CN109733597A - 一种可遥控共轴双桨单轴飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单轴飞行器设计技术领域，特别涉及一种可遥控共轴双桨单轴飞行器，包括动力供给装置、第一螺旋桨、与第一螺旋桨旋向相反的第二螺旋桨，还包括控制模块、质心调节装置，飞行器从上到下依次设有第一螺旋桨、第二螺旋桨、动力供给装置、控制模块、质心调节装置；质心调节装置包括电源匣，电源匣内设有电池；电源匣内壁设有数个电磁片，电池外壁设有数个永磁片；控制模块控制电磁片的磁场大小和方向，改变飞行器质心位置。通过电磁场力利用本体质量比重较大的电池作为质心调节机构实现飞行器姿态改变，从而实现单轴飞行器任意空间方向的运动，实现操控飞行的目。
Description
技术领域
本发明涉及一种单轴飞行器设计技术领域，特别涉及一种采用共轴双桨结构的可遥控单轴飞行器。
技术背景
飞行器按驱动方式大致分为固定翼与旋翼两大类。固定翼飞行器靠固定的机翼上下侧的气流速度差异形成的压力差产生升力，其特点是飞行速度快，适合高速长距离航行，但无法精准完成类似急转掉头等灵活多变的运动。旋翼飞行器多为四轴旋翼与六轴旋翼飞行器，其特点是运动灵活，响应速度快，能够承载一定的重量进行飞行。无论是固定翼飞行器还是旋翼飞行器，其在飞行过程中的运动方向以及轨迹都和飞行器自身姿态相关。
旋翼飞行器通过以下方式实现飞行器姿势的控制：1、设置多组关于中心对称的旋翼组，相邻的两组旋翼采用正反桨相互为反转产生向下推力，使飞行器获得向上飞行作用力；2、调控单个旋翼转速来改变推理，对多个旋翼的组合控制产生一个改变旋翼姿态的力，飞行器进而获得飞行倾角；3、旋翼与飞行器固定，在飞行器姿态发生变化时，旋翼的螺旋桨产生角度推动飞行器向指定方向运动，但飞行器设计构造横宽长，螺旋桨运动空间需求大，使得飞行器在室内运动十分受限。
在单轴飞行器中，单轴多桨飞行器通过下述两种方式来实现飞行器飞行姿势的控制：1、设置多组螺旋桨，改变螺旋桨的角度，使每组螺旋桨的角度不相同，通过改变每组螺旋桨产生向下的风向实现对飞行器飞行姿势的控制，此种结构的单轴多桨飞行器结构复杂，且不易控制螺旋桨角度，在消费型产品中较为少见；2、设置尾翼结构，通过驱动尾翼螺旋桨来改变飞行姿势，为实现灵活性需增加尾翼个数，且尾翼在飞行器占取一定空间比例，不利于飞行器结构紧凑。
发明内容
为解决现有技术中多旋翼横空间横宽大，以及单轴多桨飞行器结构复杂、不易控制螺旋桨角度、外观不紧凑的问题，本发明提供一种可遥控共轴双桨单轴飞行器。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可遥控共轴双桨单轴飞行器，包括动力供给装置、第一螺旋桨、与第一螺旋桨旋向相反的第二螺旋桨，还包括控制模块、质心调节装置，飞行器从上到下依次设有第一螺旋桨、第二螺旋桨、动力供给装置、控制模块、质心调节装置；质心调节装置包括电源匣，电源匣内设有电池；电源匣内壁设有数个电磁片，电池外壁设有数个永磁片；控制模块控制电磁片的磁场大小和方向，改变飞行器质心位置。
进一步地，电磁片沿电源匣内壁周向均匀排布并呈中心对称，永磁片沿电池外壁周向均匀排布并呈中心对称；永磁片的N极朝内一致，永磁片数量与电磁片数量对应。
进一步地，每一电磁片的通电均由控制模块内的电路单独控制。
进一步地，控制模块设于主控匣内，主控匣、电池以及电源匣均为圆柱状，主控匣与电源匣的直径相同，电源匣高度高于电池。
进一步地，电源匣外壁设有第一基座，主控匣外壁设有第二基座，第一基座与第二基座相对应；第一基座与第二基座内安装第一固定装置，通过第一固定装置连接质心调节装置与控制模块。
进一步地，主控匣的顶端设有中部开口的主控匣盖，主控匣盖与主控匣活动式连接；主控匣的底端封闭并设第一通孔。
进一步地，第一通孔安装有六角柱，六角柱顶端设有螺纹孔；动力供给装置包括圆形板，圆形板设有第二通孔，螺纹孔与第二通孔对应；螺纹孔与第二通孔内安装有第二固定装置，通过第二固定装置连接控制模块与动力供给装置。
进一步地，动力供给装置包括共轴无刷电机，共轴无刷电机包括同轴心大小相同的第一电机定子、第二电机定子，第一电机定子、第二电机定子对称固定在圆形板的两侧。
