CN203094441U

CN203094441U - 一种改进型四旋翼飞行器

Info

Publication number: CN203094441U
Application number: CN 201320022101
Authority: CN
Inventors: 孙骅; 舒怀林; 胡锦添; 陆丰文; 王业潘
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2023-01-16

Abstract

本实用新型涉及一种改进型四旋翼飞行器，该飞行器包括机身（1）、独立驱动的四个旋翼及设在机身内的电池组和飞控系统，其特征在于，所述四个旋翼中一个为主旋翼（2），三个为副旋翼（3），其中，所述的主旋翼（2）竖直设在机身（1）上部的机身旋转中心线（4）上；所述的副旋翼（3）均匀分布在以所述机身旋转中心线（4）为中心的圆周（5）上，并由径向臂（6）连接在机身（1）的侧面；所述的副旋翼（3）位于同一平面内，该平面与主旋翼（2）所在的平面平行；所述的三个副旋翼（3）中有一个副旋翼（3）及其驱动电机（7）组成舵机（8），该舵机（8）中的驱动电机（7）和与其对应的径向臂（6）之间设有驱动该旋翼绕径向臂（6）摇转的摇转机构。

Description

一种改进型四旋翼飞行器

技术领域：

本实用新型涉及一种旋翼飞机，具体涉及一种四旋翼飞机。

背景技术：

四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降(VTOL)的、多旋翼飞行器，如，公开号为CN1843847A公开的一种多旋翼飞行器。上述专利申请所述方案包括有机体，及N个(N为偶数)水平安装在机体上的数量相等、几何形状相同的正反旋翼组成，所有旋翼位于同一水平面上；正反旋翼呈360/N度夹角交替均布在机体周边，每个旋翼的转轴与机体的几何中心距离相等；正反旋翼的旋转方向相反，升力向上，各旋翼之间的扭力可相互抵消，没有尾桨或尾翼等平衡装置；每个旋翼既可以由电机或油机直接驱动，也可以通过同步带等传动装置从机体的其他部位驱动。上述专利申请还具体公开了一种四旋翼飞行器，该飞行器的四个旋翼呈90度夹角对称固定在一十字架形机体上，控制器和电池等固定在机体的中心位置，所述四个旋翼由四个电机分别独立驱动；控制两个旋翼正转而另两个反转即可抵消旋翼转动所产生的旋转力矩，改变四个旋翼之间的速差即可垂直起降、悬停、原地转动和平飞。上述专利申请所述方案虽然具有结构紧凑、升力大和不需要专门的反扭矩桨的优点，但是，四个旋翼中一个发生故障则立刻失控而坠毁。

发明内容

本实用新型所要解决的技术解决问题是一种改进型四旋翼飞行器，该飞行器可显著提高飞行的安全性。

本实用新型解决上述技术问题的方案如下：

一种改进型四旋翼飞行器，该飞行器包括机身、独立驱动的四个旋翼及设在机身内的电池组和飞控系统，其特征在于，

所述四个旋翼中一个为主旋翼，三个为副旋翼，其中，所述的主旋翼竖直设在机身上部的机身旋转中心线上；所述的副旋翼均匀分布在以所述机身旋转中心线为中心的圆周上，并由径向臂连接在机身的侧面；所述的副旋翼（3）位于同一平面内，该平面与主旋翼（2）所在的平面平行；

所述的三个副旋翼中有一个副旋翼及其驱动电机组成舵机，该舵机中的驱动电机和与其对应的径向臂之间设有驱动该旋翼绕径向臂摇转的摇转机构，该摇转机构由套在径向臂末端的轴承及其轴承座、固定在径向臂上的动力装置和铰接在所述轴承座与动力装置之间的曲柄摇杆机构组成。

为便于调节舵机中的副旋翼绕径向臂的摇转角度，所述的摇转机构中的曲柄上设有若干个铰接连杆的调节孔，以便于通过该调节孔将摇转机构中的连杆与曲柄铰接在一起，进而达到改变所述曲柄实际工作长度的目的。

由于本实用新型所述的方案将所述的主旋翼竖直设在机身上部的机身旋转中心线上，所述的副旋翼均匀分布在以所述机身旋转中心线为中心的圆周上，同时，在作为舵机的驱动电机与其对应的径向臂之间设有驱动该旋翼绕径向臂摇转的摇转机构，因此，除舵机以外，当任一旋翼及其驱动电机出现故障时，都可使所述舵机的副旋翼转动一定的角度，利用其所产生的绕机身旋转中心线转动的附加旋转力矩来平衡其它正常旋翼产生的绕机身旋转中心线转动的力矩，飞行器仍然可正常飞行并安全返回、着落。

