CN114379777B - 一种倾转旋翼无人机结构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾转旋翼无人机结构及其工作方法，通过在涡轮罩的外圈设有能够相对涡轮罩转动的涵道滚轮，涵道滚轮的轴线与倾转机构传动轴的轴线平行；通过倾转机构传动轴直接了连接涡轮罩，在涡轮罩内设有用于提供动力的风叶动力机构，风叶动力机构方向能够随倾转机构传动轴转动，从而改变驱动风向，实现飞行的目的，同时在涡轮罩的外圈设置涵道滚轮，涡轮罩和涵道滚轮同时对风叶动力机构形成圆形防护，同时，涵道滚轮可与地面或墙面接触，通过倾转机构传动轴转动调整涡轮罩的方向，从而调整智无人机整体动力输出方向，可使无人接贴合墙面或倾斜建筑移动，确保了无人机飞行过程的稳定性和安全性，可实现多种模型的飞行，实现多功能使用。

Description

一种倾转旋翼无人机结构及其工作方法

技术领域

本发明属于矢量倾转的无人机技术领域，具体涉及一种倾转旋翼无人机结构及其工作方法。

背景技术

利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，即无人机技术的发展，机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收；可反复使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。

随着无人机应用领域的快速扩展，对于无人机的载重以及无人机的多用途越来越高，通过在飞行器上设置多旋翼，使飞行器自重提升不大的前提下，升力提升明显，具有载重能力强、可控度高、动作灵活以及容错性能好等优点，然而，目前多旋翼无人机的旋翼采用固定安装方式，产生的升力矢量方向调整能力有限，仅能实现垂直起降和空中飞行能力，主要是依靠无人机不同旋叶的旋转速度调节无人机的方向，在工作过程中易受风力等环境影响而不稳定，并且，现在无人机主要用于空中飞行勘察工作，无法实现贴近建筑物表面工作的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种倾转旋翼无人机结构及其工作方法，以克服现有技术的不足，本发明采用倾转机构传动轴以及其外端设置的倾转机构传动轴实现倾斜墙面贴墙爬行、飞行，实现多功能用途。

一种倾转旋翼无人机结构，包括机身以及对称设置于机身两侧的多个倾转机构，机身两侧的倾转机构数量相同，形成稳定的动力输出；在机身内为空腔结构，用于放置电源及控制器结构；倾转机构包括舵机和倾转机构传动轴，舵机固定安装于机身的空腔结构内，倾转机构传动轴的一端与舵机的输出轴连接，倾转机构传动轴的另一端安装有涵道式轮架机构；

涵道式轮架机构包括涡轮罩，涡轮罩的外壁与倾转机构传动轴的另一端固定连接，涡轮罩中间为通孔结构，通孔结构内固定有支撑架，支撑架上固定安装有风叶动力机构；

涡轮罩的外圈设有能够相对涡轮罩转动的涵道滚轮，涵道滚轮的轴线与倾转机构传动轴的轴线平行。

进一步的，在机身的空腔结构内设置飞行控制器以及与飞行控制器连接的数据传输器、电子调速器和电池单元。

进一步的，机身的空腔结构内设有用于检测机身倾角的倾角传感器，倾角传感器连接于飞行控制器，利用倾角传感器获取机身的倾转角度，便于及时输出控制调整。

进一步的，风叶动力机构包括电机和旋翼桨叶，旋翼桨叶固定于电机的输出轴上，电机固定于支撑架上。

进一步的，电机通过电机支架固定于支撑架上，电机支架上端和下端分别设有上电机座垫片和下电机座垫片，电机和上电机座垫片通过螺丝紧固连接。

进一步的，机身两侧对称分别设置有三个倾转机构，同侧的三个倾转机构沿机身等间隔设置。

进一步的，机身包括机头、机罩、尾罩、机臂套筒和主机身，机头、机罩、尾罩分别固定于主机身的前端、上端和后端；主机身的侧壁固定安装有机臂套筒，机臂套筒为中通结构，连通于主机身的空腔结构内。

