CN117775282A - 水面倾覆翻转机构及包含其的飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器水面倾覆回正技术领域，公开一种水面倾覆翻转机构及包含其的飞行器。水面倾覆翻转机构包括：并行设置且啮合的第一齿轮和第二齿轮、固定轴和可动支架。固定轴与第一齿轮固定连接且固定轴的轴线与第一齿轮的轴线重合，可动支架可转动地连接至固定轴，驱动装置的输出端连接至第二齿轮。其中，固定轴固定不动，第二齿轮通过驱动装置可转动地连接至可动支架，当驱动装置驱动第二齿轮转动时，可动支架绕固定轴转动。飞行器包括前述的水面倾覆翻转机构和至少一对可倾转旋翼。本发明的水面倾覆翻转机构，结构简单，可快速拆卸或安装，便于改装在不同位置的旋翼上，能够实现跨介质飞行器倾覆状态下的自扶正。

Description

水面倾覆翻转机构及包含其的飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器水面倾覆回正技术领域，尤其涉及水面倾覆翻转机构及包含其的飞行器。

背景技术

水空跨介质飞行器是一种可以在水中航行和空中飞行并能自由实现水空介质跨越的新概念航行器。跨介质飞行器结合了无人机的高机动性和水下航行器的高隐蔽性，具备传统无人机无法比拟的优势。跨介质飞行器可应用于海上搜救、水质检测、水下生物观测、气象预报和特殊任务执行等使命。目前，较为典型的跨介质飞行器主要有固定翼跨介质飞行器、多旋翼跨介质飞行器和复合翼跨介质飞行器三类。而多旋翼跨介质飞行器和复合翼跨介质飞行器均是通过旋翼实现水上起飞和水面降落。然而，跨介质飞行器在漂浮或者起降阶段，受风、浪、流的影响，可能失去平衡并导致倾覆。在倾覆状态下，旋翼通常浸没在水下，难以实现起飞或者姿态调整，容易导致飞行器抛锚。

发明内容

为解决上述的技术问题，本发明提供一种水面倾覆翻转机构以及包含其的飞行器。

第一方面，本发明提供一种水面倾覆翻转机构，包括并行设置且啮合的第一齿轮和第二齿轮、固定轴、可动支架和驱动装置。所述固定轴与所述第一齿轮固定连接且固定轴的轴线与第一齿轮的轴线重合，可动支架可转动地连接至固定轴，驱动装置的输出端连接至第二齿轮。其中，固定轴固定不动，第二齿轮通过驱动装置可转动地连接至可动支架，当驱动装置驱动第二齿轮转动时，可动支架绕固定轴转动。

具体地，驱动装置为倾转驱动电机，倾转驱动电机包括定子和转子，定子固定至可动支架，转子连接至第二齿轮。

优选地，第一齿轮的齿数与第二齿轮的齿数相同。优选地，可动支架与固定轴之间设有轴承。

第二方面，本发明还提供一种飞行器，包括机身、位于机身同侧的至少一对可倾转旋翼及上述第一方面的水面倾覆翻转机构。水面倾覆翻转机构的固定轴固定至机身；每个可倾转旋翼分别连接至一个水面倾覆翻转机构的可动支架。

优选地，可动支架具有用于连接可倾转旋翼的连接端，连接端设置于靠近固定轴的一端。进一步地，连接端凸出于水面倾覆翻转机构的第一齿轮。

优选地，飞行器包括机臂及两个可倾转旋翼，水面倾覆翻转机构的固定轴通过机臂固定至机身，两个可倾转旋翼设置于机身的同侧。进一步地，飞行器还包括两个固定旋翼，两个固定旋翼设置于机身的与两个可倾转旋翼相对的另一侧。

进一步地，飞行器还包括电源及飞控系统、底座及浮力控制系统，电源及飞控系统设置于机身的上表面，底座及浮力控制系统设置于机身的下表面。

本发明的特点及优点包括：

本发明的水面倾覆翻转机构，通过设置固定的第一齿轮和可转动的第二齿轮，即可实现连接至两个齿轮的可动支架的转动。该水面翻转机构的结构简单，能平稳带动可倾转旋翼纵倾转动，能够实现水上的或跨介质的旋翼飞行器或复合翼飞行器倾覆状态下的自扶正。另外，水面倾覆翻转机构以可拆卸的方式连接至机臂，可实现快速安装或更换，便于改装在不同位置的旋翼上。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的配置有水面倾覆翻转机构的飞行器的示意图；

