CN110143275A - 多旋翼无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多旋翼无人机，包括机身、多个提升旋翼以及前进旋翼，所述多个提升旋翼被构造用于，在所述多旋翼无人机起降或平飞过程中产生克服重力的提升驱动力；所述前进旋翼被构造用于，产生推动或拉动所述多旋翼无人机前进的水平驱动力；所述多个提升旋翼分别连接所述机身且分布于所述机身周侧；所述前进旋翼连接所述机身，设置于所述机身的头部或尾部；所述多旋翼无人机设有可挥舞连接机构用于使每个所述提升旋翼与所述机身可挥舞连接。借助提升旋翼与前进旋翼以及可挥舞连接机构彼此配合，使得多旋翼无人机可以在提升旋翼的旋转平面/桨盘平面为负前倾角的情况下飞行，有利于降低功耗，同时提高多旋翼无人机的最大前飞速度。

Description

多旋翼无人机
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种多旋翼无人机。
背景技术
现有四旋翼飞行器在前飞时，桨盘平面需要向前低头形成一定的前倾角度(大于0°)才能产生水平飞行所需的推力。然而，根据前飞功耗随前飞速度的计算结果表明随着桨盘平面前倾角度的增加前飞功耗也增加。另外，前倾角越大旋翼受到的气动合力的垂直分量越小，因而为了克服重力必须增加功耗。此外，若飞行器发动机最大功率一定，则桨盘平面前倾角度越大，最大前飞速度越低。也就是说，前倾角度越大，水平推力越大，然而，造成功耗增加，最大前飞速度变小，无法满足目前人们对多旋翼无人机越来越高的性能需求。
因此，有必要提供一种功耗低、飞行速度高的多旋翼无人机，以解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种功耗低、飞行速度高的多旋翼无人机。
为实现上述目的，本发明提出的一种多旋翼无人机，包括机身、多个提升旋翼以及前进旋翼，所述多个提升旋翼被构造用于，在所述多旋翼无人机起降或平飞过程中产生克服重力的提升驱动力；所述前进旋翼被构造用于，产生推动或拉动所述多旋翼无人机前进的水平驱动力；所述多个提升旋翼分别连接所述机身且分布于所述机身周侧；所述前进旋翼连接所述机身，设置于所述机身的头部或尾部；所述多旋翼无人机设有可挥舞连接机构用于使每个所述提升旋翼与所述机身可挥舞连接。
优选地，所述可挥舞连接机构被构造为，在所述多旋翼无人机平飞过程中，所述提升旋翼的旋转平面/桨盘平面自水平面向后倾倒而产生负前倾角。
优选地，所述可挥舞连接机构包括设于所述提升旋翼的可挥舞桨毂，设于电机的旋转轴，以及垂直穿过所述旋转轴且与所述可挥舞桨毂连接的挥舞轴，所述可挥舞桨毂与所述挥舞轴固连且所述挥舞轴与所述旋转轴可转动连接，或者所述可挥舞桨毂与所述挥舞轴可转动连接且所述挥舞轴与所述旋转轴固连。
优选地，所述可挥舞连接机构设有两个对称的扭簧，均套接于所述挥舞轴的外围，所述扭簧与所述可挥舞桨毂、旋转轴以及挥舞轴的连接关系被构造为，当所述可挥舞桨毂与所述挥舞轴固连且所述挥舞轴与所述旋转轴可转动连接时，所述扭簧的相对两端分别与所述可挥舞桨毂/挥舞轴、所述旋转轴固连，当所述可挥舞桨毂与所述挥舞轴可转动连接且所述挥舞轴与所述旋转轴固连时，所述扭簧的相对两端分别与所述可挥舞桨毂、所述挥舞轴/旋转轴固连。
优选地，所述扭簧的相对两端分别与所述可挥舞桨毂、所述旋转轴固连；所述扭簧的相对两端与所述可挥舞桨毂、所述旋转轴的固连结构分别被构造为，所述扭簧的一自由端远离所述挥舞轴后竖直向下延伸，贯穿自所述旋转轴外围一体凸伸的环形凸台，所述扭簧的另一自由端远离所述挥舞轴后水平延伸，贯穿所述可挥舞桨毂本体；所述可挥舞桨毂设有一对分别垂直所述挥舞轴延伸的支撑臂，以及连接所述支撑臂的一对桨夹，所述一对支撑臂分别连接所述挥舞轴的相对两端。
优选地，所述多旋翼无人机还包括实现反向充电功能的能量回收模块，所述能量回收模块包括电子调速器，所述电子调速器具有把交流电转换成直流电的功能。
优选地，所述能量回收模块还包括电源管理单元以及包括多节锂电池的蓄电池，所述电源管理单元用于将反充的电能分配给所述多节锂电池。
