CN112623209B - 一种主副双旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主副双旋翼飞行器，主要包括动力部分、机体、导向部分、数据采集部分和主控部分，动力部分位于飞行器的最上端，通过螺栓与机体相连接；数据采集部分和主控部分位于飞行器的中下部，机体内部呈上中下三个部分，中间以隔板隔开，下部分为前后和侧面三个部分，前后两个面隔开，将机体下部分分为前空腔、后空腔和侧空腔，导向部分位于侧空腔内。该新型飞行器设计过程中采用大幅降低飞机的重心的方法，增加其机身本身的稳定性，以减少飞控的控制难度，该新型飞行器采用多传感器结合的方式，提升了飞行的稳定性，对意外情况的处理能力显著提升，该新型飞行器整体体积较小，方便携带。

Description

一种主副双旋翼飞行器

技术领域

本发明主要涉及航空飞行器领域，特别是涉及一种主副双旋翼飞行器。

背景技术

飞行器(flight vehicle)是由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的在大气层内或大气层外空间（太空）飞行的器械飞行物。在大气层内飞行的称为航空器，在太空飞行的称为航天器。轻巧，灵活的低空，低速飞行器将是飞行器的发展方向。现国内低空逐渐开放，通用航空快速发展，各类飞行器应运而生。固定翼飞行器起飞与降落都比较繁琐，需要较长的跑道才能起飞，且无法在空中悬停和垂直起降。因此，旋翼飞行器具有其独特的优势，可以实现垂直起飞降落。但旋翼飞行器自身也存在着严重的不足：有效载荷小、自身体积大、容易被干扰。最常见的四旋翼飞行器，其姿态控制难度很高，飞行过程稳定性较差，且体积很大，不方便携带。因此研制出一种能够垂直起降，体积小，能在复杂情况下灵活飞行的飞行器成为飞行器领域的研究热点。为了减少旋翼缩小体积增加飞行效率，提供更长续航能力的飞行器，本发明专利提出的一种主副双旋翼飞行器，有望较好的解决这些问题，不仅可以作为飞行器在空中完成复杂的飞行活动，而且设计的机身结构还能够增加机身本身的稳定性，减少飞控难度，并且有效的缩小了体积，方便携带。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种主副双旋翼飞行器，创造性的对机身的结构进行设计，采用单个旋翼来作为整个飞行器的升力提供部分，为整个飞行器在空中的飞行提供基本的动力，然后配合副旋翼引导气流进行流动来改变飞行姿态，实现整个飞行器在空中垂直起降、空中悬停和多方位飞行。

为解决上述问题，本发明专利采用的一种技术方案是：

一种主副双旋翼飞行器，主要包括动力部分、机体、导向部分、数据采集部分和主控部分，动力部分位于飞行器的最上端，通过机械结构与机体相连接，数据采集部分和主控部分位于飞行器的中下部；机体内部呈上中下三个部分，中间以隔板隔开，下部分为前后和侧面三个部分，前后两个面隔开，将机体下部分分为前空腔、后空腔和侧空腔，导向部分位于侧空腔内。

进一步，所述动力部分包括电机、桨叶、防护架和连接块；电机通过螺栓安装在机体中上部的电机安装座上；桨叶通过螺栓固定在连接块上；防护架通过螺栓固定在连接块上，避免桨叶与外界发生碰撞；连接块将电机、桨叶和防护架连接起来；动A力部分通过电机带动桨叶旋转给机体提供升力，作为飞行器的飞行的动力。

进一步，所述机身部分包括外壳、配重块、脚支撑、电机安装座、副电机安装座、设备安装座组成，外壳整体呈梨形，外表面光滑，前空腔、后空腔分别和侧空腔相连，前空腔、后空腔与侧空腔相连的隔板上开有孔；前空腔和后空腔相连的隔板上以胶接的方式固定配重块，以平衡侧面空腔及空腔内部的设备的重量，使机体重心发生偏移，提高机体的稳定性；脚支撑以胶接或焊接的连接方式固定于外壳外侧底部的四角上，垂直向下；电机安装座以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的上部，方向向上；设备安装座以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的中部，方向向上；副电机安装座以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的下部侧面空腔的隔板上，方向向外。