图2示出了图1中水面倾覆翻转机构与机翼的示意图；

图3、图4示出了水面倾覆翻转机构的示意图；

图5示出了水面倾覆翻转机构旋转180°的示意图；

图6示出了本发明的飞行器的翻转过程的示意图。

附图标记说明：

100-飞行器，101-机身，102-机臂，103-旋翼，104-固定支座，105-旋转驱动电机，106-电源及飞控系统，107-底座及浮力控制系统；

10-水面倾覆翻转机构，11-固定轴，13-第一齿轮，14-第二齿轮，15-可动支架，152-连接端 ，16-倾转驱动电机，162-输出端，164-限位部，18-轴承。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

当多旋翼跨介质飞行器在水面漂浮或者起降过程中，受复杂海况及海上风、浪、流的影响，飞行器容易发生倾覆现象，即整机发生180°翻转。对于多旋翼跨介质飞行器来说，旋翼通常安装在飞行器浮心的上方，这样可以确保飞行器在水面漂浮时，旋翼位于水面上方，旋翼在空气中旋转可以产生更高的转速和更高的升力，可以确保飞行器顺利在水面起飞。但是如果飞行器发生倾覆现象，旋翼会完全或部分浸没在水下，此时飞行器难以实现水下起飞。对于以海洋为应用场景的跨介质飞行器或水上飞机来说，一旦出现倾覆现象，难以实现快速救援或者自动翻转。

本发明提供一种水面倾覆翻转机构，飞行器的至少部分旋翼连接至水面倾覆翻转机构。通过水面倾覆翻转机构可使倾覆于水中的飞行器的旋翼翻转，继而使飞行器可以在水中实现自动翻转，即实现飞行器倾覆状态下的自回正。本公开的飞行器指设置旋翼的飞行器，具体包括旋翼跨介质飞行器、复合翼跨介质飞行器以及水上旋翼无人机等飞行器。其中，旋翼跨介质飞行器包括四旋翼跨介质飞行器、六旋翼跨介质飞行器等，下面以四旋翼跨介质飞行器（简称飞行器）为例进行说明。

参见图1、图2，飞行器100包括机身101、机臂102、旋翼103、旋转驱动电机105以及水面倾覆翻转机构10。机臂102固定连接至机身101，每个机臂102都配置一个旋翼103和一个旋转驱动电机105，旋转驱动电机105用于带动旋翼103旋转。其中，至少一个机臂102设有水面倾覆翻转机构10，至少一个旋转驱动电机105通过水面倾覆翻转机构10连接至机臂102。水面倾覆翻转机构10可带动连接至其的旋转驱动电机105及对应的旋翼103相对机臂102转动，例如转动180°，实现旋翼103的翻转。相对机臂102转动是指绕平行于机臂102的延伸方向的转轴转动。可相对机臂102转动的旋翼103为可倾转旋翼，不可相对机臂102转动的旋翼为固定旋翼。也就是说，耦接至水面倾覆翻转机构10的旋翼103为可倾转旋翼。在一些实施例中，旋翼103包括固定旋翼和可倾转旋翼；在另一些实施例中，旋翼103全部为可倾转旋翼。飞行器100的可倾转旋翼可以是一对、两对或多对。可以根据实际需要，选择位于飞行器的机身同侧（例如，相对于机体坐标系的x轴的同侧或者相对于机体坐标系的y轴的同侧）的一对或两对可倾转旋翼提供倾转力矩。为了精简水面倾覆翻转机构10的数量以及飞行器的重量，四旋翼飞行器可以设置为一对可倾转旋翼，六旋翼和八旋翼飞行器可以设置为一对或两对可倾转旋翼。下面以四旋翼的飞行器100为例进行说明，其设置有两个固定旋翼和两个（一对）可倾转旋翼。

具体地，飞行器100包括四个机臂102、四个旋翼103、四个旋转驱动电机105、两个水面倾覆翻转机构10、两个可倾转旋翼和两个固定旋翼。机身101可被构造成任何适宜的形状，此处不做具体限定。例如，机身101被构造成方形的板状，四个机臂102分别连接至机身101的四个角，其中位于机身101同侧（例如，相对于机体坐标系的x轴的同侧或者相对于机体坐标系的y轴的同侧）的两个机臂102的悬伸端分别连接一个水面倾覆翻转机构10，每个可翻转旋翼的旋转驱动电机105连接至一个水面倾覆翻转机构10。另外两个机臂102的悬伸端分别连接一个固定支座104，每个固定旋翼的旋转驱动电机105连接至一个固定支座104。可替代地，飞行器100可不设置固定支座104，每个固定旋翼的旋转驱动电机105直接连接至机臂102。

