CN201367115Y - 一种可折叠的四轴多旋翼飞行器 - Google Patents

一种可折叠的四轴多旋翼飞行器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种可折叠的四轴多旋翼飞行器。常见的四旋翼飞行器不可折叠，不便携带运输，结构复杂，不易加工。本实用新型包括一个主机体、四组电机安装罩、连接电机安装罩与主机体的四组支撑臂、多组几何形状相同成对的正反旋翼以及扣件构成；四组支撑臂外端分别与四组电机安装罩连为一体，旋翼被固定于四组电机安装罩上，四组支撑臂内端被扣件半紧固于扣件固定轴上，外端可绕扣件固定轴竖直方向转动，其可衍生两种产品形态即四轴单层四旋翼飞行器和四轴双层八旋翼飞行器，且携带方便，四轴联动，运动更加灵活。本实用新型的四组支撑臂均可绕扣件连接轴实现上下转动，收拢于主机体下方，呈类似柱状体，结构紧凑，体积小巧，便于携带运输。

Description

一种可折叠的四轴多旋翼飞行器
技术领域
本发明涉及一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其可以被广泛用于军事及民用领域。
背景技术
具有垂直起降和悬停等功能的旋翼飞行器，大体上可以分为两类。
一类是旋翼直升机，大致包括单旋翼、双旋翼、倾转旋翼等结构形式，典型代表如美国麦道公司的MH-16直升机、俄罗斯的卡-29直升机、美国波音公司与贝尔公司的倾转旋翼机V-22和V-44等。单旋翼直升机需要尾桨结构来抵消旋翼对机体产生的扭力，倾转旋翼机需要在垂直起飞和平飞状态进行旋翼翼面的倾转。其存在的共同问题是主桨直径相对于机体较大，结构复杂，灵活性与平稳性较差，且飞行器的升力与重量之比较低，如果设计成小型飞行器则带载能力十分有限。
另一类是多旋翼飞行器，常见的是四旋翼飞行器。四旋翼飞行器通过支撑臂连接前后和左右两组共四个旋翼，每组旋翼旋向相同，两组旋翼分别互为正反旋翼，两组旋翼旋向相反，以此抵消机体扭力矩，保持机体平衡，并且通过改变旋翼转速来改变升力，进而改变四旋翼直升机的姿态和位置。由于其结构紧凑，运动灵活，一般适宜在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。但由于常见的四旋翼飞行器支撑臂与主机体固定一体，几何尺寸较大，不便于携带。
发明内容
本发明的目是提供一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其结构简单，能折叠收缩，便于携带运输，且运动动力与重量比以及灵活性较好。
本发明的技术解决方案是：四轴多旋翼飞行器外形结构包括一个主机体、四组电机安装罩、连接电机安装罩与主机体的四组支撑臂、四组旋翼以及扣件联合构成。主机体为独立部件，形状为圆形、椭圆、方形等壳体，或其他变形体，其显著特征是中空，用于放置飞行器控制系统、辅助电子元器件、机电等配件。主机体通过扣件与支撑臂联为一体，四组支撑臂可以通过扣件固定轴向下滑动收拢或向上展开。四组支撑臂完全展开时四组支撑臂外端被扣件固定卡槽卡紧固定，此时四组支撑臂位于同一水平面，相互间夹角90°。支撑臂外端连接电机安装罩，支撑臂中空，贯穿连接线或供油管，可为圆形、椭圆、方形，或其他形状。电机安装罩位于支撑臂外端，可为圆柱、椭圆柱、三棱柱、四棱柱、五棱柱等变形体，但不局限于上述形状，其显著特征为中空，用于放置发动机及其调控系统，上下端口分别连接上下两个正反旋翼或或仅在电机安装罩上端安装一个旋翼。当每组支撑臂所连接的旋翼数为1时，其为四轴单层四旋翼飞行器，其要求前后支撑臂与左右支撑臂所连接的两组旋翼互为正反旋翼，其正反旋翼位于同一水平面、大小相等、旋向相反，以相互抵消扭力矩。