CN110203383A - 一种模块化的交叉式纵列无人直升机及其工作方法 - Google Patents

一种模块化的交叉式纵列无人直升机及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化的交叉式纵列无人直升机及其工作方法，其由两个通过连接装置连接在一起的直升机单体构成；连接装置为四旋翼连接装置或纵列式连接装置，其中四旋翼模式前后桨叶无重叠，无高度差，纵列式模式前后桨叶有重叠且有高度差。本发明可根据任务要求选择相应机型，实现了模块化，并且三大模块可自由切换，综合了基本单元交叉式直升机稳定性比较好、结构紧凑、气动阻力较小、升力大，四旋翼操纵性好、易控制，纵列式直升机抗侧风能力强、重心范围大的优点，其动力系统既可电动也可油动。在电力巡检、油气管道巡检、森林防火、农业植保、公共安全、运输载重等领域有广阔的应用前景。

Description

一种模块化的交叉式纵列无人直升机及其工作方法
技术领域
本发明属于航空技术领域，具体指代一种模块化的交叉式纵列无人直升机及其工作方法。
背景技术
随着航空产业的不断发展，无人直升机在诸多领域都发挥了重要作用，如大跨越/强电磁干扰下的输电线路自动架设、高层/超高层建筑的初始着火点检测与识别、灾后灾情信息的评估以及农田基础数据的获取等。模块化机型在工作效率、工作成本以及调度指挥上有很大的优势，目前针对以上任务需求的无人直升机并未实现模块化，并且机体结构布置不紧凑、使用环境单一，无法在恶劣环境如突风、强对流环境中使用，稳定性差，进而导致其工作效率低、成本高、调度繁琐、不便运输。
目前可用于多环境下的交叉式无人机和纵列式无人机都有其优缺点：交叉式抗侧风能力强、结构紧凑、气动效率高，但是稳定性不强，而纵列式重心范围大、升力大、稳定性好，进而对基本单元交叉式无人直升机进行模块化，形成四旋翼模式、纵列式模式。可针对任务量、工作环境、任务指标进行模块化选择，其中纵列式模式结构较四旋翼模式更紧凑、气动效率更高、升力更大，四旋翼模式较纵列式模式操纵策略简单、易控制，两者均极大地提高了工作效率，节省了工作成本。
基于此，本发明将交叉式无人直升机作为基本单元，组成四旋翼模式和纵列式模式。具有任务适应性强、飞行稳定性好、结构紧凑、互换性好、性能强的优点，在电力巡检、油气管道巡检、森林防火、农业植保、公共安全、运输载重等领域有广阔的应用前景。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模块化的交叉式纵列无人直升机及其工作方法，以解决现有技术中单机种任务适应性差、调度指挥繁琐、载重效率低、成本高、任务目标单一等问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种模块化的交叉式纵列无人直升机，其由两个通过连接装置连接在一起的直升机单体构成；其中，所述直升机单体包括：桨毂、桨叶、机身、自动倾斜器、轴承座、轴承座侧板、电机座、电机、舵机、旋翼轴、单向轴承及传动系统；
所述机身包括：底座、底座侧板、前侧板、右侧板、起落架撑、起落架杆及底座侧板撑；其中，底座侧板分别与前侧板、底座、起落架撑连接；前侧板位于底座侧板顶部，且分别与电机座、右侧板连接；底座设于两个底座侧板中间；起落架撑设于底座侧板侧面，且与起落架杆连接；右侧板设于底座侧板右上方，且分别与电机座、轴承座连接；底座侧板撑将两个底面侧板连接；
所述传动系统设于机身上方，桨叶下方，其包含由电机齿轮和大齿轮组成的一级减速器、换向锥齿轮，其中大齿轮与单向轴承连接；电机齿轮设于电机上，与电机通过螺栓紧固；大齿轮设于旋翼轴下端，换向锥齿轮设于旋翼轴中部；大齿轮和换向锥齿轮均通过销与旋翼轴连接；桨毂固定设于旋翼轴的顶端，并与桨叶相连接；