进一步的，倾转机构传动轴套设于机臂套筒内，倾转机构传动轴与机臂套筒之间设置有轴承。

进一步的，涵道滚轮的内圈设有轨道，涡轮罩外圈设有滑块，涡轮罩外圈的滑块位于轨道内。

进一步的，涵道滚轮和涡轮罩之间设置滚珠结构，实现涵道滚轮和涡轮罩504的相对转动，在涵道滚轮和涡轮罩之间设置导向结构。

一种倾转旋翼无人机结构的工作方法，包括以下步骤：

S1，对无人机结构的倾转机构进行初始化使倾转机构上的风叶动力机构处于水平状态；

S2，启动风叶动力机构使无人机结构升空飞行，控制机身两侧的倾转机构以调整无人机结构的飞行姿态；

S3，靠近待贴合物时，调整无人机结构的飞行姿态使涵道滚轮与待贴合物表面接触，沿待贴合物表面移动飞行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种倾转旋翼无人机结构，通过在涡轮罩的外圈设有能够相对涡轮罩转动的涵道滚轮，涵道滚轮的轴线与倾转机构传动轴的轴线平行；通过倾转机构传动轴直接了连接涡轮罩，在涡轮罩内设有用于提供动力的风叶动力机构，风叶动力机构方向能够随倾转机构传动轴转动，从而改变驱动风向，实现飞行的目的，同时在涡轮罩的外圈设置涵道滚轮，涡轮罩和涵道滚轮同时对风叶动力机构形成圆形防护，同时，涵道滚轮可与地面或墙面接触，通过倾转机构传动轴转动调整涡轮罩的方向，从而调整智无人机整体动力输出方向，可使无人接贴合墙面或倾斜建筑移动，确保了无人机飞行过程的稳定性和安全性，可实现多种模型的飞行，实现多功能使用。

进一步的，机身的空腔结构内设有用于检测机身倾角的倾角传感器，倾角传感器连接于飞行控制器，利用倾角传感器结构与无人机上的涵道滚轮结构，依靠涵道滚轮确保无人机能够在高处与待测墙面接触，从而实现高工测量作业，安全可靠。

进一步的，电机通过电机支架固定于支撑架上，电机支架上端和下端分别设有上电机座垫片和下电机座垫片，电机和上电机座垫片通过螺丝紧固连接，结构简单，便于拆卸维修以及矫正。

进一步的，机身两侧对称分别设置有三个倾转机构，同侧的三个倾转机构沿机身等间隔设置，位于中间的倾转结构可以时刻提供机身的升力，而其他前后各一个倾转机构上的动力装置可以实现机身的倾斜以及靠近腔体时的姿态调整，确保了机身整体的稳定性。

