CN110304242A - 一种基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机 - Google Patents
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Abstract
一种基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机属无人机技术领域，本发明由机架、涵道风扇和轴组组成，位于机架中心位置的涵道风扇使用燃油发动机提供主要升力，均布在机架上的轴组使用电机组调整无人机姿态，并提供辅助升力，发动机与电机组油门相互独立不耦合，便于使用者操控调整无人机姿态，本发明可搭载多种工作装置，作为定点悬停或巡航工作的飞行器，完成特定工作内容，且能实现油电混动，延长续航时间长，增加载重量。
Description
技术领域
本发明属无人机技术领域，具体涉及一种基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机。
背景技术
多旋翼无人机是一种可以垂直起降的飞行器，根据升力螺旋桨的数目分为四桨、六桨、八桨等类型。但是多旋翼无人机的发展受制于载重小和电池工作续航时间短等问题，而且目前的大多数无人机仅可以实现对地面图景的拍摄和图像实时传输的单一功能，缺少功能实现的程序化，这使得当前无人机应用范围较为局限。
因此，多旋翼飞行器的设计要不断向精细化和多样化发展，适用于复杂环境的多旋翼飞行器是目前关注的重点之一，该类飞行器能够搭载在车辆、舰船等工具上，在丛林、水陆两栖以及城市道路等狭小环境中具有无可比拟的适应性。
涵道风扇作为飞行器的动力装置，在同样功率消耗下，涵道风扇较同样直径的孤立螺旋桨，会产生更大的推力。同时由于涵道的环括作用，旋翼叶尖处受涵道限制，冲击噪声减小，使用安全性好，结构紧凑。因此涵道风扇作为一种推力或升力装置，被应用于飞行器设计当中；并且涵道能够在螺旋桨的流场中产生可观的附加拉力，提高动力系统的效能，减少燃油消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在常规四旋翼无人机中心添加共轴反桨双旋翼涵道风扇提供主要升力的，利用轴组的四个旋翼调整无人机飞行姿态并提供辅助升力的，可搭载多种工作装置，作为定点悬停或巡航工作飞行器，完成特定工作内容的五轴无人机。
本发明由机架A、涵道风扇B和轴组C组成，其中：机架A的中心板组件Ⅰ1中的上板Ⅰ14固接涵道风扇B中的减速器19；涵道风扇B中的输出轴Ⅰ20与套在输出轴Ⅰ20内的输出轴Ⅱ22从管夹组Ⅰ3中六通2的上方孔穿入，六通2的下方孔穿出；输出轴Ⅱ22下端固接于中心板组件Ⅱ(13)中上板Ⅱ16的上面；涵道风扇B的涵道24和油箱25固接于机架A中下横管组10的4个横管近外端；轴组C中电机组30的4个电机分别固接于机架A中电机座组6的4个电机座上，轴组C中分电板28下方的双通连接柱组固接上板Ⅰ14；涵道风扇B发动机18和轴组C中电机组30的油门相互独立不耦合；轴组C中旋翼组31的旋翼直径与涵道风扇B旋翼对Ⅰ21或旋翼对Ⅱ23的旋翼直径之比为0.58-0.77。
