CN111776208B - 一种飞行器及其旋翼头组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及领域飞行器领域，具体涉及一种飞行器及其旋翼头组件。本发明的飞行器，包括用于与动力装置连接的动力传动组件以及两个以上成对设置在动力传动组件上的螺旋桨，螺旋桨与动力传动组件铰接连接，两个相对设置的螺旋桨与动力传动组件之间的铰接轴的朝向同一方向倾斜设置，工作时，旋翼匀速转动时，动力传动组件带动螺旋桨展开匀速转动；旋翼变速转动时，在惯性的作用下，螺旋桨会相对于动力传动组件绕对应的铰接轴摆动，并且两个相对设置的螺旋桨的摆动方向相反，使得其中一个螺旋桨的螺距变大，另一个螺旋桨的螺距变小，这样使得旋翼的升力方向发生改变，从而改变飞行器的飞行姿态。

Description

一种飞行器及其旋翼头组件
技术领域
本发明涉及飞行器领域，具体涉及一种飞行器及其旋翼头组件。
背景技术
直升机是飞行器的一种，现用的直升机旋翼控制系统是基于复杂的机械结构来实现的，旋翼头的机械结构通过舵机来实现循环螺距的改变从而控制直升机的飞行姿态，这种旋翼头结构复杂，影响稳定性和体积。
现有技术中，也有一种结构较为简单、主要用于多旋翼飞机的旋翼头结构，比如授权公告号为CN105059536B的中国专利文献公开的一种旋翼装置：其具有输出轴的动力装置；至少两个螺旋桨；传动组件，具有至少两条与输出轴互成夹角的转动轴；其中，动力装置在匀速旋转的基础上加速或减速旋转，并通过传动组件驱动各螺旋桨绕转动轴做偏转运动，以使所述螺旋桨的桨叶剖面弦与所述螺旋桨的旋转平面之间的夹角发生改变。该变螺距旋翼装置通过动力装置在匀速旋转的基础上加速或减速，各螺旋桨由于惯性作用会与传动组件之间发生偏移，进而改变了各螺旋桨的气动攻角，以改变此刻各螺旋桨的升力大小。
上述这种旋翼头结构的螺旋桨通过转动轴安装在动力传动件上，并且两个螺旋桨的转动轴相对于动力轴对称，两个叶片(也可以是其他数量)的气动攻角同时增大或者减小，完成升力大小的调整，这种结构主要应用在多旋翼飞机上，通过多个旋翼升力的配合来实现飞行姿态的调整。但是，也正是由于这种结构的限制，使得其无法应用在单旋翼飞机上。
因此，亟需一种能够应用在单旋翼飞机上、结构简单的旋翼头组件。
发明内容
本发明提供一种能够应用在单旋翼飞机上、结构简单的旋翼头组件；同时，本发明还提供一种使用该旋翼头组件的飞行器。
本发明的一种旋翼头组件采用如下技术方案：
一种旋翼头组件，包括用于与动力装置连接的动力传动组件以及两个以上成对设置在所述动力传动组件上的螺旋桨，所述螺旋桨与所述动力传动组件铰接连接，两个相对设置的螺旋桨与所述动力传动组件之间的铰接轴的朝向同一方向倾斜设置；旋翼匀速转动时，动力传动组件带动螺旋桨展开匀速转动；旋翼变速转动时，在惯性的作用下，螺旋桨会相对于动力传动组件绕对应的铰接轴摆动，并且两个相对设置的螺旋桨的摆动方向相反，使得其中一个螺旋桨的螺距变大，另一个螺旋桨的螺距变小。
所述动力传动组件上在与螺旋桨的铰接轴位置处设有插槽，所述螺旋桨上设有插装在所述插槽中的凸块。
所述插槽间隔设有两个，所述凸块与所述插槽对应设置。
所述螺旋桨上设有连接件，所述螺旋桨通过所述连接件与所述动力传动组件铰接连接。
所述动力传动组件包括用于与动力装置连接的转动座以及安装件，所述螺旋桨有两个且相对铰接设置在所述安装件上，所述安装件与所述转动座铰接连接，所述安装件与所述转动座的铰接轴的轴线沿水平方向延伸，且该铰接轴的延伸方向在水平方向上的投影与螺旋桨的延伸方向在水平面上的投影相交。
所述转动座包括两个相对设置的立板，所述安装件铰接设置在两个立板之间。
本发明的一种飞行器采用如下技术方案：
