CN110712746A - 用于旋翼飞行器的倾斜的共轴旋翼 - Google Patents

用于旋翼飞行器的倾斜的共轴旋翼 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于旋翼飞行器的倾斜的共轴旋翼。旋翼飞行器具有机身和连接至机身的多个旋翼。机身具有侧滚轴线和俯仰轴线。每个旋翼包括旋翼轴。每个旋翼的旋翼轴相对于侧滚轴线和俯仰轴线中的至少一个倾斜。每个旋翼的旋翼轴可以在3到15度之间倾斜。每个旋翼可以是共轴共旋转旋翼。旋翼可以在机身两侧以相对的一对的方式定向。每对相对的两个旋翼沿相同方向旋转。旋翼飞行器可包括至少两个另外的旋翼，每个具有向前倾斜。每个另外的旋翼可以是共轴反向旋转旋翼。

Description

用于旋翼飞行器的倾斜的共轴旋翼
技术领域
本文描述的实施方式涉及旋翼飞行器。更具体地，本公开内容涉及使用具有倾斜的旋翼的旋翼飞行器用于增加偏航控制的系统和方法。
背景技术
旋翼飞行器是从旋转翼型(也称为旋翼叶片)获得升力的飞行器。拥有四个或更多旋翼的旋翼飞行器越来越受到业余爱好者的欢迎，并正在商业应用中发展。这些多旋翼旋翼飞行器通常在尺寸和有效载荷容量方面受到限制。它们通过改变每个单独的旋翼的推力来提供旋翼飞行器的垂直和前进速度控制，以产生关于交通工具三个主轴的交通工具力和力矩。在一个共同的方向上改变所有旋翼的推力提供升力和垂直速度控制。在旋翼飞行器的不同侧面上在不同方向上改变选定的旋翼的推力提供交通工具角度或姿态控制。这种姿态控制也用于平移速度控制。并且在对称相对的旋翼上在不同方向上改变选定的旋翼的推力是关于在旋翼飞行器的垂直轴或偏航控制方面进行多旋翼旋翼飞行器角度控制的典型方法。已知的旋翼飞行器，诸如多旋翼旋翼飞行器，在重载下可能变得更难以机动飞行，并且当放大至更大的旋翼飞行器的设计时可能不太理想。另外，已知的旋翼飞行器的功率要求可能限制它们的范围和有效载荷容量。例如，随着旋翼的惯性动量的增加，可能需要更多的动力来快速实现旋转速度的变化。结果，诸如电池之类的电源可能更快地耗尽，或者旋翼飞行器可能花费更长时间来进行机动飞行。可能存在已知的旋翼飞行器的其他缺点。
发明内容
本公开内容涉及克服或减轻上面讨论的一些问题和缺点的方法和系统。并非所有实施方式都提供相同的优点或相同程度的优点。
一个示例性实施方式是旋翼飞行器，其具有机身和连接到机身的多个旋翼。机身具有侧滚轴线和俯仰轴线。俯仰轴线垂直于侧滚轴线。多个旋翼中的每一个包括旋翼轴(rotor shaft)。多个旋翼中的每一个的旋翼轴相对于侧滚轴线和俯仰轴线中的至少一个是倾斜的。多个旋翼可以是至少四个旋翼，其包括第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼和第四旋翼。
多个旋翼中的每一个的旋翼轴可以相对于侧滚轴线和俯仰轴线中的至少一个倾斜3至15度。多个旋翼中的每个旋翼的旋翼轴可以相对于侧滚轴线倾斜3至15度。多个旋翼中的每个旋翼的旋翼轴可以相对于俯仰轴线倾斜3至15度。至少四个旋翼中的每一个可以产生垂直于从偏航轴线延伸的射线定向的推力分量。第一旋翼和第三旋翼可以是逆时针旋转可操作的，并且第二旋翼和第四旋翼可以是顺时针旋转可操作的。可以固定多个旋翼中的每一个的旋翼轴的倾斜。多个旋翼中的每一个可具有大于1米(3.28英尺)的直径。旋翼飞行器的总重量可能为226.8千克(500磅)或更多。旋翼飞行器可产生足够的升力以支持45.4至354千克(100-1000磅)之间的有效载荷容量。
旋翼飞行器可包括至少两个另外的旋翼。该至少两个另外的旋翼均包括相对于俯仰轴线倾斜的旋翼轴。至少两个另外的旋翼中的每一个的旋翼轴可以具有相对于俯仰轴线的3和15度之间的向前倾斜。至少两个另外的旋翼中的每一个可以是共轴反向旋转旋翼。多个旋翼中的每一个可以是共轴共旋转旋翼。至少四个旋翼可以确切是四个旋翼，并且至少两个另外的旋翼可以确切是所述两个另外的旋翼。四个旋翼和所述两个另外的旋翼可以以六边形图案定向。两个另外的旋翼可以沿着俯仰轴线对齐。
一个示例性实施方式是旋翼飞行器，其具有机身和至少四个连接至机身的旋翼。机身具有偏航轴线。至少四个旋翼中的每一个具有旋转轴线，该旋转轴线与偏向轴线不平行且不垂直。至少四个旋翼以在机身两侧相对的一对的方式定向。每对相对的两个旋翼对于同一方向的旋转是可操作的。至少四个旋翼中的每一个可以产生垂直于从偏航轴线延伸的射线定向的推力分量。旋翼飞行器可包括至少两个另外的旋翼。至少两个另外的旋翼可各自包括旋转轴线，该旋转轴线具有相对于俯仰轴线的向前倾斜。至少两个另外的旋翼中的每一个的旋转轴线可以具有3到15度之间的向前倾斜。至少四个旋翼中的每一个的旋转轴线可以相对于侧滚轴线倾斜3至15度。至少四个旋翼中的每一个的旋转轴线可以相对于俯仰轴线倾斜3至15度。至少四个旋翼中的每一个可以是共轴共旋转旋翼。至少两个另外的旋翼中的每一个可以是共轴反向旋转旋翼。
一个示例性实施方式是具有机身和多个旋翼的旋翼飞行器。机身具有偏航轴线。多个旋翼绕偏航轴线以相对的一对的方式定向。每对相对的两个旋翼对于同一方向的旋转是可操作的。相对的每对是倾斜的，以产生垂直于从偏航轴线延伸的射线定向的推力分量。旋翼飞行器可包括至少两个另外的旋翼。该至少两个另外的旋翼可各自倾斜以产生平行于侧滚轴线定向的推力分量。至少两个另外的旋翼中的每一个可以是共轴反向旋转旋翼。多个旋翼中的每一个可以是共轴共旋转旋翼。
