CN115535229B - 共轴双桨无人机的上下桨装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

共轴双桨无人机的上下桨装置及控制方法，本发明涉及共轴双桨无人机螺旋桨的控制技术领域，共轴双桨无人机的上下桨装置，包括上桨组件和下桨组件，所述上桨组件包括上桨毂和一对上桨，所述上桨毂的中心处设有转轴连接孔，上桨毂的转轴连接孔与共轴双桨无人机本体共轴双桨电机的其中一个输出轴传动连接；本发明共轴双桨无人机的上下桨装置采用分体式的设计，由于设置电机包裹部，可以大大增加上旋翼和下旋翼之间的距离，且间距可调，上旋翼产生的下洗气流会经过更长的行程达到下旋翼的上表面，就能大大减少下洗气流对下旋翼的干扰，采用不同长度的上下桨毂设计，使折叠后上桨与下桨不产生干涉，起飞或降落时不产生打桨。

Description

共轴双桨无人机的上下桨装置及控制方法

技术领域

本发明涉及共轴双桨无人机螺旋桨的控制技术领域，尤其是涉及共轴双桨无人机的上下桨装置及控制方法。

背景技术

共轴双桨无人机的气动布局原理类似于常见的直升机。其与直升机不同的是，共轴双桨气动布局取消了直升机上常见的尾桨，使用了两个直径相同共轴布置的螺旋桨。与直升机相同的是，都使用了倾斜盘或者矢量转向装置，来控制飞行器的俯仰和横滚自由度。共轴双桨无人机有两个舵机，其分别可以使电机轴实现前后左右倾斜和使旋翼产生周期变距。

由于共轴双桨的上桨和下桨之间的距离较小，就不可避免地产生相互作用的气流干扰。

上桨产生的下洗气流绝大部分作用在下桨上表面，同时下桨的大部分旋翼面积处于上桨的尾流中，因此共轴上、下桨之间存在较大的重叠干扰区域，加剧了翼间气动干扰。此外，由上、下桨的间距一般小于上桨或下桨的旋翼半径，因此翼间的轴向流受到较大限制，这对于上下旋翼均造成一定的冲击，对整机气动性能造成严重影响。

发明内容

为了减轻共轴双桨无人机上、下桨之间的气流干扰技术问题，本发明提供共轴双桨无人机的上下桨装置及控制方法。采用如下的技术方案：

共轴双桨无人机的上下桨装置，包括上桨组件和下桨组件，所述上桨组件包括上桨毂和一对上桨，所述上桨毂的中心处设有转轴连接孔，上桨毂的转轴连接孔与共轴双桨无人机本体共轴双桨电机的其中一个输出轴传动连接，一对上桨分别安装在上桨毂的两端，且展开时形成一字的上旋翼；

所述下桨组件包括下桨毂和一对下桨，所述下桨毂包括电机包裹部和下桨连接部，所述电机包裹部位于共轴双桨无人机本体共轴双桨电机的外部，并与共轴双桨无人机本体共轴双桨电机的另一个输出轴传动连接，一对下桨分别安装在下桨连接部的两端，且展开时形成一字的下旋翼；

所述上旋翼的桨直径小于下旋翼的桨直径。

通过上述技术方案，共轴双桨无人机的上下桨装置采用分体式的设计，其中一对上桨通过上桨毂与共轴双桨无人机本体共轴双桨电机的其中一个输出轴传动连接，在共轴双桨电机的驱动下，展开时形成一字的上旋翼；

一对下桨通过电机包裹部与共轴双桨电机的另一个输出轴传动连接，在共轴双桨电机的驱动下，展开时形成一字的下旋翼；

由于设置电机包裹部，可以大大增加上旋翼和下旋翼之间的距离，上旋翼产生的下洗气流会经过更长的行程达到下旋翼的上表面，且会有更多的下洗气流会向侧方溢出，就能大大减少下洗气流对下旋翼的干扰。

下旋翼的桨直径大于上旋翼的桨直径，增大下旋翼的翼展，使得飞行时特别是悬停状态时更加稳定。

可选的，一对上桨展开时形成的上旋翼和一对下桨展开时形成的下旋翼呈90°布置。

通过上述技术方案，在上旋翼和下旋翼的旋转过程中，在共轴双桨电机的驱动下始终保持呈90°布置，在尽可能地减小上、下桨的打桨可能性的基础上，进一步地减少上旋翼旋转过程中产生的下洗气流对下旋翼的影响，同时也能减少下旋翼翼旋转过程中产生的上行气流对上旋翼的影响，使上、下桨的协同升力更大。

