CN110282129A - 一种十字型共轴倾转旋翼两栖无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，包括机体、设于机体上的倾转式共轴多旋翼机构以及防水密封舱，所述防水密封舱内安装有电源模块和飞控模块，所述飞控模块分别与倾转式共轴多旋翼机构以及电源模块电连接，倾转式共轴多旋翼机构为由固定旋翼结构和倾转式旋翼结构组成的倾转式共轴八旋翼机构。本发明对无人机设置了倾转式的共轴多旋翼机构，通过对旋翼进行倾转控制，代替通过电机的增减速改变反扭力矩来改变机体的偏航角度，水下运行时倾转两侧电机朝前，机体保持水平以减少阻力，提高电机最大升力的利用效率，实现无人机实现在空中以及水下大阻力情况下的自身旋转以及工作。
Description
技术领域
本发明涉及两栖无人机技术领域，尤其涉及一种十字型共轴倾转旋翼两栖无人机。
背景技术
现代各国普遍采用多旋翼无人机完成空中部分的物体检测任务，用潜航器完成水下检测任务，而对于需要频繁完成水空过渡的检测区域暂无良好解决方案，给检测带来了不便。另外现有的多旋翼无人机大多采用同转向电机增速、反转向电机减速来控制其螺旋桨的反扭矩合力方向及大小；多旋翼无人机前进时，通过位于机体前半部分的电机减速及位于机体后半部分的电机增速使机体倾斜，然而在这种控制方式下，当飞行器起飞重量大于电机总升力一半时，飞行器稳定性、响应速度大幅降低。
发明内容
本发明为解决现有的多旋翼无人机难以完成水下作业、飞行时容易出现不稳定、响应速度慢等问题，提供了一种十字型共轴倾转旋翼两栖无人机。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
一种十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，包括机体、设于机体上的倾转式共轴多旋翼机构以及防水密封舱，所述防水密封舱内安装有电源模块和飞控模块，所述飞控模块分别与倾转式共轴多旋翼机构以及电源模块电连接。
上述方案中，对无人机设置了可倾转的共轴多旋翼机构，通过对旋翼进行倾转控制，代替通过电机的增减速动力控制来进行倾转，提高电机最大升力的利用效率从而使无人机实现在空中以及水下大阻力情况下的倾转，同时设置防水密封舱并将电源模块和飞控模块安装在其内部进一步实现了无人机的水下工作。
优选的，所述倾转式共轴多旋翼机构为由固定旋翼结构和倾转式旋翼结构组成的倾转式共轴八旋翼机构。
优选的，所述倾转式旋翼结构包括对称设置的第一倾转式旋翼子结构和第二倾转式旋翼子结构；
所述第一倾转式旋翼子结构包括第一防水舵机、第一管连接件、第一管夹、第一轴承、第一机臂管、第一电机座、第一电机、螺旋桨，所述第一防水舵机横向设置在机体上，所述第一机臂管的一端依次套设有第一管连接件、第一管夹和第一轴承，所述第一轴承安装于所述第一管夹内，所述第一管连接件与所述第一防水舵机的输出轴连接，且所述第一管连接件与第一机臂管之间通过第一轴承转动连接；所述第一电机通过第一电机座安装在所述第一机臂管的另一端，所述第一电机有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有螺旋桨，且两个输出轴分别对称设置在所述第一机臂管的另一端的上侧面和下侧面，所述第一电机的输入轴与所述飞控模块电连接；
所述第二倾转式旋翼子结构包括第二防水舵机、第二管连接件、第二管夹、第二轴承、第二机臂管、第二电机座、第二电机、螺旋桨，所述第二防水舵机横向设置在机体上，所述第二机臂管的一端依次套设有第二管连接件、第二管夹和第二轴承，所述第二轴承安装于所述第二管夹内，所述第二管连接件与所述第二防水舵机的输出轴连接，且所述第二管连接件与第二机臂管之间通过第二轴承转动连接；所述第二电机通过第二电机座安装在所述第二机臂管的另一端，所述第二电机有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有螺旋桨，且两个输出轴分别对称设置在所述第二机臂管的另一端的上侧面和下侧面，所述第二电机的输入轴与所述飞控模块电连接。