一个示例性实施方式是操作旋翼飞行器的方法，该方法包括向旋翼飞行器的至少四个旋翼供电。该至少四个旋翼各自具有旋转轴线，该旋转轴线与旋翼飞行器的偏航轴线不平行且不垂直。至少四个旋翼包括至少两对相对的旋翼。该至少两对相对的旋翼的相对的第一对包括在旋翼飞行器的侧滚轴线和俯仰轴线两者的相对侧上的第一旋翼和第三旋翼。该至少两对相对的旋翼的相对的第二对包括在侧滚轴线和俯仰轴线的相对侧上的第二旋翼和第四旋翼。该方法包括使相对的第一对旋翼在逆时针方向上旋转，而相对的第二对旋翼在顺时针方向上旋转，并且启动偏航机动飞行。该偏航机动飞行增加了相对的第一对旋翼的旋转速度。该增加的旋转速度通过相对的第一对旋翼产生推力，其中推力的分量定向为与偏航轴线不平行。推力的分量可以垂直于从偏航轴线延伸的射线定向。至少四个旋翼中的每一个可以是共轴共旋转旋翼。该方法可以包括向旋翼飞行器的至少两个另外的旋翼供电，该至少两个另外的旋翼各自包括相对于俯仰轴线具有向前倾斜的旋转轴线。至少两个另外的旋翼中的每一个可以是共轴反向旋转旋翼。
附图说明
图1示出了具有倾斜的旋翼的旋翼飞行器的实施方式。
图2示出了图1的实施方式的俯视图。
图3示出了图1的实施方式的前视图。
图4示出了图1的实施方式的侧视图。
图5是具有倾斜的旋翼的旋翼飞行器的示意图。
图6是图1的实施方式的示意图。
图7是第一配置中的旋翼飞行器的示意图。
图8是第二配置中的旋翼飞行器的示意图。
图9是第三配置中的旋翼飞行器的示意图。
图10是第四配置中的旋翼飞行器的示意图。
图11是操作旋翼飞行器的方法的实施方式的流程图。
虽然本公开内容易于进行各种修改和替代形式，但是已经通过实例的方式示出了具体的实施方式。已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以在又其他实施方式中组合实现，该又其他实施方式的进一步细节可以参考附图和以下描述可见。然而，应该理解的是，本公开内容不旨在限于所公开的特定形式。而是意图覆盖落入由所附权利要求限定的本公开内容范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
图1示出了旋翼飞行器1，其具有机身70、一个或多个支撑件80和多个旋翼。多个旋翼包括至少四个旋翼。该至少四个旋翼各自倾斜，以定向由旋翼在非垂直方向上产生的推力分量，以进行偏航控制。可以固定多个旋翼中的每一个的倾斜。多个旋翼可以包括多个另外的旋翼，诸如两个另外的旋翼。多个另外的旋翼各自倾斜，以定向由另外的旋翼在非垂直方向上产生的推力分量，以辅助旋翼飞行器1的向前运动。多个旋翼包括第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30和第四旋翼40。虽然其他实施方式可包括多于四个旋翼，但为了说明的目的，第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30和第四旋翼40统称为多个旋翼10-40。多个另外的旋翼包括第五旋翼50和第六旋翼60。虽然其他实施方式可包括多于两个另外的旋翼，为了说明的目的，第五旋翼50和第六旋翼60统称为多个另外的旋翼50-60。多个旋翼10-40和多个另外的旋翼50-60统称为多个旋翼10-60。
旋翼飞行器1包括侧滚轴线5、俯仰轴线6和偏航轴线7，并且对于在侧滚轴线5的方向上向前运动2是可操作的。如本领域普通技术人员所理解的，侧滚轴线5、俯仰轴线6和偏航轴线7在旋翼飞行器1的重心处相交。一个或多个支撑件80可以是支架并且被配置为在不飞行时支撑旋翼飞行器1的重量。一个或多个支撑件80还可以提供有效载荷的连接，诸如但不限于包装、监视设备、科学监视仪器和/或相机。旋翼飞行器1包括电源(未示出)诸如电池，和控制模块。控制模块选择性地将动力引导至多个旋翼10-60中的一个或多个以控制旋翼飞行器1的旋转、俯仰和偏航。电源和控制模块可以装入机身70内。
多个旋翼10-60中的一个或多个可以是共轴旋翼。共轴旋翼可以在旋翼机械故障的情况下提供后备的推力源。如图1所示，第一旋翼10是共轴旋翼并且包括上旋翼11、下旋翼12和支撑上旋翼11和下旋翼12的旋翼轴13。第二旋翼20是共轴旋翼并且包括上旋翼21、下旋翼22和支撑上旋翼21和下旋翼22的旋翼轴23。第三旋翼30是共轴旋翼，并且包括上旋翼31、下旋翼32和支撑上旋翼31和下旋翼32的旋翼轴33。第四旋翼40是共轴旋翼，并且包括上旋翼41、下旋翼42和支撑上旋翼41和下旋翼42的旋翼轴43。第五旋翼50是共轴旋翼，并且包括上旋翼51、下旋翼52和支撑上旋翼51和下旋翼52的旋翼轴53。第六旋翼60是共轴旋翼，并且包括上旋翼61、下旋翼62和支撑上旋翼61和下旋翼62的旋翼轴63。优选地，上旋翼和下旋翼的旋翼叶片是固定的倾斜旋翼叶片。如本文所用，术语“上旋翼”和“下旋翼”包括多叶片旋翼，诸如双叶片旋翼、三叶片旋翼或四叶片旋翼，其在中心轮毂处连接到旋翼轴。多个旋翼10-60连接到机身70。机身70包括第一端75、第二端76、前端77(在图2中最佳示出)和后端78(在图2中最佳示出)。机身70可以包括在空间上分隔多个旋翼10-40的多个臂71、72、73和74。第五旋翼50可以在第一端75处连接到机身70，并且第六旋翼60可以在第二端76处连接到机身70。