优选地，所述多个提升旋翼系四个或六个或八个，对称分布于所述机身的左右两侧，所述多旋翼无人机包括垂直尾翼以及设于所述垂直尾翼的方向舵，所述方向舵被设置为在平飞过程中控制所述多旋翼无人机的航向。
优选地，所述多个提升旋翼系两个，所述多旋翼无人机包括垂直尾翼、设于所述垂直尾翼的方向舵、水平尾翼以及设置于所述水平尾翼的升降舵；所述方向舵和升降舵被共同设置为，在起飞降落时，辅助所述多旋翼无人机稳定姿态以实现垂直起降；所述升降舵还被设置为，在平飞过程中，控制所述多旋翼无人机的俯仰姿态；所述方向舵还被设置为，在平飞过程中，控制所述多旋翼无人机的航向。
优选地，所述两个提升旋翼分别设置于所述机身的左右两侧，在所述多旋翼无人机的俯视图中，左侧的所述提升旋翼被设置为逆时针转动，右侧的所述提升旋翼被设置为顺时针转动，通过所述两个提升旋翼的转速差实现滚转姿态。
本发明技术方案中，借助提升旋翼与前进旋翼彼此配合，使得多旋翼无人机可以在提升旋翼的旋转平面/桨盘平面为负前倾角的情况下飞行，有利于降低功耗，同时使得多旋翼无人机的最大前飞速度提高；可挥舞连接机构的设置可以实现提升旋翼的旋转平面/桨盘平面产生较大的负前倾角，进一步达到降低功耗实现节能目的；多个提升旋翼分别连接机身且分布于机身周侧，即，多个提升旋翼没有采用共轴设置，有利于减少能量损失；与现有直升机复杂的改变总距和周期距的控制机构不同，本发明的可挥舞连接机构结构设计简单可靠，同时大大降低高速飞行时空气阻力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的多旋翼无人机以负前倾角前飞时、传统的多旋翼无人机以20°前倾角前飞时的前飞功耗随前飞速度变化趋势的比较示意图；
图2为本发明的多旋翼无人机的结构示意图；
图3为图2所示多旋翼无人机的另一角度的示意图；
图4为本发明的多旋翼无人机的局部示意图；
图5为本发明的多旋翼无人机的可挥舞连接机构的结构示意图；
图6为图5所示可挥舞连接机构的沿线Ⅰ-Ⅰ的剖视图；
图7为本发明的多旋翼无人机安装垂直尾翼与方向舵时的结构示意图；
图8为本发明的多旋翼无人机的能量回收模块的结构示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
本发明提供的一实施例中，请参图2、图3以及图7所示，一种四旋翼多旋翼无人机1000，包括纵向延伸的机身1、垂直机身1横向延伸的机臂2、四个提升旋翼3、一个前进旋翼4、电机5以及安装于机身1底部的起落架6。机身1在纵向上具有头部与尾部，其中，定义机身1头部的前进方向为多旋翼无人机1000的前进/前飞方向。
具体地，机臂2设置为四个，分别自机身1的周侧向外延伸，电机5固定于机臂2远离机身1的一端，电机5的旋转轴51连接提升旋翼3的可挥舞桨毂31。即，四个提升旋翼3通过机臂2分别连接机身1且分布于机身1周侧，用于在多旋翼无人机1000起降或平飞过程中产生克服重力的提升驱动力。前进旋翼4连接机身1的尾部且与多旋翼无人机1000的动力系统(未图示)连接，用于产生推动多旋翼无人机1000前进的水平驱动力，当然在其他实施例中，前进旋翼4亦可设置于机身1的头部，用于提供拉动多旋翼无人机1000前进的水平驱动力。
为方便描述，定义提升旋翼3的旋转平面/桨盘平面在纵向上水平设置时的前倾角为0°，向前低头时的前倾角大于0°，向后倾倒时的前倾角小于0°(负前倾角)。本发明的多旋翼无人机1000设有可挥舞连接机构100用于使每个提升旋翼3与机身1可挥舞连接，请参图2与图3所示，在多旋翼无人机1000平飞过程中，提升旋翼3的旋转平面/桨盘平面自水平面向后倾倒而产生负前倾角。
具体地，请参图4～6所示，可挥舞连接机构100包括设于提升旋翼3的可挥舞桨毂31，设于电机5的旋转轴51，以及垂直旋转轴51的轴向延伸且穿过旋转轴51后与可挥舞桨毂31连接的挥舞轴101，具体地，可挥舞桨毂31设有一对分别垂直挥舞轴101延伸的支撑臂311，且分别连接挥舞轴101的相对两端。在本实施例中，可挥舞桨毂31与挥舞轴101可转动连接且挥舞轴101与旋转轴51固连，当然在其他实施例中，可挥舞桨毂31亦可与挥舞轴101固连且挥舞轴101与旋转轴51可转动连接，或者挥舞轴101分别与可挥舞桨毂31、旋转轴51可转动连接。上述可转动连接功能可通过轴承(未图示)实现。
