CN113212745A - 一种旋翼无人机及该旋翼无人机的续航延长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种旋翼无人机，包括机架、电池和控制模组，机架设置有至少四个桨臂，还包括至少四个桨叶组件，桨叶组件包括充放电电机、套设于充放电电机的输出轴上的旋转壳以及桨叶；桨叶组件还包括设置于旋转壳内驱动桨叶围绕中心轴自转的变桨组件。本发明所提供的本发明所提供的一种旋翼无人机具有变桨组件可以改变桨叶的节距角，在无人机下降的过程中，通过调节桨叶的节距角让桨叶可以在下降的过程中始终维持旋转状态；同时伴随着桨叶节距角的变化切换充放电电机的工作模式，通过控制模组将充放电电机的放电模式切换为充电模式，实现在下降过程中利用桨叶的自主旋转为电池反向充电。本发明还提供了一种旋翼无人机的续航延长方法。

Description

一种旋翼无人机及该旋翼无人机的续航延长方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种旋翼无人机及该旋翼无人机的续航延长方法。
背景技术
无人机是一种利用无线电遥控设备和自身程序控制的不载人飞行器。无人机因其具备体积小、造价低、使用方便的优点，正在各个不同领域上得到了广泛的应用。随着无人机受到市场的青睐，无人机的续航能力成为其发展过程中迫切需要解决的问题。在能源电池没有显著突破技术壁垒的前提下，无人机若通过增加电池容量的方式提高其续航时间，该增加的电池重量也会直接影响无人机的续航能力。同时，现有的对于无人机续航能力的研究还停留在翼型优化和程序控制上，改善无人机的气动布局和结构布局，来提高电池的使用效率。而就目前无人机的技术领域，对于气动和飞控方面的改善已经很难突破。因此，如何在额定的电池容量的前提下，提高无人机的续航能力是目前无人机发展所迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有旋翼无人机的电池容量额定时，续航能力无法有效提升的缺点，提供一种旋翼无人机。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种旋翼无人机，包括机架、设置于所述机架内的电池和控制模组，所述机架设置有至少四个呈中心对称设置的桨臂，还包括至少四个桨叶组件，所述桨叶组件与所述桨臂一一对应设置，每个桨臂的端部均设置有用于安装所述桨叶组件的固定座；所述桨叶组件包括设置于所述固定座上与所述电池电连接的充放电电机、套设于所述充放电电机的输出轴上的旋转壳以及至少两个固定于所述旋转壳上、沿着所述输出轴圆周方向均匀布置的桨叶；所述桨叶组件还包括设置于所述旋转壳内驱动所述桨叶围绕所述中心轴自转的变桨组件。
进一步地，所述桨叶组件还包括设置于固定座上与所述控制模组电连接用于监测所述桨叶的节距角的角度传感器。
进一步地，所述变桨组件包括套设于所述输出轴上的第一锥形齿轮、至少两个与所述第一锥形齿轮啮合传动的第二锥形齿轮和驱动所述第一锥形齿轮相对于所述输出轴水平旋转的驱动器。
具体地，所述第二锥形齿轮与所述桨叶一一对应设置。
具体地，所述第二锥形齿轮固定于所述桨叶位于所述旋转壳内的一侧端部。
具体地，所述变桨组件的第一锥形齿轮通过轴承固定于所述输出轴上。
具体地，所述驱动器固定于所述旋转壳内并与所述控制模组电连接。
本发明所提供的一种旋翼无人机的有益效果在于：具有变桨组件，可以改变每个桨叶的节距角，在无人机下降的过程中，通过调节桨叶的节距角让桨叶可以在下降的过程中始终维持旋转状态；同时伴随着桨叶节距角的变化切换充放电电机的工作模式，通过控制模组将充放电电机的放电模式切换为充电模式，实现在下降过程中利用桨叶的自主旋转为电池反向充电。
本发明还提供了一种上述所述的旋翼无人机的续航延长方法，所述续航方法包括：在旋翼无人机的下降期间，调整节距角步骤，利用所述控制模组驱动所述变桨组件将所述桨叶的节距角由正向工作值朝着负向工作值旋转；切换充放电电机工作模式步骤，利用所述控制模组将所述充放电电机的放电模式切换至充电模式，通过所述桨叶的旋转为所述电池反向充电。