图2示出了沿着偏航轴线7观察的旋翼飞行器1的俯视图。多个旋翼10-40和多个另外的旋翼50-60以六边形图案定向。侧滚轴线5和俯仰轴线6将旋翼飞行器1分成四个象限91-94。第一象限91和第二象限92与前端77位于俯仰轴线6的一侧，并且第三象限93以及第四象限94与后端78位于俯仰轴的一侧。第一象限91和第四象限94与第一端75位于侧滚轴线5的一侧。第二象限92和第三象限93与第二端76位于侧滚轴线5的一侧。第一旋翼10位于第一象限91，第二旋翼20位于第二象限92，第三旋翼30位于第三象限93，并且第四旋翼40位于第四象限94。第一旋翼10和第二旋翼20从侧滚轴线5等距离定位。第三旋翼30和第四旋翼40从侧滚轴线5等距离定位。第五旋翼50和第六旋翼60从侧滚轴线5等距离定位。第五旋翼50和第六旋翼60可沿着俯仰轴线6对齐。第一旋翼10和第四旋翼40从俯仰轴线6等距离定位。第二旋翼20和第三旋翼30从俯仰轴线6等距离定位。侧滚轴线5沿在前端77和后端78之间的机身70的长度延伸。俯仰轴线6沿第一端75和第二端76之间的机身70的宽度延伸。在一些实施方式中，机身70的宽度大于机身70的长度。宽度大于长度的机身70可以通过第五旋翼50和第六旋翼60提供附加的稳定性。
图3示出了沿侧滚轴线5观察的旋翼飞行器1的前视图。第一旋翼10包括旋转的轴线15，第二旋翼20包括旋转的轴线25，第三旋翼30包括旋转的轴线35，第四旋翼40包括旋转的轴线45，第五旋翼50包括旋转的轴线55，并且第六旋翼60包括旋转的轴线65。多个旋翼10-40中的每一个的旋翼轴13、23、33、43可以相对于侧滚轴线5倾斜。换句话说，当相对于侧滚轴线5倾斜时，多个旋翼10-40中的每一个的旋转的轴线15、25、35、45在与侧滚轴线5垂直的平面中既不平行也不垂直于偏航轴线7。如本文所讨论的，相对于侧滚轴线5的倾斜包括正倾斜和负倾斜。相对于侧滚轴线5的倾斜单独参考每个旋翼。用于旋翼的正倾斜也称为向内倾斜，其使得上旋翼更靠近侧滚轴线5运动(向内朝向由侧滚轴线5和偏航轴线7形成的平面)。用于旋翼的负斜面也称为向外倾斜，其使得下旋翼更靠近侧滚轴线5运动(向内朝向由侧滚轴线5和偏航轴线7形成的平面)。第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30和第四旋翼40在垂直于侧滚轴线5的平面内以角度α2倾斜。在一些实施方式中，角度α2在3到15度之间。在一些实施方式中，角度α2大于十五度。在一些实施方式中，角度α2在10到15度之间。在一些实施方式中，角度α2在3到10度之间。第五旋翼50和第六旋翼60的旋翼轴53、63可以在垂直于侧滚轴线5的平面中平行于偏航轴线7。换句话说，与侧滚轴线5垂直的平面中的角度α1可以是零或几乎为零。
图4示出了沿着俯仰轴线6观察的旋翼飞行器1的侧视图。多个旋翼10-40中的每一个的旋翼轴13、23、33、43可以相对于俯仰轴线6倾斜。多个另外的旋翼50-60中的每一个的旋翼轴53、63可以相对于俯仰轴线6倾斜。换句话说，当相对于俯仰轴线6倾斜时，多个旋翼10-40中的每一个的旋转的轴线15、25、35、45和多个另外的旋翼50-60中的每一个的旋转的旋转的轴线55、65在与俯仰轴线6垂直的平面中既不平行也不垂直于偏航轴线7。如本文所讨论的，相对于俯仰轴线6的倾斜包括正倾斜和负倾斜。相对于俯仰轴线6的倾斜以相对于旋翼飞行器1作为整体参考。旋翼的正倾斜也称为向前倾斜，其使得上旋翼在侧滚轴线5的方向上朝向向前运动2的方向定位。旋翼的负倾斜也称为向后倾斜，其使下旋翼在侧滚轴线5的方向上朝向向前运动2的方向定位。
第五旋翼50和第六旋翼60的旋翼轴53、63在垂直于俯仰轴线6的平面中以角度β1正向倾斜。在一些实施方式中，角度β1在3到15度之间。在一些实施方式中，角度β1大于15度。在一些实施方式中，角度β1在10到15度之间。在一些实施方式中，角度β1在3到10度之间。第一旋翼10和第二旋翼20的旋翼轴13、23在垂直于俯仰轴线6的平面内以角度β2倾斜。在一些实施方式中，角度β2在3到15度之间。在一些实施方式中，角度β2大于15度。在一些实施方式中，角度β2在10到15度之间。在一些实施方式中，角度β2在3到10度之间。第三旋翼30和第四旋翼40的旋翼轴33、43在垂直于俯仰轴线6的平面内以角度β3倾斜。在一些实施方式中，角度β3在3到15度之间。在一些实施方式中，角度β3大于15度。在一些实施方式中，角度β3在10到15度之间。在一些实施方式中，角度β3在3到10度之间。
图11是操作旋翼飞行器的方法600的实施方式的流程图。方法600包括在动作605中向旋翼飞行器的至少四个旋翼供电并且在动作610中使至少四个旋翼旋转。该至少四个旋翼各自具有与旋翼飞行器的偏航轴线不平行和不垂直的旋转的轴线。至少四个旋翼包括至少两对相对的旋翼。该至少两对相对的旋翼的相对的第一对包括在旋翼飞行器的侧滚轴线和俯仰轴线两者的相对侧上的第一旋翼和第三旋翼。该至少两对相对的旋翼的相对的第二对包括在侧滚轴线和俯仰轴线两者的相对侧上的第二旋翼和第四旋翼。动作610包括使相对的第一对旋翼在逆时针方向上旋转并使相对的第二对旋翼在顺时针方向上旋转。
至少四个旋翼中的每一个可以是共轴共旋转旋翼，并且动作610可以包括使每个共轴旋翼的旋翼在绕共轴旋翼的旋转轴线的相同方向上旋转。方法600可包括向旋翼飞行器的至少两个另外的旋翼供电。该至少两个另外的旋翼各自包括相对于俯仰轴线具有向前倾斜的旋转轴线。至少两个另外的旋翼中的每一个可以是共轴反向旋转旋翼，并且动作610可以包括使每个反向旋转共轴旋翼的旋翼在绕共轴旋翼的旋转轴线的相对方向上旋转。
方法600可以包括启动偏航机动飞行、启动侧滚机动飞行和/或启动俯仰机动飞行。为了启动侧滚机动飞行，在动作615中处理器确定何时已接收到启动侧滚机动飞行的请求。如果启动侧滚机动飞行的请求是向左侧滚，则动作616包括增加侧滚轴线右侧的旋翼的旋转速度和/或降低侧滚轴线左侧旋翼的旋转速度。如果启动侧滚机动飞行的请求是向右侧滚，则动作617包括增加侧滚轴线左侧旋翼的旋转速度和/或降低侧滚轴线右侧的旋翼的旋转速度。该增加可以与降低成比例，以维持旋翼飞行器的非侧滚控制特性。