一种飞行器，包括机架、动力装置以及旋翼头组件，所述旋翼头组件包括用于与动力装置连接的动力传动组件以及两个以上成对设置在所述动力传动组件上的螺旋桨，所述螺旋桨与所述动力传动组件铰接连接，两个相对设置的螺旋桨与所述动力传动组件之间的铰接轴的朝向同一方向倾斜设置；旋翼匀速转动时，动力传动组件带动螺旋桨展开匀速转动；旋翼变速转动时，在惯性的作用下，螺旋桨会相对于动力传动组件绕对应的铰接轴摆动，并且两个相对设置的螺旋桨的摆动方向相反，使得其中一个螺旋桨的螺距变大，另一个螺旋桨的螺距变小。
所述动力传动组件上在与螺旋桨的铰接轴位置处设有插槽，所述螺旋桨上设有插装在所述插槽中的凸块。
所述插槽间隔设有两个，所述凸块与所述插槽对应设置。
所述螺旋桨上设有连接件，所述螺旋桨通过所述连接件与所述动力传动组件铰接连接。
所述动力传动组件包括用于与动力装置连接的转动座以及安装件，所述螺旋桨有两个且相对铰接设置在所述安装件上，所述安装件与所述转动座铰接连接，所述安装件与所述转动座的铰接轴的轴线沿水平方向延伸，且该铰接轴的延伸方向在水平方向上的投影与螺旋桨的延伸方向在水平面上的投影相交。
所述转动座包括两个相对设置的立板，所述安装件铰接设置在两个立板之间。
本发明的上述飞行器的控制方法采用如下技术方案：
首先获取目标方向相对于机身的周向方向，当螺旋桨到达该周向方向时，改变动力装置的转速，使得螺旋桨在惯性的作用下绕其铰接轴相对于动力传动组件摆动，使其中一个螺旋桨的螺距变大，另一个螺旋桨的螺距变小，从而改变旋翼的升力方向。
当螺旋桨到达该周向方向时，增大动力装置的转速，且当螺旋桨到达与所述周向方向相对方向时，减小动力装置的转速。
本发明的有益效果是：本发明的飞行器，包括用于与动力装置连接的动力传动组件以及两个以上成对设置在动力传动组件上的螺旋桨，螺旋桨与动力传动组件铰接连接，两个相对设置的螺旋桨与动力传动组件之间的铰接轴的朝向同一方向倾斜设置，工作时，旋翼匀速转动时，动力传动组件带动螺旋桨展开匀速转动；旋翼变速转动时，在惯性的作用下，螺旋桨会相对于动力传动组件绕对应的铰接轴摆动，并且两个相对设置的螺旋桨的摆动方向相反，使得其中一个螺旋桨的螺距变大，另一个螺旋桨的螺距变小，这样使得旋翼的升力方向发生改变，从而改变飞行器的飞行姿态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种飞行器实施例1的结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为图1中动力总成的结构示意图；
图4为图3的立体图；
图5为动力总成的控制示意图；
图6为控制流程图；
图7为动力总成的两个叶片的角度对比图；
图8为飞行器绕俯仰轴顺时针旋转的示意图；
图9为图8中旋翼位置的示意图；
图10为电机转速与旋转角度的示意图；
图11为本发明的一种飞行器实施例2中旋翼组件的结构示意图；
图12为图11的俯视图；
图13为图12的立体图；
图14为本发明的一种飞行器实施例3中旋翼组件的结构示意图；
图1-图10对应实施例1，图中：1、机架；2、电机；3、尾旋翼；4、螺旋桨；5、动力传动组件；41、连接件；42、铰接轴；43、凸块；51、插槽；6、角度传感器；7、飞行控制器；8、电子调速器；9、动力电池；
图11-图13对应实施例2，图中：1、螺旋桨；2、动力传动组件；
