CN108557070B - 一种小型共轴双旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型共轴双旋翼飞行器，属于飞行器领域。本发明的小型共轴双旋翼飞行器，结构新颖，设计合理，通过舵机转动带动舵机摆臂与长连杆转动，进而改变倾斜盘的倾斜方向，倾斜盘可绕中心球铰球头做两个互相垂直方向的转动，从而可以实现倾斜盘平面的自由控制，倾斜盘平面的改变带来了下旋翼框倾向的改变，这使得下旋翼的升力面方向改变，实现飞行器朝各个方向的飞行。此套操纵机构既不复杂，又实现了对共轴双旋翼结构的操纵，由于两个舵机控制倾斜盘平面互相垂直的两个方向的运动，所以在对其进行控制系统的设计时，也比其他类似飞行器容易。

Description

一种小型共轴双旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种小型共轴双旋翼飞行器，属于飞行器领域。

背景技术

小型共轴双旋翼飞行器是一种体积较小、机动灵活性很高的，可垂直起降、定点悬停的无人飞行器，此类飞行器自身结构紧凑，稳定性较高，操纵和悬停效率较高，在军事和民用方面都有着比较广泛的应用。

现有小型共轴双旋翼飞行器，如北京航空航天大学在海鸥的基础上研制的去掉尾桨的共轴双旋翼无人飞行器，它的操纵机构与直升机一样，有着球型的机体，其操纵机构较为复杂并且球形的机体降低了飞行器的灵活性。(陈铭,胡继忠.M22小型无人直升机的设计特点[J].飞机设计,2005,(01):71-74.)

但是，目前的小型共轴双旋翼飞行器种类较少、成熟度相对也较低，较其他种类的飞行器而言，结构设计和姿态控制控制技术还不够成熟，应用范围较窄，这主要是因为此类飞行器要求机身机构比较复杂，并且控制系统设计难度较高，这两方面因素是限制共轴双旋翼飞行器发展的首要原因。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有小型共轴双旋翼飞行器结构复杂的问题，发明了一种小型共轴双旋翼飞行器，所述飞行器在实现共轴双旋翼飞行器功能和发挥其优势的前提下，克服以往共轴双旋翼飞行器复杂的结构，并且使其控制系统的设计难度降低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

小型共轴双旋翼飞行器，包括：中轴、两个旋翼装置、驱动电机、操纵机构、传动装置、负载筒；所述两个旋翼装置根据位置关系分别命名为上旋翼和下旋翼；两个旋翼装置中间安装有驱动电机，驱动电机通过传动装置控制旋翼装置的运动；操纵机构位于下旋翼和负载筒之间；所述中轴穿过两个旋翼装置、驱动电机、操纵机构和传动装置，然后与负载筒固定连接；

所述操纵机构包括：倾斜盘、舵机、长连杆和中心球铰球头；舵机通过固定装置固定在中轴上，并通过长连杆与倾斜盘固定连接；倾斜盘位于中心球铰球头外侧，并通过短连杆与下旋翼固定连接；中心球铰球头固定在中轴上；所述中心球铰球头沿外侧向内开设限位滑槽；

所述倾斜盘由倾斜盘基座、球铰外壳、薄壁轴承、倾斜盘外圈和限位钢珠组成；所述骨架为带有两个底座的中空圆柱体；所述球铰外壳为中空圆柱体，置于骨架的圆柱筒内；在所述球铰外壳的侧壁上开设外壳凹槽；限位钢珠部分置于外壳凹槽内，另一部分置于限位滑槽内，实现限位功能；薄壁轴承位于球铰外壳外侧；倾斜盘外圈位于薄壁轴承外侧；

所述旋翼装置旋翼通过横向的轴与中间部件连接，进而实现沿轴折叠的功能；上旋翼包括由桨叶、桨叶连接件、上翼连杆、上翼齿轮组成，桨叶通过桨叶连接件和上翼连杆固定在上翼齿轮上，其中桨叶与桨叶连接件铰接，桨叶连接件与上翼连杆铰接；下旋翼包括由桨叶、桨叶连接件、下翼连杆、梯形连杆组成，桨叶铰接在桨叶连接件上，桨叶连接件与下翼连杆铰接，下翼连杆与梯形连杆固连；