自动倾斜器设于旋翼轴上，位于桨毂下方，且与旋翼轴间隙连接；
轴承座套设于旋翼轴上，位于自动倾斜器下方，且与旋翼轴过盈连接，并与轴承座侧板连接；
舵机紧固于轴承座上；
电机座设于大齿轮和换向锥齿轮之间，且分别与前侧板、右侧板连接；
电机固定设于电机座上，并与电机座相连接；
单向轴承固定设于大齿轮内，并套设于旋翼轴底端。
进一步地，所述的连接装置为四旋翼连接装置或纵列式连接装置。
进一步地，所述四旋翼连接装置为长度大于桨叶直径的槽钢件，槽钢件横截面为槽状，有良好的综合机械性能，固定安装于底座侧板之间，其使得前后直升机单体的桨叶无重叠，无高度差，同时工作形成四旋翼模式。
进一步地，所述纵列式连接装置为长度小于桨叶直径的槽钢件，使得前后直升机单体的桨叶有重叠，并且前后直升机单体有高度差，形成纵列式模式。
进一步地，所述底座侧板及右侧板采用碳板材料，具有重量轻、韧性好的优点。
进一步地，所述承力部件底座、前侧板、起落架撑、起落架杆及底座侧板撑采用复合材料，具有减震性好、比强度高、耐疲劳的优点。
进一步地，所述换向锥齿轮的传动比为1，传动比为1的锥齿轮可保证两旋翼轴转速一致，传动稳定性更好。
进一步地，所述大齿轮及换向锥齿轮采用尼龙材料，具有重量轻、耐疲劳、润滑性好的优点。
本发明的一种模块化的交叉式纵列无人直升机的工作方法，包括步骤如下：
垂直起飞：通过舵机上的拉杆向上平移自动倾斜器，增加所有桨叶的桨距，从而增大桨叶迎角提高升力，直升机的机体爬升；
垂直下降：通过舵机上的拉杆向下平移自动倾斜器，减小所有桨叶的桨距，从而降低桨叶迎角减小升力，直升机的机体下降；
前飞：通过舵机上的拉杆使左、右旋翼轴上的自动倾斜器同时向前倾斜，改变合力方向，实现前飞；
后飞：通过舵机上的拉杆使左、右旋翼轴上的自动倾斜器同时向后倾斜，改变合力方向，实现后飞；
向左偏航（偏航即改变航向，从机体后视方向看）：需通过舵机上的拉杆使左旋翼轴上的自动倾斜器向后倒，右旋翼轴上的自动倾斜器向前倒，形成一对力偶使直升机的机体向左偏航；
向右偏航：需通过舵机上的拉杆使左旋翼轴上的自动倾斜器向前倒，右旋翼轴上的自动倾斜器向后倒，形成一对力偶使直升机的机体向右偏航；
向左滚转（滚转操纵即机体绕纵向轴转动，从机体后视方向看）：通过舵机上的拉杆向下平移左旋翼轴上的自动倾斜器，向上平移右旋翼轴上的自动倾斜器，机体向左滚转；
向右滚转：通过舵机上的拉杆向上平移左旋翼轴上的自动倾斜器，向下平移右旋翼轴上的自动倾斜器，机体向右滚转；
前俯（俯仰操纵即机体绕横轴转动，从机体后视方向看）：通过前直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机的拉杆同时向下平移自动倾斜器，后直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向上平移自动倾斜器；
后仰：通过前直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向上平移自动倾斜器，后直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向下平移自动倾斜器。
本发明的有益效果：
本发明将直升机进行模块化，组成四旋翼模式或纵列式模式，具有任务适应性强、飞行稳定性好、结构紧凑、气动阻力较小、升力大、四旋翼操纵性好、易控制、纵列式直升机抗侧风能力强、互换性好、性能强的优点。在电力巡检、油气管道巡检、森林防火、农业植保、公共安全、运输载重等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明直升机单体的结构示意图；