机架A由中心板组件Ⅰ1、六通2、管夹组Ⅰ3、上横管组4、三通组Ⅰ5、电机座组6、立管组7、三通组Ⅱ8、起落架对9、下横管组10、管夹组Ⅱ11、四通12和中心板组件Ⅱ13组成，其中，中心板组件Ⅰ1由上板Ⅰ14、下板Ⅰ15、六通2和管夹组Ⅰ3组成，其中管夹组Ⅰ3由4个管夹组成；上板Ⅰ14和下板Ⅰ15为对称结构，上板Ⅰ14和下板Ⅰ15的中心固接六通2，上板Ⅰ14和下板Ⅰ15之间的4个角固接管夹组Ⅰ3的4个管夹，且4个管夹的中心线与六通2的位于水平面的4个口的中心线重合；中心板组件Ⅱ13由上板Ⅱ16、下板Ⅱ17、四通12和管夹组Ⅱ11组成，其中管夹组Ⅱ11由4个管夹组成；上板Ⅱ16和下板Ⅱ17为对称结构，上板Ⅱ16和下板Ⅱ17的中心固接四通12，上板Ⅱ16和下板Ⅱ17之间的4个角固接管夹组Ⅱ11的4个管夹，且4个管夹的中心线与四通12的4个口的中心线重合；三通组Ⅰ5由4个竖三通组成；三通组Ⅱ8由4个横三通组成；立管组7由4个立管组成；上横管组4由4个横管组成；下横管组10由4个横管组成；上横管组4的4个上横管内端分别与中心板组件Ⅰ1中六通2的位于水平面的4个口固接；4个上横管近外端分别固接三通组Ⅰ5的4个竖三通；4个横管的外端分别固接电机座组6的4个电机座；立管组7中4个立管的上端分别固接于三通组Ⅰ5的4个竖三通的下口；4个立管的近下端分别固接三通组Ⅱ8的4个横三通；下横管组10的4个下横管内端分别与中心板组件Ⅱ13中四通12的4个口固接；4个下横管外端分别与三通组Ⅱ8的4个横三通内口固接；起落架对9的2个起落架平行设置，对称固接于立管组7中4个立管的下端。
涵道风扇B由发动机18、减速器19、输出轴Ⅰ20、旋翼对Ⅰ21、输出轴Ⅱ22、旋翼对Ⅱ23、涵道24和油箱25组成，其中，发动机18固接于减速器19后面；输出轴Ⅰ20套于输出轴Ⅱ22上部，且输出轴Ⅰ20与输出轴Ⅱ22固接于减速器19下方；旋翼对Ⅰ21的两个旋翼固接于输出轴Ⅰ20两侧，旋翼对Ⅱ23的两个旋翼固接于输出轴Ⅱ22下部两侧，且旋翼对Ⅰ21与旋翼对Ⅱ(23)转速相同转向相反；旋翼对Ⅰ(21)与旋翼对Ⅱ(23)尺寸和几何形状相同；涵道24内径比旋翼对Ⅰ21和旋翼对Ⅱ23的直径大10mm；旋翼对Ⅰ21与旋翼对Ⅱ23上下的间距为涵道24高度的0.3倍，旋翼对Ⅰ21与涵道24的上表面之间的距离为涵道24高度的0.25倍；油箱25为隔层圆柱形，圆柱形下部设有绕圆柱均布的通孔组a的4个通孔；油箱25的内圈即为涵道24；输出轴Ⅰ20、旋翼对Ⅰ21、输出轴Ⅱ22和旋翼对Ⅱ23位于油箱25圆柱形内圈。油箱25的内径尺寸与涵道24的外径尺寸相同。涵道24在收束风场增加升力的同时减少无人机中部风场与轴组C产生的风场之间的相互干扰。
轴组C由双通连接柱组26、飞控27、分电板28、锂电池29、电机组30、和旋翼组31组成，其中，飞控27固接于分电板28上表面，锂电池29固接于分电板28下表面；双通连接柱组26由4个双通连接柱组成，4个双通连接柱固接于分电板28下表面；旋翼组31由4对旋翼组成；电机组30由4个电机组成；旋翼组31的4对旋翼分别固接于电机组30的4个电机的输出轴；飞控27和电机组30由锂电池29供电。所述的机架A中的上横管组4、立管组7、下横管组10的材料为碳纤维。
本发明的基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机的设计目的是通过由位于无人机中心的涵道风扇B提供主要升力，而减小轴组C中旋翼组31的尺寸，使无人机平台搭载的工作装置接近墙壁，而不与墙壁平面发生碰撞，适用于需要无人机平台贴近墙壁平面的特定工作，例如清洁、消防和风力发电机组除冰等。
本发明的基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机的中心处的共轴双旋翼涵道风扇使用燃油发动机作为动力来源，实现油电混动，以延长无人机的飞行工作时间，且共轴双旋翼反向旋转所产生的扭矩在无人机内部抵消。
本发明的基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机的发动机与电机组的油门相互独立不耦合，便于使用者操控调整无人机姿态。
本发明可搭载多种工作装置，作为定点悬停或巡航工作的飞行器，完成特定工作内容，且能实现油电混动，延长续航时间长，增加载重量。