图14对应实施例3，图中：1、转动座；2、铰接轴；3、安装件；11、立板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种飞行器的实施例1，如图1至图10所示，一种飞行器，包括机架1、动力装置以及旋翼头组件，旋翼头组件包括用于与动力装置连接的动力传动组件5以及两个以上成对设置在动力传动组件5上的螺旋桨4，螺旋桨4与动力传动组件铰接连接，两个相对设置的螺旋桨4与动力传动组件5之间的铰接轴42的朝向同一方向倾斜设置；旋翼匀速转动时，动力传动组件5带动螺旋桨4展开匀速转动；旋翼变速转动时，在惯性的作用下，螺旋桨4会相对于动力传动组件5绕对应的铰接轴42摆动，并且两个相对设置的螺旋桨4的摆动方向相反，使得其中一个螺旋桨4的螺距(攻角)变大，另一个螺旋桨4的螺距(攻角)变小，具体如图7中的角度C和角度D所示。其具体操作原理为，当电机2进行短暂的加速或减速时，两片螺旋桨4由于受到惯性以及空气阻力使得其相对于图中的轴线C绕其旋转轴向后运动，从而使得一片螺旋桨4的螺距(攻角)增大同时另一片螺旋桨4的螺距(攻角)减小。
在本实施例中，动力传动组件上在于螺旋桨4的铰接轴42位置处设有插槽51，螺旋桨4上设有插装在插槽51中的凸块43，通过凸块43和插槽51的配合能够保证连接的可靠性。
为了进一步保证连接的可靠性，在本实施例中，插槽51间隔设有两个，凸块43与插槽对应设置。
考虑到连接位置的结构强度，在本实施例中，螺旋桨4上设有连接件41，螺旋桨4通过连接件41与动力传动组件铰接连接。连接件41上设有插槽，螺旋桨4的端部插装在插槽中并通过固定销固定。
本发明的上述飞行器的控制方法如下：
在本实施例中，旋翼头具有两个螺旋桨4，如图3所示，两个螺旋桨4的铰接轴的轴线与水平方向的夹角A和B相同，整个控制系统如图5所示，包括角度传感器6、飞行控制器7、电子调速器8和动力电池9。
具体控制方法为：首先获取目标方向相对于机身的周向方向，当螺旋桨到达该周向方向时，改变动力装置的转速，使得螺旋桨在惯性的作用下绕其铰接轴相对于动力传动组件摆动，使其中一个螺旋桨的螺距变大，另一个螺旋桨的螺距变小，从而改变旋翼的升力方向。
当螺旋桨到达该周向方向时，增大动力装置的转速，且当螺旋桨到达与所述周向方向相对方向时，减小动力装置的转速。
为了清楚地说明上述控制方法，如图8所示，以飞行器需要绕俯仰轴顺时针旋转为例进行说明：
在此过程中，俯视飞行器时电机2进行逆时针旋转，如图9所示，将电机2旋翼的旋转面分为C、D、E、F四个区域，并且定义C区域和D区域相邻的位置为B，C区域和F区域相邻的位置为A。
需要在当如图9所示，1号螺旋桨旋转到A点时使电机进行暂时的加速，并在1号螺旋桨旋转到B点时使电机进行暂时的减速。在2号螺旋桨旋转到A点时对电机进行短暂的加速并在2号螺旋桨旋转到B点时对电机进行短暂的减速，以此循环进行。
在A点加速后，此时在区域C中的螺旋桨的螺距(攻角)将会大于在区域E中的螺旋桨的螺距(攻角)，使得区域C中的升力大于区域E中的升力产生升力差，经由陀螺效应转变为抬升区域D、压低F的力，从而实现对此直升机的低头俯冲操作。
整个控制流程图如图6所示，首先，角度传感器6检测到螺旋桨旋转至A点，飞行控制器7收到检测信号后计算出在该位置对电机进行加速，在角度B时对电机进行减速，然后将该指令下达给电子调速器8使得电机加速，当角度传感器6检测到螺旋桨旋转至B点时，飞行控制器7对电子调速器8下达减速指令，使得电机减速，当飞行控制器7检测到飞行器已经完成指定动作后，对电子调速器下达匀速转动指令。
理想状态下，电机的转速与其旋转角度的关系应为一个sine或cosine函数，如图10所示。
常规的单主旋翼或双主旋翼直升机通常是由至少3颗伺服舵机来控制十字盘的倾斜以及升降继而控制直升机的飞行姿态。本发明中的旋翼结构则完全省略掉传统的十字盘、伺服舵机以及复杂的连接杆，由电机或内燃机的局部转速控制配合旋翼自身的惯性以及气动阻力来实现总距以及循环螺距的控制，从而实现对直升机的滚转(X轴)、俯仰(Y轴)以及升降(Z轴)这三个维度的控制。由于省去了传统直升机的大部分旋翼头组件，使得无人机直升机的大小得以大幅度缩小，并且由于本系统最少仅需要两个旋翼就可以维持飞行，使得无人机的体积相比于多旋翼得以进一步减小(可以做的比手掌还小)。