所述中轴为空心管；所述骨架的两个底座之间的角度为90°；

所述传动装置包括上齿轮、下齿轮和一对小齿轮，所述上齿轮带有突出的台阶面，所述上翼连杆通过台阶面与上齿轮相连，所述上齿轮通过固定在中轴上的一对轴承与机身相连，下齿轮的台阶面上有突出的转轴，所述下翼连杆中间位置打有光滑的通孔，所述转轴通过下翼连杆上的通孔与下旋翼框相连，所述下齿轮通过一对轴承与中轴相连。

工作过程：

所述飞行器工作过程首先由负载筒中的飞控系统上电，驱动电机通过传动装置带动旋翼装置转动，当所述飞行器需要进行姿态和位置改变时，飞控系统发出指令使上、下驱动电机产生不同的转速，进而产生差速使机身沿其轴线改变方向，从而改变飞行方向；飞控系统发出指令使舵机产生不同摆角，舵机的摆动通过舵机摆臂、长连杆、小球铰壳、小球铰球头的传动，使倾斜盘发生横、纵向的转动，倾斜盘绕中心球铰球头的横、纵向转动通过倾斜盘外圈和短连杆传递到下旋翼装置上，使得下旋翼装置在转动的时候产生一个沿倾斜盘转动方向的一个周期变距，进而使得作用在所述飞行器旋翼装置上的升力方向发生改变，从而达到改变所述飞行器飞行姿态的目的。所述飞行器在不工作时，旋翼装置可以沿轴折叠，具有方便收纳的功能。

有益效果

本发明的小型共轴双旋翼飞行器，结构新颖，设计合理，通过舵机转动带动舵机摆臂与长连杆转动，进而改变倾斜盘的倾斜方向，倾斜盘可绕中心球铰球头做两个互相垂直方向的转动，从而可以实现倾斜盘平面的自由控制，倾斜盘平面的改变带来了下旋翼框倾向的改变，这使得下旋翼的升力面方向改变，实现飞行器朝各个方向的飞行。此套操纵机构既不复杂，又实现了对共轴双旋翼结构的操纵，由于两个舵机控制倾斜盘平面互相垂直的两个方向的运动，所以在对其进行控制系统的设计时，也比其他类似飞行器容易。

附图说明

图1是共轴双旋翼飞行器整体示意图；

图2是共轴双旋翼飞行器操纵机构局部示意图；

图3是共轴双旋翼飞行器倾斜盘结构示意图；

图4是共轴双旋翼飞行器下旋翼装置结构示意图；

图5是共轴双旋翼飞行器上旋翼装置结构示意图；

图6是下旋翼齿轮的结构示意图；

图7是共轴双旋翼飞行器整体剖视图。

其中，1—中轴、2—旋翼装置、3—驱动电机、4—操纵机构、5—传动装置、6—负载筒、7—倾斜盘、8—长连杆、9—舵机、10—舵机支架、11—小球铰壳、12—小球铰球头、13—舵机摆臂、14—短连杆、15—薄壁轴承、16—倾斜盘外圈、17—限位钢珠、18—倾斜盘基座、19—中心球铰外壳、20—梯形连杆、21—下翼连杆、22—桨叶连接件、23—桨叶、24—上齿轮、25—上翼连杆、26—下齿轮、27—轴承、28—限位滑槽、29—中心球铰球头。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示本发明的结构，为一种小型共轴双旋翼飞行器。包括中轴1、旋翼装置2、驱动电机3、操纵机构4、传动装置5和负载筒6等。所述旋翼装置2旋翼通过横向的轴与中间部件连接，进而实现沿轴折叠的功能。所述旋翼装置2、操纵机构4和其他零件通过螺钉或者配合安装在中轴1上。所述驱动电机3通过紧固螺钉固定在中轴1上的电机座上，所述小齿轮固接在电机的输出轴上，所述电机座镜像、并且上下颠倒的固定在中轴1上，两个电机座之间通过螺钉紧固，所述上、下齿轮分别与上、下驱动电机输出轴上的小齿轮啮合。所述负载筒6内装有电池、电路、和负载等，负责飞行器的能源提供和飞行控制，电线通过中轴1碳纤维管的空心管道与中轴1上各个位置的舵机9、驱动电机3相连。