可选的，还包括一对上折叠桨毂和一对下折叠桨毂，所述上桨毂和下桨连接部的两端分别设有叉状连接结构，一对上折叠桨毂分别通过转轴可转动安装在上桨毂两端的叉状连接结构处，一对下折叠桨毂分别通过转轴可转动安装在下桨连接部两端的叉状连接结构处，一对上桨分别连接安装在一对上折叠桨毂处，一对下桨分别连接安装在一对下折叠桨毂处。

通过上述技术方案，分别设置上折叠桨毂和下折叠桨毂，分别为上桨一对上桨和一对下桨提供折叠结构，可以实现一对上桨和一对下桨贴合共轴双桨无人机本体的外壳，减小收纳体积。

可选的，所述上桨的一侧设有下洗气流导向蝠翼，所述下桨的一侧设有下洗气流缓冲蝠翼；

当一对上桨和一对下桨分别展开时，以一对上桨的下洗气流导向蝠翼的最宽处的连线为直径，上桨毂的中心为圆心形成的上蝠翼轨迹圆Ru；

以一对下桨的下洗气流缓冲蝠翼的最宽处的连线为直径，上桨毂的中心为圆心形成的下蝠翼轨迹圆Rd；

则1.1Ru＜Rd＜1.3Ru。

通过上述技术方案，分别在上桨和下桨的一侧设置下洗气流导向蝠翼和下洗气流缓冲蝠翼，为上旋翼和下旋翼提供更大的升力，且采用不同直径的上蝠翼轨迹圆Ru和下蝠翼轨迹圆Rd，具体地说是下蝠翼轨迹圆Rd略大于上蝠翼轨迹圆Ru，在提高共轴双桨无人机本体升力的同时，使上旋翼下洗气流和下旋翼的上洗气流错开，进一步降低气流的干扰。

可选的，所述下洗气流导向蝠翼与上桨一体成型，所述下洗气流缓冲蝠翼与下桨一体成型。

通过上述技术方案，下洗气流导向蝠翼与上桨，下洗气流缓冲蝠翼与下桨分别是一体成型的桨叶，提升结构的整体性，保证强度。

可选的，所述上桨毂呈直线形。

通过上述技术方案，上桨毂设置成长条形，由于上桨毂设置在共轴电机的上方，其设置成长条形，只需在中间设置一个转轴连接孔即可实现与共轴电机顶部的输出轴的连接。

可选的，所述下桨毂的电机包裹部两端设有用于调整上旋翼和下旋翼间距的间距调整板，所述间距调整板的一端连接在电机包裹部上，所述下桨连接在间距调整板的另一端。

通过上述技术方案，设置间距调整板，可以实现上桨和下桨之间距离的调节。

可选的，所述间距调整板的两端设有螺纹孔，两端分别通过螺接的方式与电机包裹部和下桨连接。

通过上述技术方案，采用螺接的方式，安装和拆卸更加便捷，连接更加可靠。

共轴双桨无人机的上下桨控制方法，设下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为S，上旋翼的桨直径为Du，桨螺距为Mu，下旋翼的桨直径为Dd，桨螺距为Md，则

＜S＜

；

设上桨毂的直线长度为Nu，电机包裹部为外形为圆柱形，设电机包裹部的外直径为Nd，则1.1Nd＜Nu＜1.3Nd。

Dd大于1.1Du。

通过上述技术方案，通过设置合适的下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为S，在满足上旋翼和下旋翼的结构强度，及升力需求的同时，降低下洗气流和上洗气流带来的副作用，用较小的共轴电机的功率消耗，带来更大的升力，以及更稳定的悬停姿态。

电机包裹部的外直径为Nd可以理解为下桨毂的直线长度，上桨毂的长度Nu比电机包裹部的外直径Nd略长，这样上折叠桨毂和下折叠桨毂安装连接后就会产生位置差，折叠后上桨与下桨不产生干涉，起飞或降落时不产生打桨。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