在本优选方案中，第一倾转式旋翼子结构以及第二倾转式旋翼子结构均可通过防水舵机控制机臂管从而实现独立控制倾转角度；同时每个机臂管上连接的螺旋桨设置为双层桨结构，可以使得本发明的无人机在进行水空过渡时，位于上侧面的螺旋桨在空中，位于下侧面的螺旋桨在水中，并实现电机的分层出水，有助于实现无人机在水面悬停，以及无人机的稳定出水入水。
优选的，所述固定旋翼结构包括对称设置的第三固定旋翼结构子结构和第四固定旋翼结构子结构；
所述第三固定旋翼结构子结构第三机臂管、第三电机座、第三电机、螺旋桨，所述第三机臂管的一端设置在机体上，所述第三电机通过第三电机座安装在所述第三机臂管的另一端，所述第三电机有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有螺旋桨，且两个输出轴分别对称设置在所述第三机臂管的另一端的上侧面和下侧面，所述第三电机的输入轴与所述飞控模块电连接；
所述第四固定旋翼结构子结构第四机臂管、第四电机座、第四电机、螺旋桨，所述第四机臂管的一端设置在机体上，所述第四电机通过第四电机座安装在所述第四机臂管的另一端，所述第四电机有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有螺旋桨，且两个输出轴分别对称设置在所述第四机臂管的另一端的上侧面和下侧面，所述第四电机的输入轴与所述飞控模块电连接。
优选的，所述第一机臂管、第二机臂管、第三机臂管、第四机臂管依次等间隔设置，所述第一机臂管的一端、第二机臂管的一端、第三机臂管的一端、第四机臂管的一端呈十字状固定连接于机体上。
优选的，所述螺旋桨均为双桨叶螺旋桨。
优选的，所述防水密封舱的舱体为中间是圆柱体，圆柱体两端为半球形端头的结构，所述防水密封舱通过固定件连接在所述机体的底部，所述飞控模块与倾转式共轴多旋翼机构电连接所使用的外置线缆通过穿舱线缆连接器接入所述防水密封舱，且连接处采用环氧树脂灌封。在本优选方案中，将外置线缆通过穿舱线缆连接器接入防水密封舱，并在连接处采用环氧树脂灌封，能进一步保障本无人机在水下的稳定及安全工作。
优选的，所述防水密封舱内还安装有摄像头模块和显示器模块，所述摄像头模块和显示器模块均分别与所述飞控模块电连接。
优选的，所述防水密封舱的舱体上还设有至少一个用于调参或充电的防水接口，所述防水接口包括接口本体，所述接口本体通过设置在防水密封舱内的电源开关控制器与所述电源模块电连接，所述接口本体上套设有环形底座，所述环形底座开设有环形凹槽，所述环形凹槽内设有防水密封胶圈，所述环形底座的外壁上安装有可拆卸防水盖。在本优选方案中，通过在防水密封舱的舱体上设置用于调参或充电的防水接口，实现无需拆开防水密封舱即可对本发明的无人机飞控进行修改参数、充电等操作，增加了无人机使用的便捷性。
优选的，所述防水接口为铝合金CNC材料的防水接口。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明对无人机设置了倾转式的共轴多旋翼机构，通过对旋翼进行倾转控制，在空中运行时以竖直方向基准进行同向、差向倾转，可保持机体水平的情况下进行前行及自旋，提高电机动力利用率；在水下运行时以旋翼水平方向为基准进行差向、差速控制，可保持水下运行时机体水平，大幅减少前行阻力以及提供较大的水下自旋所需扭力，代替了现有的通过电机的增减速动力控制来对机体进行倾转的方式，降低了耗能，同时有利于飞行姿态的灵活调整，加快了无人机姿态调整的响应速度；另外无人机设置有防水密封舱并将电源模块和飞控模块安装在其内部进一步保障了无人机的水下工作。
附图说明
图1为本发明中机体以及设于机体上的倾转式共轴多旋翼机构的结构示意图。
图2为本发明中第一倾转式旋翼子结构和第二倾转式旋翼子结构的示意图。
图3为本发明中第一倾转式旋翼子结构、第二倾转式旋翼子结构进行旋翼差向倾转控制时的状态图。
图4为本发明中机体底部安装有防水密封舱以及设于机体上的倾转式共轴多旋翼机构的示意图。
图5为本发明中防水接口的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，如图1和图4所示，包括机体1、设于机体1上的倾转式共轴多旋翼机构以及防水密封舱15，所述防水密封舱15内安装有电源模块和飞控模块，所述飞控模块分别与倾转式共轴多旋翼机构以及电源模块电连接。
