CN110667859A - 一种飞行器用混合动力驱动系统及无人机飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器用混合动力驱动系统，直接机械传动连接至传动轴，两套连接至控制系统的主旋翼机械传动连接安装于传动轴的两端，所述发动机上安装有至少一台发电机，发电机连接至控制系统，至少两套副旋翼安装于两套主旋翼之间的机身架上，副旋翼为电动机驱动并由发电机提供电源，所述电动机连接至控制系统。本发明极大的简化了传动方式和传动结构，简洁的传动部件和结构降低了传动构件的整体重量，也降低了传动过程中损耗的能量，配合低能耗需求的发电机，产生的电能供给副旋翼和控制系统使用，机械传动提供主要升力可节省电力转换的能量损耗，达到了能量损耗的最佳控制，有效、显著的提升了飞行器的飞行能力和飞行质量。

Description

一种飞行器用混合动力驱动系统及无人机飞行器

技术领域

本发明适用于无人机飞行器技术领域，具体涉及一种飞行器用混合动力驱动系统及无人机飞行器。

背景技术

近年来无人机市场的发展，多旋翼无人机以优良的操控性，易维护和可垂直起降的方便性等优点迅速获得市场的认可。目前多旋翼无人机主要以电动为主，然而锂电池的低能量密度和使用寿命短等缺点严重制约了其在电力巡航，物流运输，公安消防，农业植保，测绘等领域的发展，如果为了续航能力加大电池体积，则会占用其的载重量和整体体积；而燃油发动机作为动能的无人机，虽然解决了续航、巡航半径的问题，但是，由于无人机飞行器需要多套旋翼进行协同工作，才能保证其飞行的稳定性和灵活性，从而导致发动机式的无人机需要复杂的传动构件整合配套使用，但是，复杂的传动构件和传动方式，增加了结构耗材，一方面增加了飞行器本身的自重，另一方面，由于传动构件的增多，势必会增大传动过程中的能量损耗，导致无人机的升力受到影响，还会导致能耗增高产生的高油耗问题。

发明内容

为解决上述现有技术存在的不足，发明人旨在优化能量损耗与载重和续航之间的矛盾关系，研发设计了一种能够极大优化传动效能的机械结构，简化机械传动的复杂性，达到在满足飞行器正常的飞行和操控下能显著节省能耗，控制自身重量的混合动力驱动系统及无人机飞行器。

本发明是这样实现的：一种飞行器用混合动力驱动系统，包括至少一台发动机、机身架、主旋翼及副旋翼、传动组件以及安装在机身架上的控制系统，所述发动机直接机械传动连接至传动轴，至少两套连接至控制系统的主旋翼机械传动连接安装于传动轴的两端，所述发动机上安装有至少一台发电机，发电机连接至控制系统，至少两套副旋翼安装于两套主旋翼之间的机身架上，所述副旋翼为电动机驱动并由发电机提供电源，所述电动机连接至控制系统。

进一步的，所述副旋翼包括电动螺旋桨以及一副单独连接至电动螺旋桨的电动机，所述副旋翼为两套或多套成对对称式分布于机身架两侧的两对边上，所有电动机均由发电机所产生的电能驱动。

进一步的，两侧的副旋翼均可通过改变每一侧的转速，并能通过改变两边的转速差控制机身架两边的升力差，以使机身架进行单向飞行或单向平衡。

进一步的，所述控制系统，用于控制两端的主旋翼以及两侧边上的副旋翼的转速或升力，以通过两端的升力差的调整实现单向飞行、单向平衡以及左右转向的动作控制。

进一步的，所述主旋翼为双旋翼螺旋桨或多旋翼螺旋桨，且两端的旋翼旋转方向相反；相邻的两个副旋翼之间的旋转方向相反。

进一步的，所述主旋翼为可变距旋翼系统，并连接至控制系统，能通过改变旋翼的螺距角度差来控制飞行器两边的升力差。

进一步的，可变距旋翼系统包括桨夹和桨毂，旋转轴安装在桨毂下方并向下延伸，旋转轴下端安装在变速箱内，并与变速箱内下方的从动转向齿轮连接，从动转向齿轮与主动转向齿轮相契合连接，所述主动转向齿轮横向连接于传动轴的一端，升降变距控制杆穿过旋转轴内部，其顶端连接至置于桨毂内的变距驱动滑块，末端连接至控制杆摇臂传动装置及舵机。

进一步的，所述摇臂传动装置包括连杆、摆动杆、丝杆套，摆动杆安装在舵机上，连杆设置在摆动杆与丝杆套底端之间，连杆的前后移动能带动丝杆套的正反转向，升降变距控制杆的底部丝杆传动连接至丝杆套内。