本发明能提供共轴双桨无人机的上下桨装置及控制方法，共轴双桨无人机的上下桨装置采用分体式的设计，由于设置电机包裹部，可以大大增加上旋翼和下旋翼之间的距离，且间距可调，上旋翼产生的下洗气流会经过更长的行程达到下旋翼的上表面，且会有更多的下洗气流会向侧方溢出，就能大大减少下洗气流对下旋翼的干扰，采用不同长度的上下桨毂设计，使折叠后上桨与下桨不产生干涉，起飞或降落时不产生打桨，整个结构大大提升了共轴双桨无人机的升力，且飞行更加稳定。

附图说明

图1是本发明共轴双桨无人机的上下桨装置结构示意图；

图2是图1的侧视结构示意图；

图3是本发明共轴双桨无人机的上下桨装置去掉上桨和下桨结构示意图；

图4是图3的侧视结构示意图；

图5是本发明共轴双桨无人机的上下桨装置的俯视结构示意图；

图6是本发明共轴双桨无人机的上下桨装置的上桨毂结构示意图；

图7是本发明共轴双桨无人机的上下桨装置使用状态立体结构示意图。

附图标记说明：1、上桨毂；11、转轴连接孔；2、上桨；21、下洗气流导向蝠翼；3、下桨毂；31、电机包裹部；311、间距调整板；32、下桨连接部；4、下桨；41、下洗气流缓冲蝠翼；5、上折叠桨毂；6、下折叠桨毂；100、共轴双桨无人机本体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例公开共轴双桨无人机的上下桨装置及控制方法。

参照图1－图7，共轴双桨无人机的上下桨装置，包括上桨组件和下桨组件，上桨组件包括上桨毂1和一对上桨2，上桨毂1的中心处设有转轴连接孔11，上桨毂1的转轴连接孔11与共轴双桨无人机本体100共轴双桨电机的其中一个输出轴传动连接，一对上桨2分别安装在上桨毂1的两端，且展开时形成一字的上旋翼；

下桨组件包括下桨毂3和一对下桨4，下桨毂3包括电机包裹部31和下桨连接部32，电机包裹部31位于共轴双桨无人机本体100共轴双桨电机的外部，并与共轴双桨无人机本体100共轴双桨电机的另一个输出轴传动连接，一对下桨4分别安装在下桨连接部32的两端，且展开时形成一字的下旋翼；

上旋翼的桨直径小于下旋翼的桨直径。

共轴双桨无人机的上下桨装置采用分体式的设计，其中一对上桨2通过上桨毂1与共轴双桨无人机本体100共轴双桨电机的其中一个输出轴传动连接，在共轴双桨电机的驱动下，展开时形成一字的上旋翼；

一对下桨4通过电机包裹部31与共轴双桨电机的另一个输出轴传动连接，在共轴双桨电机的驱动下，展开时形成一字的下旋翼；

由于设置电机包裹部31，可以大大增加上旋翼和下旋翼之间的距离，上旋翼产生的下洗气流会经过更长的行程达到下旋翼的上表面，且会有更多的下洗气流会向侧方溢出，就能大大减少下洗气流对下旋翼的干扰。

下旋翼的桨直径大于上旋翼的桨直径，增大下旋翼的翼展，使得飞行时特别是悬停状态时更加稳定。

一对上桨2展开时形成的上旋翼和一对下桨4展开时形成的下旋翼呈9°布置。

在上旋翼和下旋翼的旋转过程中，在共轴双桨电机的驱动下始终保持呈9°布置，在尽可能地减小上、下桨的打桨可能性的基础上，进一步地减少上旋翼旋转过程中产生的下洗气流对下旋翼的影响，同时也能减少下旋翼翼旋转过程中产生的上行气流对上旋翼的影响，使上、下桨的协同升力更大。

还包括一对上折叠桨毂5和一对下折叠桨毂6，上桨毂1和下桨连接部32的两端分别设有叉状连接结构，一对上折叠桨毂5分别通过转轴可转动安装在上桨毂1两端的叉状连接结构处，一对下折叠桨毂6分别通过转轴可转动安装在下桨连接部32两端的叉状连接结构处，一对上桨2分别连接安装在一对上折叠桨毂5处，一对下桨4分别连接安装在一对下折叠桨毂6处。

分别设置上折叠桨毂5和下折叠桨毂6，分别为上桨一对上桨2和一对下桨4提供折叠结构，可以实现一对上桨2和一对下桨4贴合共轴双桨无人机本体100的外壳，减小收纳体积。