进一步地，还包括在切换充放电电机工作模式步骤之前进行节距角检测步骤，利用角度传感器监测所述桨叶的节距角并反馈至所述控制模组处。
具体地，当所述桨叶的节距角≤0°时，进行切换充放电电机工作步骤。
本发明所提供的一种旋翼无人机的续航延长方法的有益效果在于：在旋翼无人机的下降期间，通过改变桨叶的节距角实现桨叶的持续同方向旋转，并利用桨叶的自主旋转为电池反向充电，在下降的过程中减少耗电的同时还能够增加电池的电量，不仅可以延长电池的使用时间，还可以有效提高旋翼无人机的续航时间。
附图说明
图1是本发明提供的一种旋翼无人机的立体结构示意图；
图2是本发明提供的一种旋翼无人机的侧视图；
图3是本发明提供的一种旋翼无人机中桨叶组件的侧视图；
图4是本发明提供的一种旋翼无人机的桨叶组件的俯视图；
图5是本发明提供的一种旋翼无人机的桨叶组件在上升状态下的侧视图；
图6是本发明提供的一种旋翼无人机的桨叶组件在下降状态下的侧视图；
图7是本发明通过的一种旋翼无人机的续航延长方法的工作流程图。
图中：100-旋翼无人机、101-水平面、10-机架、11-桨臂、111-固定座、20-电池、30-桨叶组件、31-充放电电机、311-输出轴、32-旋转壳、33-桨叶、331-中心轴、332-安装面、34-变桨组件、341-第一锥形齿轮、342-第二锥形齿轮、343-驱动器、344-轴承、35-角度传感器、α-节距角、α1-正向工作值、α2-负向工作值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-图6，为本发明所提供的一种旋翼无人机100。本发明所提供的旋翼无人机100可以在下降的过程中，停止电池20的消耗的同时利用桨叶33转动所产生的机械能转化为电能，并存储于旋翼无人机100的电池中，为电池20反向充电，从而有效地提高旋翼无人机100的续航能力。
进一步地，如图1所示，本发明所提供的一种旋翼无人机100中包括机架10、设置于机架10内的电池20、控制模组以及至少四个桨叶组件30。该机架10上设置有至少四个呈中心对称设置的桨臂11。该桨臂11与机架10一体成型。该桨臂11可以选择四个、六个或者八个。在本实施例中，该机架10中心对称的设置有四个桨臂11，每个桨臂11的端部均设置有用于安装桨叶组件30的固定座111。该旋翼无人机100中所具有的桨叶组件30的数量与该机架10上所设置的桨臂11的数量一致，桨叶组件30与桨臂11一一对应设置，每个桨叶组件30固定于一个桨臂11的固定座111中。而本发明所提供的旋翼无人机100中，每个桨臂11上所设置的桨叶组件30的结构和功能均完全相同，以其中一个为例作为阐述。
具体地，如图1所示，该桨叶组件30包括设置于固定座111上与电池20电连接的充放电电机31、套设于充放电电机31的输出轴311上的旋转壳32以及至少两个固定于旋转壳32上、沿着输出轴311圆周方向均匀布置的桨叶33。
本发明所提供的桨叶组件30中所提供动力的电机31是同时具有充电和放电功能的电机装置，该充放电电机31具有放电的工作模式和充电的工作模式。
在旋翼无人机100上升的过程中，该充放电电机31处于放电的工作模式下，该充放电电机31由电池20供电，为输出轴311提供旋转的驱动力，该驱动力带动旋转壳32水平转动，从而带动所有桨叶33同步旋转，可以在旋翼无人机100上升的过程中，为机架10提供向上的升力。在上升过程中，桨叶33安装的节距角α为正向设置，该桨叶33固定于该旋转壳32上，通过旋转壳32的旋转带动桨叶33围绕输出轴311水平转动，从而为机架10提供上升的动力。
在旋翼无人机100下降的过程中，该充放电电机32处于充电的工作模式下，该充放电电机31停止为输出轴311提供旋转的驱动力，此时，下降的风流驱动桨叶33旋转，桨叶33旋转所产生的机械能转化为电能存储于电池20中，为电池20反向充电。在下降过程中，该桨叶33安装的节距角α为负向设置，该桨叶33固定于旋转壳32上，带动旋转壳32围绕输出轴311水平转动，同时为机架10提供向上的阻力。