为了启动俯仰机动飞行，在动作620中处理器确定何时已经接收到启动俯仰机动飞行的请求。如果启动俯仰机动飞行的请求是向下俯，则动作621包括增加在俯仰轴线的后侧上的旋翼的旋转速度和/或降低在俯仰轴线前侧的旋翼的旋转速度。如果启动俯仰机动飞行的请求是向上仰，则动作622包括增加在俯仰轴线前侧的旋翼的旋转速度和/或降低在俯仰轴线的后侧的旋翼的旋转速度。该增加可以与降低成比例，以保持旋翼飞行器的非俯仰控制特性。
为了启动偏航机动飞行，在动作625中处理器确定何时已经接收到启动偏航机动飞行的请求。如果启动偏航机动飞行的请求是逆时针偏航，则动作626包括增加顺时针旋转旋翼的旋转速度和/或降低逆时针旋转旋翼的旋转速度。如果启动偏航机动飞行的请求是顺时针偏航，则动作627包括增加逆时针旋转旋翼的旋转速度和/或降低顺时针旋转旋翼的旋转速度。该增加可以与降低成比例以维持旋翼飞行器的非偏航控制特性。在相对的第一对旋翼在逆时针方向上旋转的实施方式中，偏航机动飞行包括增加相对的第一对旋翼的旋转速度，以使顺时针偏航。增加的旋转速度通过相对的第一对旋翼产生推力，其中推力的分量定向为与偏航轴线不平行。推力的分量可以定向为垂直于从偏航轴线延伸的射线。
出于说明的目的，旋翼飞行器1可以与方法600一起使用，但是方法600也可以与其他实施方式一起使用，如本领域技术人员在研究本文所述的配置、实例和布置之后将理解的。图5是旋翼飞行器1的示意图。多个旋翼10-40以相对的一对的方式在机身70两侧定向。第一旋翼10和第三旋翼30形成相对的第一对旋翼。第二旋翼20和第四旋翼40形成相对的第二对旋翼。多个旋翼10-60中的每一个产生垂直推力以提升旋翼飞行器1。为了控制旋翼飞行器1的侧滚，改变第一旋翼10和第四旋翼40与第二旋翼20和第三旋翼30的相对旋转速度。在旋翼飞行器1的侧滚轴线5的一侧产生更多垂直推力，并使旋翼飞行器1绕侧滚轴线5旋转。为了控制旋翼飞行器1的俯仰，改变第一旋翼10和第二旋翼20与第三旋翼30和第四旋翼40的相对旋转速度。在俯仰轴线6的一侧产生更多的垂直推力，并使旋翼飞行器1绕俯仰轴线6倾斜。
多个旋翼10-60中的每一个在旋翼飞行器1的机身70上产生扭矩，该扭矩与旋翼的旋转相对。第一旋翼10产生旋翼扭矩110，第二旋翼20产生旋翼扭矩120，第三旋翼30产生旋翼扭矩130，第四旋翼40产生旋翼扭矩140，第五旋翼50产生旋翼扭矩150，并且第六旋翼60产生旋翼扭矩160。举例而言，第一旋翼10可以逆时针旋转，并且通过第一旋翼10的旋转施加在机身70上的旋翼扭矩110的方向将导致机身70的顺时针旋转，以相对第一旋翼10的逆时针旋转。旋翼扭矩110、旋翼扭矩120、旋翼扭矩130、旋翼扭矩140、旋翼扭矩150和旋翼扭矩160的大小随着它们各自的旋翼的旋转速度而增加。当多个旋翼10-40中的每一个以相同的速度旋转时，旋翼扭矩是对称的并且不会使旋翼飞行器1偏航。
为了控制旋翼飞行器1的偏航，改变相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)相对于相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼40)的相对旋转速度并产生不对称的旋翼扭矩，该旋翼扭矩改变了旋翼飞行器1的角动量。由于角动量是守恒的，因此旋翼飞行器1偏航以平衡系统。例如，如果逆时针旋转的第一对旋翼的旋转速度降低并且顺时针旋转的第二对旋翼的旋转速度增加，则在旋翼飞行器1上产生逆时针方向的角速度，以平衡旋翼飞行器1的整体角动量。如果逆时针旋转的第一对旋翼的旋转速度增加并且顺时针旋转的第二对旋翼的旋转速度降低，则在旋翼飞行器1上产生顺时针方向的角速度，以平衡旋翼飞行器1的整体角动量。
偏航运动的旋转速度取决于旋翼飞行器的惯性动量。然而，具有更大质量和/或更大旋翼叶片的旋翼飞行器具有增加的惯性动量。较大的旋翼叶片通常需要更大的动力以引起旋转运动。与较小的多旋翼旋翼飞行器相比，旋转速度的增加可能获得不太慢。另外，具有较大质量的旋翼飞行器需要更大的力作用在旋翼飞行器上以引起偏航运动。因此，需要更大量的动力来增加这些旋翼的旋转速度，并且这些旋翼飞行器可能不那么快地偏航。例如，总重量为226.8千克(500磅)或更大、旋翼直径为1米或更大和/或产生的升力足以支撑45.4至354千克(100-1000磅)之间的有效载荷容量的旋翼飞行器可能特别受益于增加的偏航控制和降低的功率消耗。随着旋翼飞行器的惯性动量增加，由非倾斜旋翼的旋转产生的扭矩差在控制旋翼飞行器的偏航方面变得不太有效。降低系统的功率消耗可以增加旋翼飞行器的有效载荷容量和/或范围。在研究了本文所描述的配置、实例和布置之后，技术人员可以理解，较小的旋翼飞行器也可以在一定程度上受益。并且，技术人员可以理解对于期望的应用，可以选择总重量、旋翼直径和/或有效载荷容量。例如，一些应用可允许使用另外的较小尺寸的旋翼以产生相同的有效载荷容量；一些应用可使用产生较大总重量的但具有更有限的有效载荷容量的材料；其他应用可能期望有效载荷容量与总重量的最大比例。
多个旋翼10-40相对于侧滚轴线5和/或相对于俯仰轴线6是倾斜的。倾斜的旋翼提供不平行且不垂直于偏航轴线7的推力分量。推力可以细分为与偏航轴线7平行的升力的垂直推力分量、与侧滚轴线5平行的前推力分量、以及平行于俯仰轴线6的侧推力分量。与非倾斜的旋翼相比，垂直推力分量降低，但前推力分量和/或侧推力分量可用于增加偏航控制和/或向前行程。侧推力分量和从俯仰轴线6的距离产生基于侧向推力的扭矩。向前推力分量与从侧滚轴线5的距离产生基于向前推力的扭矩。多个旋翼10-40的倾斜方向取决于它们的旋转方向。当执行偏航机动飞行时，基于向前推力的扭矩和基于侧推力的扭矩定向在补充旋翼扭矩的方向上。基于向前推力的扭矩和基于侧推力的扭矩使得多个旋翼10-40能够实现与具有非倾斜旋翼的旋翼飞行器相同的速度偏航，但旋转速度较低。例如，为了在期望的时间内将偏航率增加所需的每秒程度，具有非倾斜的旋翼的旋翼飞行器可以利用旋转速度的变化，诸如每分钟100转(“RPM”)，而具有倾斜的旋翼的旋翼飞行器可以利用旋转速度的较小变化，诸如60RPM。