上桨2的一侧设有下洗气流导向蝠翼21，下桨4的一侧设有下洗气流缓冲蝠翼41；

当一对上桨2和一对下桨4分别展开时，以一对上桨2的下洗气流导向蝠翼21的最宽处的连线为直径，上桨毂1的中心为圆心形成的上蝠翼轨迹圆Ru；

以一对下桨4的下洗气流缓冲蝠翼41的最宽处的连线为直径，上桨毂1的中心为圆心形成的下蝠翼轨迹圆Rd；

则1.1Ru＜Rd＜1.3Ru。

分别在上桨2和下桨4的一侧设置下洗气流导向蝠翼21和下洗气流缓冲蝠翼41，为上旋翼和下旋翼提供更大的升力，且采用不同直径的上蝠翼轨迹圆Ru和下蝠翼轨迹圆Rd，具体地说是下蝠翼轨迹圆Rd略大于上蝠翼轨迹圆Ru，在提高共轴双桨无人机本体100升力的同时，使上旋翼下洗气流和下旋翼的上洗气流错开，进一步降低气流的干扰。

下洗气流导向蝠翼21与上桨2一体成型，下洗气流缓冲蝠翼41与下桨4一体成型。

下洗气流导向蝠翼21与上桨2，下洗气流缓冲蝠翼41与下桨4分别是一体成型的桨叶，提升结构的整体性，保证强度。

上桨毂1呈直线形。

上桨毂1设置成长条形，由于上桨毂1设置在共轴电机的上方，其设置成长条形，只需在中间设置一个转轴连接孔11即可实现与共轴电机顶部的输出轴的连接。

下桨毂3的电机包裹部31两端设有用于调整上旋翼和下旋翼间距的间距调整板311，间距调整板311的一端连接在电机包裹部31上，下桨4连接在间距调整板311的另一端。

设置间距调整板311，可以实现上桨2和下桨4之间距离的调节。

间距调整板311的两端设有螺纹孔，两端分别通过螺接的方式与电机包裹部31和下桨4连接。

采用螺接的方式，安装和拆卸更加便捷，连接更加可靠。

共轴双桨无人机的上下桨控制方法，设下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为S，上旋翼的桨直径为Du，桨螺距为Mu，下旋翼的桨直径为Dd，桨螺距为Md，则

＜S＜

；

设上桨毂1的直线长度为Nu，电机包裹部31为外形为圆柱形，设电机包裹部31的外直径为Nd，则1.1Nd＜Nu＜1.3Nd。

Dd大于1.1Du。

通过设置合适的下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为S，在满足上旋翼和下旋翼的结构强度，及升力需求的同时，降低下洗气流和上洗气流带来的副作用，用较小的共轴电机的功率消耗，带来更大的升力，以及更稳定的悬停姿态。

电机包裹部31的外直径为Nd可以理解为下桨毂的直线长度，上桨毂1的长度Nu比电机包裹部31的外直径Nd略长，这样上折叠桨毂5和下折叠桨毂6安装连接后就会产生位置差，折叠后上桨2与下桨4不产生干涉，起飞或降落时不产生打桨。

本发明实施例共轴双桨无人机的上下桨装置及控制方法的实施原理为：

设上旋翼的桨直径为Du=8英寸=203.2mm，桨螺距为Mu=6英寸=152.4mm，下旋翼的桨直径为Dd=9英寸=228.6，桨螺距为Md=7英寸=177.8mm，根据

＜S＜

，得出下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为S的设计范围值为50.8mm＜S＜101.6mm。

优选间距S=80mm，通过选用合适的间距调整板311，使得下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为80mm，测得共轴双桨无人机在标准负重2KG的情况下，悬停升限为1150米；

当S取30mm时，通过选用合适的间距调整板311，使得下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为30mm，测得共轴双桨无人机在标准负重2KG的情况下，悬停升限为350米；

当S取120mm时，通过选用合适的间距调整板311，使得下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为120mm，测得共轴双桨无人机在标准负重2KG的情况下，悬停升限为150米；

当S取60mm时，通过选用合适的间距调整板311，使得下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为60mm，测得共轴双桨无人机在标准负重2KG的情况下，悬停升限为1080米；

当S取90mm时，通过选用合适的间距调整板311，使得下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为90mm，测得共轴双桨无人机在标准负重2KG的情况下，悬停升限为1065米。