图2是四旋翼模式的整体示意图；
图3是纵列式模式的整体示意图；
图4是传动系统的放大图；
图5是直升机单体机身上部的结构示意图；
图中，1-桨毂，2-桨叶，3-底座侧板，4-起落架撑，5-四旋翼连接装置，6-起落架杆，7-底座侧板撑，8-纵列式连接装置，9-底座，10-前侧板，11-机身，12-右侧板，13-自动倾斜器，14-轴承座，15-轴承座侧板，16-大齿轮，17-电机齿轮，18-电机座，19-电机，20-换向锥齿轮，21-舵机（含拉杆），22-旋翼轴，23-单向轴承，24-传动系统。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1至图5所示，本发明的本发明的一种模块化的交叉式纵列无人直升机，其由两个通过连接装置连接在一起的直升机单体构成；其中，所述直升机单体包括：桨毂1、桨叶2、机身11、自动倾斜器13、轴承座14、轴承座侧板15、电机座18、电机19、舵机21、旋翼轴22、单向轴承23及传动系统24；
所述机身11包括：底座9、底座侧板3、前侧板10、右侧板12、起落架撑4、起落架杆6及底座侧板撑7；其中，底座侧板3分别与前侧板10、底座9、起落架撑4连接；前侧板10位于底座侧板3顶部，且分别与电机座18、右侧板12连接；底座9设于两个底座侧板3中间；起落架撑4设于底座侧板3侧面，且与起落架杆6连接；右侧板12设于底座侧板3右上方，且分别与电机座18、轴承座14连接；底座侧板撑7将两个底面侧板3连接；
所述传动系统24设于机身11上方，桨叶2下方，其包含由电机齿轮17和大齿轮16组成的一级减速器、换向锥齿轮20，其中大齿轮16与单向轴承23连接；电机齿轮17设于电机19上，与电机19通过螺栓紧固；大齿轮16设于旋翼轴22下端，换向锥齿轮20设于旋翼轴22中部；大齿轮16和换向锥齿轮20均通过销与旋翼轴22连接；桨毂1固定设于旋翼轴22的顶端，并与桨叶2相连接；
自动倾斜器13设于旋翼轴22上，位于桨毂1下方，且与旋翼轴22间隙连接；
轴承座14套设于旋翼轴22上，位于自动倾斜器13下方，且与旋翼轴22过盈连接，并与轴承座侧板15连接；
舵机21紧固于轴承座14上；
电机座18设于大齿轮16和换向锥齿轮20之间，且分别与前侧板10、右侧板12连接；
电机19固定设于电机座18上，并与电机座18相连接；
单向轴承23固定设于大齿轮16内，并套设于旋翼轴22底端。
其中，所述的连接装置为四旋翼连接装置5或纵列式连接装置8；
四旋翼连接装置为长度大于桨叶直径的槽钢件，槽钢件横截面为槽状，有良好的综合机械性能，固定安装于底座侧板之间，其使得前后直升机单体的桨叶无重叠，无高度差，同时工作形成四旋翼模式；
纵列式连接装置为长度小于桨叶直径的槽钢件，使得前后直升机单体的桨叶有重叠，并且前后直升机单体有高度差，形成纵列式模式。
此外，所述底座侧板3及右侧板12采用碳板材料，具有重量轻、韧性好的优点。
所述承力部件底座9、前侧板10、起落架撑4、起落架杆6及底座侧板撑7采用复合材料，具有减震性好、比强度高、耐疲劳的优点。
所述换向锥齿轮20的传动比为1，传动比为1的锥齿轮20可保证两旋翼轴22转速一致，传动稳定性更好。
所述大齿轮16及换向锥齿轮20采用尼龙材料，具有重量轻、耐疲劳、润滑性好的优点。
所述的直升机单体通过启动电机19旋转，电机19带动电机齿轮17旋转进而带动大齿轮16旋转，大齿轮16与同一旋翼轴22的上的换向锥齿轮20一同旋转，通过与另一个换向锥齿轮20啮合旋转，进而使得两个旋翼轴22同时开始旋转，两个旋翼轴22通过各自的轴承座14带动自动倾斜器13旋转，自动倾斜器13的拉杆带动桨毂1、桨叶2一同旋转；其中，舵机21上的拉杆用来控制自动倾斜器13的平移和倾转进而改变合力面方向。