参考图4和图5，第一旋翼10的向前推力分量115由旋翼轴13的角度β2确定，第二旋翼20的向前推力分量125由旋翼轴23的角度β2确定，第三旋翼30的向前推力分量135由旋翼轴33的角度β3确定，并且第四旋翼40的向前推力分量145由旋翼轴43的角度β3确定。第五旋翼50的向前推力分量155由旋翼轴53的角度β1确定，并且第六旋翼60的向前推力分量165由旋翼轴63的角度β1确定。
参考图3和图5，第一旋翼10的侧推力分量116由旋翼轴13的角度α2确定，第二旋翼20的侧推力分量126由旋翼轴23的角度α2确定，第三旋翼30的侧推力分量136由旋翼轴33的角度α2确定，并且第四旋翼40的侧推力分量146由旋翼轴43的角度α2确定。第五旋翼50的侧推力分量156由旋翼轴53的角度α1确定，并且第六旋翼60的侧推力分量166由旋翼轴63的角度α1确定。侧推力分量116、侧推力分量126、侧推力分量136、侧推力分量146、侧推力分量156和侧推力分量166各自沿它们与俯仰轴线6的距离放大，以在旋翼飞行器1上产生基于推力的扭矩。向前推力分量115、向前推力分量125、向前推力分量135、向前推力分量145、向前推力分量155和向前推力分量165各自沿它们与侧滚轴线5的距离放大，以在旋翼飞行器1上产生基于推力的扭矩。
第五旋翼50的向前推力分量155和第六旋翼60的向前推力分量165平行于侧滚轴线5定向，以辅助旋翼飞行器1的向前运动。另外，第五旋翼50和第六旋翼60的定向可以降低向前速度的俯冲倾斜。当相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)以与相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼40)相同的速度旋转时，第一对旋翼和第二对旋翼的推力分量是对称的。更具体地，第一对旋翼的侧推力分量116和侧推力分量136平衡第二对旋翼的侧推力分量126和侧推力分量146，并且第一对旋翼的向前推力分量115和向前推力分量135平衡第二对旋翼的向前推力分量125和向前推力分量145。如上所述，当启动偏航机动飞行的控制时，相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)与相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼40)的相对旋转速度旋翼40)被改变。推力分量的大小随着各自旋翼的旋转速度而增加。
在控制旋翼飞行器1的偏航时，多个旋翼10-40的推力分量补充多个旋翼10-40的旋翼扭矩并使旋翼飞行器1绕偏航轴线7旋转。随着逆时针旋转的相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)的旋转速度降低，并且顺时针旋转的相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼40)旋转速度增加，旋翼扭矩110和旋翼扭矩130降低，并且旋翼扭矩120和旋翼扭矩140增加。另外，侧推力分量116、侧推力分量136、向前推力分量115和向前推力分量135的大小增加，并且侧推力分量126、侧推力分量146、向前推力分量125和向前推力分量145的大小减少。不平衡的推力分量在旋翼飞行器1上产生不对称的基于推力的扭矩，其补充不对称的旋翼扭矩，这使旋翼飞行器1沿逆时针方向运动。
在一些实施方式中，角度α2(图3中示出)的大小等于角度β2的大小和角度β3的大小(图4中示出)。当角度α2的大小等于角度β2的大小和角度β3的大小，并且多个旋翼10-40中的每一个从重心等距离定位时，旋翼的相应推力分量以垂直于从偏航轴线7和旋翼飞行器1的重心延伸的射线定向。当推力分量垂直定向时，产生的基于推力的扭矩可以最大化。应当理解，在一些实施方式中，多个旋翼10-40可以不以90度增量成角度地偏移和/或旋翼飞行器可以包括多于四个旋翼。然而，旋翼仍然可以垂直于从旋翼飞行器的重心延伸的射线定向。举例而言，另外的旋翼可以相对的对的方式绕机身70定位。
可以选择倾斜角度α1、α2、β1、β2和β3的大小用于期望的应用。例如，较大的倾斜角降低了所产生以提升旋翼飞行器的垂直推力。旋翼的较大角度α2、β2和β3提供垂直于升力的更大推力，并且可以允许更大的有效载荷用于更快的偏航或更大的控制。较大角度β1在向前方向上提供另外的推力。另外，可以基于期望的应用和旋翼的倾斜来选择旋翼的盘加载。
图6示出了用于旋翼飞行器1的旋翼布局的一个实施方式的示意图。第一旋翼10和第三旋翼30形成相对的第一对旋翼。第一旋翼10是具有沿相同方向旋转的上旋翼11和下旋翼12两者的共轴共旋转旋翼。第三旋翼30是具有沿相同方向旋转的上旋翼31和下旋翼32两者的共轴共旋转旋翼。第一旋翼10和第三旋翼30两者都沿相同方向旋转。第二旋翼20和第四旋翼40形成相对的第二对旋翼。第二旋翼20是具有沿相同方向旋转的上旋翼21和下旋翼22两者的共轴共旋转旋翼。第四旋翼40是具有沿相同方向旋转的上旋翼41和下旋翼42两者的共轴共旋转旋翼。第二旋翼20和第四旋翼40两者都沿相同方向旋转。相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)可以在逆时针方向上旋转，并且相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼40)可以在顺时针方向上旋转，或反之亦然。第五旋翼50是具有沿相反方向旋转的上旋翼51和下旋翼52共轴反向旋转旋翼。第六旋翼60是具有沿相反方向旋转的上旋翼61和下旋翼62共轴反向旋转旋翼。共轴反向旋转旋翼的相对旋转旋翼在相反方向上产生旋翼扭矩，使得旋翼产生对称扭矩。来自共轴反向旋转第五旋翼50的旋翼扭矩150和来自共轴反向旋转第六旋翼60的旋翼扭矩160(图5中所示)与单旋翼或共轴共旋转旋翼相比降低或消除。共轴共旋转旋翼与共轴反向旋转旋翼相比可提供减少的旋翼噪音