进一步，所述导向部分包括隔离网、副旋翼、副电机、舵机、控制挡板组成；隔离网通过螺纹固定在侧空腔的外端，与外球壳直接相连，保护副旋翼与外界发生碰撞；副旋翼通过螺钉直接固定安装在副电机上；副电机通过螺栓固定安装在副电机安装座上，与副旋翼相连；控制挡板通过导轨固定在机体内的下部侧空腔隔板上，大小为侧空腔隔板的一半大小，可通过旋转控制隔板上孔的开启情况；舵机安装在机体下部侧空腔内，舵机转轴与控制挡板相连接，通过舵机控制控制挡板的旋转；通过舵机与控制挡板的配合，可实现三种形态，导向部分通过在三种形态下开启副电机带动副旋翼，给机体提供不同方向的升力，来调节机体的飞行姿态。

进一步，所述三种形态包括，第一种隔板关闭侧空腔与机体下部后侧通孔，机体下部侧空腔与机体下部前空腔连通；第二种隔板关闭侧空腔与机体下部前侧通孔，机体下部测空腔与机体下部后空腔连通；

第三种隔板关闭侧空腔与机体下部前后侧一半通孔，机体下部侧空腔与机体下部两空腔均连通。

进一步，所述数据采集部分包括螺旋仪传感器、转速传感器、超声波传感器和红外线传感器组成；陀螺仪传感器安装于机体中部，采用水平安装，该传感器可用于检测飞行器飞行过程中的飞行姿态，可配合其它传感器来调节飞行姿态角；转速传感器安装于电机和副电机转轴上，测量电机转速，配合陀螺仪完成对机体飞行状态的综合控制；超声波传感器安装于机体下部的顶端，方向垂直向下，主要用于测量机体下面距离地面的距离，以判断是否具备起飞条件和定高飞行；红外传感器安装于球壳的外表面，用来检测与障碍物的距离，防止机体发生剧烈碰撞。

进一步，所述主控部分包括飞控、差速驱动器、电池组成，飞控通过胶接固定在机体中部的飞控安装架上，飞控的核心采用 stm32f103，集成了多传感器，可接受外部的红外遥控信号和蓝牙信号；差速驱动器与飞控固定于同一平面，根据飞控发送指令调节输出电压，进而实现对电机旋转的控制；电池也固定在该平面，对整个系统供电。

本发明专利的有益效果是：

1、一种主副双旋翼飞行器，创造性的对机身的结构进行设计，采用单个旋翼来作为整个飞行器的升力提供部分，为整个飞行器在空中的飞行提供基本的动力，然后配合副旋翼引导气流进行流动来改变飞行姿态，实现整个飞行器在空中垂直起降、空中悬停和多方位飞行；

2、该新型飞行器主副旋翼的结构，可有效解决目前飞行器存在的续航时间短的问题；

3、该新型飞行器不仅可以作为飞行器在空中完成复杂的飞行活动，而且设计的机身结构还能够增加机身本身的稳定性，减少飞控难度；

4、该新型飞行器设计过程中采用大幅降低飞机的重心的方法，增加其机身本身的稳定性，以减少飞控的控制难度；

5、该新型飞行器采用多传感器结合的方式，提升了飞行的稳定性，对意外情况的处理能力显著提升；

6、该新型飞行器整体体积较小，方便携带。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整体结构示意图

图2为本发明一个实施例的整体结构剖视示意图

图3为本发明一个实施例的下部分空腔结构示意图

图4为本发明一个实施例的动力部分连接结构示意图

图5为本发明一个实施例的导向部分连接结构示意图

图6为本发明一个实施例的导向部分不同姿态挡板控制示意图

图7为本发明一个实施例的模块结构示意图。

图中各符号代表：1、动力部分；2、机身部分；3、导向部分；4、数据采集部分；5、主控部分；6、电机；7、桨叶；8、防护架；9、连接块；10、外壳；11、机体下部前空腔；12、机体下部后空腔；13、机体下部侧空腔；14、配重块；15、脚支撑；16、电机安装座；17、副电机安装座；18、设备安装座；19、隔离网；20、副旋翼；21、副电机；22、舵机；23、控制挡板；24、螺旋仪传感器；25、转速传感器；26、超声波传感器；27、红外线传感器；28、飞控； 29、差速驱动器； 30、电池。