具体地，参见图3、图4，水面倾覆翻转机构10包括第一齿轮13、固定轴11，第二齿轮14以及可动支架15。其中，第一齿轮13和第二齿轮14并行设置且啮合，第一齿轮13与固定轴11固定连接且固定轴11的轴线与第一齿轮13的轴线重合，固定轴11固定不动，可动支架15可转动地连接至固定轴11。第二齿轮14与可动支架15耦接，且可相对可动支架15转动。当第二齿轮14被驱动绕其自身轴线转动时，第一齿轮13保持固定不动，第二齿轮14在啮合力作用下绕第一齿轮13转动，第二齿轮14带动可动支架15绕第一齿轮13转动，即绕固定轴11转动。水面倾覆翻转机构10还包括用于驱动第二齿轮14转动的驱动装置，驱动装置的输出端连接至第二齿轮14。驱动装置为可实现转动输出的装置，例如通过直线运动机构驱动齿条带动齿轮转动的装置或驱动电机等。参见图3、图4，驱动装置为倾转驱动电机16，倾转驱动电机16固定至可动支架15，倾转驱动电机16的输出端162连接至第二齿轮14。

更具体地，参见图2，固定轴11延伸穿过第一齿轮13的中心且与第一齿轮13固定连接，固定轴11的一端固定至机臂102，另一端延伸穿过可动支架15，可动支架15可相对固定轴11转动。优选地，可动支架15与固定轴11之间设有轴承18，有利于可动支架15绕固定轴11平稳转动。优选地，固定轴11可拆卸地连接至机臂102。具体地，机臂102上设有横向孔，固定轴11的一端设置于横向孔内，通过销钉等方式将固定轴11可拆卸地固定至机臂102。水面倾覆翻转机构10可拆卸地连接至机臂102，有利于水面倾覆翻转机构10快速安装至机臂102，或其损坏时快速更换。另外，还方便于将水面倾覆翻转机构10改装在不同位置的旋翼上。

倾转驱动电机16包括定子和转子，倾转驱动电机16的定子固定至可动支架15，例如固定至可动支架15的一端。输出端162设置于倾转驱动电机16的转子，转子的输出端162固定连接至第二齿轮14。具体地，第二齿轮14设有通过其中心的孔，倾转驱动电机16的转子的转轴延伸穿过该孔。特别地，转子的转轴上还设有凸出于转轴外周的限位部164，用于限制第二齿轮14横向移动。由于倾转驱动电机16的转子可相对定子转动，因此，第二齿轮14可相对于可动支架15转动。倾转驱动电机16可为任意的驱动电机，此处不做具体限定。优选地，倾转驱动电机16为伺服电机，可对转动角度进行精确控制，例如，舵机。

优选地，第一齿轮13和第二齿轮14的齿数相同，倾转驱动电机16驱动第二齿轮14转动的角度刚好等于可动支架15绕固定轴11转动的角度。例如，倾转驱动电机16驱动第二齿轮14转动180°，可使可动支架15绕固定轴11转动180°。

具体地，可动支架15被构造成横截面为矩形的柱状，可动支架15的靠近第二齿轮14的一端设有凹陷部，用于容纳倾转驱动电机16。可动支架15具有连接端152，连接端152为可动支架15的任意一端，旋翼103和旋转驱动电机105固定至连接端152。在一些实施中，可动支架15的靠近固定轴11的一端为连接端152，连接端152凸出于第一齿轮13。

图4示意了连接端152位于第一位置，此时连接至连接端152的可倾转旋翼和固定旋翼的朝向一致。倾转驱动电机16驱动第二齿轮14转动180°，使得连接端152位于图5所示的第二位置，此时连接至连接端152的可倾转旋翼和固定旋翼的朝向相反。

继续参见图1，飞行器100还包括设置于机身101的电源及飞控系统106和底座及浮力控制系统107。具体地，电源及飞控系统106设置于机身101的上表面，底座及浮力控制系统107设置于机身101的下表面。图1中，固定旋翼和两个可倾转旋翼的朝向一致，均朝上。