可见50.8mm＜S＜101.6mm时，在标准负重2KG的情况下，其悬停升限大大提高，意味着其升力及飞行平稳性能大大提高。

以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.共轴双桨无人机的上下桨装置，其特征在于：包括上桨组件和下桨组件，所述上桨组件包括上桨毂（1）和一对上桨（2），所述上桨毂（1）的中心处设有转轴连接孔（11），上桨毂（1）的转轴连接孔（11）与共轴双桨无人机本体（100）共轴双桨电机的其中一个输出轴传动连接，一对上桨（2）分别安装在上桨毂（1）的两端，且展开时形成一字的上旋翼；

所述下桨组件包括下桨毂（3）和一对下桨（4），所述下桨毂（3）包括电机包裹部（31）和下桨连接部（32），所述电机包裹部（31）位于共轴双桨无人机本体（100）共轴双桨电机的外部，并与共轴双桨无人机本体（100）共轴双桨电机的另一个输出轴传动连接，一对下桨（4）分别安装在下桨连接部（32）的两端，且展开时形成一字的下旋翼；

所述上旋翼的桨直径小于下旋翼的桨直径；

所述上桨（2）的一侧设有下洗气流导向蝠翼（21），所述下桨（4）的一侧设有下洗气流缓冲蝠翼（41）；

当一对上桨（2）和一对下桨（4）分别展开时，以一对上桨（2）的下洗气流导向蝠翼（21）的最宽处的连线为直径，上桨毂（1）的中心为圆心形成的上蝠翼轨迹圆Ru；

以一对下桨（4）的下洗气流缓冲蝠翼（41）的最宽处的连线为直径，上桨毂（1）的中心为圆心形成的下蝠翼轨迹圆Rd；

则1.1Ru＜Rd＜1.3Ru。

2.根据权利要求1所述的共轴双桨无人机的上下桨装置，其特征在于：一对上桨（2）展开时形成的上旋翼和一对下桨（4）展开时形成的下旋翼呈90°布置。

3.根据权利要求1所述的共轴双桨无人机的上下桨装置，其特征在于：还包括一对上折叠桨毂（5）和一对下折叠桨毂（6），所述上桨毂（1）和下桨连接部（32）的两端分别设有叉状连接结构，一对上折叠桨毂（5）分别通过转轴可转动安装在上桨毂（1）两端的叉状连接结构处，一对下折叠桨毂（6）分别通过转轴可转动安装在下桨连接部（32）两端的叉状连接结构处，一对上桨（2）分别连接安装在一对上折叠桨毂（5）处，一对下桨（4）分别连接安装在一对下折叠桨毂（6）处。

4.根据权利要求1所述的共轴双桨无人机的上下桨装置，其特征在于：所述下洗气流导向蝠翼（21）与上桨（2）一体成型，所述下洗气流缓冲蝠翼（41）与下桨（4）一体成型。

5.根据权利要求1所述的共轴双桨无人机的上下桨装置，其特征在于：所述上桨毂（1）呈长条形。

6.根据权利要求1所述的共轴双桨无人机的上下桨装置，其特征在于：所述下桨毂（3）的电机包裹部（31）两端设有用于调整上旋翼和下旋翼间距的间距调整板（311），所述间距调整板（311）的一端连接在电机包裹部（31）上，所述下桨（4）连接在间距调整板（311）的另一端。

7.根据权利要求6所述的共轴双桨无人机的上下桨装置，其特征在于：所述间距调整板（311）的两端设有螺纹孔，两端分别通过螺接的方式与电机包裹部（31）和下桨（4）连接。

8.共轴双桨无人机的上下桨控制方法，其特征在于：采用权利要求1-7任一所述共轴双桨无人机的上下桨装置进行控制；

设下旋翼底面与上旋翼上表面之间的距离为S，上旋翼的桨直径为Du，桨螺距为Mu，下旋翼的桨直径为Dd，桨螺距为Md，则

＜S＜

；

设上桨毂（1）的直线长度为Nu，电机包裹部（31）为外形为圆柱形，设电机包裹部（31）的外直径为Nd，则1.1Nd＜Nu＜1.3Nd。

9.根据权利要求8所述的共轴双桨无人机的上下桨控制方法，其特征在于：Dd大于1.1Du。

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