CN109987221A

CN109987221A - 一种无人机

Info

Publication number: CN109987221A
Application number: CN201910208385.3A
Authority: CN
Inventors: 黄迅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2019-07-09
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: CN109987221B

Abstract

本发明公开了一种无人机，包括：主机架；上驱动机构，设置在所述主机架的上部，设有第一旋桨；下驱动机构，设置在主机架的下方，设有第二旋桨，所述第二旋桨和所述第一旋桨互为正反桨结构；及角度调整机构，设置在所述主机架内并与所述下驱动机构活动连接，调整所述下驱动机构的轴向角度以改变第二旋桨的吹风方向。实现无人机的悬停、转向和向前加速飞行，飞行动作灵活；该无人机的横向宽度小，可在狭窄区域飞行。

Description

一种无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别是一种无人机。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备或自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机在军用和民用方面都得到了广泛的应用。无人机在航拍、电力巡检、快递运输和灾难救援等不同领域发挥着重要作用。四旋翼无人机通过两侧的旋翼动力组件实现无人机的飞行，然而两侧的旋翼动力组件使旋翼无人机横向宽度长，不利于四旋翼无人机在狭窄的区域飞行。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种无人机，横向宽度小，可在狭窄区域飞行。

本发明实施例提供一种无人机，包括：主机架；上驱动机构，设置在所述主机架的上部，设有第一旋桨；下驱动机构，设置在主机架的下方，设有第二旋桨，所述第二旋桨和所述第一旋桨互为正反桨结构；及角度调整机构，设置在所述主机架内并与所述下驱动机构活动连接，调整所述下驱动机构的轴向角度以改变第二旋桨的吹风方向。

无人机采用串列式结构，在主机架的上部和下部分别设置上驱动机构和下驱动机构，上驱动机构的第一旋桨和下驱动机构的第二旋桨采用正反桨安装结构，可使上驱动机构和下驱动机构同时向下吹风；此外下驱动机构与角度调整机构连接，角度调整机构使下驱动机构可相对所述主机架做摆动运动和旋转运动，实现无人机的悬停、转向和向前加速飞行，飞行动作灵活；该无人机的横向宽度小，可在狭窄区域飞行。

进一步，所述角度调整机构包括：安装架；旋转连接部，连接在所述安装架与所述下驱动机构之间；第一舵机，设置在安装架内，设有第一输出轴，所述第一输出轴通过一个连杆组件与所述下驱动机构连接；及第二舵机，设置在安装架内，设有第二输出轴，所述第二输出轴通过另一个连杆组件与所述下驱动机构连接，所述第二输出轴与所述第一输出轴相互垂直；所述第一舵机和所述第二舵机协同作用使所述下驱动机构绕所述旋转连接部运动。

通过第一舵机和第二舵机协同调节，带动下驱动机构灵活地做出摆动动作和旋转动作；同时第一输出轴和第二输出轴所成角度合适，有利于作用力充分作用于下驱动机构，调节更灵活。

进一步，所述旋转连接部包括与所述安装架连接的第一支件、为长方体的第二支件和与所述下驱动机构连接的第三支件；所述第一支件的一端的两侧设置有第一支脚，所述第三支件的一端的两侧设置有第二支脚；所述第一支脚通过第一转轴与所述第二支件连接，所述第二支脚通过第二转轴与所述第二支件连接，所述第一转轴和所述第二转轴相互垂直。通过旋转连接部实现安装架与下驱动机构的连接，同时增强下驱动机构转动的灵活性，使下驱动机构的摆动运动和旋转运动更顺畅。

进一步，所述连杆组件包括舵机摇臂、连接支杆和驱动连杆；所述连接支杆的一端与所述舵机摇臂铰接，另一端与所述驱动连杆球面连接；所述舵机摇臂与所述第一输出轴或所述第二输出轴连接；所述驱动连杆与下驱动机构连接。连杆组件分别连接起第一舵机和下驱动机构以及第二舵机和下驱动机构，使第一舵机和第二舵机能通过连杆组件牵引下驱动机构转动以调整无人机的飞行。