如图2所示是共轴双旋翼飞行器操纵机构4局部示意图，所述操纵机构4包括倾斜盘7、长连杆8、舵机9、舵机支架10等零件。所述舵机支架10分为两个，结构完全相同，中间隔着一定的距离，舵机支架10上有若干个螺纹孔，所述舵机9通过螺纹孔固定在两个舵机支架10中间，所述电机座对立的固定在碳纤维管的上部位置；所述舵机9通过舵机摆臂13、长连杆8和小球头12与倾斜盘7相连，所述倾斜盘7向上翘起部分有两个螺纹孔，小球头12通过螺纹孔与倾斜盘7相连；所述长连杆8包括一根光滑杆和两个小球铰壳11，所述舵机摆臂13通过沉头孔直接固连在舵机9的输出轴上，所述舵机摆臂13上同样有螺纹孔，所述小球头通过螺纹孔与舵机摆臂13相连，所述长连杆8的两端分别连接着倾斜盘7上的小球头和舵机摆臂13上的小球头。所述倾斜盘7通过梯形连杆14与下旋翼框相连，所述倾斜盘7通过球头、球头扣配合与倾斜盘7相连，且通过铰接的方式与旋翼框相连，当所述倾斜盘7转动任意角度时，下旋翼框的短边、两个梯形连杆28的有效长度、倾斜盘7的与球头连接处的直径，四者都能形成一个平行四边形，所以所述下旋翼框的倾斜方向与倾斜盘7的倾斜方向完全一致。

如图3所示是共轴双旋翼飞行器倾斜盘7结构示意图；所述倾斜盘7由薄壁轴承15、倾斜盘外圈16、限位钢珠17、倾斜盘基座18和球铰外壳19组成。所述骨架为带有两个底座的中空圆柱体；所述球铰外壳19为中空圆柱体，置于骨架的圆柱筒内；在所述球铰外壳19的侧壁上开设外壳凹槽；限位钢珠17部分置于外壳凹槽内，另一部分置于限位滑槽28内，实现限位功能(如图7所示)；薄壁轴承15位于倾斜盘基座18外侧并且位于倾斜盘外圈16内侧，此3者固定方式为过盈配合。倾斜盘基座18与球铰外壳19固定方式为过盈配合。

如图4所示是共轴双旋翼飞行器下旋翼装置结构示意图。所述下旋翼包括一对下桨叶和下旋翼框，所述下旋翼框包括一对梯形连杆20、两个下翼连杆21和两个桨叶连接件22，所述梯形连杆20有四个螺纹通孔，所述下翼连杆21通过螺纹通孔与两个梯形连杆20相连组成一个矩形的结构，所述的桨叶连接件20用来连接桨叶与下翼连杆21，整个下旋翼框通过梯形连杆14与下方的倾斜盘7相连，所述梯形连杆14通过铰接的方式与下旋翼框上的梯形连杆20相连，又通过球头、球头扣的结构与下方倾斜盘7上的倾斜盘外圈16相连。

如图5所示是共轴双旋翼飞行器上旋翼装置结构示意图；所述上旋翼包括桨叶连接件22、一对上桨叶23、上齿轮24和上翼连杆25，所述上桨叶通过螺纹通孔与桨叶连接件22相连，桨叶连接件22通过通孔与上翼连杆25相连，所述上翼连杆25又通过螺钉与上齿轮24相连。上齿轮24与中轴1采用轴承27连接(如图7所示)。