当每组支撑臂所连接的旋翼数为2时，其为四轴双层八旋翼飞行器，其只要求每个电机安装罩所连接的上下旋翼为大小相等的一组正反旋翼，其旋向相反，升力向上，每组旋翼所产生的扭力矩可直接相互抵消，而对8个旋翼的大小以及是否处于同一个水平面不做要求。无论四轴单层四旋翼飞行器还是四轴双层八旋翼飞行器，每个旋翼的桨片数量可以为1，2，3，4，或更多。该四轴多旋翼飞行器工作时四轴被相应扣件固定呈以主机体为中心的辐射状结构，四轴相互间夹角90°；该飞行器停止工作时，四组支撑臂可以沿扣件固定轴竖直向下转动收拢，便于携带运输。
无论是本发明衍生的四轴单层四旋翼飞行器，以及四轴双层八旋翼飞行器，都不需要尾桨或尾翼等平衡装置，其可折叠设计可以根据需要对支撑臂折叠或展开。由于该飞行器所衍生的两款产品的合扭力矩可恒为零，通过改变每组(个)旋翼转速，该飞行器可实现飞行器的自平衡及垂直升降、悬停、平飞及偏航、横滚、俯仰等姿态变化。
本发明相对于现有技术的优点如下：
本发明衍生的四轴单层四旋翼飞行器改进了一般四旋翼飞行器结构设计，使其在配套扣件作用下可以竖直方向收拢、展开，结构轻巧，便于携带运输，相对于旋翼直升机，无论在结构轻巧、灵活性与平稳性以及飞行器的升力与重量比方面已经有较大进步，而本发明衍生的四轴双层八旋翼飞行器相对一般四旋翼飞行器又有四大创新：第一，平衡机理不同，四旋翼飞行器是依靠前后、左右两组正反旋翼(共处一水平面)旋向相反来抵消扭力，本发明是依靠每组支撑臂上的上下正反旋翼来消除扭力，效率更高；第二，由于机理不同，一般多旋翼飞行器支撑臂及其旋翼数量是相等的，且都是2的整数倍，支撑臂的臂长相等，且处于同一水平面，旋翼单层，几何尺寸相等，且处于同一水平面。本发明公开的飞行器，支撑臂四组，支撑臂可以根据需要等长，也可以不等长，可以位于同一水平面也可以分处不同水平面，旋翼只约束每个电机安装罩所连接的上下旋翼的几何尺寸相等，不要求全部旋翼几何尺寸相等，根据需要其上下两层八个旋翼可处于上下两个水平面(上水平面四个旋翼，下水平面四个旋翼)，也可以处于更多水平面；第三，本发明公开的飞行器，由于机理、结构有本质区别，其结构更轻巧，动力与重量比更优，更适合在狭窄、复杂的环境飞行；第四，本发明公开的飞行器，同时公开了其可折叠的部件及原理，更便于携带、运输。
附图说明
下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明：
图1：四轴单层四旋翼飞行器结构及旋翼运动示意图
图2：四轴双层八旋翼飞行器结构及旋翼运动示意图
图3：四轴多旋翼飞行器配套扣件11结构构成示意图
图4：四轴多旋翼飞行器配套扣件14结构构成示意图
图5：四轴多旋翼飞行器配套扣件11，14结合构成示意图
图6：四轴多旋翼飞行器配套扣件14与支撑臂插套固定示意图
图7-图8：四轴多旋翼飞行器支撑臂展开与收拢示意图
图9：四轴单层四旋翼飞行器运动航姿示意图
图10：四轴双层八旋翼飞行器运动航姿示意图
具体实施方式
本发明所公开的四轴多旋翼飞行器，可衍生出两种产品结构，一种是四轴单层四旋翼飞行器，一种是四轴双层八旋翼飞行器。四轴单层四旋翼飞行器与一般的四旋翼飞行器平衡原理一致，也是通过支撑臂连接前后和左右两组旋翼互为正反旋翼，其旋翼的旋向相反，以此抵消扭力矩，保持机体平衡，并且通过改变旋翼转速来改变升力与飞行器运动姿态，区别的地方在于本发明公开了一组扣件组合，通过扣件的相互开合配合，可以自由地将飞行器四组支撑臂竖直向下收拢于主机体下端，呈一类似圆柱状的造型，这样节省了空间，结构更紧凑，便于携带运输。