本发明所提供的桨叶组件30中，一个旋转壳32上至少需要配置两个桨叶33。在本实施例中，如图1所示，每个桨叶组件30中均设置有三个桨叶33，三个桨叶33环绕充放电电机31的输出轴311的径向均匀分布。相邻的两个桨叶33之间在输出轴311的圆周方向上间隔120°。每个桨叶33沿着其长度的设置方向为桨叶33的中心轴331，每个桨叶33的中心轴331与输出轴311相互垂直设置。如图5和图6所示，每个桨叶33沿着其宽度的设置方向为桨叶33的安装面332，每个桨叶33的节距角α为桨叶33的安装面332与水平面101之间所形成的夹角。如图5所示，该桨叶33在上升状态，该节距角α1为桨叶33在上升工作状态下的最优节距角的正向工作值，该桨叶33的正向工作值α1的具体数值由该桨叶33的翼型旋线决定。而每个桨叶33的翼型旋线的设计不同，该正向工作值α1的具体数值也随之不同。一般来说，在上升状态下，该桨叶33的正向工作值α1的在10°至30°之间。在下降状态下，该负向工作值α2的在﹣10°至﹣30°之间。
进一步地，本发明所提供的一种旋翼无人机100中的每个桨叶组件30还包括设置于旋转壳32内驱动桨叶33围绕中心轴331自转而的变桨组件34。该桨叶33围绕中心轴331自转的过程中，该桨叶33的节距角α随着自转而产生角度的变化。该变桨组件34可以驱动桨叶33围绕其中心轴331旋转，在旋转壳32上所有桨叶33围绕充放电电机31的输出轴311水平旋转的同时，该桨叶33还可以受到变桨组件34的驱动，围绕其自身的中心轴331旋转，从而通过该变桨组件34改变桨叶33的安装面332与水平面101之间的夹角(即节距角α)。本发明所提供的变桨组件34不仅可以使得该桨叶33实现在正向上夹角大小的调整，还可以实现该桨叶33在负向上夹角大小的调整，即可以将该桨叶33的节距角α由如图5所示的正向工作值α1的角度旋转至如图6所示的负向工作值α2的角度。
具体地，在旋翼无人机100上升的过程中，该桨叶33的节距角α处于如图5所示的正向工作值α1，随着桨叶33的旋转为机架10提供的上升升力。而在旋翼无人机100下降的过程中，该桨叶33的节距角α由正向工作值α1逐步减少至0°，并由0°逐步负向增大至负向工作值α2。如图6所示的状态，此时形成新的风机状态，此时的来流风带动叶片自主旋转，该状态下的相对风速向上，从而为旋翼无人机100的下降提供阻力，确保旋翼无人机100的平稳降落。
进一步地，为了更好的控制旋翼无人机100的升降，该每个桨叶组件30还包括设置于固定座111上与控制模组电连接用于监测桨叶33的节距角的角度传感器35。该角度传感器35设置于机架10的固定座111上，用于实时监测每个桨叶组件30上所有桨叶33的安装面332与水平面101之间的夹角(即节距角α)，通过该角度传感器35将桨叶33的节距角α信息反馈至机架10内的控制模组中，利用控制模组来调整该桨叶组件30的充放电电机31工作模式的切换以及变桨组件34的旋转角度的控制。
具体地，如图1-4所示，本发明所提供的旋翼无人机100中的变桨组件34包括套设于输出轴311上的第一锥形齿轮341、至少两个与第一锥形齿轮341啮合传动的第二锥形齿轮342和驱动第一锥形齿轮341相对于输出轴311水平旋转的驱动器343。其中，变桨组件34的第一锥形齿轮341通过轴承344固定于输出轴311上。该第一锥形齿轮341位于桨叶组件30的旋转壳32内部，通过轴承344固定于充放电电机31的输出轴311上，使得该第一锥形齿轮341可以相对于该输出轴311水平转动。
如图4所示，该变桨组件34中的第一锥形齿轮341与第二锥形齿轮342相互垂直啮合，使得该第一锥形齿轮341水平旋转的驱动力传递至第二锥形齿轮342上，带动该第二锥形齿轮342的旋转。在本实施例中，该桨叶组件30中设置有三个桨叶33，该第二锥形齿轮342与桨叶33一一对应设置。因此，该变桨组件34中设置有三个第二锥形齿轮342，每个第二锥形齿轮342与其对应的桨叶33固定连接。