图6示出了设置了水面倾覆翻转机构10的飞行器100从倾覆状态到回正状态的整个过程，即飞行器100从状态ST0到状态ST5的整个过程。在状态ST0中，飞行器100在水面倾覆，电源及飞控系统106朝下，底座及浮力控制系统107朝上，固定旋翼和两个可倾转旋翼的朝向一致且均朝下。倾转驱动电机16驱动第二齿轮14转动180°，可动支架15带动可倾转旋翼绕固定轴11转动180°，使可倾转旋翼朝上，固定旋翼保持朝下，飞行器100进入状态ST1。接着，驱动两个可倾转旋翼朝相反的方向旋转。旋转的可倾转旋翼产生较大的拉力，且由于拉力集中在飞行器100的一侧，不对称的拉力会导致飞行器100产生从可倾转旋翼一侧向固定旋翼一侧翻转的力矩。在拉力和力矩的作用下，飞行器100会在水面进行翻转运动。飞行器100受不对称拉力和力矩的作用而发生翻转的过程，参见图6中的状态ST2和状态ST3。驱动两个可倾转旋翼朝相反的方向继续旋转，直至飞行器100的机身翻转回正，停止驱动可倾转旋翼旋转，飞行器100进入状态ST4。此时，飞行器100的电源及飞控系统106和固定旋翼朝上，底座及浮力控制系统107和可倾转旋翼朝下。最后，倾转驱动电机16驱动第二齿轮14转动180°，可动支架15带动可倾转旋翼绕固定轴11转动180°，使可倾转旋翼朝上，飞行器100进入状态ST5，完成整个翻转过程。

通过在飞行器100上设置水面倾覆翻转机构10，使得可倾转旋翼在飞行器100倾覆时被翻转180°，继而通过不对称拉力实现整个飞行器100的翻转回正。

以上所述仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水面倾覆翻转机构，其特征在于，包括：

并行设置且啮合的第一齿轮和第二齿轮；

固定轴，所述固定轴与所述第一齿轮固定连接且所述固定轴的轴线与所述第一齿轮的轴线重合；

可动支架，所述可动支架可转动地连接至所述固定轴；

驱动装置，所述驱动装置的输出端连接至所述第二齿轮；

其中，所述固定轴固定不动，所述第二齿轮通过所述驱动装置可转动地连接至所述可动支架，当所述驱动装置驱动所述第二齿轮转动时，所述可动支架绕所述固定轴转动。

2.根据权利要求1所述的水面倾覆翻转机构，其特征在于，

所述驱动装置为倾转驱动电机，所述倾转驱动电机包括定子和转子，所述定子固定至所述可动支架，所述转子连接至所述第二齿轮。

3.根据权利要求1~2中任一项所述的水面倾覆翻转机构，其特征在于，所述第一齿轮的齿数与所述第二齿轮的齿数相同。

4.根据权利要求1~2中任一项所述的水面倾覆翻转机构，其特征在于，所述可动支架与所述固定轴之间设有轴承。

5.一种飞行器，其特征在于，包括机身、至少一对可倾转旋翼及权利要求1~4中任一项所述的水面倾覆翻转机构；

所述水面倾覆翻转机构的固定轴固定至所述机身；

每个所述可倾转旋翼分别连接至一个所述水面倾覆翻转机构的可动支架。

6.根据权利要求5所述的飞行器，其特征在于，所述可动支架具有用于连接可倾转旋翼的连接端，所述连接端设置于靠近所述固定轴的一端。

7.根据权利要求6所述的飞行器，其特征在于，所述连接端凸出于所述水面倾覆翻转机构的第一齿轮。

8.根据权利要求7所述的飞行器，其特征在于，包括机臂及两个可倾转旋翼，所述水面倾覆翻转机构的固定轴通过所述机臂固定至所述机身，所述两个可倾转旋翼设置于所述机身的同侧。

9.根据权利要求8所述的飞行器，其特征在于，还包括两个固定旋翼，所述两个固定旋翼设置于所述机身的与所述两个可倾转旋翼相对的另一侧。

10.根据权利要求5~9任一项所述的飞行器，其特征在于，还包括电源及飞控系统、底座及浮力控制系统，所述电源及飞控系统设置于所述机身的上表面，所述底座及浮力控制系统设置于所述机身的下表面。