另一衍生产品四轴双层八旋翼飞行器，其平衡机理与一般四旋翼飞行器不同，表现为：第一，平衡机理不同，四旋翼飞行器是依靠相对应的两组支撑臂上的两组正反旋翼(共处一水平面)所产生的相反旋向来抵消扭力，其相反旋向所产生的扭力要依靠两组支撑臂传递，并在主机体与四支撑臂结合处发生抵消，而本发明所公开的飞行器每组(个)支撑臂上的上下旋翼为正反旋翼，可直接作用于电机安装罩来消除扭力，效率更高，机体更易自平衡及姿态控制；第二，由于机理不同，一般多旋翼飞行器支撑臂及其旋翼数量是相等的，且都是2的整数倍，支撑臂的臂长相等，且处于同一水平面，旋翼单层，几何尺寸相等，且处于同一水平面。本发明公开的四轴双层八旋翼飞行器，四组支撑臂可以根据需要等长，也可以不等长，可以位于同一水平面也可以分处不同水平面，旋翼只约束每组上下正反旋翼的几何尺寸相等，不要求全部旋翼几何尺寸相等，根据需要其上下两层八个旋翼可处于上下两个水平面(上水平面四个旋翼，下水平面四个旋翼)，也可以处于更多水平面；第三，本发明公开的四轴双层八旋翼飞行器，由于机理、结构有本质区别，其结构更轻巧，动力与重量比更优，更适合在狭窄、复杂的环境飞行；第四，本发明公开的四轴双层八旋翼飞行器，同时公开了其可折叠的部件及原理，更便于携带、运输。
本发明提供的实施例以四轴单层四旋翼飞行器为主，以四轴双层八旋翼飞行器为辅，分别介绍其结构及折叠原理、平衡原理、飞行控制原理，其具体实施方式如下：本发明涉及的几组扣件及其装配示意如图3、图4、图5、图6所示，扣件11为一圆形造型，其上固定轴12与扣件14的固定轴穿孔16连接，扣件14的支撑臂连接管15又与四组支撑臂内端管径套接固定，支撑臂外端可根据需要被扣件11固定卡槽13紧固；支撑臂连接管15为带孔的圆柱形，中间带孔可穿引连接线等，其直径小于支撑臂管径，可以插入到支撑臂圆管内，起到将扣件14与支撑臂插合连接作用，然后用螺杆穿扣件14固定轴穿孔16固定在扣件11固定轴12上，这样支撑臂内端被半紧固在扣件11固定轴12上，除非彻底拆卸，支撑臂这一固定端在飞行器展开或折叠时都无须反复拆装。支撑臂2以扣件几何中心一一对称，支撑臂另一外端可绕固定轴12上下转动，根据需要可被固定于扣件11的支撑臂固定卡槽13内，卡槽的管径设计与支撑臂管径大小尺寸一致，因此依靠卡口的压力，使支撑臂固定非常牢稳，整体机体展开呈“十字”状，支撑臂位于同一水平面，相互成90度夹角，飞行器其他装配完成后可飞行。飞行器主机体1通过螺钉固定于扣件11、扣件14所组成图样的上部或下部，主机体1下部可根据需要配置飞行器起降架及商载。飞行器完成飞行需要折叠时，如图7、图8所示，四组支撑臂外端朝下加力，扣件11两侧的卡口的双斜面设计可使支撑臂外端被挤滑出扣件11的支撑臂固定卡槽13，这样四组支撑臂外端可绕扣件11固定轴12向下收拢，实现飞行器折叠，折叠后的机体大致呈一柱状结构，体积可极大减少，便于运输携带。主机体内部安装有飞行器控制系统、辅助电子元器件(如GPS、陀螺仪)、电池等配件，其形状为圆形、椭圆、方形、三角形或其它变形中空壳体。线路或供油管通过支撑臂空心涵道连接四组电机安装罩；电机安装罩10与支撑臂一体或通过扣件连为一体，为中空；上下端口分别设置一组上下两个正反旋翼，其中间设置隔板层将空间分为上下两层，分别放置两组发动机及其控制系统。由于本发明根据电机安装罩端口安装旋翼数量衍生两种产品，其分别为四轴双层八旋翼飞行器和四轴单层四旋翼飞行器，下面分别介绍其机理与结构，如图1、图2所示。如果是四轴双层八旋翼飞行器，电机安装罩上下端将安装一组两个正反旋翼，由于其扭力矩可直接被抵消，故每组支撑臂扭力矩恒等于零，所以该款飞行器对支撑臂是否等长、是否位于同一水平面无特殊要求，只要求每组上下的旋翼大小相等而不要求全部旋翼大小相等，具体如图2所示。