图7是旋翼飞行器200的示意图。旋翼飞行器200包括第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30、第四旋翼40、第五旋翼50和第六旋翼60，如上面参考图1-6所描述，但是，根据一个实施方式，设定倾斜角α1、α2、β1、β2和β3。第一旋翼10和第三旋翼30形成第一对旋翼。第二旋翼20和第四旋翼40形成第二对旋翼。
参考图3和图7，第五旋翼50和第六旋翼60的角度α1为零。第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30和第四旋翼40的角度α2向外倾斜。参考图4和图7，第五旋翼50和第六旋翼60的角度β1向前倾斜。第一旋翼10和第二旋翼20的角度β2向后倾斜。第三旋翼30和第四旋翼40的角度β3向前倾斜。角度β2的大小优选地等于角度β3的大小。第一旋翼10产生推力分量210，第二旋翼20产生推力分量220，第三旋翼30产生推力分量230，第四旋翼40产生推力分量240。第五旋翼50产生推力分量250，并且第六旋翼60产生推力分量260。推力分量250和推力分量260辅助旋翼飞行器200的向前运动。
在控制旋翼飞行器200的偏航时，多个旋翼10-40的推力分量补充多个旋翼10-40的旋翼扭矩并使旋翼飞行器200绕偏航轴线7偏航。随着逆时针旋转的相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)的旋转速度降低，并且顺时针旋转的相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼40)的旋转速度增加，旋翼扭矩110和旋翼扭矩130降低，并且旋翼扭矩120和旋翼扭矩140增加。另外，推力分量220和推力分量240的大小增加，并且推力分量210和推力分量230的大小降低。不平衡的推力分量在旋翼飞行器200上产生不对称的基于推力的扭矩，其补充不对称的旋翼扭矩，这使旋翼飞行器200沿逆时针方向运动。
图8是旋翼飞行器300的示意图。旋翼飞行器300包括第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30、第四旋翼40、第五旋翼50和第六旋翼60，如上面参考图1-6所描述，但是，根据一个实施方式，设定倾斜角α1、α2、β1、β2和β3。第一旋翼10和第三旋翼30形成第一对旋翼。第二旋翼20和第四旋翼40形成第二对旋翼。
参考图3和8，第五旋翼50和第六旋翼60的角度α1为零。第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30和第四旋翼40的角度α2向外倾斜。参考图4和图8，第五旋翼50和第六旋翼60的角度β1向前倾斜。第一旋翼10和第二旋翼20的角度β2为零。第三旋翼30和第四旋翼40的角度β3为零。第一旋翼10产生侧推力分量310，第二旋翼20产生侧推力分量320，第三旋翼30产生侧推力分量330，并且第四旋翼40产生侧推力分量340。第五旋翼50产生向前推力分量350，并且第六旋翼60产生向前推力分量360。向前推力分量350和向前推力分量360辅助旋翼飞行器300的向前运动。
在控制旋翼飞行器300的偏航时，多个旋翼10-40的侧推力分量补充多个旋翼10-40的旋翼扭矩并使旋翼飞行器300绕偏航轴线7偏航。随着逆时针旋转的相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)的旋转速度降低，并且顺时针旋转的相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼40)旋转速度增加，旋翼扭矩110和旋翼扭矩130降低，旋翼扭矩120和旋翼扭矩140增加。另外，侧推力分量320和侧推力分量340的大小增加，并且侧推力分量310和推力分量330的大小降低。不平衡的侧推力分量在旋翼飞行器300上产生不对称的基于推力的扭矩，其补充不对称旋转扭矩，这使旋翼飞行器300沿逆时针方向运动。第五旋翼50产生推力分量350，并且第六旋翼60产生推力分量360。推力分量350和推力分量360辅助旋翼飞行器300的向前运动。
图9是旋翼飞行器400的示意图。旋翼飞行器400包括第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30、第四旋翼40、第五旋翼50和第六旋翼60，如上面参考图1-6所描述。然而，旋翼飞行器400与旋翼飞行器1不同之处为旋翼的旋转是反向的，并且倾斜角α1、α2、β1、β2和β3根据一个实施方式设定。出于说明的目的，旋翼飞行器400已被示出为旋翼飞行器1在侧滚轴线5另一侧的镜像。第一旋翼10和第三旋翼30形成第一对旋翼。第二旋翼20和第四旋翼40形成第二对旋翼。