本发明的一种模块化的交叉式纵列无人直升机的工作方法，包括步骤如下：
垂直起飞：通过舵机上的拉杆向上平移自动倾斜器，增加所有桨叶的桨距，从而增大桨叶迎角提高升力，直升机的机体爬升；
垂直下降：通过舵机上的拉杆向下平移自动倾斜器，减小所有桨叶的桨距，从而降低桨叶迎角减小升力，直升机的机体下降；
前飞：通过舵机上的拉杆使左、右旋翼轴上的自动倾斜器同时向前倾斜，改变合力方向，实现前飞；
后飞：通过舵机上的拉杆使左、右旋翼轴上的自动倾斜器同时向后倾斜，改变合力方向，实现后飞；
向左偏航（偏航即改变航向，从机体后视方向看）：需通过舵机上的拉杆使左旋翼轴上的自动倾斜器向后倒，右旋翼轴上的自动倾斜器向前倒，形成一对力偶使直升机的机体向左偏航；
向右偏航：需通过舵机上的拉杆使左旋翼轴上的自动倾斜器向前倒，右旋翼轴上的自动倾斜器向后倒，形成一对力偶使直升机的机体向右偏航；
向左滚转（滚转操纵即机体绕纵向轴转动，从机体后视方向看）：通过舵机上的拉杆向下平移左旋翼轴上的自动倾斜器，向上平移右旋翼轴上的自动倾斜器，机体向左滚转；
向右滚转：通过舵机上的拉杆向上平移左旋翼轴上的自动倾斜器，向下平移右旋翼轴上的自动倾斜器，机体向右滚转；
前俯（俯仰操纵即机体绕横轴转动，从机体后视方向看）：通过前直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机的拉杆同时向下平移自动倾斜器，后直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向上平移自动倾斜器；
后仰：通过前直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向上平移自动倾斜器，后直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向下平移自动倾斜器。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模块化的交叉式纵列无人直升机，其特征在于，其由两个通过连接装置连接在一起的直升机单体构成；其中，所述直升机单体包括：桨毂（1）、桨叶（2）、机身（11）、自动倾斜器（13）、轴承座（14）、轴承座侧板（15）、电机座（18）、电机（19）、舵机（21）、旋翼轴（22）、单向轴承（23）及传动系统（24）；
所述机身（11）包括：底座（9）、底座侧板（3）、前侧板（10）、右侧板（12）、起落架撑（4）、起落架杆（6）及底座侧板撑（7）；其中，底座侧板（3）分别与前侧板（10）、底座（9）、起落架撑（4）连接；前侧板（10）位于底座侧板（3）顶部，且分别与电机座（18）、右侧板（12）连接；底座（9）设于两个底座侧板（3）中间；起落架撑（4）设于底座侧板（3）侧面，且与起落架杆（6）连接；右侧板（12）设于底座侧板（3）右上方，且分别与电机座（18）、轴承座（14）连接；底座侧板撑（7）将两个底面侧板（3）连接；
所述传动系统（24）设于机身（11）上方，桨叶（2）下方，其包含由电机齿轮（17）和大齿轮（16）组成的一级减速器、换向锥齿轮（20），其中大齿轮（16）与单向轴承（23）连接；电机齿轮（17）设于电机（19）上，与电机（19）通过螺栓紧固；大齿轮（16）设于旋翼轴（22）下端，换向锥齿轮（20）设于旋翼轴（22）中部；大齿轮（16）和换向锥齿轮（20）均通过销与旋翼轴（22）连接；
桨毂（1）固定设于旋翼轴（22）的顶端，并与桨叶（2）相连接；