进一步，所述上驱动机构包括第一电机，所述下驱动机构包括第二电机，所述第一电机和所述第二电机的转动方向相反。可使上驱动机构和下驱动机构同时向下吹风。

进一步，一种无人机还包括上调速器和下调速器，所述上调速器与所述第一电机连接，所述下调速器与所述第二电机连接。上调速器用于调节第一电机的转速，下调速器用于调节第二电机的转速，增强调节第一电机转速和第二电机转速的灵敏度。

进一步，所述主机架的下部的侧面设有支脚架。支脚架可起到支撑无人机的作用，便于无人机在地面起飞和降落。

另外，所述无人机在竖直方向上飞行时，所述角度调整机构使所述下驱动机构的轴向与所述上驱动机构的轴向平行。

进一步，在所述无人机转向飞行时，所述角度调整机构使所述下驱动机构的轴向相对所述上驱动机构的轴向倾斜，所述第一旋桨和所述第二旋桨差速转动。

进一步，在所述无人机向前加速飞行时，所述角度调整机构使所述下驱动机构的轴向相对所述上驱动机构的轴向倾斜，所述第一旋桨和所述第二旋桨加速转动且转速相等。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例无人机的结构图；

图2是本发明实施例无人机的内部结构图；

图3是本发明实施例无人机中的角度调整机构和下驱动机构的结构连接图；

图4是本发明实施例无人机中的连杆组件的结构图；

图5是本发明实施例无人机中的旋转连接部的结构图；

图6是本发明实施例无人机竖直飞行时的受力示意图；

图7是本发明实施例无人机转向飞行的受力示意图；

图8是本发明实施例无人机向前加速飞行的姿态变化示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的无人机进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

参照图1和图2，本发明实施例提供一种无人机，包括主机架 100、上驱动机构200、角度调整机构400和下驱动机构300。在该实施例中，无人机可用于航拍、测绘、监测。但不限于此，在其他一些实施例中，无人机还可用于农业、快递送货、提供网络服务等。

在一些实施例中，主机架100可以称为中心机架或中心体。在图示实施例中，主机架100为圆筒状，包括上部110和相对于上部 110的下部120。上部110和下部120均呈圆筒状，两者底面半径相等。需要说明的是，上部110和下部120可为大小和形态均不一致的形状。在其他实施例中，主机架100可以呈其他形状，例如，主机架100呈长方体状等。

上驱动机构200设置在主机架100的上部110，设有第一旋桨 210。具体地，上驱动机固定安装在主机架100的上部110的顶面上。上驱动机构200包括第一电机220，第一旋桨210与第一电机220 连接，第一电机220驱动第一旋桨210旋转。上驱动机构200主要向下吹风，产生向上的升力，起到维稳的作用。

在其他实施例中，第一电机220可设置在主机架100内，而使第一旋桨210露出于主机架100的上部110的顶面上方。

在图示实施例中，第一旋桨210为双叶旋桨。在其他实施例中，第一旋桨210可为其他的多叶旋桨，例如，三叶旋桨等。

具体地，第一电机220采用2216KV1400型号的三相交流电机。

参照图3，下驱动机构300通过角度调整机构400设置在主机架 100的下方，设有第二旋桨310，所述第二旋桨310和所述第一旋桨 210互为正反桨结构。下驱动机构300包括第二电机320，第二旋桨 310与第二电机320连接，第二电机320驱动第二旋桨310旋转。第二电机320和第一电机220的转动方向相反，以使上驱动机构200 和下驱动机构300吹风风向相同。

下驱动机构300与角度调整机构400连接，角度调整机构400 调整下驱动机构300的轴向角度以改变第二旋桨310的吹风方向，第二旋桨310向不同方向吹风，产生推动力以使无人机转向和向前加速飞行。

另外，下驱动机构300还包括摆盘320，摆盘320设置在第二电机320的上方。摆盘320起到连接下驱动机构300和角度调整机构400的作用。在图示实施例中，摆盘320大致呈方形。在其他实施例中，摆盘320可以呈其他形状，例如，摆盘320呈圆形等。