参考图3和图9，第五旋翼50和第六旋翼60的角度α1为零。第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30和第四旋翼40的角度α2向内倾斜。参考图4和图9，第五旋翼50和第六旋翼60的角度β1向前倾斜。第一旋翼10和第二旋翼20的角度β2向前倾斜。第三旋翼30和第四旋翼40的角度β3向后倾斜。角度β2的大小优选地等于角度β3的大小。第一旋翼10产生推力分量410，第二旋翼20产生推力分量420，第三旋翼30产生推力分量430，并且第四旋翼40产生推力分量440。第五旋翼50产生推力分量450，并且第六旋翼60产生推力分量460。推力分量450和推力分量460辅助旋翼飞行器400的向前运动。
在控制旋翼飞行器400的偏航时，多个旋翼10-40的推力分量补充多个旋翼10-40的旋翼扭矩并使旋翼飞行器400绕偏航轴线7偏航。随着逆时针旋转的相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)的旋转速度降低，并且顺时针旋转的相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼40)的旋转速度增加，旋翼扭矩110和旋翼扭矩130降低，并且旋翼扭矩120和旋翼扭矩140增加。另外，推力分量420和推力分量440的大小增加，并且推力分量410和推力分量430的大小降低。不平衡的推力分量在旋翼飞行器400上产生不对称的基于推力的扭矩，其补充不对称的旋翼扭矩，这使旋翼飞行器400沿逆时针方向运动。
图10是旋翼飞行器500的示意图。旋翼飞行器500包括第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30、第四旋翼40、第五旋翼50和第六旋翼60，如上面关于图1-6所描述。然而，旋翼飞行器500与旋翼飞行器1的不同之处为，旋翼的旋转是反向的，并且倾斜角度α1、α2、β1、β2和β3根据一个实施方式设定。出于说明的目的，旋翼飞行器500已被示出为旋翼飞行器1在侧滚轴线5另一侧的镜像。第一旋翼10和第三旋翼30形成第一对旋翼。第二旋翼20和第四旋翼40形成第二对旋翼。
参考图3和图10，第五旋翼50和第六旋翼60的角度α1为零。第一旋翼10、第二旋翼20、第三旋翼30和第四旋翼40的角度α2向内倾斜。参考图4和图10，第五旋翼50和第六旋翼60的角度β1向前倾斜。第一旋翼10和第二旋翼20的角度β2为零。第三旋翼30和第四旋翼40的角度β3为零。第一旋翼10产生侧推力分量510，第二旋翼20产生侧推力分量520，第三旋翼30产生侧推力分量530，并且第四旋翼40产生侧推力分量540。第五旋翼50产生向前推力分量550，并且第六旋翼60产生向前推力分量560。向前推力分量550和向前推力分量560辅助旋翼飞行器500的向前运动。
在控制旋翼飞行器500的偏航时，多个旋翼10-40的侧推力分量补充多个旋翼10-40的旋翼扭矩并使旋翼飞行器500绕偏航轴线7偏航。随着逆时针旋转的相对的第一对旋翼(第一旋翼10和第三旋翼30)的旋转速度降低，并且顺时针旋转的相对的第二对旋翼(第二旋翼20和第四旋翼)的旋转速度增加，旋翼扭矩110和旋翼扭矩130降低，并且旋翼扭矩120和旋翼扭矩140增加。另外，侧推力分量520和侧推力分量540的大小增加，并且侧推力分量510和推力分量530的大小降低。不平衡的侧推力分量在旋翼飞行器500上产生不对称的基于推力的扭矩，其补充不对称旋转扭矩，这使旋翼飞行器500沿逆时针方向运动。
条款1.旋翼飞行器，其包括：
机身，其具有偏航轴线；和
至少四个旋翼，其连接到机身并且在机身两侧以相对一对的方式定向，每对相对的两个旋翼对于在同一方向上旋转是可操作的，上述至少四个旋翼的每个具有旋转轴线，其与所述偏航轴线不平行且不垂直。
条款2.条款1的旋翼飞行器，其中所述至少四个旋翼中的每一个产生垂直于从偏航轴线延伸的射线定向的推力分量。
条款3.条款1的旋翼飞行器，其进一步包括至少两个另外的旋翼，该至少两个另外的旋翼均包括相对于俯仰轴线具有向前倾斜的旋转轴线。
条款4.条款3的旋翼飞行器，其中至少两个另外的旋翼中的每一个的旋转轴线具有3到15度之间的向前倾斜。
条款5.条款3的旋翼飞行器，其中至少四个旋翼中的每一个的旋转轴线相对于侧滚轴线倾斜3至15度。
条款6.条款5的旋翼飞行器，其中至少四个旋翼中的每一个的旋转轴线相对于俯仰轴线倾斜3至15度。
条款7.条款5的旋翼飞行器，其中至少四个旋翼中的每一个是共轴共旋转旋翼。
条款8.条款7的旋翼飞行器，其中至少两个另外的旋翼中的每一个是共轴反向旋转旋翼。
尽管已经根据某些优选的实施方式描述了本公开内容，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其他实施方式，包括不提供本文所述的所有特征和优点的实施方式，也是在本公开内容的范围内。因此，仅通过参考所附权利要求及其等同物来限定本公开内容的范围。

Claims (19)

1.旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其包括：
机身(70)，其具有侧滚轴线(5)和俯仰轴线(6)，所述俯仰轴线(6)垂直于所述侧滚轴线(5)；和
多个旋翼(10,20,30,40)，其连接至所述机身(70)，所述多个旋翼(10,20,30,40)中的每一个包括旋翼轴(13,23,33,43)，所述旋翼轴(13,23,33,43)相对于所述侧滚轴线(5)和所述俯仰轴线(6)中的至少一个是倾斜的。
2.权利要求1所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述多个旋翼(10,20,30,40)是至少四个旋翼，其包括第一旋翼(10)、第二旋翼(20)、第三旋翼(30)和第四旋翼(40)。