本系统继承了传统直升机旋翼结构优良的操纵性，可以实现对单付旋翼进行3维的操纵，继而使得飞行器相比于四旋翼或多旋翼无人机具有更优良的操纵性。
本发明的一种飞行器的实施例2，如图11至图13所示：在本实施例中，螺旋桨1设有四个，并且周向均布在动力传动组件2上，两个相对的螺旋桨的连接关系与实施例1相同。
对于这种四片或者以上螺旋桨片数的旋翼头结构，其控制原则为在某时刻半圆内的总升力大于另一半圆内的总升力即可实现对飞机的姿态控制。例如对于图12和图13所示，四片螺旋桨结构，假设电机进行逆时针旋转，当1号螺旋桨指向A时进行加速并在1号螺旋桨指向B时进行减速，则可以使的扇形BAD中的升力大于扇形BCD中的升力，从而在旋转平面上产生升力差，进而实现对飞行器的控制。
本发明的一种飞行器的实施例3，如图11至图13所示：动力传动组件包括用于与动力装置连接的转动座1以及安装件3，螺旋桨铰接设置在安装件3上，安装件3与转动座1铰接连接且铰接轴2的轴线沿水平方向延伸。
转动座包括两个相对设置的立板11，安装件铰接设置在两个立板之间。在本实施例中螺旋桨设有两个，两个螺旋桨在所述安装件上相对设置，同时，安装件的铰接轴的轴线的延伸线在水平方向上的投影与螺旋桨的延伸方向在水平方向上的投影相交。这样，当螺旋桨在转动过程中，当其加速或者减速时，两个螺旋桨会受到方向相反的反作用力，使得两个螺旋桨绕铰接轴2摆动，这样螺旋桨的旋转平面就发生倾斜，从而调整飞行器的姿态。
其他与实施例1相同，不再赘述。
在本发明的其他实施例中，动力装置还可以采用内燃机；并且，该旋翼头组件不仅可以应用在单旋翼飞行器上，也可以应用在多旋翼飞行器上；螺旋桨的数量还可以为其他数量；另外，尾旋翼也可以采用该旋翼头组件中的结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋翼头组件，包括用于与动力装置连接的动力传动组件以及两个以上成对设置在所述动力传动组件上的螺旋桨，所述动力传动组件与所述动力装置的输出轴固定连接，所述螺旋桨与所述动力传动组件铰接连接，其特征在于：两个相对设置的螺旋桨与所述动力传动组件之间的铰接轴沿上下方向延伸且朝向同一方向倾斜设置；旋翼匀速转动时，动力传动组件带动螺旋桨展开匀速转动；旋翼变速转动时，在惯性的作用下，螺旋桨会相对于动力传动组件绕对应的铰接轴摆动，并且两个相对设置的螺旋桨的摆动方向相反，使得其中一个螺旋桨的螺距变大，另一个螺旋桨的螺距变小。
2.根据权利要求1所述的旋翼头组件，其特征在于：所述动力传动组件上在与螺旋桨的铰接轴位置处设有插槽，所述螺旋桨上设有插装在所述插槽中的凸块。
3.根据权利要求1或2所述的旋翼头组件，其特征在于：所述螺旋桨上设有连接件，所述螺旋桨通过所述连接件与所述动力传动组件铰接连接。
4.根据权利要求1或2所述的旋翼头组件，其特征在于：所述动力传动组件包括用于与动力装置连接的转动座以及安装件，所述螺旋桨有两个且相对铰接设置在所述安装件上，所述安装件与所述转动座铰接连接，所述安装件与所述转动座的铰接轴的轴线沿水平方向延伸，且该铰接轴的延伸方向在水平方向上的投影与螺旋桨的延伸方向在水平面上的投影相交。
5.根据权利要求4所述的旋翼头组件，其特征在于：所述转动座包括两个相对设置的立板，所述安装件铰接设置在两个立板之间。
6.一种飞行器，包括机架、动力装置以及旋翼头组件，其特征在于：所述旋翼头组件为如权利要求1-5中任意一项所述的旋翼头组件。
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