优选地，可挥舞连接机构100设有两个对称的扭簧102，均套接于挥舞轴101的外围，每一扭簧102具有两相对的自由端。扭簧102与可挥舞桨毂31、旋转轴51以及挥舞轴101的连接关系被构造为，当可挥舞桨毂31与挥舞轴101固连且挥舞轴101与旋转轴51可转动连接时，扭簧102的相对两端分别与可挥舞桨毂31/挥舞轴101、旋转轴51固连，当可挥舞桨毂31与挥舞轴101可转动连接且挥舞轴101与旋转轴51固连时，扭簧102的相对两端分别与可挥舞桨毂31、挥舞轴101/旋转轴51固连。在本实施例中，扭簧102的相对两端分别与可挥舞桨毂31、旋转轴51固连，请参图5所示，扭簧102与旋转轴51的固连结构被构造为，扭簧102的一自由端远离挥舞轴101后竖直向下延伸，贯穿自旋转轴51外围一体凸伸的环形凸台52。容易理解的是，扭簧102与可挥舞桨毂31/挥舞轴101的固连方式亦可采用与上述相同或相似的结构，即，扭簧102的另一自由端远离挥舞轴101后水平延伸，贯穿可挥舞桨毂31本体。扭簧102的设置用于限制提升旋翼3的挥舞程度，或者说，用于限制提升旋翼3的旋转平面/桨盘平面的负前倾角范围。
请参图4与图5所示，提升旋翼3包括上述可挥舞桨毂31以及安装于可挥舞桨毂31的两个桨叶32。可挥舞桨毂31包括上述两个相对设置的支撑臂311以及两个相对设置的桨夹312，桨夹312与支撑臂311首尾相连。桨叶32的根部水平插入桨夹312本体，桨夹312设有分别竖直贯穿桨夹312本体和桨叶32根部的固定柱312a，并形成有与固定住312a配合的竖直延伸的固定孔312b。如此设置，使得两个桨叶32的延伸方向与可挥舞桨毂31的支撑臂311平行。
优选地，请参图8所示，多旋翼无人机1000还包括能量回收模块200，用以将空气产生的空气动能转变为反充电能，最终存储于蓄电池203，如此实现多旋翼无人机1000的反向充电功能。
在多旋翼无人机1000高速前飞时，提升旋翼3的旋转平面/桨盘平面自水平面向后倾倒而产生负前倾角，负前倾角一旦产生，空气施加于提升旋翼3的气动扭矩的方向发生改变，具体来说，负前倾角产生之前，气动扭矩方向与提升旋翼3旋转方向相反，负前倾角产生之后，气动扭矩方向变为与提升旋翼3旋转方向相同，此种情形下，提升旋翼3由电机5驱动旋转转变为空气驱动旋转。综上所述，负前倾角一旦产生，空气驱动提升旋翼3旋转进而驱动电机5旋转，上述能量回收模块200即用来回收该空气驱动产生的能量。
能量回收模块200包括电子调速器201、电源管理单元202以及包含多节锂电池的上述蓄电池203。电子调速器201与电机5连接，将上述空气动能转变为反充电能，由于反充电能为交流电形式，因此，本发明的电子调速器201还具有整流器功能，把上述交流电转换成直流电。电源管理单元202的功能系将经电子调速器201转化后的直流电均匀分配到串联/并联的每节锂电池上，进而完成电能回收。
在本实施例中，提升旋翼3系四个，起降过程中，提升旋翼3的工作方式与我们通常所熟知的四旋翼飞行器相同，在此不作赘述。前飞过程中，前进旋翼4开始工作用于克服前飞过程中的阻力，同时提升旋翼3也开始工作，用于克服多旋翼无人机1000的重力以及控制其飞行姿态，具体来说，在高速前飞时，提升旋翼3的旋转平面/桨盘平面保持一定的负前倾角，若提供一定的旋转速度和前进速度给提升旋翼3，则其在外部气流的推动下即可产生足够的升力/提升驱动力克服多旋翼无人机1000的重力。在这种工况下，通过控制电机5的转速进而控制提升旋翼3的转速，可以控制多旋翼无人机1000的飞行姿态，其控制方式与我们通常所熟知的四旋翼飞行器控制方式相同。
优选地，请参图7所示，多旋翼无人机1000包括垂直尾翼7以及设于所述垂直尾翼7的方向舵71，方向舵71被设置为在平飞过程中控制多旋翼无人机1000的航向，如此设置，多旋翼无人机1000可不通过提升旋翼3控制航向，因而减少了提升旋翼3的能耗。