自动倾斜器（13）设于旋翼轴（22）上，位于桨毂（1）下方，且与旋翼轴（22）间隙连接；
轴承座（14）套设于旋翼轴（22）上，位于自动倾斜器（13）下方，且与旋翼轴（22）过盈连接，并与轴承座侧板（15）连接；
舵机（21）紧固于轴承座（14）上；
电机座（18）设于大齿轮（16）和换向锥齿轮（20）之间，且分别与前侧板（10）、右侧板（12）连接；
电机（19）固定设于电机座（18）上，并与电机座（18）相连接；
单向轴承（23）固定设于大齿轮（16）内，并套设于旋翼轴（22）底端。
2.根据权利要求1所述的模块化的交叉式纵列无人直升机，其特征在于，所述的连接装置为四旋翼连接装置或纵列式连接装置。
3.根据权利要求2所述的模块化的交叉式纵列无人直升机，其特征在于，所述四旋翼连接装置为长度大于桨叶直径的槽钢件，槽钢件横截面为槽状，固定安装于底座侧板（3）之间，其使得前后直升机单体的桨叶无重叠，无高度差，同时工作形成四旋翼模式。
4.根据权利要求2所述的模块化的交叉式纵列无人直升机，其特征在于，所述纵列式连接装置为长度小于桨叶直径的槽钢件，使得前后直升机单体的桨叶有重叠，并且前后直升机单体有高度差，形成纵列式模式。
5.根据权利要求1所述的模块化的交叉式纵列无人直升机，其特征在于，所述底座侧板（3）及右侧板（12）采用碳板材料。
6.根据权利要求1所述的模块化的交叉式纵列无人直升机，其特征在于，所述承力部件底座（9）、前侧板（10）、起落架撑（4）、起落架杆（6）及底座侧板撑（7）采用复合材料。
7.根据权利要求1所述的模块化的交叉式纵列无人直升机，其特征在于，所述换向锥齿轮（20）的传动比为1。
8.根据权利要求1所述的模块化的交叉式纵列无人直升机，其特征在于，所述大齿轮（16）及换向锥齿轮（20）采用尼龙材料。
9.一种模块化的交叉式纵列无人直升机的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
垂直起飞：通过舵机上的拉杆向上平移自动倾斜器，增加所有桨叶的桨距，从而增大桨叶迎角提高升力，直升机的机体爬升；
垂直下降：通过舵机上的拉杆向下平移自动倾斜器，减小所有桨叶的桨距，从而降低桨叶迎角减小升力，直升机的机体下降；
前飞：通过舵机上的拉杆使左、右旋翼轴上的自动倾斜器同时向前倾斜，改变合力方向，实现前飞；
后飞：通过舵机上的拉杆使左、右旋翼轴上的自动倾斜器同时向后倾斜，改变合力方向，实现后飞；
向左偏航：需通过舵机上的拉杆使左旋翼轴上的自动倾斜器向后倒，右旋翼轴上的自动倾斜器向前倒，形成一对力偶使直升机的机体向左偏航；
向右偏航：需通过舵机上的拉杆使左旋翼轴上的自动倾斜器向前倒，右旋翼轴上的自动倾斜器向后倒，形成一对力偶使直升机的机体向右偏航；
向左滚转：通过舵机上的拉杆向下平移左旋翼轴上的自动倾斜器，向上平移右旋翼轴上的自动倾斜器，机体向左滚转；
向右滚转：通过舵机上的拉杆向上平移左旋翼轴上的自动倾斜器，向下平移右旋翼轴上的自动倾斜器，机体向右滚转；
前俯：通过前直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机的拉杆同时向下平移自动倾斜器，后直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向上平移自动倾斜器；
后仰：通过前直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向上平移自动倾斜器，后直升机的机体左、右旋翼轴上的舵机拉杆同时向下平移自动倾斜器。
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