其中，所述倾转式共轴多旋翼机构为由固定旋翼结构和倾转式旋翼结构组成的倾转式共轴八旋翼机构。
其中，所述倾转式旋翼结构包括对称设置的第一倾转式旋翼子结构和第二倾转式旋翼子结构；
如图2所示，所述第一倾转式旋翼子结构包括第一防水舵机21、第一管连接件22、第一管夹23、第一轴承24、第一机臂管2、第一电机座3、第一电机4、双桨叶螺旋桨5，所述第一防水舵机21横向设置在机体1上，所述第一机臂管2的一端依次套设有第一管连接件22、第一管夹23和第一轴承24，所述第一轴承24安装于所述第一管夹23内，所述第一管连接件22与所述第一防水舵机21的输出轴连接，且所述第一管连接件22与第一机臂管2之间通过第一轴承24转动连接；所述第一电机4通过第一电机座3安装在所述第一机臂管2的另一端，所述第一电机4有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有双桨叶螺旋桨5，且两个输出轴分别对称设置在所述第一机臂管2的另一端的上侧面和下侧面，所述第一电机4的输入轴与所述飞控模块电连接；
所述第二倾转式旋翼子结构包括第二防水舵机61、第二管连接件62、第二管夹63、第二轴承64、第二机臂管6、第二电机座7、第二电机8、双桨叶螺旋桨5，所述第二防水舵机61横向设置在机体1上，所述第二机臂管6的一端依次套设有第二管连接件62、第二管夹63和第二轴承64，所述第二轴承64安装于所述第二管夹63内，所述第二管连接件62与所述第二防水舵机61的输出轴连接，且所述第二管连接件62与第二机臂管6之间通过第二轴承64转动连接；所述第二电机8通过第二电机座7安装在所述第二机臂管6的另一端，所述第二电机8有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有双桨叶螺旋桨5，且两个输出轴分别对称设置在所述第二机臂管6的另一端的上侧面和下侧面，所述第二电机8的输入轴与所述飞控模块电连接。
其中，所述固定旋翼结构包括对称设置的第三固定旋翼结构子结构和第四固定旋翼结构子结构；
所述第三固定旋翼结构子结构第三机臂管9、第三电机座10、第三电机11、双桨叶螺旋桨5，所述第三机臂管9的一端设置在机体上，所述第三电机11通过第三电机座10安装在所述第三机臂管9的另一端，所述第三电机11有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有双桨叶螺旋桨5，且两个输出轴分别对称设置在所述第三机臂管9的另一端的上侧面和下侧面，所述第三电机11的输入轴与所述飞控模块电连接；
所述第四固定旋翼结构子结构第四机臂管12、第四电机座13、第四电机14、双桨叶螺旋桨5，所述第四机臂管12的一端设置在机体上，所述第四电机14通过第四电机座13安装在所述第四机臂管12的另一端，所述第四电机14有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有双桨叶螺旋桨5，且两个输出轴分别对称设置在所述第四机臂管12的另一端的上侧面和下侧面，所述第四电机14的输入轴与所述飞控模块电连接；
其中，所述第一机臂管2、第二机臂管6、第三机臂管9、第四机臂管12依次等间隔设置，所述第一机臂管2的一端、第二机臂管6的一端、第三机臂管9的一端、第四机臂管12的一端呈十字状固定连接于机体1上。
其中，如图4所示，所述防水密封舱15的舱体为中间是圆柱体，圆柱体两端为半球形端头的结构，所述防水密封舱15通过固定件连接在所述机体1的底部，所述飞控模块与倾转式共轴多旋翼机构电连接所使用的外置线缆通过穿舱线缆连接器接入所述防水密封舱15，且连接处采用环氧树脂灌封。所述防水密封舱15内还安装有摄像头模块和显示器模块，所述摄像头模块和显示器模块均分别与所述飞控模块电连接。所述防水密封舱15的舱体上还设有至少一个用于调参或充电的防水接口，如图5所示，所述防水接口包括接口本体51，所述接口本体51通过设置在防水密封舱15内的电源开关控制器与所述电源模块电连接，所述接口本体51上套设有环形底座，所述环形底座开设有环形凹槽52，所述环形凹槽52内设有防水密封胶圈，所述环形底座的外壁上安装有可拆卸防水盖53，在本实施例1中该可拆卸防水盖53通过安装螺栓固定在环形底座的外壁上。其中，所述防水接口为铝合金CNC材料的防水接口。