3.权利要求2所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述多个旋翼(10,20,30,40)中的每一个的所述旋翼轴(13,23,33,43)相对于所述侧滚轴线(5)和所述俯仰轴线(6)中的至少一个倾斜3至15度。
4.权利要求3所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述多个旋翼(10,20,30,40)中的每一个的所述旋翼轴(13,23,33,43)相对于所述侧滚轴线(5)倾斜3至15度。
5.权利要求4所述的旋翼飞行器(1,200,400)，其中所述多个旋翼(10,20,30,40)中的每一个的所述旋翼轴(13,23,33,43)相对于所述俯仰轴线(6)倾斜3至15度。
6.权利要求4所述的旋翼飞行器(200,400)，其中所述至少四个旋翼中的每一个产生垂直于从偏航轴线(7)延伸的射线定向的推力分量(210,220,230,240,410,420,430,440)。
7.权利要求6所述的旋翼飞行器(200,400)，其中所述多个旋翼(10,20,30,40)中的每一个的所述旋翼轴(13,23,33,43)的倾斜是固定的。
8.权利要求2所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述旋翼飞行器(1,200,300,400,500)的总重量为500磅或更多，或者有效载荷容量在100和1000磅之间。
9.权利要求2所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述第一旋翼(10)和所述第三旋翼(30)是逆时针旋转可操作的，并且所述第二旋翼(20)和第四旋翼(40)是顺时针旋转可操作的。
10.权利要求9所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其进一步包括至少两个另外的旋翼(50,60)，所述至少两个另外的旋翼(50,60)各自包括相对于所述俯仰轴线(6)倾斜的旋翼轴(53,63)。
11.权利要求10所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述至少两个另外的旋翼(50,60)中的每一个的所述旋翼轴(53,63)具有相对于所述俯仰轴线(6)在3至15度之间的向前倾斜。
12.权利要求10所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述至少两个另外的旋翼(50,60)中的每一个是共轴反向旋转旋翼(51,52；61,62)。
13.权利要求12所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述多个旋翼(10,20,30,40)中的每一个是共轴共旋转旋翼(11,12；21,22；31,32；41,42)。
14.权利要求13所述的旋翼飞行器(1,200,300,400,500)，其中所述至少四个旋翼确切是四个旋翼且所述至少两个另外的旋翼(50,60)确切是两个另外的旋翼，并且所述四个旋翼(10,20,30,40)和所述两个另外的旋翼(50,60)以六边形图案定向，所述两个另外的旋翼(50,60)沿着所述俯仰轴线(6)对齐。
15.一种操作旋翼飞行器(1,200,300,400,500)的方法，所述方法包括：
向旋翼飞行器(1,200,300,400,500)的至少四个旋翼(10,20,30,40)供电，所述至少四个旋翼(10,20,30,40)各自具有与所述旋翼飞行器(1,200,300,400,500)的偏航轴线(7)不平行且不垂直的旋转轴线(15,25,35,45)，所述至少四个旋翼(10,20,30,40)包括至少两对相对的旋翼，所述至少两对相对的第一对相对的旋翼包括旋翼飞行器(1,200,300,400,500)的侧滚轴线(5)和俯仰轴线(6)二者的相对侧上的第一旋翼(10)和第三旋翼(30)，并且所述至少两对相对的第二对相对的旋翼包括所述侧滚轴线(5)和所述俯仰轴线(6)二者的相对侧上的第二旋翼(20)和第四旋翼(40)；
使所述第一对相对的旋翼在逆时针方向上旋转和所述第二对相对的旋翼在顺时针方向上旋转；和
启动偏航机动飞行，所述偏航机动飞行增加所述第一对相对的旋翼的旋转速度，所述增加的旋转速度通过所述第一对相对的旋翼产生推力，其中所述推力(115,116,135,136,210,230,310,330,410,430,510,530)的分量定向为与所述偏航轴线(7)不平行。
16.权利要求15所述的方法，其中所述推力(210,230,410,430)的所述分量垂直于从所述偏航轴线(7)延伸的射线定向。
17.权利要求15或16所述的方法，其中所述至少四个旋翼(10,20,30,40)中的每一个是共轴共旋转旋翼(11,12；21,22；31,32；41,42)。
18.权利要求17所述的方法，其进一步包括向所述旋翼飞行器(1,200,300,400,500)的至少两个另外的旋翼(50,60)供电，所述至少两个另外的旋翼(50,60)每个包括相对于所述俯仰轴线(6)具有向前倾斜的旋转轴线(55,65)。
19.权利要求18所述的方法，其中所述至少两个另外的旋翼(50,60)中的每一个是共轴反向旋转旋翼(51,52；61,62)。
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