图6是下旋翼齿轮的结构示意图，下齿轮26是传动装置5的组成部分，下齿轮26台阶面上有突出的转轴，所述下翼连杆21中间位置打有光滑的通孔，所述转轴通过下翼连杆21上的通孔与下旋翼框相连，所述下齿轮26通过一对轴承27与中轴1相连(如图7所示)。

如图7所示是共轴双旋翼飞行器整体剖视图。包括中轴1、舵机9与电机支架、轴承27、限位滑槽28、中心球铰球头29、电机座和负载筒6等零件，所述中心球铰球头29固定在中轴1的中段，所述舵机支架10固定在中轴1上球铰球头29的下方，所述负载筒6固定在中轴1的最下方。

为了克服共轴双旋翼飞行器结构复杂、控制困难等缺陷，本发明提出一种独特的操纵机构4和旋翼装置2，所述操纵机构4的主体由舵机9和倾斜盘7构成，所述的两个舵机9垂直摆放，以达到控制两个垂直方向转动的目的，所述舵机9通过舵机摆臂13和长连杆与倾斜盘7相连，所述舵机9输出轴转动，所述舵机摆臂13跟着转动，带动长连杆上、下运动，所述倾斜盘7也会跟着长连杆转动。所述倾斜盘7通过球铰与中轴1连接，所述球铰内有限位小球和限位槽27，限制了倾斜盘7的周向转动，所以所述倾斜盘7只能沿着两个舵机9摆臂13转动的方向转动，所述的两个舵机的任意转角都对应着倾斜盘7法向方向唯一且固定的朝向，综上所述所属舵机9可以控制倾斜盘7的法向朝着一个一定角度圆锥体内任意方向。

所述下旋翼框通过铰接的方式与下主齿轮相连，所述下主齿轮通过一对轴承26连接在机身1上，而且与所述电机的输出轴上的齿轮相啮合，所述电机转动带动下主齿轮转动，从而带动下旋翼框转动。所述倾斜盘7的外圈通过一薄壁轴承15连接在球铰座上，所以所述倾斜盘外圈可以自由转动又不影响倾斜盘7朝向，当所述下旋翼框转动时，带动两梯形连杆28转动，所述倾斜盘外圈跟着转动，所述下旋翼框的倾斜方向发生周期性的改变，但是每当所述下旋翼框转动到可以形成平行四边形的位置时，倾斜角度达到最大，所述下倾斜盘7转动产生升力，升力面是一个变化的平面，求出其等效升力面与最大转角升力面的关系，这样就可以根据调整倾斜盘7的转向自由调整升力面的朝向，而倾斜盘7的转向是由两个舵机9自由控制的。通过控制所述舵机9的转角即可自由控制升力面的朝向。

所述上旋翼框不能改变转角，通过轴承26与机身1相连，又通过螺钉固连在上主齿轮上，上主齿轮与另一电机的输出轴齿轮相啮合，当所述电机3转动时，即可带动上旋翼框转动产生升力。

综上所述，本发明的小型共轴双旋翼飞行器，相对其他共轴双旋翼飞行器而言，省去了套筒、联轴器、防扭转件等装置，结构简单；一般共轴双旋翼飞行器控制的是倾斜盘7呈120°的两个转向，而本发明中直接控制互相垂直的两个转向，对飞行器的控制相对直接、简单，省去了很多换算，简化了步骤。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.小型共轴双旋翼飞行器，其特征在于：包括：中轴(1)、两个旋翼装置(2)、驱动电机(3)、操纵机构(4)、传动装置(5)和负载筒(6)；所述两个旋翼装置(2)根据位置关系分别命名为上旋翼和下旋翼；两个旋翼装置(2)中间安装有驱动电机(3)，驱动电机(3)通过传动装置(5)控制旋翼装置(2)的运动；操纵机构(4)位于下旋翼和负载筒(6)之间；所述中轴(1)穿过两个旋翼装置(2)、驱动电机(3)、操纵机构(4)和传动装置5，然后与负载筒(6)固定连接；