当然在其他实施例中，提升旋翼3可设置为两个或六个或八个等偶数个，对称分布于机身1的左右两侧。
本发明提供的另一实施例中，提升旋翼3系两个，多旋翼无人机1000包括垂直尾翼7、设于垂直尾翼7的方向舵71、水平尾翼(未图示)以及设置于水平尾翼的升降舵(未图示)；方向舵71和升降舵被共同设置为，在起飞降落时，辅助多旋翼无人机1000稳定姿态以实现垂直起降；升降舵还被设置为，在平飞过程中，控制多旋翼无人机1000的俯仰姿态；方向舵71还被设置为，在平飞过程中，控制多旋翼无人机1000的航向。在本实施例中，两个提升旋翼3分别设置于机身1的左右两侧，在多旋翼无人机1000的俯视图中，左侧的提升旋翼3被设置为逆时针转动，右侧的提升旋翼3被设置为顺时针转动，左逆右顺的转向设置可以避免滚转时的反向偏航。在本实施例中，通过两个提升旋翼3的转速差实现滚转姿态，比如，通过增加左侧的提升旋翼3转速，同时减少右侧的提升旋翼3转速来实现右滚动作。
本发明提供的多旋翼无人机1000具有如下有益效果：
1)提升旋翼3与前进旋翼4的配合布局，使得多旋翼无人机1000可以在提升旋翼3的旋转平面/桨盘平面为负前倾角的情况下飞行，有利于降低功耗，同时使得多旋翼无人机1000的最大前飞速度提高。
以下结合图1阐释其原理：图1为本发明的多旋翼无人机1000以负前倾角前飞时、传统的多旋翼无人机以20°前倾角前飞时的前飞功耗随前飞速度变化趋势的比较示意图。由图可知：
a)相同飞行速度V1时，本发明多旋翼无人机1000的功耗P’远小于传统多旋翼无人机以20°前倾角前飞时的功耗；
b)相同功耗Pmax下，本发明多旋翼无人机1000前飞速度V2远大于传统多旋翼无人机的前飞速度V1。
其中，P0为多旋翼无人机的悬停功率，Pmax为多旋翼无人机的最大功率，约为2P0，V1为P0对应的前飞速度，V2为Pmax对应的前飞速度，即多旋翼无人机的最大前飞速度。
需要注意的是，本发明多旋翼无人机1000的机身1一般设计为低阻体，在相同旋翼面积情况下，若多旋翼无人机自重越大，则本发明多旋翼无人机1000相较于传统多旋翼无人机的前飞节能优势越明显。举例来说，在4～20kg级多旋翼无人机中，本发明多旋翼无人机1000的最大前飞速度可从传统多旋翼无人机的15m/s提高至25m/s左右。
2)可挥舞连接机构100的设置可以实现提升旋翼3的旋转平面/桨盘平面产生较大的负前倾角，进一步达到降低功耗实现节能目的。
3)多个提升旋翼3分别连接机身1且分布于机身1周侧，即，多个提升旋翼3没有采用共轴设置，有利于减少能量损失。
4)与现有直升机复杂的改变总距和周期距的控制机构不同，本发明的可挥舞连接机构100结构设计简单可靠，同时大大降低高速飞行时空气阻力。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多旋翼无人机，包括：
机身；
多个提升旋翼，所述多个提升旋翼被构造用于，在所述多旋翼无人机起降或平飞过程中产生克服重力的提升驱动力；
前进旋翼，所述前进旋翼被构造用于，产生推动或拉动所述多旋翼无人机前进的水平驱动力；
其特征在于，所述多个提升旋翼分别连接所述机身且分布于所述机身周侧；所述前进旋翼连接所述机身，设置于所述机身的头部或尾部；所述多旋翼无人机设有可挥舞连接机构用于使每个所述提升旋翼与所述机身可挥舞连接。
2.如权利要求1所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述可挥舞连接机构被构造为，在所述多旋翼无人机平飞过程中，所述提升旋翼的旋转平面/桨盘平面自水平面向后倾倒而产生负前倾角。
3.如权利要求2所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述可挥舞连接机构包括设于所述提升旋翼的可挥舞桨毂，设于电机的旋转轴，以及垂直穿过所述旋转轴且与所述可挥舞桨毂连接的挥舞轴，所述可挥舞桨毂与所述挥舞轴固连且所述挥舞轴与所述旋转轴可转动连接，或者所述可挥舞桨毂与所述挥舞轴可转动连接且所述挥舞轴与所述旋转轴固连。