在图示实施例中，第二旋桨310为双叶旋桨。在其他实施例中，第二旋桨310可为其他的多叶旋桨，例如，三叶旋桨等。

具体地，第二电机320采用2216KV1400型号的三相交流电机。

角度调整机构400设置在主机架100的下部120内。角度调整机构400包括安装架410、旋转连接部420、第一舵机430和第二舵机440。角度调整机构400与下驱动机构300连接，调整下驱动机构300的轴向角度，牵引下驱动机构300相对主机架100做摆动运动和旋转运动，使下驱动机构300向不同方向吹风并产生推动力以使无人机转向和向前加速飞行。

参照图5，旋转连接部420连接在安装架410与下驱动机构300 之间。在图示实施例中，旋转连接部420包括与安装架410固定连接的第一支件421、为长方体的第二支件422和与下驱动机构300 的摆盘320固定连接的第三支件423；第一支件421的一端的两侧对称设置有第一支脚431，第三支件423的一端的两侧对称设置有第二支脚432；第一支件421通过第一支脚431和第一转轴与第二支件422相对的两个侧面铰接，第三支件423通过第二支脚432和第二转轴与第二支件422的其余两个侧面铰接，第一转轴和第二转轴相互垂直。

需要说明的是，在图示实施例中，第三支件423与摆盘320独立成型。在其他实施例中，第三支件423与摆盘320可一体成型。

需要说明的是，第二支件422为底面为正方形的长方体。具体地，第二支件422为正方体。在其他实施例中，第二支件422可为球体。

在某些实施例中，第一支件421与安装架410轴连接，第一支件421可绕轴旋转。此时，第一支件421的第一支脚431可与第二支件422固定连接或第三支件423的第二支脚432可与第二支件422 固定连接。

第一舵机430设置在安装架410内；第一舵机430设有第一输出轴，第一输出轴通过连杆与下驱动机构300的摆盘320连接。第二舵机440设置在安装架410内；第二舵机440设有第二输出轴，第二输出轴通过连杆与下驱动机构300的摆盘320连接。第二输出轴与述第一输出轴所成角度为直角。

在图示实施例中，第一舵机430位于第二舵机440的上方，可减少无人机的横向宽度。在其他实施例中，第一舵机430可位于第二舵机440的左侧或右侧。

具体地，第一舵机430和第二舵机440均采用SG90型号的金属齿舵机。

参照图3和图4，连杆组件450包括舵机摇臂451、连接支杆 452和驱动连杆453；连接支杆452的一端与舵机摇臂451铰接，另一端与驱动连杆453球面连接；舵机摇臂451与第一输出轴或第二输出轴连接；驱动连杆453与下驱动机构300的摆盘320的侧面连接。

需要说明的是，第一舵机430转动时，第一输出轴的转速和与第一输出轴连接的舵机摇臂451的转速相同；第二舵机440转动时，第二输出轴的转速和与第二输出轴连接的舵机摇臂451的转速相同。

在图示实施例中，连接支杆452的两端均为圆圈状。在其他实施例中，连接支杆452的两端的形状可互不相同。另外，连接支杆 452的两端可为其他形状，例如，凹半球状等。

在图示实施例中，驱动连杆453为在一端设有圆球的细杆。细杆的另一端连接于下摆盘320的侧面，圆球置于连接支杆452一端的圆圈内。

参照图1，无人机设置有支脚架500，支脚架500安装在主机架 100的下部120的侧面。支脚架500在无人机起飞和降落时起到支撑和缓冲的作用，避免下驱动机构300和无人机的其他部件直接撞地而损坏。

在图示实施例中，支脚架500的数量为三个，均匀分布在主机架100的侧面。在其他实施例中，支脚架500的数量可为其他数目，例如，支脚架500的数量为四个或更多。

在图示实施例中，支脚架500为一端至另一端逐渐变细的弧形；粗的一端连接于主机架100的侧面。支脚架500设有多个减重孔510，以减轻支脚架500的重量。在其他实施例中，支脚架500可为其他形状，例如，支脚架500的形状为折角状。

在一些实施例中，无人机包括设置在主机架100内的上调速器和下调速器。上调速器与第一电机220连接，用于调节第一电机220 的转速。下调速器与第二电机320连接，用于调节第二电机320的转速。具体地，上调速器和下调速器均采用带去电池电路(BEC)的 40A电子调速器。

在一些实施例中，无人机包括设置在主机架100内的负载设备。负载设备为相机，相机的镜头露出于主机架100外。在其他实施例中，负载设备还包括其他设备，例如，GPS导航仪等。