所述操纵机构(4)包括：倾斜盘(7)、舵机(9)、长连杆(8)和中心球铰球头(29)；舵机(9)通过固定装置固定在中轴(1)上，并通过长连杆(8)与倾斜盘(7)固定连接；倾斜盘(7)位于中心球铰球头(29)外侧，并通过短连杆(14)与下旋翼固定连接；中心球铰球头(29)固定在中轴(1)上；所述中心球铰球头(29)沿外侧向内开设限位滑槽(28)；

所述倾斜盘(7)由倾斜盘基座(18)、球铰外壳(19)、薄壁轴承(15)、倾斜盘外圈(16)和限位钢珠(17)组成；所述倾斜盘基座(18)为带有两个底座的中空圆柱体；所述球铰外壳(19)为中空圆柱体，置于倾斜盘基座(18)的圆柱筒内；在所述球铰外壳(19)的侧壁上开设外壳凹槽；限位钢珠(17)部分置于外壳凹槽内，另一部分置于限位滑槽(28)内，实现限位功能；薄壁轴承(15)位于球铰外壳(19)外侧；倾斜盘外圈(16)位于薄壁轴承(15)外侧。

2.如权利要求1所述的小型共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述两个旋翼装置(2)通过横向的轴与中间部件连接，进而实现沿轴折叠的功能；上旋翼由桨叶(23)、桨叶连接件(22)、上翼连杆(25)、上翼齿轮(24)组成，桨叶(23)通过桨叶连接件(22)和上翼连杆(25)固定在上翼齿轮(24)上，其中桨叶(23)与桨叶连接件(22)铰接，桨叶连接件(22)与上翼连杆(25)铰接；下旋翼由桨叶(23)、桨叶连接件(22)、下翼连杆(21)、梯形连杆(20)组成，桨叶(23)铰接在桨叶连接件(22)上，桨叶连接件(22)与下翼连杆(21)铰接，下翼连杆(21)与梯形连杆(20)固连。

3.如权利要求1所述的小型共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述中轴(1)为空心管；所述倾斜盘基座(18)的两个底座之间的角度为90°。

4.如权利要求2所述的小型共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述传动装置(5)包括上齿轮(24)、下齿轮(26)和一对小齿轮，所述上齿轮(24)带有突出的台阶面，所述上翼连杆(25)通过台阶面与上齿轮(24)相连，所述上齿轮(24)通过固定在中轴(1)上的一对轴承(27)与中轴(1)相连，下齿轮(26)的台阶面上有突出的转轴，所述下翼连杆(21)中间位置打有光滑的通孔，所述转轴通过下翼连杆(21)上的通孔与下旋翼框相连，所述下齿轮(26)通过一对轴承(27)与中轴(1)相连。

5.如权利要求1至4 任意一项所述的小型共轴双旋翼飞行器，其特征在于：飞行器的工作过程为：

所述飞行器工作过程首先由负载筒(6)中的飞控系统上电，驱动电机(3)通过传动装置(5)带动旋翼装置(2)转动，当所述飞行器需要进行姿态和位置改变时，飞控系统发出指令使上、下驱动电机(3)产生不同的转速，进而产生差速使中轴(1)沿其轴线改变方向，从而改变飞行方向；飞控系统发出指令使舵机(9)产生不同摆角，舵机(9)的摆动通过舵机摆臂(13)、长连杆(8)、小球铰壳(11)、小球铰球头(12)的传动，使倾斜盘(7)发生横、纵向的转动，倾斜盘(7)绕中心球铰球头的横、纵向转动通过倾斜盘外圈(16)和短连杆(14)传递到下旋翼上，使得下旋翼在转动的时候产生一个沿倾斜盘转动方向的一个周期变距，进而使得作用在所述旋翼装置(2)上的升力方向发生改变，从而达到改变所述飞行器飞行姿态的目的；所述飞行器在不工作时，旋翼装置(2)沿轴折叠，具有方便收纳的功能。