实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1-4所示，一种主副双旋翼飞行器，主要包括，动力部分1、机身部分2、导向部分3、数据采集部分4和主控部分5；其特征在于：动力部分1位于整个装置的最上端，通螺栓等机械结构与机身部分2相连接；数据采集部分4和主控部分5位于整个装置中下部；导向部分3位于机体下部侧空腔13内。

动力部分1主要包括电机6、桨叶7、防护架8和连接块9组成；其特征在于：电机6通过螺栓安装固定在机体中上部的电机安装座16上；桨叶7通过螺栓固定在连接块9上；防护架8通过螺栓固定在连接块9上，避免桨叶7与外界发生碰撞；连接块9将上述电机6、桨叶7和防护架8连接起来；动力部分1通过电机6带动桨叶7旋转给机体提供升力，作为飞行器的飞行的动力。电机6通过差速驱动器29直接驱动。

机身部分2主要包括外壳10、配重块14、脚支撑15、电机安装座16、副电机安装座17、设备安装座18组成；其特征在于：外壳10整体呈梨形，外表面光滑，内部呈上中下三个部分，中间以隔板隔开，下部分为前后和侧面三个部分，前后两个面隔开，将机体下部分分为前空腔11、后空腔12和侧空腔13，前后空腔12且均与侧面空腔相连，前后空腔12与侧面空腔13相连的隔板上开有孔；前后空腔12连接的隔板上以胶接的方式固定配重块14，以平衡侧空腔13内部的设备的重量，防止机体重心发生偏移，提高机体的稳定性；脚支撑15以胶接或焊接的连接方式固定于外壳10外侧底部的四角上，垂直向下；电机安装座16以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的上部，方向向上；设备安装座18以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的中部，方向向上；副电机安装座17以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的下部侧空腔13的隔板上，方向向外。机身部分2的主要作用是作为整个装置的骨架支撑部分，为整个设备提供骨架支撑与安装座；同时构造出了两个相互隔离的空腔，进而配合导向部分3实现机体姿态的调整。

如图5-6所示，导向部分3主要包括隔离网19、副旋翼20、副电机21、舵机22、控制挡板23组成；其特征在于：隔离网19通过螺纹固定在侧空腔13的外端，与外球壳直接相连，保护副旋翼20与外界发生碰撞；副旋翼20通过螺钉直接固定安装在副电机21上；副电机21通过螺栓固定安装在副电机安装座17上，与副旋翼20相连；控制挡板23通过导轨固定在机体内的下部侧空腔13隔板上，大小为侧空腔13隔板的一半大小，可通过旋转控制隔板上孔的开启情况；舵机22安装在机体下部侧空腔13内，舵机22转轴与控制挡板23相连接，通过舵机22控制控制挡板23的旋转；通过舵机22与控制挡板23的配合，可实现三种形态：

第一种：隔板关闭侧空腔13与机体下部后侧12通孔，机体下部侧空腔13与机体下部前空腔11连通,效果如图6挡板位置一；

第二种：隔板关闭侧空腔13与机体下部后侧11通孔，机体下部测空腔13与机体下部后空腔12连通，效果如图6挡板位置二；

第三种：隔板关闭侧空腔13与机体下部前后侧一半通孔，机体下部侧空腔13与机体下部两空腔均连通，效果如图6挡板位置三；

导向部分3通过在三种形态下开启副电机21带动副旋翼20，给机体提供不同方向的升力，来调节机体的飞行姿态。舵机22通过信号线与飞控28连接，副电机21通过差速驱动器29直接驱动。导向部分3通过接受主控部分5发出的信号，通过舵机22调节控制挡板23的位置，通过副电机21带动副旋翼20给机体提供不同方向的升力，进而改变气体的流动方向，实现整个飞行器在空中的垂直起降、空中悬停和多方位飞行。