如图3所示，该第二锥形齿轮342固定于桨叶33位于旋转壳32内的一侧端部。该第二锥形齿轮342的旋转带动桨叶33围绕其自身的中心轴331转动，从而改变桨叶33的节距角α。
具体地，本发明所提供的变桨组件34中的驱动器343固定于旋转壳32内并与控制模组电连接。通过该控制模组来调节该驱动器343的开启和关闭，从而调节该第一锥形齿轮341在水平方向上旋转的角度。通过控制该第一锥形齿轮341在水平方向上旋转的角度来限定该第二锥形齿轮341的转动角度，从而起到控制桨叶33节距角α的作用。
本发明所提供的一种旋翼无人机100具有变桨组件34，可以改变每个桨叶33的节距角α，在无人机下降的过程中，通过调节桨叶33的节距角α让桨叶33可以在下降的过程中始终维持旋转状态；同时伴随着桨叶节距角α的变化切换充放电电机31的工作模式，通过控制模组将充放电电机31的放电模式切换为充电模式，实现在下降过程中利用桨叶33的自主旋转为电池20反向充电。
本发明还提供了一种旋翼无人机的续航延长方法。该旋翼无人机100的续航延长方法可以在旋翼无人机100的下降期间，实现对于电池20的反向充电，不仅是可以减少下降过程中对于电池20能源的使用，还可以在无人机下降的同时为电池20充电，提高电池20的电量，从而可以有效地提高旋翼无人机100的续航时间。
进一步地，如图7所示，为本发明所提供的旋翼无人机的续航延长方法的流程图。该续航方法包括：
在旋翼无人机100的下降期间，
S1:调整节距角步骤，利用控制模组驱动变桨组件34将桨叶33的节距角由正向工作值朝着负向工作值旋转。
该旋翼无人机100的控制模组监测到旋翼无人机100处于下降的状态时，就启动该变桨组件34的驱动器343，通过驱动器343带动第一锥形齿轮341水平转动转动，从而带动与之啮合的第二锥形齿轮342转动，使得桨叶33围绕其中心轴331转动。
该控制模组可以控制该驱动器343驱动第一锥形齿轮341的旋转角度，从而限定该桨叶33的节距角α的旋转角度。在桨叶33转动的过程中，通过控制驱动器343将桨叶33的节距角α由上升状态时的正向工作值α1顺时针旋转至下降状态时的负向工作值α2。
S2:节距角α检测步骤，利用角度传感器35监测桨叶33的节距角α并反馈至控制模组处。
进一步地，为了该控制模组精确的控制桨叶33的节距角α，在机架10的固定座111上设置有角度传感器35，该角度传感器35可以实时监测桨叶组件30中桨叶33的节距角α，以及该桨叶33的节距角α的变化过程和变化时刻，并将上述数据反馈至控制模组上。通过控制模组对桨叶33的节距角α的信息进行分析和判断，从而精确控制桨叶组件30的充放电电机31的工作模式。
S3:切换充放电电机工作模式步骤，利用控制模组将充放电电机31的放电模式切换至充电模式，通过桨叶33的旋转为电池20反向充电。
进一步地，在该变桨组件34驱动的旋转过程中，该节距角α由正向工作值α1旋转至负向工作值α2中势必会有节距角α为0°的状态。而当角度传感器35监测到桨叶33的节距角α≤0°时，该控制模组将会进行切换充放电电机31工作步骤。
在旋翼无人机100的下降过程中，当桨叶33的节距角α＞0°时，该桨叶33依然通过充放电电机31的电量驱动旋转，在该旋转过程中，通过驱动力来克服风力和无人机的自身重力为无人机提供向上的升力。当桨叶33的α≤0°时，该控制模组停止电池为充放电电机31继续供电，并且将充放电电机31切换至充电模式，可以将桨叶33旋转所产生的机械能转换为电能存储至电池20中。当电池20停止向充放电电机31供电后，该桨叶33依然沿着之前的旋转方向持续转动，并且随着节距角α朝着负向工作值α1的不断转动，风力为桨叶33提供了向上的升力，从而形成无人机下降时的阻力，确保无人机平稳下落。