对于该无人机，有适用于无人机质心绕轴运动状态的绕质心动力学方程如下：

其中，无人机质心绕轴运动状态，包括无人机飞行转向和无人机绕自身旋转；但不限于此。式中，和分别表示无人机绕俯仰轴、滚转轴和偏航轴运动的动力学方程；J_xx、J_yy和J_zz分别表示无人机在x方向、y方向和z方向上的惯性张量；q和r分别是无人机的滚转角速度和偏航角速度；J_h是无人机的转动惯量常值；I_rot是第一旋桨210和第二旋桨310的转动惯量；Ω是第二旋桨310的转速； L_x、L_y和L_z分别无人机在x轴、y轴和z轴上的控制力矩；Q是第二旋桨310所受气动阻力距。

及适用于无人机质心平动状态的质心动力学方程如下：

其中，无人机质心平动状态，包括无人机起飞降落、悬停、匀速前进和加速前进；但不限于此。式中，和分别表示质心平动状态下无人机在x轴、y轴和z轴的质心动力学方程；m为无人机的质量；T_x、T_y和T_z分别是无人机x轴、y轴和z轴的控制力；和θ分别是第二旋桨310在水平面上的投影与x轴及y轴的夹角的角度；u、 v和w分别是空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴的轴坐标；p是无人机的俯仰角速度。

需要说明的是，xyz轴直角坐标系是以垂直于地面向上的方向为 z轴正方向建立的直角坐标系。

参照图6，无人机在竖直方向上飞行时，角度调整机构400使下驱动机构300垂直于主机架100。第二电机320驱动第二旋桨310 旋转，向下吹风，产生向上的升力。同时，上驱动机构200和下驱动机构300位于同一水平线上；上驱动机构200的第一电机220驱动第一旋桨210旋转，向下吹风，产生向上的升力。第一电机220 和第二电机320的转速相同。在其他实施例中，第一电机220和第二电机320的转速可不相同。支脚架500起到支撑和缓冲的作用。类似地，无人机匀速前进时以及无人机起飞降落时，下驱动机构300 同样垂直于主机架100。

在图示实施例中，无人机受的力主要来源于无人机自身的重力G 以及上驱动机构200产生的第一气动力T1和下驱动机构300产生的第二气动力T2；此外，重力G、第一气动力T1和第二气动力T2三者的合力为T△。无人机起飞状态下，有T△＝T1+T2+G；其中，第一气动力T1和第二气动力T2的方向垂直于地面向上，重力G的方向垂直于对面向下。第一气动力T1和第二气动力T2的合力大于重力 G，使合力T△的方向为垂直于地面向上，无人机向上起飞。类似地，当第一气动力T1和第二气动力T2的合力小于重力G，使合力T△的方向为垂直于地面向下，无人机向下降落。当第一气动力T1和第二气动力T2的合力等于重力G，使合力T△为0，无人机悬停或匀速飞行前进。

参照图7，无人机在飞行过程中转向时，上驱动机构200的第一电机220驱动第一旋桨210旋转，向下吹风，产生向上的升力以维稳。角度调整机构400的第一舵机430和第二舵机440旋转，第一舵机430和第二舵机440协同作用，通过由舵机摇臂451、连接支杆452和驱动连杆453组成的连杆组件450牵引下驱动机构300绕旋转连接部420摆动，使下驱动机构300相对主机架100倾斜；下驱动机构300向斜下方吹风。同时，上调速器和下调速器分别调节第一电机220和第二电机320的转速，使第一旋桨210和第二旋桨 310差速转动。

在一些实施例中，下驱动机构300在已相对主机架100倾斜的情况下，第一舵机430和第二舵机440协同作用使下驱动机构300 直接绕旋转连接部420旋转运动，以使无人机转向飞行。

由于第一旋桨210和第二旋桨310的差速转动，使无人机受到第一旋桨210和第二旋桨310产生的气动力所带来的控制力矩；控制力矩使无人机转向飞行。此时有：

其中，Lx、Ly和Lz分别是在无人机x轴、y轴和z轴方向上的控制力矩；和θ分别是第二旋桨310在水平面上的投影与x轴及y 轴的夹角的角度，ψ是第二旋桨310和z轴的夹角的角度；lcg是力臂的长度。