4.如权利要求3所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述可挥舞连接机构设有两个对称的扭簧，均套接于所述挥舞轴的外围，所述扭簧与所述可挥舞桨毂、旋转轴以及挥舞轴的连接关系被构造为，当所述可挥舞桨毂与所述挥舞轴固连且所述挥舞轴与所述旋转轴可转动连接时，所述扭簧的相对两端分别与所述可挥舞桨毂/挥舞轴、所述旋转轴固连，当所述可挥舞桨毂与所述挥舞轴可转动连接且所述挥舞轴与所述旋转轴固连时，所述扭簧的相对两端分别与所述可挥舞桨毂、所述挥舞轴/旋转轴固连。
5.如权利要求4所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述扭簧的相对两端分别与所述可挥舞桨毂、所述旋转轴固连；所述扭簧的相对两端与所述可挥舞桨毂、所述旋转轴的固连结构分别被构造为，所述扭簧的一自由端远离所述挥舞轴后竖直向下延伸，贯穿自所述旋转轴外围一体凸伸的环形凸台，所述扭簧的另一自由端远离所述挥舞轴后水平延伸，贯穿所述可挥舞桨毂本体；所述可挥舞桨毂设有一对分别垂直所述挥舞轴延伸的支撑臂，以及连接所述支撑臂的一对桨夹，所述一对支撑臂分别连接所述挥舞轴的相对两端。
6.如权利要求1或5所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述多旋翼无人机还包括实现反向充电功能的能量回收模块，所述能量回收模块包括电子调速器，所述电子调速器具有把交流电转换成直流电的功能。
7.如权利要求6所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述能量回收模块还包括电源管理单元以及包括多节锂电池的蓄电池，所述电源管理单元用于将反充的电能分配给所述多节锂电池。
8.如权利要求1所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述多个提升旋翼系四个或六个或八个，对称分布于所述机身的左右两侧，所述多旋翼无人机包括垂直尾翼以及设于所述垂直尾翼的方向舵，所述方向舵被设置为在平飞过程中控制所述多旋翼无人机的航向。
9.如权利要求1所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述多个提升旋翼系两个，所述多旋翼无人机包括垂直尾翼、设于所述垂直尾翼的方向舵、水平尾翼以及设置于所述水平尾翼的升降舵；所述方向舵和升降舵被共同设置为，在起飞降落时，辅助所述多旋翼无人机稳定姿态以实现垂直起降；所述升降舵还被设置为，在平飞过程中，控制所述多旋翼无人机的俯仰姿态；所述方向舵还被设置为，在平飞过程中，控制所述多旋翼无人机的航向。
10.如权利要求9所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述两个提升旋翼分别设置于所述机身的左右两侧，在所述多旋翼无人机的俯视图中，左侧的所述提升旋翼被设置为逆时针转动，右侧的所述提升旋翼被设置为顺时针转动，通过所述两个提升旋翼的转速差实现滚转姿态。
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Denomination of invention: Multi rotor unmanned aerial vehicle

Effective date of registration: 20231225

Granted publication date: 20230110

Pledgee: Bank of Beijing Limited by Share Ltd. Shanghai branch

Pledgor: Goertek Robotics Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980074084