若当前飞行姿态设定挡板形态为上述挡板形态三，开启副电机21，气体从飞行器下方进入飞行器左右空腔，然后流经侧空腔挡板，在副电机21和副旋翼20的作用下流出飞行器，左右两侧同时产生垂直侧空腔挡板向后的力，两个力对飞行器产生的旋转扭矩方向相反相互抵消，飞行器可向前平稳飞行；若当前飞行姿态设定挡板形态为上述挡板形态一（二），开启副电机21后，气体从飞行器下方进入飞行器下部左空腔11（右空腔12），然后流经侧空腔挡板，在副电机21和副旋翼20的作用下流出飞行器，左（右）侧产生垂直侧空腔挡板向后的力，力对飞行器产生的旋转扭矩方向绕飞行器中心轴向右（左），飞行器在力的作用下向右（左）旋转，完成姿态调整。

数据采集部分4主要包括螺旋仪传感器24、转速传感器25、超声波传感器26和红外线传感器27组成；陀螺仪传感器安装于机体中部，水平安装，该传感器可用于检测飞行器飞行过程中的飞行姿态，可配合其它传感器来调节飞行姿态角；转速传感器25安装于电机6和副电机21转轴上，测量电机转速，配合陀螺仪完成对机体飞行状态的综合控制；超声波传感器26安装于机体下部的顶端，方向垂直向下，主要用于测量机体下面距离地面的距离，以判断是否具备起飞条件和定高飞行；红外传感器安装于球壳的外表面，用来检测与障碍物的距离，防止机体发生剧烈碰撞。螺旋仪传感器24、转速传感器25、超声波传感器26和红外线传感器27通过信号线与飞控28连接。数据采集部分4在机体飞行过程过，利用多传感器，实时检测机体周围环境，并将信号反馈给主控部分5进行处理，一方面避免了误操作可能对机体造成的损害，另一方面也提高了飞行的稳定性，使机体飞行更加平稳。

如图7所示，主控部分5主要包括飞控28、差速驱动器29、电池30组成；飞控28通过胶接固定在机体中部的飞控28安装架上，飞控的核心采用 stm32f103，集成了多传感器，可接受外部的红外遥控信号和蓝牙信号；差速驱动器29与飞控28固定于同一平面，由电池直接30供电，根据飞控28发送指令调节输出电压，进而实现对电机6旋转的控制；电池30也固定在该平面，对整个系统供电。飞控28与驱动器29通过信号线连接，电池30给二者供电。主控部分5为整个设备的控制枢纽，其接收来自数据采集部分4反馈的参数和外界发出的指令信号，对数据进行综合处理，判断出飞机当前的飞行情况和执行外界指令。

具体的，本发明专利的结构设计与对应效果为：一种主副双旋翼飞行器，创造性的对机身的结构进行设计，采用机身部分2作为骨架，流线型的机身大大减少了飞行的阻力；机身外壳具有高度的对称性，可保证飞行过程中的稳定性；整体重心居中且偏下，大大提高了飞行稳定性，降低了操作难度；不仅质量大大减少，还具有良好的启动效果。动力系统利用采用单个旋翼作为整个飞行器的升力提供部分，为整个飞行器在空中的飞行提供基本的动力；整个设备的下端设置有导向部分3，引导气流进行不同方向的流动，产生不同方向的升力，进而改变飞行的姿态。设备还具有多传感器结合的控制系统，主控部分5一方面接受外部的指令信号，一方面接受数据采集部分4发送的指令，对指令信号和机体周围环境综合判断后执行指令，提高了飞行的安全性和可靠性，实现整个飞行器在空中的垂直起降、空中悬停和多方位飞行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种主副双旋翼飞行器，其特征在于，主要包括动力部分、机体、导向部分、数据采集部分和主控部分，动力部分位于飞行器的最上端，通过机械结构与机体相连接；数据采集部分和主控部分位于飞行器的中下部，机体内部呈上中下三个部分，中间以隔板隔开，下部分为前后和侧面三个部分，前后两个面隔开，将机体下部分分为前空腔、后空腔和侧空腔，导向部分位于侧空腔内；