进一步地，与第一电机定子对应的第一电机转子与第二螺旋桨固定连接；共轴无刷电机的轴心安装有轴杆，与第二电机定子对应的第二电机转子通过轴杆与第一螺旋桨连接。
进一步地，第一螺旋桨顶端连接有浆帽，底端连接有浆座以及边距环。
本发明的有益效果为：本发明结合共轴双翼结构，并通过电磁场力利用本体质量比重较大的电池作为质心调节机构实现飞行器姿态改变，从而实现单轴飞行器空间中的自由运动。以共轴双翼电机作为动力供给装置，并以体积较小的电磁片与永磁片作为姿态控制实现装置，使飞行器结构更为紧凑，简介，精密，极大优化飞行器本体的空间利用率。
附图说明
图1为本实施例提供的单轴飞行器的外观示意图；
图2为本实施例提供的单轴飞行器动力供给装置爆炸图；
图3为本实施例提供的单轴飞行器控制模块与质心调节装置爆炸图；
图4为电磁铁产生磁场力驱动电池块移动时，电池块受力示意图；
图5为本实施例提供的共轴双翼飞行器扭矩抵消原理示意图；
图6为本实施例质心与机翼上升力在一条直线上时，飞行器受力意图；
图7为本实施例质心发生偏移时，姿态发生改变前，飞行器受力意图；
图8为本实施例质心偏移后，飞行器姿态改变后受力意图。
图中，1-第一螺旋桨、2-第二螺旋桨、3-浆帽、4-边距环、5-浆座、6-第一电机转子、7-第一电机定子、8-第二电机定子、9-第二电机转子、10-圆形板、11-轴杆、12-主控匣盖、13-主控匣、14-电池、15-电源匣、16-电磁片、17-永磁片、18-六角柱、19-第一基座、20-第二基座、21-第一通孔、22-第二通孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1、图2所示，一种可遥控共轴双桨单轴飞行器，包括动力供给装置、第一螺旋桨1、与第一螺旋桨1旋向相反的第二螺旋桨2，还包括控制模块、质心调节装置。飞行器从上到下依次设有第一螺旋桨1、第二螺旋桨2、动力供给装置、控制模块、质心调节装置。本实施例飞行器螺旋桨旋转动力由动力供给装置为机体飞行提供，飞行器飞行方向以及姿态由控制模块与质心调节装置控制。
质心调节装置包括电源匣15，电源匣15用于容纳飞行器能源供给装置。电源匣15内设有电池14，电源匣15内壁设有数个电磁片16，电池14外壁设有数个永磁片17。控制模块设于主控匣13内，控制模块控制电磁片16的磁场的大小和方向，改变飞行器质心位置。控制模块由电池14提供电源。飞行器起飞时需保证姿态的正前方不发生旋转运动，机翼包括第一螺旋桨1、第二螺旋桨2。第一螺旋桨1、第二螺旋桨2均套设于轴杆11上，共轴双翼的第一螺旋桨1、第二螺旋桨2以速度相近，方向相反的方向旋转。因飞行器上下机翼采用了正反螺旋桨组合，两机翼均为飞行器提供平行与轴杆11向上的动力。
各个电磁片16大小相同，电磁片16沿电源匣15内壁周向均匀排布并呈中心对称并。各个永磁片17大小相同，永磁片17沿电池14外壁周向均匀排布并呈中心对称。永磁片17的N极朝内一致，均朝向电池14内或电池14外，永磁片17数量与电磁片数量16对应。每一电磁片16由绕有铜线的铁块构成。每一电磁片16的通电均由控制模块内的电路单独控制。电磁片16通电时产生磁场，电磁片16由主控匣13内的控制电路控制通电大小，进而控制电磁片16附近磁场。本实施例中电磁片16与永磁片17的数量均为16个，具体数量可根据实际情况调整。
主控匣13、电池14以及电源匣15均为圆柱状，主控匣13与电源匣15的直径相同，电源匣15高度高于电池14，电源匣15高度恰好足够电池14在电源匣15内做水平滑动。电源匣15外壁设有第一基座19，主控匣13外壁设有第二基座20，第一基座19与第二基座20均呈中心对称。第一基座19与第二基座20相对应，第一基座19与第二基座20内安装第一固定装置，第一固定装置可以为螺栓、螺钉或者其他方式。通过第一固定装置连接质心调节装置与控制模块。