附图说明

图1为本实用新型所述四旋翼飞行器的一个具体实施例的结构示意图（轴测图）。

图2～4为图1所示实施例的三视图，其中，图2为主视图（图1的A向视图），图3为图2的B向视图（放大），图4为图3的左视图。

图5和图6为图1所示实施例的一种使用状态结构示意图，其中，图5为主旋翼出现故障前的正常飞行状态的俯视图（图1的A向视图），图6为主旋翼出现故障后，舵机的工作状态图(图5中舵机旋转后C向放大）。

图7和图8为图1所示实施例的另一种使用状态结构示意图，其中，图7为除舵机外某一副旋翼出现故障前的正常飞行状态（图1的A向视图），图8为除舵机外某一副旋翼出现故障后，舵机的工作状态图（图7中舵机转90度后的局部放大）。

具体实施方式

参见图1和图2，整个飞行器包括机身1、独立驱动的四个旋翼及电池组和飞控系统，其中，

机身1为等边三角形，电池组和飞控系统设在其内(图中未显示)；

四个旋翼中一个为主旋翼2，三个为副旋翼3，其中，主旋翼2竖直设在机身1上部的机身旋转中心线4上；副旋翼3均匀分布在以机身旋转中心线4为中心的圆周5上，并由一径向臂6连接在机身1的侧面，二者的连接点位于所述等边三角形的角上；三个副旋翼3于同一平面内，该平面与主旋翼2所在的平面平行；

三个副旋翼中有一个副旋翼3及其驱动电机7组成舵机8，该舵机8中的驱动电机7与其对应的径向臂6之间设有驱动该旋翼绕径向臂摇转的摇转机构，该摇转机构由套在径向臂末端的轴承9及其轴承座10、固定在径向臂上的动力装置11和铰接在所述轴承座10与动力装置之间的曲柄摇杆机构组成；其中，曲柄摇杆机构依次由的轴承座10、铰接在轴承座10下部的连杆12、与连杆12下头铰接的曲柄13和通过输出轴与铰接曲柄12的动力装置11组成。

以下结合附图简要描述本实用新型所述飞行器的工作原理。

1、垂直起飞和降落

参见图1，舵机8的副旋翼3处于水平状态，主旋翼2逆时针旋转，三个副旋翼3顺时针旋转，通过飞控系统调节主旋翼2和三个副旋翼3的转速，使主旋翼2所产生的机身旋转中心线4旋转力矩与三个副旋翼3所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩相等。当主旋翼2和三个副旋翼3所产生的升力大于整个飞行器的自重时，飞行器便垂直起飞，反之则垂直降落

2、悬停

参见图1，垂直起飞后，使舵机8的副旋翼3保持水平状态，通过飞控系统调节主旋翼2和三个副旋翼3的转速，使四个旋翼所产生的升力等于整个飞行器的自重，飞行器便悬停在原地。悬停中，如果主旋翼2所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩与三个副旋翼3所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩相等，整个飞行器便在空中原地不动；如果主旋翼2所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩与三个副旋翼3所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩不等，整个飞行器便在空中绕机身旋转中心线4旋转。

3、平飞

参见图1，垂直起飞后，使舵机8的副旋翼3保持水平状态，通过飞控系统控制尾部的舵机8的副旋翼3瞬间加速或减速，使飞行器的头部稍微翘起，并使，四个旋翼所产生的推力在竖直方向上的分力等于整个飞行器的自重，主旋翼2所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩与三个副旋翼3所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩相等，四个旋翼所产生的推力在水平方向上的分力便推动飞行器向前飞行；反之，使飞行器的尾部稍微翘起，飞行器则向后飞行。在飞行过程中的加速和减速也是很容易理解的，只要控制四个旋翼转速和机身1的仰角，并使四个旋翼所产生的推力在竖直方向上的分力等于整个飞行器的自重即可实现。

4、侧向飞行

参见图1，侧向飞行的原理与平飞相同。垂直起飞后，使舵机8的副旋翼3保持水平状态，通过飞控系统控制除舵机8以外的一个副旋翼3瞬间加速或减速，使飞行器的机身1稍微倾斜，并使，四个旋翼所产生的推力在竖直方向上的分力等于整个飞行器的自重，主旋翼2所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩与三个副旋翼3所产生的绕机身旋转中心线4旋转力矩相等，四个旋翼所产生的推力在侧向水平方向上的分力便推动飞行器侧向飞行。

在上述飞行过程中，除舵机8以外，如果某一旋翼及其驱动电机出现故障时，飞行器仍然可正常飞行并安全返回、着落。上述故障可翻为两种类型，一种是主旋翼2出现故障，另一种是除舵机8外某一副旋翼3出现故障。上述两种故障下，本实用新型所述飞行器的正常飞行并安全返回、着落的原理如下所述。