所述动力部分包括电机、桨叶、防护架和连接块；电机通过螺栓安装在机体中上部的电机安装座上；桨叶通过螺栓固定在连接块上；防护架通过螺栓固定在连接块上，避免桨叶与外界发生碰撞；连接块将电机、桨叶和防护架连接起来；动A力部分通过电机带动桨叶旋转给机体提供升力，作为飞行器的飞行的动力；

所述机体包括外壳、配重块、脚支撑、电机安装座、副电机安装座、设备安装座组成，外壳整体呈梨形，外表面光滑，前空腔、后空腔分别和侧空腔相连，前空腔、后空腔与侧空腔相连的隔板上开有孔；前空腔和后空腔相连的隔板上以胶接的方式固定配重块，以平衡侧面空腔及空腔内部的设备的重量，防止机体重心发生偏移，提高机体的稳定性；脚支撑以胶接或焊接的连接方式固定于外壳外侧底部的四角上，垂直向下；电机安装座以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的上部，方向向上；设备安装座以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的中部，方向向上；副电机安装座以胶接或焊接的连接方式固定于机体内的下部侧面空腔的隔板上，方向向外；

所述导向部分包括隔离网、副旋翼、副电机、舵机、控制挡板组成；隔离网通过螺纹固定在侧空腔的外端，与外球壳直接相连，保护副旋翼防止与外界发生碰撞；副旋翼通过螺钉直接固定安装在副电机上；副电机通过螺栓固定安装在副电机安装座上，与副旋翼相连；控制挡板通过导轨固定在机体内的下部侧空腔隔板上，大小为侧空腔隔板的一半大小，可通过旋转控制隔板上孔的开启情况；舵机安装在机体下部侧空腔内，舵机转轴与控制挡板相连接，通过舵机控制控制挡板的旋转；通过舵机与控制挡板的配合，可实现三种形态，所述三种形态包括，第一种隔板关闭侧空腔与机体下部后侧通孔，机体下部侧空腔与机体下部前空腔连通；第二种隔板关闭侧空腔与机体下部前侧通孔，机体下部侧空腔与机体下部后空腔连通；第三种隔板关闭侧空腔与机体下部前后侧一半通孔，机体下部侧空腔与机体下部两空腔均连通；导向部分通过在三种形态下开启副电机带动副旋翼，给机体提供不同方向的升力，来调节机体的飞行姿态；

所述数据采集部分包括螺旋仪传感器、转速传感器、超声波传感器和红外线传感器组成；陀螺仪传感器安装于机体中部，采用水平安装，该螺旋仪传感器可用于检测飞行器飞行过程中的飞行姿态，可配合其它传感器来调节飞行姿态角；转速传感器安装于电机和副电机转轴上，测量电机转速，配合螺旋仪传感器完成对机体飞行状态的综合控制；超声波传感器安装于机体下部的顶端，方向垂直向下，主要用于测量机体下面距离地面的距离，以判断是否具备起飞条件和定高飞行；红外传感器安装于球壳的外表面，用来检测与障碍物的距离，防止机体发生剧烈碰撞；

所述主控部分包括飞控、差速驱动器、电池组成，飞控通过胶接固定在机体中部的飞控安装架上，飞控的核心采用 stm32f103，集成了多传感器，可接受外部的红外遥控信号和蓝牙信号；差速驱动器与飞控固定于同一平面，根据飞控发送指令调节输出电压，进而实现对电机旋转的控制；电池也固定在该平面，对整个系统供电。

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