CN110356549A - 一种基于可控导流板的单涵道共轴反转式双旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可控导流板的单涵道共轴反转式双旋翼飞行器。飞行器由环形涵道围壳、支架、共轴反转螺旋桨、整流罩、导流板、电动与控制系统组成。环形涵道围壳透明内空，内部有多方位插槽以供安装传感器、舵机与其他电子设备。涵道围壳消除了传统结构旋翼暴露在外所造成飞行安全威胁，并增加了旋翼的工作效率；涵道围壳下方装有可伸缩支架，着陆时支架自动放下，实现安全着陆；共轴反转式双旋翼与整流罩以及蝶形的机体相配合，可实现机体的垂直升降，不需要另设尾旋翼抵消机身的惯性自转；飞行器在空中的非垂直方向运动由双旋翼下方的可偏转导流板配合实现。控制系统根据传感器的数据反馈控制电机，实现飞行器的自主式或人为式的飞行控制。

Description

一种基于可控导流板的单涵道共轴反转式双旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器设计，尤其是单涵道可垂直升降的无人机。

背景技术

近年来随着空气动力学的发展与材料学的进步，小型飞行器，尤其是无人机，得到了前所未有的大发展。传统的小型电动直升机，由单旋翼和尾旋翼的组成。除此之外，共轴反桨式电动直升机以及多旋翼无人机也大量涌现。

然而，机械结构上，很多飞行器，尤其是无人机都存在着旋翼暴露的问题。虽然很多无人机都在旋翼外侧安置了防护架，但是仍然无法完全避免飞行中的碰撞，而且飞行中会大大增加额外的空气阻力和空气干扰，从而容易导致其本身的坠毁，并危及附近的其他物品、甚至人身安全。另一方面，目前市场上绝大多数无人机为了躲避平衡问题，而把电机、传感器等都安置在机体的中轴线上，即尽可能把所有的重量都集中在机体中心。这样虽然简化了平衡控制，但是局限了可外挂设备的数量以及安装位置，在无人机降落时也增加了危险。从智能化方面考察，目前大多的飞行器与无人机是人为的遥控控制，智能化程度很低，很少具备自主巡航、自主抗风模式变换等智能能力。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于可控导流板的单涵道共轴反转式双旋翼飞行器。飞行器由环形涵道围壳、支架、共轴反转双旋翼、整流罩、导流板、电动与控制系统组成。

进一步地，所述飞行器的整体结构为蝶形，由环形涵道围壳全方位保护，能够完全安全避免旋翼与外界的碰撞，消除了传统结构旋翼暴露在外所造成飞行安全威胁。环形涵道围壳内空并且透明，内部有多方位插槽以供安装传感器、舵机、摄像头与其他电子设备。同时，涵道的设计增加了飞行时空气在飞行器横截面的垂直方向上的贯通力，加大了空气在此垂直方向上运动的惯性，有效提高了旋翼的工作效率。涵道围壳下方装有可伸缩支架，着陆时支架自动放下，实现安全着陆，机体与地面无碰撞。

进一步地，飞行器的动力系统采取了单涵道共轴反转式双旋翼布局。一组共轴反转式双旋翼与整流罩以及蝶形的机体相配合，可在工作时实现机体的垂直升降。同时，蝶形的机型和共轴反转式双旋翼的动力结构，在工作时，消除了常规飞行器常见的自旋转现象，而不需要另设尾旋翼来抵消机身的惯性自转。

进一步地，飞行器在空中的非垂直方向运动由双旋翼下方的可偏转导流板配合实现。导流板对称布局，由控制系统控制。

进一步地，控制系统包括控制电路以及微处理器。控制系统根据机载多轴加速度传感器的反馈数据计算出机体的位姿与运动状态。系统根据控制命令，通过动力电机控制双旋翼的转速，同时通过导流板电机控制导流板的旋转角度，实现飞行器的自主式或人为式的各种飞行控制。

附图说明

图1是说述飞行器上视图；

图2是说述飞行器前视图；

图3是说述飞行器正等轴侧视图；

所述飞行器由环形涵道围壳1、支架2、共轴反转式双旋翼3、导流板4、整流罩5、电机与控制电路微处理器6、电池7与传感器阵列插槽8组成。环形涵道围壳1与支架2和整流罩5一起，将共轴反转旋翼3包围在内，起到防撞作用的同时，其构成的涵道还增加了共轴反转式双旋翼的工作效率。电机与控制电路处理器6组成了飞行器的控制系统。电机包括动力电机与导流板电机，分别为共轴反转式旋翼3与导流板4提供动力。导流板4的偏转来实现飞行姿态的控制。电池7与电机6对称布局，保证飞行器的静态平衡。传感器与电子设备安装在环形涵道围壳1内部的传感器阵列插槽8上，控制电路收集传感器信息并进行综合处理计算出机体的位姿与运动状态，同时根据控制命令，通过动力电机控制双旋翼的转速，通过导流板电机控制导流板的旋转角度，实现飞行器的自主式或人为式的各种飞行控制。