本实施例1的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机可应用于两种工作模式，分别为空中模式和水中模式；
空中模式时，无人机以竖直方向基准，如图3所示，使用位于机体1两侧的第一倾转式旋翼子结构、第二倾转式旋翼子结构进行两侧旋翼差向倾转控制，从而代替电机增减速控制反向扭力进行自旋控制，将两个电机升力的一小部分用于无人机的自旋控制上，可产生远大于螺旋桨5反扭力的自旋方向上的动力；使用位于机体1两侧的第一倾转式旋翼子结构、第二倾转式旋翼子结构进行两侧旋翼同向倾转控制，从而代替无人机倾斜机体1进行前行，将两个电机升力的一小部分用于无人机的前进控制上，可实现无人机前进飞行时仍维持机体1稳定；由于现有的多旋翼无人机大多采用同转向电机增速、反转向电机减速来控制螺旋桨5反扭矩合力方向及大小；前进时，通过前半部分电机减速及后半部分电机增速使机体1倾斜，因此当无人机起飞重量大于电机总升力一半时，无人机稳定性、响应速度大幅降低，本实施例1的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机由于设置了倾转式共轴多旋翼机构，以倾转控制的方式大幅度提高电机最大升力的利用效率。
水中模式时，无人机以竖直方向基准，使用位于机体1两侧的第一倾转式旋翼子结构、第二倾转式旋翼子结构进行两侧旋翼差向倾转控制，从而代替电机增减速控制反向扭力进行自旋控制，从而完成在水中的悬停动作；前行时，将第一倾转式旋翼子结构、第二倾转式旋翼子结构倾转至水平方向，并以水平方向作为基准方向，通过位于第一倾转式旋翼子结构中的第一电机4、第二倾转式旋翼子结构中的第二电机8同时增加转速来前进，调节第一电机4和第二电机8为不同转速来完成转向，差动倾转第一倾转式旋翼子结构、第二倾转式旋翼子结构并同时增加第一电机4和第二电机8的转速控制横滚，于此同时第三电机11和第四电机14差速控制机体1俯仰轴方向水平，第三电机11和第四电机14同时增减速来实现机体1上浮与下潜。
同时，本实施例1的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机还可搭载水下控制系统，水下控制系统包括有水压计、九轴加速度传感器、用于进行姿态解算和动作控制的运算控制器，将水压计安装在无人机的机体1上，由于机体1的平均密度大于水，在自然状态下机体1会下沉，水压计检测到所处深度发生变化时，运算控制器传输指令至飞控模块控制第三电机11、第四电机14增速或减速来保持机体1所处深度；通过九轴加速度传感器及运算控制器的姿态解算获取无人机俯仰、横滚及偏航三个维度信息，并传输指令至飞控模块控制相应的电机及舵机完成无人机水下的俯仰、横滚、上升下降及偏航动作。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，包括机体、设于机体上的倾转式共轴多旋翼机构以及防水密封舱，所述防水密封舱内安装有电源模块和飞控模块，所述飞控模块分别与倾转式共轴多旋翼机构以及电源模块电连接。
2.根据权利要求1所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述倾转式共轴多旋翼机构为由固定旋翼结构和倾转式旋翼结构组成的倾转式共轴八旋翼机构。
3.根据权利要求2所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述倾转式旋翼结构包括对称设置的第一倾转式旋翼子结构和第二倾转式旋翼子结构；
所述第一倾转式旋翼子结构包括第一防水舵机、第一管连接件、第一管夹、第一轴承、第一机臂管、第一电机座、第一电机、螺旋桨，所述第一防水舵机横向设置在机体上，所述第一机臂管的一端依次套设有第一管连接件、第一管夹和第一轴承，所述第一轴承安装于所述第一管夹内，所述第一管连接件与所述第一防水舵机的输出轴连接，且所述第一管连接件与第一机臂管之间通过第一轴承转动连接；所述第一电机通过第一电机座安装在所述第一机臂管的另一端，所述第一电机有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有螺旋桨，且两个输出轴分别对称设置在所述第一机臂管的另一端的上侧面和下侧面，所述第一电机的输入轴与所述飞控模块电连接；