进一步的，倾转机构传动轴套设于机臂套筒内，倾转机构传动轴与机臂套筒之间设置有轴承，连接结构简单，传输稳定。

附图说明

图1是本发明实施例中倾转旋翼无人机的整体结构图；

图2是本发明实施例中倾转旋翼无人机的机身结构图；

图3是本发明实施例中倾转旋翼无人机的动力机构结构图；

图4是本发明实施例中倾转旋翼无人机的倾转机构结构图；

图5是本发明实施例中倾转旋翼无人机的涵道式轮架机构结构图。

图中， 101、第一动力机构；102、第一涵道式轮架机构；103、第一倾转机构；104、第二动力机构；105、第二；106、第二倾转机构；107、第三动力机构；108、第三涵道式轮架机构；109、第三倾转机构；1013、第四倾转机构；1016、第五倾转机构；1019、第六倾转机构；1010、机身；201、机头；202、机罩；203、尾罩；204、机臂套筒；205、主机身；301、舵机；302、第二轴承；303、机体右侧壁；304、第一轴承；305、倾转机构传动轴；401、旋翼安装帽；402、旋翼桨叶；403、电机；404、电机支架；405、下电机座垫片；406、上电机座垫片；501、齿状条纹；502、涵道滚轮；503、支撑架；504、涡轮罩。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1至图5所示，为实现无人机装置能够在倾斜物体表面稳定贴合飞行，提供一种倾转旋翼无人机结构，采用机身1010以及对称设置于机身1010两侧的多个倾转机构，机身1010两侧的倾转机构数量相同，形成稳定对称的动力输出结构，保证整体装置能够稳定飞行；

在机身1010内设置空腔结构，用于放置用于提供能量的电源以及用于动力输出控制的飞行控制器，飞行控制器还连接有无线传输模块和视频采集模块，用于采集图像信息并通过无线传输模块传送采集的图像信息。

所述倾转机构包括舵机301和倾转机构传动轴305，舵机301固定安装于机身1010的空腔结构内，倾转机构传动轴305的一端与舵机301的输出轴连接，倾转机构传动轴305的另一端安装有涵道式轮架机构，涵道式轮架机构包括涡轮罩504，涡轮罩504的外壁与倾转机构传动轴305的另一端固定连接，涡轮罩504中间为通孔结构，通孔结构内固定有支撑架503，支撑架503上固定安装有风叶动力机构，利用风叶动力机构提供动力；涡轮罩504的外圈设有能够相对涡轮罩504转动的涵道滚轮502，涵道滚轮502的轴线与倾转机构传动轴305的轴线平行；通过倾转机构传动轴305直接了连接涡轮罩504，在涡轮罩504内设有用于提供动力的风叶动力机构，风叶动力机构方向能够随倾转机构传动轴305转动，从而改变驱动风向，实现飞行的目的，同时在涡轮罩504的外圈设置涵道滚轮502，涡轮罩504和涵道滚轮502同时对风叶动力机构形成圆形防护，同时，涵道滚轮502可与地面或墙面接触，通过倾转机构传动轴305转动调整涡轮罩504的方向，从而调整智无人机整体动力输出方向，可使无人接贴合墙面或倾斜建筑移动，确保了无人机飞行过程的稳定性和安全性。

涵道滚轮502的外径大于机身1010的厚度，以使无人机在接触物体时，避免机身与物体接触，对无人机飞行造成影响。

具体的，本申请机身1010两侧对称设置有六个倾转机构，第一倾转机构103、第二倾转机构106、第三倾转机构109、第四倾转机构1013、第五倾转机构1016和第六倾转机构1019；其中第一倾转机构103、第二倾转机构106和第三倾转机构109安装于机身1010左侧，第四倾转机构1013、第五倾转机构1016和第六倾转机构1019安装于机身1010右侧，机身1010左侧和右侧的倾转机构对称设置，确保在机身两侧形成平衡的倾转输出，控制机身的平稳；每个倾转机构对应设置一个动力机构。

如图1所示，第一动力机构101、第二动力机构104、第三动力机构107、第四动力机构1011、第五动力机构1014和第六动力机构1017分别对应安装于六个倾转机构上。

具体的，如图2所示，机身1010为中空壳体结构，内部设有空腔，机身1010包括机头201、机罩202、尾罩203、机臂套筒204和主机身205。机头201、机罩202和尾罩203分别固定于主机身205的前端、上端和后端，形成机身结构，作为无人机装置的主体支架结构；主机身205的侧壁固定安装有机臂套筒204，机臂套筒204为中通结构，连通于主机身205内部空腔，机臂套筒204可与主机身205为一体结构，提高主机身205与机臂套筒204之间的结构稳定性。