进一步的，所述主旋翼分别安装于机身架的两端头部，所述副旋翼为四套，每两套为一对分别安装于机身架中部的两侧边相对称。

本发明的另一方面，提供了一种混合动力驱动无人机飞行器，其包含上述的飞行器用混合动力驱动系统。

本发明的工作原理介绍：在本方案下，主传动轴仅为一根，由发动机直接机械传动，从而直接带动其两端的主旋翼，主旋翼负责最主要的升力，且为可变距旋翼，控制系统负责对各个旋翼进行控制，发动机工作的同时，带动发电机发电，发电机产生的电流供给控制系统以及副旋翼，由于副旋翼并不负责主要的升力，仅作为平衡性调整，因此，其耗电无需过多，从而发电机的能耗需求可有效降低，两套主旋翼的旋转方向相反，以来抵消旋翼反扭矩，同时，可变距旋翼系统可通过改变两付旋翼的螺距角度差来控制飞行器两边的升力差。从而实现飞行器的单向飞行及单向平衡，飞行器两侧的螺旋桨可通过改变两边的转速差来控制飞行器另外两边的升力差。从而实现飞行器另外的单向飞行及单向平衡。

本发明的有益效果：极大的简化了传动方式和传动结构，简洁的传动部件和结构降低了传动构件的整体重量，也降低了传动过程中能量的损耗，同时，配合低能耗需求的发电机，产生的电能供给副旋翼和控制系统使用，即，利用机械传动的主要发动机能量负责主升力的主旋翼运转，提高升力的最大化效率，机械传动提供主要升力可节省电力转换的能量损耗，从而整体满足了飞行器对续航的需求以及载重能力的同时，达到了能量损耗的最佳控制，有效、显著的提升了飞行器的飞行能力和飞行质量。

附图说明

图1为飞行器用混合动力驱动系统的结构示意图；

图2为变距螺旋桨传动结构示意图；

其中：1发动机、2机身架、3主旋翼、4副旋翼、5电动机、6控制系统、7传动轴、8发电机、9电动螺旋桨、10桨夹、11桨毂、12从动转向齿轮、13主动转向齿轮、14升降变距控制杆、15变距驱动滑块、16连杆、17丝杆套、18舵机、19摆动杆、20变速箱、21旋转轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：如图1、2所示，一种飞行器用混合动力驱动系统，包括发动机1、机身架2、主旋翼3及副旋翼4、传动组件以及安装在机身架2上的控制系统6，发动机1直接机械传动连接至传动轴7，两套连接至控制系统6的主旋翼3机械传动连接安装于传动轴7的两端，发动机1上安装有一台发电机8，发电机8连接至控制系统6，至少两套副旋翼4安装于两套主旋翼3之间的机身架2上，副旋翼4为电动机5驱动并由发电机8提供电源，电动机5连接至控制系统6。发动机1为小型飞行器用的燃油发动机1，通过安装一个被动轮与发动机1动力输出的主动轮进行契合传动连接，再将被动轮上安装一根传动轴7，即为传动主轴，直接将发动机1的动力输送至两端头的主旋翼3上对其进行驱动，复杂主要的升力，主旋翼3的升降速度、升力控制等均通过导线连接至控制系统6由控制系统6进行控制，控制系统6对无人机飞行状态的控制为现有的成熟技术，同时，发电机8产生的电能为控制系统6提供必要的电能，其余的主要电能提供副旋翼4的使用，副旋翼4由各独立的微型电机驱动，主要用来调整控制升力差，负责飞行器飞行过程中的平衡稳定，可通过改变两边的转速差来控制飞行器另外两边的升力差。从而实现飞行器另外的单向飞行及单向平衡，优选地，副旋翼4为三旋翼的电动螺旋桨9以及一副单独连接至电动螺旋桨9的电动机5，副旋翼4为四套称对称式分布于机身架2两侧的两对边上，所有电动机5均由发电机8所产生的电能驱动；两侧的副旋翼4均可通过改变每一侧的转速，并能通过改变两边的转速差控制机身架2两边的升力差，以使机身架2进行单向飞行或单向平衡。即由控制系统6控制，主要控制两端的主旋翼3以及两侧边上的副旋翼4的转速或升力，以通过两端的升力差的调整实现单向飞行、单向平衡以及左右转向的动作控制，达到飞行姿态和动作的精准可控性；

实施例2，在实施例1的基础上，优选地，主旋翼3分别安装于机身架2的两端头部，副旋翼4为四套，每两套为一组分别安装于机身架2中部的两侧边。主旋翼3为三旋翼螺旋桨，且两端的旋翼旋转方向相反；相邻的两个副旋翼4之间的旋转方向相反；主旋翼3为可变距旋翼系统，并连接至控制系统6，能通过改变旋翼的螺距角度差来控制飞行器两边的升力差。可变距旋翼系统可通过改变两付旋翼的螺距角度差来控制飞行器两边的升力差。从而实现飞行器的单向飞行及单向平衡。