所述第二倾转式旋翼子结构包括第二防水舵机、第二管连接件、第二管夹、第二轴承、第二机臂管、第二电机座、第二电机、螺旋桨，所述第二防水舵机横向设置在机体上，所述第二机臂管的一端依次套设有第二管连接件、第二管夹和第二轴承，所述第二轴承安装于所述第二管夹内，所述第二管连接件与所述第二防水舵机的输出轴连接，且所述第二管连接件与第二机臂管之间通过第二轴承转动连接；所述第二电机通过第二电机座安装在所述第二机臂管的另一端，所述第二电机有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有螺旋桨，且两个输出轴分别对称设置在所述第二机臂管的另一端的上侧面和下侧面，所述第二电机的输入轴与所述飞控模块电连接。
4.根据权利要求3所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述固定旋翼结构包括对称设置的第三固定旋翼结构子结构和第四固定旋翼结构子结构；
所述第三固定旋翼结构子结构第三机臂管、第三电机座、第三电机、螺旋桨，所述第三机臂管的一端设置在机体上，所述第三电机通过第三电机座安装在所述第三机臂管的另一端，所述第三电机有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有螺旋桨，且两个输出轴分别对称设置在所述第三机臂管的另一端的上侧面和下侧面，所述第三电机的输入轴与所述飞控模块电连接；
所述第四固定旋翼结构子结构第四机臂管、第四电机座、第四电机、螺旋桨，所述第四机臂管的一端设置在机体上，所述第四电机通过第四电机座安装在所述第四机臂管的另一端，所述第四电机有两个输出轴，两个输出轴上分别连接有螺旋桨，且两个输出轴分别对称设置在所述第四机臂管的另一端的上侧面和下侧面，所述第四电机的输入轴与所述飞控模块电连接。
5.根据权利要求4所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述第一机臂管、第二机臂管、第三机臂管、第四机臂管依次等间隔设置，所述第一机臂管的一端、第二机臂管的一端、第三机臂管的一端、第四机臂管的一端呈十字状固定连接于机体上。
6.根据权利要求4所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述螺旋桨均为双桨叶螺旋桨。
7.根据权利要求1～6任一项所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述防水密封舱的舱体为中间是圆柱体，圆柱体两端为半球形端头的结构，所述防水密封舱通过固定件连接在所述机体的底部，所述飞控模块与倾转式共轴多旋翼机构电连接所使用的外置线缆通过穿舱线缆连接器接入所述防水密封舱，且连接处采用环氧树脂灌封。
8.根据权利要求7所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述防水密封舱内还安装有摄像头模块和显示器模块，所述摄像头模块和显示器模块均分别与所述飞控模块电连接。
9.根据权利要求7所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述防水密封舱的舱体上还设有至少一个用于调参或充电的防水接口，所述防水接口包括接口本体，所述接口本体通过设置在防水密封舱内的电源开关控制器与所述电源模块电连接，所述接口本体上套设有环形底座，所述环形底座开设有环形凹槽，所述环形凹槽内设有防水密封胶圈，所述环形底座的外壁上安装有可拆卸防水盖。
10.根据权利要求9所述的十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其特征在于，所述防水接口为铝合金CNC材料的防水接口。
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