具体实施方式

环形涵道围壳1由轻型材料制成，包围在双旋翼周围，固定在支架上，可抵受一定程度的撞击，同时，围壳包围双旋翼，也构成了双旋翼的涵道，阻止翼尖下端的空气从外围向上流动，改善了双旋翼的工作环境，增加了双旋翼的效率。围壳上端进气口边缘为弧形，可增加升力。

环形涵道围壳1上预设有多个可插拔接口用于各种传感器与电子设备的安装。传感器与电子设备信号线依附于围壳1与支架2，布设到达飞行器支架中心的控制电路6。

支架2为十字形，以碳纤管为骨架制作，做成流线型切面，以减少对双旋翼气流的扰动。支架2是整个飞行器的骨架，其他设备均固定于支架上。环形涵道围壳1固定在支架外围的四个端点上。支架2中央有固定舱室，以容纳电机与控制电路微处理器6和电池7。

两幅旋翼3规格对称，沿同一轴，即飞行器中轴线旋转，但旋转方向相反，上下旋翼由动力电机驱动。动力电机的转速由控制电路6调节。悬停状态下，驱动双桨旋转产生的反作用力相互抵消。双旋翼功率同时增大则飞行器上升，反之下降。

支架主骨架四个分支的下方各有一个缺口，铰接可动导流板4，共有四片。其结构类似于固定翼飞机的襟翼。通过导流板电机驱动导流板，使飞行器具有水平机动能力。例如，转动：当导流板均向顺时针方向偏转时，飞行器向逆时针方向转动，反之相反；平动：与运动方向相垂直的两个导流板均向运动方向的反方向偏转；通过全部的导流板联合动作，可获得水平方向上的任意的运动方式。

导流板电机与动力电机功率的调节，共同构成了对飞行器进行姿态控制的硬件基础。

控制电路中含有可编程微处理器，程序汇集各传感器的信息进行综合处理后，调节各电动机的功率，与各导流板偏转角度，以控制飞行姿态，躲避障碍物，决定飞行路线。所有传感器的信息均可通过网络连接发送至其他电脑，或备份保存，便于以后随时检查飞行状态，或进行进一步的处理，如声音识别，视觉认知等。

除默认情况下的全自动控制模式外，也可手动控制飞行器的行动。飞行器在飞行中会逐步根据传感器信息建立所在地的地图，并参照地图进行自我定位。

Claims (3)

1.一种基于可控导流板的单涵道共轴反转式双旋翼飞行器，由环形涵道围壳、支架、共轴反转双旋翼、整流罩、导流板、电动与控制系统组成；所述环形涵道围壳透明内空，内部有多方位插槽以供安装电子设备；同时环形涵道围壳包围双旋翼，内侧面构成了整流罩；所述支架为可伸缩支架，安装在环形涵道围壳下方，着陆时支架自动放下，实现安全着陆；所述共轴反转式双旋翼与整流罩以及蝶形的机体相配合，可实现机体的垂直升降；所述导流板安置于双旋翼下方，由电机驱动其偏转，可实现飞行器在空中的非垂直方向运动；所述控制系统根据传感器的数据反馈控制电机，实现飞行器的自主式或人为式的飞行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于可控导流板的单涵道共轴反转式双旋翼飞行器，其特征在于：整体结构为蝶形，由环形涵道围壳全方位保护，保障飞行安全；环形涵道围壳内空并且透明，内部有多方位插槽以供安装电子设备；插槽可根据飞行器的静态平衡需求调节电子设备在环形涵道围壳内的布局；电子设备的信号线依附于围壳与支架，布设到达飞行器支架中心的控制电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于可控导流板的单涵道共轴反转式双旋翼飞行器，其特征在于：飞行器在空中的非垂直方向运动由双旋翼下方的可偏转导流板配合实现；导流板对称布局，由控制系统控制；支架主骨架下方设有对称缺口，铰接可旋转导流板；通过电机驱动导流板，使飞行器具有水平机动能力；当导流板均向顺时针方向偏转时，飞行器向逆时针方向转动；当导流板均向逆时针方向偏转时，飞行器向顺时针方向转动；与运动方向相垂直的两个导流板均向运动方向的反方向偏转；通过全部的导流板联合动作，可获得水平方向上的任意的运动方式。