附图说明
图1为基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机的轴测图
图2为机架示意图
图3为涵道风扇示意图
图4为中心板组件Ⅰ示意图
图5为中心板组件Ⅱ示意图
图6为涵道风扇上部示意图
图7为涵道风扇下部示意图
图8为轴组示意图
其中：A.机架 B.涵道风扇 C.轴组 a.通孔组 1.中心板组件Ⅰ 2.六通 3.管夹组Ⅰ4.上横管组 5.三通组Ⅰ 6.电机座组 7.立管组 8.三通组Ⅱ 9.起落架对 10.下横管组11.管夹组Ⅱ 12.四通 13.中心板组件Ⅱ 14.上板Ⅰ 15.下板Ⅰ 16.上板Ⅱ 17.下板Ⅱ 18.发动机 19.减速器 20.输出轴Ⅰ 21.旋翼对Ⅰ 22.输出轴Ⅱ 23.旋翼对Ⅱ 24.涵道 25.油箱 26.双通连接柱组 27.飞控 28.分电板 29.锂电池 30.电机组 31.旋翼组
具体实施方式
如图1所示，本发明由机架A、涵道风扇B和轴组C组成，其中：机架A的中心板组件Ⅰ1中的上板Ⅰ14固接涵道风扇B中的减速器19；涵道风扇B中的输出轴Ⅰ20与套在输出轴Ⅰ20内的输出轴Ⅱ22从管夹组Ⅰ3中六通2的上方孔穿入，六通2的下方孔穿出；输出轴Ⅱ22下端固接于中心板组件Ⅱ(13)中上板Ⅱ16的上面；涵道风扇B的涵道24和油箱25固接于机架A中下横管组10的4个横管近外端；轴组C中电机组30的4个电机分别固接于机架A中电机座组6的4个电机座上，轴组C中分电板28下方的双通连接柱组固接上板Ⅰ14；涵道风扇B发动机18和轴组C中电机组30的油门相互独立不耦合；轴组C中旋翼组31的旋翼直径与涵道风扇B旋翼对Ⅰ21或旋翼对Ⅱ23的旋翼直径之比为0.58-0.77。
如图2、图3和图4所示，机架A由中心板组件Ⅰ1、六通2、管夹组Ⅰ3、上横管组4、三通组Ⅰ5、电机座组6、立管组7、三通组Ⅱ8、起落架对9、下横管组10、管夹组Ⅱ11、四通12和中心板组件Ⅱ13组成，其中，中心板组件Ⅰ1由上板Ⅰ14、下板Ⅰ15、六通2和管夹组Ⅰ3组成，其中管夹组Ⅰ3由4个管夹组成；上板Ⅰ14和下板Ⅰ15为对称结构，上板Ⅰ14和下板Ⅰ15的中心固接六通2，上板Ⅰ14和下板Ⅰ15之间的4个角固接管夹组Ⅰ3的4个管夹，且4个管夹的中心线与六通2的位于水平面的4个口的中心线重合；中心板组件Ⅱ13由上板Ⅱ16、下板Ⅱ17、四通12和管夹组Ⅱ11组成，其中管夹组Ⅱ11由4个管夹组成；上板Ⅱ16和下板Ⅱ17为对称结构，上板Ⅱ16和下板Ⅱ17的中心固接四通12，上板Ⅱ16和下板Ⅱ17之间的4个角固接管夹组Ⅱ11的4个管夹，且4个管夹的中心线与四通12的4个口的中心线重合；三通组Ⅰ5由4个竖三通组成；三通组Ⅱ8由4个横三通组成；立管组7由4个立管组成；上横管组4由4个横管组成；下横管组10由4个横管组成；上横管组4的4个上横管内端分别与中心板组件Ⅰ1中六通2的位于水平面的4个口固接；4个上横管近外端分别固接三通组Ⅰ5的4个竖三通；4个横管的外端分别固接电机座组6的4个电机座；立管组7中4个立管的上端分别固接于三通组Ⅰ5的4个竖三通的下口；4个立管的近下端分别固接三通组Ⅱ8的4个横三通；下横管组10的4个下横管内端分别与中心板组件Ⅱ13中四通12的4个口固接；4个下横管外端分别与三通组Ⅱ8的4个横三通内口固接；起落架对9的2个起落架平行设置，对称固接于立管组7中4个立管的下端。