如果是四轴单层四旋翼飞行器，则电机安装罩顶端只需要安装一个旋翼，支撑臂2和支撑臂4(其为一组支撑臂)连接的旋翼与撑臂3和支撑臂5(其为一组支撑臂)连接的旋翼互为两组正反旋翼，两组旋翼位于同一平面，其旋翼尺寸相等，转向相反，升力向上，使飞行器所产生的正反扭力矩抵消，实现飞行器自平衡，具体如图1所示。飞行器运动控制如图9、图10所示，其中图9显示的是四轴单层四旋翼飞行器的运动姿态变化：两组旋翼6，8和7，9以相反的方向旋转，通过改变旋翼转速，就可以改变升力并产生各种姿态动作。如同时增加或减小四个旋翼的速度可产生垂直升降运动。如果四个旋翼转速维持不变，则机体处于悬停状态。相应的，如果旋翼7，9转速维持不变，旋翼6加速而旋翼8速度不变，前后旋翼6和旋翼8之间推力的差异使机体产生俯仰力矩，从而出现机体的向前倾斜或向后倾斜；同理，左右动作的转换是通过左右旋翼7，9推力的差异来获得的，从而使机体产生向左侧滚或向右侧滚。偏航运动则相对复杂，因为它来自于每对旋翼反力矩的差异，如图9所示，如果正旋翼6，8所产生的扭力矩大于反旋翼7，9所产生的扭力矩，则机体产生左右偏航。
四轴双层八旋翼飞行器飞行控制机理与四轴单层四旋翼飞行器机理类似，如图10所示，不再赘述，需要指出的是由于其每组上下旋翼扭力矩直接抵消，整个机体更容易控制运动姿态。总之本发明所公开的两款飞行器均可通过调整旋翼的速度实现飞行器垂直升降、悬停、偏航、倾斜、平飞、翻滚等不同的航姿。
本发明旋翼也可采用以提高抗风能力和提高升力的涵道结构。
本发明公开的飞行器下部可以添置飞行器起降架，携带数码相机、摄像机等商载；该飞行器可以通过遥控的方式控制飞行，也可以借助GPS、陀螺仪、气压计、加速计等辅助器件实现更精确的自主飞行控制；该飞行器可以通过电机或油机直接驱动。
通过以上所述，本发明相对于现有技术的优点如下：本发明衍生的四轴单层四旋翼飞行器通过改进了一般四旋翼飞行器四组支撑臂，使其在配套扣件11，14作用下可以竖直收拢、水平展开，结构轻巧，易于携带运输，相对于旋翼直升机，无论在结构轻巧、灵活性与平稳性以及飞行器的升力与重量比方面已经有较大进步，而本发明衍生的四轴双层八旋翼飞行器相对一般四旋翼飞行器又有四大创新：第一，平衡机理不同，四旋翼飞行器是依靠两组支撑臂上的两组正反旋翼(共处一水平面)旋向相反来抵消扭力，扭力的抵消要靠支撑臂传递，扭力抵消效果有限，本发明是依靠每组支撑臂上的上下正反旋翼来直接消除扭力，效率更高；第二，由于机理不同，一般多旋翼飞行器支撑臂及其旋翼数量是相等的，且都是2的整数倍，支撑臂的臂长相等，且处于同一水平面，旋翼单层，几何尺寸相等，且处于同一水平面。本发明公开的飞行器，支撑臂可以为N，N为大于1的自然数，支撑臂可以根据需要等长，也可以不等长，可以位于同一水平面也可以分处不同水平面，旋翼只约束每组上下旋翼的几何尺寸相等，不要求全部旋翼几何尺寸相等，根据需要其上下两层八个旋翼可处于上下两个水平面(上水平面四个旋翼，下水平面四个旋翼)，也可以处于更多水平面；第三，本发明公开的飞行器，由于机理、结构有本质区别，其结构更轻巧，动力与重量比更优，更适合在狭窄、复杂的环境飞行；第四，本发明公开的飞行器，同时公开了其可折叠的部件及原理，更易于携带、运输。
本发明可以被广泛用于军事及民用领域。军事领域主要可以进行低空军事侦察、监视、战场损伤评估等；作为反辐射和微型攻击武器，摧毁敌方雷达等电子设施以及携带微型战斗部进行攻击；用于目标搜索和通信中继；进行生化探测，并标定危险区域等。在民用方面，本发明可以用于交通监控、边境巡逻、森林及野生动植物勘测、航空摄影、输电线路检查、环境监测、气象监测、森林防火监测等。