1、主旋翼出现故障

参见图5和图6，当主旋翼2出现故障时，如果故障前，主旋翼2逆时针旋转，三个副旋翼3是顺时针旋转，那么故障后，所述的飞控系统则控制舵机8的副旋翼3绕径向臂6逆时针旋转一定的角度（见图6），此时，舵机8的副旋翼3便在产生的绕机身旋转中心线4顺时针旋转的附加旋转力矩，该力矩与三个副旋翼3所产生的绕机身旋转中心线4的旋转力矩大小相等，方向相反，且三个正常的旋翼所产生的升力等于整个飞行器的自重，所述飞行器仍能保持原来的飞行姿态正常飞行。同理，如果故障前三个副旋翼3是逆时针旋转，所述的飞控系统便控制舵机8的副旋翼3绕径向臂6顺时针旋转一定的角度，即可使所述飞行器也能保持原来的飞行姿态正常飞行。着落时，所述的飞控系统便控制舵机8的副旋翼3绕径向臂6的旋转角度，使三个副旋翼3所产生的绕机身旋转中心线4的旋转力矩为零，且使三个副旋翼3所产生的升力略小于整个飞行器的自重，即可安全着落。

2、除舵机外某一副旋翼出现故障

参见图7和图8，当图7中位于舵机8上方的一个副旋翼3出现故障时，如果故障前，主旋翼2是顺时针旋转，而三个副旋翼3是逆时针旋转，那么故障后，所述的飞控系统便使另一个正常的副旋翼3停转，同时，使舵机8的副旋翼3绕径向臂6逆时针转90度（见图8），并调整其转速，使其所产生的绕机身旋转中心线4顺时针旋转的附加旋转力矩与主旋翼2所产生的绕机身旋转中心线4的旋转力矩大小相等，方向相反，且三个正常的旋翼所产生的升力等于整个飞行器的自重，所述飞行器仍能保持原来的飞行姿态正常飞行。相反，当图7中位于舵机8上方的一个副旋翼3出现故障时，如果故障前，主旋翼2是逆时针旋转，而三个副旋翼3是顺时针旋转，那么故障后，所述的飞控系统便使另一个正常的副旋翼3停转，同时，使舵机8的副旋翼3绕径向臂6顺时针转90度，并调整其转速，使其所产生的绕机身旋转中心线4逆时针旋转的附加旋转力矩与主旋翼2所产生的绕机身旋转中心线4的旋转力矩大小相等，方向相反，且三个正常的旋翼所产生的升力等于整个飞行器的自重，也可使所述飞行器也能保持原来的飞行姿态正常飞行。着落时，所述的飞控系统便控制主旋翼2和舵机8的副旋翼3的转速，使作用在飞行器上的旋转力矩为零，且使主旋翼2所产生的升力略小于整个飞行器的自重，即可安全着落。

同理，当图7中位于舵机8同一侧的一个副旋翼3出现故障时，按上述原理使舵机8的副旋翼3绕径向臂6顺时针或逆时针转90度，同样可使飞行器也能保持原来的飞行姿态正常飞行并安全着落。

上述正常飞行和故障后飞行工作原理的分析都是在，飞行器的重心位于机身旋转中心线4上得出的，当飞行器的重心不在机身旋转中心线4上时，可通过调整副旋翼3的转速和舵机8的转角来使机身1始终保持水平状态。

Claims

1.一种改进型四旋翼飞行器，该飞行器包括机身（1）、独立驱动的四个旋翼及设在机身内的电池组和飞控系统，其特征在于，

所述四个旋翼中一个为主旋翼（2），三个为副旋翼（3），其中，所述的主旋翼（2）竖直设在机身（1）上部的机身旋转中心线（4）上；所述的副旋翼（3）均匀分布在以所述机身旋转中心线（4）为中心的圆周（5）上，并由径向臂（6）连接在机身（1）的侧面；所述的副旋翼（3）位于同一平面内，该平面与主旋翼（2）所在的平面平行；

所述的三个副旋翼（3）中有一个副旋翼（3）及其驱动电机（7）组成舵机（8），该舵机（8）中的驱动电机（7）和与其对应的径向臂（6）之间设有驱动该旋翼绕径向臂（6）摇转的摇转机构，该摇转机构由套在径向臂（6）末端的轴承（9）及其轴承座（10）、固定在径向臂（6）上的动力装置（11）和铰接在所述轴承座（10）与动力装置（11）之间的曲柄摇杆机构组成。

2.一种改进型四旋翼飞行器，其特征在于，所述的摇转机构中的曲柄（13）上设有若干个铰接连杆的调节孔（14）。