其中，可变距旋翼系统包括桨夹10和桨毂11，旋转轴21安装在桨毂11下方并向下延伸，旋转轴21下端安装在变速箱20内，并与变速箱20内下方的从动转向齿轮12连接，从动转向齿轮12与主动转向齿轮13相契合连接，主动转向齿轮13横向连接于传动轴7的一端，升降变距控制杆14穿过旋转轴21内部，其顶端连接至置于桨毂11内的变距驱动滑块15，末端连接至控制杆摇臂传动装置及舵机18。摇臂传动装置包括连杆16、摆动杆19、丝杆套17，摆动杆19安装在舵机18上，连杆16设置在摆动杆19与丝杆套17底端之间，连杆16的前后移动能带动丝杆套17的正反转向，升降变距控制杆14的底部丝杆传动连接至丝杆套17内。桨夹10用于安装螺旋桨叶片，桨毂11用于安装多个螺旋桨叶片以及变距传动机构，旋转轴21带动螺旋桨叶片转动，用于传输动力，其动力通过在变速箱20内的从动转向齿轮12与传动轴7上的主动转向齿轮13对接传动，而升降变距控制杆14穿过旋转轴21，不影响其转动的情况下连接至变距驱动滑块15，用于变距操控，具体操控通过控制系统6操控舵机18对摇臂传动装置进行控制，从而丝杆转动的传动方式控制升降变距控制杆14的升降变化，以达到对两付旋翼的螺距角度差来控制飞行器两边的升力差，即可以进行升力调整以及飞行状态的控制。

实施例3：在实施例1和2的基础上，将该飞行器用混合动力驱动系统方案，应用在无人机，或飞行器上。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种飞行器用混合动力驱动系统，包括至少一台发动机、机身架、主旋翼及副旋翼、传动组件以及安装在机身架上的控制系统，其特征在于，所述发动机直接机械传动连接至传动轴，至少两套连接至控制系统的主旋翼机械传动连接安装于传动轴的两端，所述发动机上安装有至少一台发电机，发电机连接至控制系统，至少两套副旋翼安装于两套主旋翼之间的机身架上，所述副旋翼为电动机驱动并由发电机提供电源，所述电动机连接至控制系统。

2.根据权利要求1所述的飞行器用混合动力驱动系统，其特征在于，所述副旋翼包括电动螺旋桨以及一副单独连接至电动螺旋桨的电动机，所述副旋翼为两套或多套成对对称式分布于机身架两侧的两对边上，所有电动机均由发电机所产生的电能驱动。

3.根据权利要求2所述的飞行器用混合动力驱动系统，其特征在于，两侧的副旋翼均可通过改变每一侧的转速，并能通过改变两边的转速差控制机身架两边的升力差，以使机身架进行单向飞行或单向平衡。

4.根据权利要求1所述的飞行器用混合动力驱动系统，其特征在于，所述控制系统，用于控制两端的主旋翼以及两侧边上的副旋翼的转速或升力，以通过两端的升力差的调整实现单向飞行、单向平衡以及左右转向的动作控制。

5.根据权利要求1所述的飞行器用混合动力驱动系统，其特征在于，所述主旋翼为双旋翼螺旋桨或多旋翼螺旋桨，且两端的旋翼旋转方向相反；相邻的两个副旋翼之间的旋转方向相反。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的飞行器用混合动力驱动系统，其特征在于，所述主旋翼为可变距旋翼系统，并连接至控制系统，能通过改变旋翼的螺距角度差来控制飞行器两边的升力差。

7.根据权利要求6所述的飞行器用混合动力驱动系统，其特征在于，所述可变距旋翼系统包括桨夹和桨毂，旋转轴安装在桨毂下方并向下延伸，旋转轴下端安装在变速箱内，并与变速箱内下方的从动转向齿轮连接，从动转向齿轮与主动转向齿轮相契合连接，所述主动转向齿轮横向连接于传动轴的一端，升降变距控制杆穿过旋转轴内部，其顶端连接至置于桨毂内的变距驱动滑块，末端连接至控制杆摇臂传动装置及舵机。

8.根据权利要求7所述的飞行器用混合动力驱动系统，其特征在于，所述摇臂传动装置包括连杆、摆动杆、丝杆套，摆动杆安装在舵机上，连杆设置在摆动杆与丝杆套底端之间，连杆的前后移动能带动丝杆套的正反转向，升降变距控制杆的底部丝杆传动连接至丝杆套内。

9.根据权利要求1～5任意一项所述的飞行器用混合动力驱动系统，其特征在于，所述主旋翼分别安装于机身架的两端头部，所述副旋翼为四套，每两套为一对分别安装于机身架中部的两侧边相对称。

10.一种混合动力驱动无人机飞行器，其特征在于，包含权利要求1～8任意一项所述的飞行器用混合动力驱动系统。

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