本发明所提供的一种旋翼无人机的续航延长方法适用于本发明所提供的旋翼无人机100使用。在旋翼无人机100的下降期间，通过变桨组件34改变桨叶33的节距角α，使得该桨叶33的节距角α逐渐减小。在桨叶33的节距角α由正向工作值α1减小至0°的过程中，随着桨叶33的持续旋转，使得桨叶组件30整体的升力系数降低。在下降的过程中相对风速向上，配合桨叶33的节距角α为负向工作值，风力可以为桨叶33的旋转提供动力，并且桨叶33的持续旋转提供了向上的升力，从而在保持桨叶33持续旋转的前提下，可以很好的维持旋翼无人机100整体的下降速度。
同时，控制模组切换充放电电机31的工作模式，将放电模式切换至充电模式，利用下降过程中桨叶33的自主旋转为电池20反向充电，减少耗电的同时还能够增加电池的电量，不仅可以延长电池的使用时间，还可以有效提高旋翼无人机的续航时间。
本发明所提供的旋翼无人机100在上升的过程中，需要重新调整其桨叶33相对于水平面101的节距角α，确保上升时的节距角α处于正向工作值α1的状态。该旋翼无人机100可以利用控制模组控制变桨组件34逆时针旋转桨叶33，将桨叶33的负向工作值α2旋转至正向工作值α1，使得该桨叶33重新回到初始状态，并且控制模组将桨叶组件30中的充放电电机31重新切换至放电模式中，通过电池20供电产生驱动力，带动桨叶33旋转。该旋翼无人机100上升状态和控制方式与传统的旋翼无人机一致，利用叶片升力和无人机自身重力的关系，维持上升和平衡状态。
以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋翼无人机，其特征在于，包括机架、设置于所述机架内的电池和控制模组，所述机架设置有至少四个呈中心对称设置的桨臂，还包括至少四个桨叶组件，所述桨叶组件与所述桨臂一一对应设置，每个桨臂的端部均设置有用于安装所述桨叶组件的固定座；
所述桨叶组件包括设置于所述固定座上与所述电池电连接的充放电电机、套设于所述充放电电机的输出轴上的旋转壳以及至少两个固定于所述旋转壳上、沿着所述输出轴圆周方向均匀布置的桨叶；
所述桨叶组件还包括设置于所述旋转壳内驱动所述桨叶围绕中心轴自转的变桨组件。
2.如权利要求1所述的一种旋翼无人机，其特征在于，所述桨叶组件还包括设置于固定座上与所述控制模组电连接用于监测所述桨叶的节距角的角度传感器。
3.如权利要求1所述的一种旋翼无人机，其特征在于，所述变桨组件包括套设于所述输出轴上的第一锥形齿轮、至少两个与所述第一锥形齿轮啮合传动的第二锥形齿轮和驱动所述第一锥形齿轮相对于所述输出轴水平旋转的驱动器。
4.如权利要求3所述的一种旋翼无人机，其特征在于，所述第二锥形齿轮与所述桨叶一一对应设置。
5.如权利要求3所述的一种旋翼无人机，其特征在于，所述第二锥形齿轮固定于所述桨叶位于所述旋转壳内的一侧端部。
6.如权利要求3所述的一种旋翼无人机，其特征在于，所述变桨组件的第一锥形齿轮通过轴承固定于所述输出轴上。
7.如权利要求3所述的一种旋翼无人机，其特征在于，所述驱动器固定于所述旋转壳内并与所述控制模组电连接。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的旋翼无人机的续航延长方法，其特征在于，所述续航方法包括：在旋翼无人机的下降期间，
调整节距角步骤，利用所述控制模组驱动所述变桨组件将所述桨叶的节距角由正向工作值朝着负向工作值旋转；
切换充放电电机工作模式步骤，利用所述控制模组将所述充放电电机的放电模式切换至充电模式，通过所述桨叶的旋转为所述电池反向充电。
9.一种如权利要求8所述的旋翼无人机的续航延长方法，其特征在于，还包括在切换充放电电机工作模式步骤之前进行节距角检测步骤，利用角度传感器监测所述桨叶的节距角并反馈至所述控制模组处。
10.一种如权利要求8所述的旋翼无人机的续航延长方法，其特征在于，当所述桨叶的节距角≤0°时，进行切换充放电电机工作步骤。
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