水平位置，若不在水平位置，可先通过外侧小螺旋桨提供升力将飞行器调平。在调平过程中，飞行器并未完全离开地面，故地面给飞行器提供支持力，一方面减少了调平过程中小螺旋桨所需的升力，另一方面防止飞行器做偏航运动。由此调平得以实现。调平后，同时启动四个大螺旋桨7正常起飞，由于飞行器已经处于水平状态，四个大螺旋桨7大致处于相同转速，大大提高了起飞的可靠性。

本发明飞行器做升降运动或悬停时，转向装置带动小螺旋桨转向正上方，飞行器的大、小螺旋桨同时工作，当飞行器的惯性测量和微处理器模块3检测到飞行器主体与水平面有误差时，对于该误差，可使大螺旋桨7转速的PID控制规律中主要突出积分作用；而使所述小螺旋桨转速度的PID控制规律主要突出比例和微分的作用。具体来说，当误差产生时，小螺旋桨的调速作用更为突出，用很短的时间消除外部干扰的影响，而大螺旋桨7主要用于提供升力，保证飞行器水平，保证飞行器高度。

本发明飞行器做偏航运动时，在机体视角，各转向装置带动小螺旋桨同时顺时针或逆时针倾转，第一小螺旋桨9、第二小螺旋桨10、第三小螺旋桨11和第四小螺旋桨12产生侧向力共同作用在机体上，转向更为灵活、高效，且不影响主动力螺旋桨转速。

本发明飞行器做平移运动时，大螺旋桨7仍然提供升力、调节机体平衡，惯性测量和微处理器模块3根据需要移动的方向和速度，计算出各个转向装置的倾转角度及小螺旋桨的转速。由此，飞行器运动的侧向力完全由小螺旋桨提供，而不用依靠机体的俯仰和滚转运动，飞行器机体得以在平移过程中也保持水平。例如，当飞行器需要向前平移时，转向装置分别带动第一小螺旋桨9向右前方，第二小螺旋桨10向左前方，第三小螺旋桨11向右前方，第四小螺旋桨12向左前方倾转，之后各小螺旋桨同时提高转速。

为使所述可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器有良好的性能和容易实现的结构，可选型为四轴八旋翼无人飞行器、六轴十二旋翼无人飞行器、八轴十六旋翼无人飞行器等。单从结构上来说，要实现上述三种形式，只需在原有四轴四旋翼无人飞行器、六轴六旋翼无人飞行器、八轴八旋翼无人飞行器的基础上，增加机臂5的长度，再选择合适的螺旋桨组，每组包含有一个大螺旋桨和一个小螺旋桨，采用大螺旋桨在内，小螺旋桨在外的形式安装在同一机臂上，机臂数量无需改变。

旋翼组件中大螺旋桨的数量和小螺旋桨的数量也可以不同，例如采用四个大螺旋桨和六个小螺旋桨的结构，满足更多工况的使用要求。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (2)

1.一种可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器，包括机架（1）以及沿周向固定在所述机架（1）上的至少三根机臂（5），其特征在于：所述机臂（5）上安装有转向装置、以及自机架向外依次设置的连接电机的大螺旋桨（7）和连接电机的小螺旋桨，各所述大螺旋桨的旋转轴心共圆，各所述小螺旋桨的旋转轴心共圆且所在圆与大螺旋桨旋转轴心所在圆同心；

所述转向装置包括与所述机臂（5）固接的舵机（15）和侧板（13），以及一端与舵机轴固接、另一端通过短轴与所述侧板轴接的电机座（16），与小螺旋桨连接的电机固定于所述电机座（16）上；

还包括安装于所述机架上的信号接收模块（2）、惯性测量和微处理器模块（3），所述惯性测量和微处理器模块（3）分别与各电机以及信号接收模块（2）电性连接；

所述机臂（5）上设有若干组螺旋桨，每组螺旋桨包括一个连接电机的大螺旋桨和一个连接电机的小螺旋桨，所有小螺旋桨均位于大螺旋桨的外侧；

所述机臂的数量为4，且沿周向均匀分布，每根机臂上设有一个连接电机的大螺旋桨和一个连接电机的小螺旋桨。

2.根据权利要求1所述的可倾转螺旋桨内大桨外小桨多旋翼无人飞行器，其特征在于：与所述大螺旋桨（7）连接的电机为低KV值无刷电机（6），与所述小螺旋桨连接的电机为高KV值无刷电机（8）。