Claims (7)

1、一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其特征在于：飞行器的结构由包括一个主机体(1)、四组电机安装罩(10)、连接电机安装罩与主机体的四组支撑臂(2，3，4，5)、多组几何形状相同成对的正反旋翼以及扣件(11，14)构成；四组支撑臂外端分别与四组电机安装罩(10)连为一体，旋翼被固定于四组电机安装罩(10)上，四组支撑臂内端被扣件(14)半紧固于扣件(11)固定轴(12)上，外端可绕扣件(11)固定轴(12)竖直方向转动，当四组支撑臂外端被扣件(11)支撑臂固定卡槽(13)卡紧时，整个机体展开呈“十字”状，四组支撑臂位于同一水平面，且相互夹角90度，主机体(1)通过螺钉与扣件(11)固定于一体。
2、根据权利要求1所述的一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其特征在于：飞行器的主机体(1)的内部设置用于放置飞行器控制系统、辅助电子元器件、电池等配件的中空腔体，其形状为圆形、椭圆、方形、三角形中空壳体，壳体通过扣件(11)机械固定与四组支撑臂连为一体。
3、根据权利要求1或2所述的一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其特征在于：支撑臂共四组，以扣件(11)几何中心一一对称，支撑臂(2)与支撑臂(4)、支撑臂(3)与支撑臂(5)各为一组对称臂；四组支撑臂通过扣件(14)和固定轴穿孔(16)与扣件(11)的固定轴(12)连接，且其外端可绕固定轴(12)上下竖直转动；支撑臂中空，内设置连接线或供油管。
4、根据权利要求3所述的一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其特征在于：所述的电机安装罩(10)与支撑臂一体或通过扣件联为一体；安装罩(10)为中空，用于放置发动机等部件；电机安装罩上下端各设置一组上下两个正反旋翼，其中间设置隔层板将空间分为上下两层，分别放置两组发动机及其调控系统。
5、根据权利要求4中所述的一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其特征在于：所述的旋翼固定于电机安装罩中央端口，旋翼几何尺寸相等；
1)当旋翼数量N＝4时，旋翼被固定于电机安装罩(10)上端几何中心，旋翼(6，8)为一组正旋翼，旋翼(7，9)为一组反旋翼，四个旋翼全部位于同一水平面，呈单层四旋翼结构；
2)当旋翼数量N＝8时，旋翼被固定于电机安装罩(10)上下端口的几何中心，每个支撑臂所连接的上下两个旋翼为一组正反旋翼。
6、根据权利要求5所述的一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其特征在于：所述的扣件(11)为一圆形造型，其上固定轴(12)与扣件(14)的固定轴穿孔(16)连接，扣件(14)的支撑臂连接管(15)又与四组支撑臂内端管径套接固定，支撑臂外端可根据需要被扣件(11)固定卡槽(13)紧固；扣件(14)的支撑臂连接管(15)为带孔的圆柱体，其直径小于支撑臂管径，可与支撑臂端口套接固定支撑臂内端。
7、根据权利要求6所述的一种可折叠四轴多旋翼飞行器，其特征在于：所述的旋翼也可采用以提高抗风能力和提高升力的涵道结构。
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