如图5、图6和图7所示，涵道风扇B由发动机18、减速器19、输出轴Ⅰ20、旋翼对Ⅰ21、输出轴Ⅱ22、旋翼对Ⅱ23、涵道24和油箱25组成，其中，发动机18固接于减速器19后面；输出轴Ⅰ20套于输出轴Ⅱ22上部，且输出轴Ⅰ20与输出轴Ⅱ22固接于减速器19下方；旋翼对Ⅰ21的两个旋翼固接于输出轴Ⅰ20两侧，旋翼对Ⅱ23的两个旋翼固接于输出轴Ⅱ22下部两侧，且旋翼对Ⅰ21与旋翼对Ⅱ(23)转速相同转向相反；旋翼对Ⅰ(21)与旋翼对Ⅱ(23)尺寸和几何形状相同；涵道24内径比旋翼对Ⅰ21和旋翼对Ⅱ23的直径大10mm；旋翼对Ⅰ21与旋翼对Ⅱ23上下的间距为涵道24高度的0.3倍，旋翼对Ⅰ21与涵道24的上表面之间的距离为涵道24高度的0.25倍；油箱25为隔层圆柱形，圆柱形下部设有绕圆柱均布的通孔组a的4个通孔；油箱25的内圈即为涵道24；输出轴Ⅰ20、旋翼对Ⅰ21、输出轴Ⅱ22和旋翼对Ⅱ23位于油箱25圆柱形内圈。油箱25的内径尺寸与涵道24的外径尺寸相同。涵道24在收束风场增加升力的同时减少无人机中部风场与轴组C产生的风场之间的相互干扰。
如图8所示轴组C由双通连接柱组26、飞控27、分电板28、锂电池29、电机组30、和旋翼组31组成，其中，飞控27固接于分电板28上表面，锂电池29固接于分电板28下表面；双通连接柱组26由4个双通连接柱组成，4个双通连接柱固接于分电板28下表面；旋翼组31由4对旋翼组成；电机组30由4个电机组成；旋翼组31的4对旋翼分别固接于电机组30的4个电机的输出轴；飞控27和电机组30由锂电池29供电。
所述的机架A中的上横管组4、立管组7、下横管组10的材料为碳纤维。
本发明的基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机的中心处的共轴双旋翼涵道风扇可使用燃油发动机作为动力来源，实现油电混动，以延长无人机的飞行工作时间，且共轴双旋翼反向旋转所产生的扭矩在无人机内部抵消，同时发动机18与电机组30的油门相互独立不耦合，便于使用者操控调整无人机姿态。
Claims (5)
1.一种基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机，其特征在于，由机架(A)、涵道风扇(B)和轴组(C)组成，其中：机架(A)的中心板组件Ⅰ(1)中的上板Ⅰ(14)固接涵道风扇(B)中的减速器(19)；涵道风扇(B)中的输出轴Ⅰ(20)与套在输出轴Ⅰ(20)内的输出轴Ⅱ(22)从管夹组Ⅰ(3)中六通(2)的上方孔穿入，六通(2)的下方孔穿出；输出轴Ⅱ(22)下端固接于中心板组件Ⅱ(13)中上板Ⅱ(16)的上面；涵道风扇(B)的涵道(24)和油箱(25)固接于机架(A)中下横管组(10)的4个横管近外端；轴组(C)中电机组(30)的4个电机分别固接于机架(A)中电机座组(6)的4个电机座上，轴组(C)中分电板(28)下方的双通连接柱组固接上板Ⅰ(14)；涵道风扇(B)发动机(18)和轴组(C)中电机组(30)的油门相互独立不耦合；轴组(C)中旋翼组(31)的旋翼直径与涵道风扇(B)旋翼对Ⅰ(21)或旋翼对Ⅱ(23)的旋翼直径之比为0.58-0.77。
2.按权利要求1所述的基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机，其特征在于：所述的机架(A)由中心板组件Ⅰ(1)、六通(2)、管夹组Ⅰ(3)、上横管组(4)、三通组Ⅰ(5)、电机座组(6)、立管组(7)、三通组Ⅱ(8)、起落架对(9)、下横管组(10)、管夹组Ⅱ(11)、四通(12)和中心板组件Ⅱ(13)组成，其中，中心板组件Ⅰ(1)由上板Ⅰ(14)、下板Ⅰ(15)、六通(2)和管夹组Ⅰ(3)组成，其中管夹组Ⅰ(3)由4个管夹组成；上板Ⅰ(14)和下板Ⅰ(15)为对称结构，上板Ⅰ(14)和下板Ⅰ(15)的中心固接六通(2)，上板Ⅰ(14)和下板Ⅰ(15)之间的4个角固接管夹组Ⅰ(3)的4个管夹，且4个管夹的中心线与六通(2)的位于水平面的4个口的中心线重合；中心板组件Ⅱ(13)由上板Ⅱ(16)、下板Ⅱ(17)、四通(12)和管夹组Ⅱ(