如图3所示，主控匣13的顶端设有中部开口的主控匣盖12，主控匣盖12与主控匣13活动式连接。本实施例中，主控匣盖12外边缘设有螺纹，主控匣13内壁设有螺纹，主控匣盖12与主控匣13通过螺纹连接。主控匣13的底端封闭并设第一通孔21，第一通孔21为螺纹孔。第一通孔21安装有六角柱18，六角柱18的底部螺纹可旋入主控匣13的第一通孔21内。六角柱18顶端设有螺纹孔。动力供给装置包括圆形板10，圆形板10设有第二通孔22，六角柱18顶端螺纹孔与第二通孔22对应。第二固定装置安装在螺纹孔与第二通孔22内，通过第二固定装置连接控制模块与动力供给装置。本实施中，六角柱18、第一通孔21、第二通孔22的数量均为四个。
本实施例动力供给装置由共轴无刷电机为机体飞行提供，共轴无刷电机包括同轴心大小相同的第一电机定子7、第二电机定子8，第一电机定子7、第二电机定子8对称固定在圆形板10的两侧。与第一电机定子7对应的第一电机转子6与第二螺旋桨2固定连接。共轴无刷电机的轴心安装有轴杆11，与第二电机定子8对应的第二电机转子9通过轴杆11与第一螺旋桨1连接。第二电机转子9通过与之固定连接的轴杆11将动力传递给第一螺旋桨1，第一电机转子6通过两个3M螺钉与第二螺旋桨2固定连接，将动力传递给第二螺旋桨2。第一螺旋桨1顶端连接有浆帽3，底端连接有浆座5、边距环4，第一螺旋桨1通过浆帽3、浆座5、边距环4连接时的紧固力与轴杆11固定。
第二螺旋桨2与第一电机转子6刚性固定，第一螺旋桨1与第二螺旋桨2互为正反翼，套结在轴杆11上，同圆心上下平行安装。电机通过接收的电信号分别控制第一电机转子6和第二电机转子9的转动方向以及转动速度。单个螺旋桨在转动时由电机转子给予旋转动力，同时定子受到转子反作用扭矩，如无外加作用力，定子将朝转子旋转反方向，进行旋转导致机身绕转轴朝机翼旋转的反方向旋转。本实施例采用共轴双桨结构，利用反转的第二螺旋桨2旋转产生扭矩抵消正转的第一螺旋桨1产生的旋转扭矩，同时能提升动力性能。
如图4所示，当十六块电磁铁16分别通电时，必定有一种通电方式使得电源匣15中产生图中情况，即上端产生与电池14上的永磁片17磁极互异磁极，下端产生与永磁片17磁极相同的磁极，磁力由平面中轴线向两侧递减，两侧磁力为零，即不通电。F1-F7给电池14一个向上的合力，F10-F14给电池14一个向上的合力，总体上产生一个方向一致的合力F。在F作用力足以克服电池与底部运动的摩擦力时，电池14朝F方向发生运动。
图5为单轴飞行器扭矩抵消原理图，第一螺旋桨1旋转时通过轴杆11的力使得产生转动惯量J1，同时第一螺旋桨1给予杆件反作用扭矩M1，同理，在第二螺旋桨2中由转动惯量J2，以及反作用于飞行器机体的M2，扭矩分别通过电机上下转子分别最终作用在电机定子上，通过调节上下两个螺旋桨的转速使得M1＝M2，从而实现扭矩的抵消，保证飞行器的前方不在飞行过程发生旋转。
飞行器起飞过程中以电池14作为质心调节主要部分，调整飞行器质心位置。在飞行器启动进行飞行运动时，飞行器运动控制分为：
(1)垂直方向运动：参考图6，当圆柱体电池14轴心位置位于轴杆11中轴线上时，飞行器由螺旋浆产生飞行拉力Fm与重力G在同一直线，此时，飞行器可根据飞行程序判定螺旋桨转速控制飞行器升降。飞行器飞行时：螺旋桨到达一定速度有Fm＝G，飞行器做匀速升降或者定点悬浮运动；当加大螺旋桨转速使Fm>G，飞行器受到向上的合力，因此做上升或减速下降运动；当减小螺旋桨转速使Fm＜G，飞行器受向下的合力，因此进行减速上升或下降运动。
(2)水平方向运动：参考图7，通过调节十六个电磁片16通电电流大小与方向控制电源匣15内磁场，通过磁力控制电池14位置排布。十六个电磁片16在通电时对电池14上的永磁片17产生推力或拉力F1-F16，用于调控质心作用的电池14受到磁力合力作用向某一方向运动。基于此理论原理，控制器可以调节磁场的大小和方向的形式使电池14移动到某一定点从而改变飞行器质心位置。质心的改变使得飞行拉力Fm与重力G不在同一直线上，矢量Fm与矢量G共同平面上产生扭矩M。扭矩M作用在飞行器上改变飞行时姿态，从而产生图8中的情况，同时飞行器升力Fm因姿态改变矢量方向也同时发生改变，得到水平分力Fmx和垂直分离Fmz，飞行器在水平分力Fmx作用下发生水平方向运动。