为确保机身的重量和强度要求，机身1010采用碳纤维材质并直接熔铸成型，在主机身205的内部空间，安置有飞行控制器、数据传输器、电子调速器和电池单元，一方面实现无人机飞行和智能控制，另一方面通过安装位置调整无人机的重心；数据传输器用于实现外部控制单元（遥控器）的控制信号至飞行控制器，飞行控制器根据控制信号控制倾转机构和风叶动力机构，电子调速器用于调节风叶动力机构动力输出速度和倾转机构的转动速度。

机身1010的空腔结构内还设有倾角传感器，倾角传感器连接于飞行控制器，用于检测机身1010的倾角，当机身1010上涡轮罩504外圈的涵道滚轮502接触墙面时，控制倾转机构传动轴305的矢量角，调整不同倾转机构传动轴305上的风叶动力机构的风向，使涵道滚轮502与墙面完全接触，从而实现墙面倾角的检测，可以实现高工测量作业，应用范围广。

如图3所示，主机身205侧壁的机臂套筒204对应于倾转机构的倾转机构传动轴305设置，倾转机构传动轴305套设于机臂套筒204内，倾转机构传动轴305与机臂套筒204之间设置有轴承，减小倾转机构传动轴305在舵机301作用下转动过程中与机臂套筒204之间的摩擦，同时利用机臂套筒204为倾转机构传动轴305提供稳定的支持，确保倾转机构传动轴305转动的平稳性。

如图3所示，本申请以机身1010的机体右侧壁303安装为例，在倾转机构传动轴305与机臂套筒204之间间隔设置有第一轴承304和第二轴承302，第二轴承302位于机体右侧壁303一端，第一轴承304位于机臂套筒204的端部，倾转机构传动轴305通过这两个轴承套在机臂套筒204内，减小传动轴驱动动力装置转动的阻力，倾转机构传动轴305的轴心和两个轴承的轴心重合。

根据具体实施过程，倾转机构传动轴305与机臂套筒204之间也可以采用转动摩擦，两者之间注入润滑油形成油膜，从而确保了倾转机构传动轴305转动的平稳性，能够与机臂套筒204内壁完全贴合。

本申请机臂套筒204均为空心长圆柱棒体，与无人机侧壁固定连接为一体，左右对称各分布有三个，分别为设置于机身主体两侧对称设置的动力机构提供倾转通道。

所述机头201、机罩202和尾罩203采用流线型设计，减小无人机运动过程中的阻力。

风叶动力机构包括电机403和旋翼桨叶402，旋翼桨叶402固定于电机403的输出轴上，电机403固定于支撑架503上，提供无人机飞行以及各种姿态变换所需的动力。电机403采用KV值为590的电机，功率大，动力稳定。

如图4所示，本申请实施例中，旋翼桨叶402通过旋翼安装帽401固定于电机403的输出轴上；

电机403通过电机支架404固定于支撑架503上，电机支架404上端和下端分别设有上电机座垫片406和下电机座垫片405，电机403和上电机座垫片406之间通过螺丝进行紧固连接，电机403位于上电机座垫片406上。将旋翼桨叶402固定在电机403转子上端，转子转动驱动旋翼转动，产生升力。旋翼安装帽401为半圆球形状，内部掏空并在内部雕刻螺纹，通过螺纹安装在电机403转子上，用于锁死桨叶，防止其松动。

具体的，为提高倾转机构的传输稳定，倾转机构传动轴305的另一端可穿过涡轮罩504的外壁与支撑架503的一条支架设置，上电机座垫片406和下电机座垫片405与支撑架503固定连接，同时与倾转机构传动轴305固定连接，提高连接稳定性，例如，上、下电机座垫片405和406右端各有一个螺孔，利用螺丝自上而下穿插进行固定；上、下电机座垫片405和406左端通过例如上下2颗螺丝的固定连接装置与电机支架404固定连接，电机支架404能够提高上下两电机安装牢固性。