11)组成，其中管夹组Ⅱ(11)由4个管夹组成；上板Ⅱ(16)和下板Ⅱ(17)为对称结构，上板Ⅱ(16)和下板Ⅱ(17)的中心固接四通(12)，上板Ⅱ(16)和下板Ⅱ(17)之间的4个角固接管夹组Ⅱ(11)的4个管夹，且4个管夹的中心线与四通(12)的4个口的中心线重合；三通组Ⅰ(5)由4个竖三通组成；三通组Ⅱ(8)由4个横三通组成；立管组(7)由4个立管组成；上横管组(4)由4个横管组成；下横管组(10)由4个横管组成；上横管组(4)的4个上横管内端分别与中心板组件Ⅰ(1)中六通(2)的位于水平面的4个口固接；4个上横管近外端分别固接三通组Ⅰ(5)的4个竖三通；4个横管的外端分别固接电机座组(6)的4个电机座；立管组(7)中4个立管的上端分别固接于三通组Ⅰ(5)的4个竖三通的下口；4个立管的近下端分别固接三通组Ⅱ(8)的4个横三通；下横管组(10)的4个下横管内端分别与中心板组件Ⅱ(13)中四通(12)的4个口固接；4个下横管外端分别与三通组Ⅱ(8)的4个横三通内口固接；起落架对(9)的2个起落架平行设置，对称固接于立管组(7)中4个立管的下端。
3.按权利要求1所述的基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机，其特征在于：所述的涵道风扇(B)由发动机(18)、减速器(19)、输出轴Ⅰ(20)、旋翼对Ⅰ(21)、输出轴Ⅱ(22)、旋翼对Ⅱ(23)、涵道(24)和油箱(25)组成，其中，发动机(18)固接于减速器(19)后面；输出轴Ⅰ(20)套于输出轴Ⅱ(22)上部，且输出轴Ⅰ(20)与输出轴Ⅱ(22)固接于减速器(19)下方；旋翼对Ⅰ(21)的两个旋翼固接于输出轴Ⅰ(20)两侧，旋翼对Ⅱ(23)的两个旋翼固接于输出轴Ⅱ(22)下部两侧，且旋翼对Ⅰ(21)与旋翼对Ⅱ(23)转速相同转向相反；旋翼对Ⅰ(21)与旋翼对Ⅱ(23)尺寸和几何形状相同；涵道(24)内径比旋翼对Ⅰ(21)和旋翼对Ⅱ(23)的直径大10mm；旋翼对Ⅰ(21)与旋翼对Ⅱ(23)上下的间距为涵道(24)高度的0.3倍，旋翼对Ⅰ(21)与涵道(24)的上表面之间的距离为涵道(24)高度的0.25倍；油箱(25)为隔层圆柱形，圆柱形下部设有绕圆柱均布的通孔组(a)的4个通孔；油箱(25)的内圈即为涵道(24)；输出轴Ⅰ(20)、旋翼对Ⅰ(21)、输出轴Ⅱ(22)和旋翼对Ⅱ(23)位于油箱(25)圆柱形内圈。
4.按权利要求1所述的基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机，其特征在于：所述的轴组(C)由双通连接柱组(26)、飞控(27)、分电板(28)、锂电池(29)、电机组(30)、和旋翼组(31)组成，其中，飞控(27)固接于分电板(28)上表面，锂电池(29)固接于分电板(28)下表面；双通连接柱组(26)由4个双通连接柱组成，4个双通连接柱固接于分电板(28)下表面；旋翼组(31)由4对旋翼组成；电机组(30)由4个电机组成；旋翼组(31)的4对旋翼分别固接于电机组(30)的4个电机的输出轴；飞控(27)和电机组(30)由锂电池(29)供电。
5.按权利要求1所述的基于共轴双旋翼涵道风扇的五轴无人机，其特征在于：所述的机架(A)中的上横管组(4)、立管组(7)、下横管组(10)的材料为碳纤维。
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- 2019-05-08 CN CN201910383739.8A patent/CN110304242A/zh active Pending
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