(3)飞行器的任意方向飞行：组合运用(1)和(2)运动，通过调节升力大小可实现飞行器在三维空间中垂直方向任意运动，飞行器的姿态改变可以实现水平方向任意方向的运动。因此，本专利所提供的单轴飞行器可以实现任意一空间方向的运动，实现操控飞行的目。
以上对发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可遥控共轴双桨单轴飞行器，包括动力供给装置、第一螺旋桨(1)、与第一螺旋桨(1)旋向相反的第二螺旋桨(2)，其特征在于：
还包括控制模块、质心调节装置，飞行器从上到下依次设有第一螺旋桨(1)、第二螺旋桨(2)、动力供给装置、控制模块、质心调节装置；
质心调节装置包括电源匣(15)，电源匣(15)内设有电池(14)；电源匣(15)内壁设有数个电磁片(16)，电池(14)外壁设有数个永磁片(17)；
控制模块控制电磁片(16)的磁场大小和方向，改变飞行器质心位置。
2.根据权利要求1所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：所述电磁片(16)沿电源匣(15)内壁周向均匀排布并呈中心对称，所述永磁片(17)沿电池(14)外壁周向均匀排布并呈中心对称；永磁片(17)的N极朝内一致，永磁片(17)数量与电磁片(16)数量对应。
3.根据权利要求2所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：每一电磁片(16)的通电均由控制模块内的电路单独控制。
4.根据权利要求1所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：所述控制模块设于主控匣(13)内，主控匣(13)、电池(14)以及电源匣(15)均为圆柱状，主控匣(13)与电源匣(15)的直径相同，电源匣(15)高度高于电池(14)。
5.根据权利要求4所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：所述电源匣(15)外壁设有第一基座(19)，所述主控匣(13)外壁设有第二基座(20)，第一基座(19)与第二基座(20)相对应；第一基座(19)与第二基座(20)内安装第一固定装置，通过第一固定装置连接质心调节装置与控制模块。
6.根据权利要求5所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：所述主控匣(13)的顶端设有中部开口的主控匣盖(12)，主控匣盖(12)与主控匣(13)活动式连接；主控匣(13)的底端封闭并设第一通孔(21)。
7.根据权利要求6所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：第一通孔(21)安装有六角柱(18)，所述六角柱(18)顶端设有螺纹孔；动力供给装置包括圆形板(10)，所述圆形板(10)设有第二通孔(22)，螺纹孔与第二通孔(22)对应；螺纹孔与第二通孔(22)内安装有第二固定装置，通过第二固定装置连接控制模块与动力供给装置。
8.根据权利要求1所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：动力供给装置包括共轴无刷电机，共轴无刷电机包括同轴心大小相同的第一电机定子(7)、第二电机定子(8)，第一电机定子(7)、第二电机定子(8)对称固定在圆形板(10)的两侧。
9.根据权利要求8所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：与第一电机定子(7)对应的第一电机转子(6)与第二螺旋桨(2)固定连接；共轴无刷电机的轴心安装有轴杆(11)，与第二电机定子(8)对应的第二电机转子(9)通过轴杆(11)与第一螺旋桨(1)连接。
10.根据权利要求9所述的可遥控共轴双桨单轴飞行器，其特征在于：第一螺旋桨(1)顶端连接有浆帽(3)，底端连接有浆座(5)以及边距环(4)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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