与机身外侧的倾转结构对应的设置有六个涵道式轮架机构，如左侧设置的三个涵道式轮架机构，分别为第一涵道式轮架机构102、第二涵道式轮架机构105和第三涵道式轮架机构108；如图5所示，以其中一个涵道式轮架机构为例进行说明。

涵道滚轮502外圈设置有齿状条纹501，以提高抓地能力，防止在斜面停止过程中侧向滑动，减小风叶动力机构调节难度。

涵道滚轮502的内圈设有轨道505，涡轮罩504外圈设有滑块，涡轮罩504外圈的滑块位于轨道505内，使涵道滚轮502在涡轮罩504固定的情况下进行转动，同时利用滑块能够确保涡轮罩504的轴线与涡轮罩504的轴线始终保持垂直。支撑架503中间设有通孔安装架结构，通孔与涡轮罩504同轴设置，确保电机安装同轴性。

涵道滚轮502和涡轮罩504之间也可以设置滚珠结构，实现涵道滚轮502和涡轮罩504的相对转动，同时在涵道滚轮502和涡轮罩504之间设置导向结构，确保涵道滚轮502和涡轮罩504的轴线式中保持垂直，导向结构采用导向块或采用；

具体的，两个连接处的轨道内分别安装三个实心小球，用于减小摩擦，保证涵道滚轮502能够正常转动。涡轮罩504的使用起到保护旋翼桨叶402的作用，同时使旋翼的滑流场产生变化，降低了旋翼的桨尖损失，提高旋翼的气动效率，从而在提供的升力之外增加更多的前向推力，并减少工作时的噪音。将动力机构内置于上述涵道式轮架机构，可实现仅使用旋翼作为无人机陆地行驶以及空中飞行的动力，不需要额外动力源，释放了机身腹部空间。

针对上述倾转旋翼无人机结构的工作过程，即倾转旋翼无人机结构的控制方法，包括以下步骤：

S1，对无人机结构的倾转机构进行初始化使倾转机构上的风叶动力机构处于水平状态，结合无人机结构上的倾角传感器，初始起飞飞行时，多个风叶动力机构同时输出，使无人机结构平稳起飞，然后通过调整各风叶动力机构的倾角，控制无人机结构结构机身的转向；以无人机结构一侧方向为前端，对各风叶动力机构进行初始标定；

S2，启动风叶动力机构使无人机结构升空飞行，控制机身两侧的倾转机构以调整无人机结构的飞行姿态；各风叶动力机构飞行指令独自控制，通过不同风叶动力机构的角度调整，从而实现无人接结构整体动力输出方向的改变，从而改变无人接结构的转动；

S3，靠近待贴合物时，调整无人机结构的飞行姿态使涵道滚轮与待贴合物表面接触，沿待贴合物表面移动飞行。本申请采用六组风叶动力机构作为无人机结构动力输出，其中两侧各两组风叶动力机构提供稳定飞行，另外两侧各一组作为无人机结构的倾向转动调节，调节过程中，提供稳定飞行的四组风叶动力机构保持水平状态，即输出持续为竖直状态动力，确保无人机结构在倾转过程中保证有足够的动力抵消其重力作用，确保无人机结构处于平稳状态。

本发明采用六组独立控制的倾转机构和动力装置的组合，在为无人机提供了足够运载能力同时，可实现相对于无人机俯仰轴向±180°范围的动力矢量倾转控制，从而为无人机特殊角度飞行提供所需的动力控制需求。涵道式机轮机构的设计和动力矢量倾转控制的结合，使无人机具备了在任意角度建筑物表面攀爬运动的能力。当六组动力矢量与机身俯仰轴向夹角均为90°时，为传统旋翼无人机模式，可实现垂直起降、空中飞行和悬停；当无人机在地面时，控制动力矢量与无人机俯仰轴向夹角为0°时，可实现无人机的地面行驶；当控制无人机达到所需俯仰角后，再使得动力矢量垂直于水平面，即可实现无人机以任意俯仰角稳定飞行，可使得无人机在任意角度且相对狭小的空隙中飞行。当无人机前中后三组动力装置的中间一组动力矢量为相对于机身俯仰轴向夹角为-90°，另外两组动力矢量为相对于机身俯仰轴向夹角为0°时，可实现无人机吸附于建筑物表面，并在建筑物表面进行攀爬运动。