参照图8，无人机在飞行过程中加速前进时，首先，上驱动机构200的第一电机220驱动第一旋桨210旋转，向下吹风，产生向上的升力以维稳；角度调整机构400的第一舵机430和第二舵机440 旋转并协同作用，通过连杆组件450牵引下驱动机构300绕旋转连接部420摆动，使下驱动机构300相对主机架100倾斜；下驱动机构300向斜下方吹风。同时，上调速器和下调速器分别调节第一电机220和第二电机320的转速，使第一旋桨210和第二旋桨310加速转动并且转速相等，使无人机保持飞行高度不变的同时产生向前的加速度。加速度来自于第二旋桨310产生的第二气动力T2在水平方向上的分力。

然后，由于惯性的作用，无人机的主机架100整体倾斜；上驱动机构200因是固定安装在主机架100上，随主机架100倾斜而动，吹风方向与主机架100倾斜角度一致。在主机架100倾斜过程中，角度调整机构400的第一舵机430和第二舵机440协同作用，牵引下驱动机构300往回摆动，使无人机保持飞行高度不变的同时保持加速度。下驱动机构300往回摆动直至第二旋桨310与第一旋桨210 的吹风方向相同；此时无人机整体倾斜，第一旋桨210产生的第一气动力T1和第二旋桨310产生的第二气动力T2各自在水平方向上的分力共同作用以维持加速度。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种无人机，其特征在于，包括：

主机架；

上驱动机构，设置在所述主机架的上部，设有第一旋桨；

下驱动机构，设置在所述主机架的下方，设有第二旋桨，所述第二旋桨和所述第一旋桨互为正反桨结构；及

角度调整机构，设置在所述主机架内并与所述下驱动机构活动连接，调整所述下驱动机构的轴向角度以改变第二旋桨的吹风方向。

2.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述角度调整机构包括：

安装架；

旋转连接部，连接在所述安装架与所述下驱动机构之间；

第一舵机，设置在所述安装架内，设有第一输出轴，所述第一输出轴通过一个连杆组件与所述下驱动机构连接；及

第二舵机，设置在所述安装架内，设有第二输出轴，所述第二输出轴通过另一个连杆组件与所述下驱动机构连接，所述第二输出轴与所述第一输出轴相互垂直，与所述第一舵机协同作用使所述下驱动机构绕所述旋转连接部万向旋转。

3.根据权利要求2所述的一种无人机，其特征在于，所述旋转连接部包括与所述安装架连接的第一支件、第二支件和与所述下驱动机构连接的第三支件；所述第一支件的一端设置有第一支脚，所述第三支件的一端设置有第二支脚；所述第一支脚通过第一转轴与所述第二支件连接，所述第二支脚通过第二转轴与所述第二支件连接，所述第一转轴和所述第二转轴相互垂直。

4.根据权利要求2所述的一种无人机，其特征在于，两个所述连杆组件均包括舵机摇臂、连接支杆和驱动连杆；所述连接支杆的一端与所述舵机摇臂铰接，另一端与所述驱动连杆球面连接；所述舵机摇臂与所述第一输出轴或所述第二输出轴连接；所述驱动连杆与所述下驱动机构连接。

5.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述上驱动机构包括第一电机，所述下驱动机构包括第二电机，所述第一电机和所述第二电机的转动方向相反。

6.根据权利要求5所述的一种无人机，其特征在于，还包括上调速器和下调速器，所述上调速器与所述第一电机连接，所述下调速器与所述第二电机连接。

7.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述主机架的下部设有支脚架。

8.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述无人机在竖直方向上飞行时，所述角度调整机构使所述下驱动机构的轴向与所述上驱动机构的轴向平行。

9.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，在所述无人机转向飞行时，所述角度调整机构使所述下驱动机构的轴向相对所述上驱动机构的轴向倾斜，所述第一旋桨和所述第二旋桨差速转动。

10.根据权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，在所述无人机向前加速飞行时，所述角度调整机构使所述下驱动机构的轴向相对所述上驱动机构的轴向倾斜，所述第一旋桨和所述第二旋桨加速转动且转速相等。