Claims (8)

1.一种倾转旋翼无人机结构，其特征在于，包括机身（1010）以及对称设置于机身（1010）两侧的三个倾转机构，同侧的三个倾转机构沿机身等间隔设置；机身（1010）内为空腔结构，倾转机构包括舵机（301）和倾转机构传动轴（305），舵机（301）固定安装于机身（1010）的空腔结构内，倾转机构传动轴（305）的一端与舵机（301）的输出轴连接，倾转机构传动轴（305）的另一端安装有涵道式轮架机构；

涵道式轮架机构包括涡轮罩（504），涡轮罩（504）的外壁与倾转机构传动轴（305）的另一端固定连接，涡轮罩（504）中间为通孔结构，通孔结构内固定有支撑架（503），支撑架（503）上固定安装有风叶动力机构；

涡轮罩（504）的外圈设有能够相对涡轮罩（504）转动的涵道滚轮（502），涵道滚轮（502）的轴线与倾转机构传动轴（305）的轴线平行；涵道滚轮（502）的内圈设有轨道（505），涡轮罩（504）外圈设有滑块，涡轮罩（504）外圈的滑块位于轨道（505）内，涵道滚轮（502）和涡轮罩（504）之间设置滚珠结构，实现涵道滚轮（502）和涡轮罩（504）的相对转动，在涵道滚轮（502）和涡轮罩（504）之间设置导向结构。

2.根据权利要求1所述的一种倾转旋翼无人机结构，其特征在于，机身（1010）的空腔结构内设有飞行控制器以及与飞行控制器连接的数据传输器、电子调速器和电池单元。

3.根据权利要求2所述的一种倾转旋翼无人机结构，其特征在于，机身（1010）的空腔结构内设有用于检测机身（1010）倾角的倾角传感器，倾角传感器连接于飞行控制器。

4.根据权利要求1所述的一种倾转旋翼无人机结构，其特征在于，风叶动力机构包括电机（403）和旋翼桨叶（402），旋翼桨叶（402）固定于电机（403）的输出轴上，电机（403）固定于支撑架（503）上。

5.根据权利要求4所述的一种倾转旋翼无人机结构，其特征在于，电机（403）通过电机支架（404）固定于支撑架（503）上，电机支架（404）上端和下端分别设有上电机座垫片（406）和下电机座垫片（405），电机（403）和上电机座垫片（406）通过螺丝紧固连接。

6.根据权利要求1所述的一种倾转旋翼无人机结构，其特征在于，机身（1010）包括机头（201）、机罩（202）、尾罩（203）、机臂套筒（204）和主机身（205），机头（201）、机罩（202）、尾罩（203）分别固定于主机身（205）的前端、上端和后端；主机身（205）的侧壁固定安装有机臂套筒（204），机臂套筒（204）为中通结构，连通于主机身（205）的空腔结构内。

7.根据权利要求6所述的一种倾转旋翼无人机结构，其特征在于，倾转机构传动轴（305）套设于机臂套筒（204）内，倾转机构传动轴（305）与机臂套筒（204）之间设置有轴承。

8.一种如权利要求1所述倾转旋翼无人机结构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对无人机结构的倾转机构进行初始化使倾转机构上的风叶动力机构处于水平状态；

S2，启动风叶动力机构使无人机结构升空飞行，控制机身两侧的倾转机构以调整无人机结构的飞行姿态；

S3，靠近待贴合物时，调整无人机结构的飞行姿态使涵道滚轮与待贴合物表面接触，沿待贴合物表面移动飞行。

Images