CN204527614U - 一种小型双旋翼无人机的操纵机构 - Google Patents

Abstract

一种适用于非共轴式小型双旋翼无人机的操纵机构，包括飞控系统托盘、主梁、旋翼系统吊舱；飞控系统托盘位于主梁中部，旋翼系统吊舱对称布置于无人机主梁的两端。旋翼采用正反桨，旋向相反；通过电机控制旋翼转速；通过控制舵机和拉杆系带动单自由度自动倾斜器转动，并使旋翼系统周期变距；采用钢片弹簧传递旋翼升力，限制并利用旋翼的挥舞运动。旋翼系统吊舱的结构为板材榫接式，用以安装舵机、电机、旋翼系统等。该双旋翼无人机能有效实施飞行器的航向、俯仰和滚转等姿态的控制，可具有较好的飞行品质，并适合小型无人机的设计特点，工艺简单、制造成本较低。

Description

一种小型双旋翼无人机的操纵机构

技术领域

本实用新型涉及无人机领域，具体涉及一种专门适用于非共轴式小型双旋翼无人机的操纵机构。

背景技术

非共轴式双旋翼无人机的研究是当前航空飞行器设计领域非常重要的研究环节之一，不但其自身具有一定的实用价值，更是研制倾转旋翼机所必须掌握的关键技术之一。由申请人申请的中国发明专利CN201410453204.0“一种双旋翼无人机”公开了一种非共轴式双旋翼无人机，通过调节旋翼系统转速以及旋翼周期变距的方法有效控制无人机的航向、俯仰和滚转，其原理如图1、2、3。该方案特点在于：以现有直升机周期变距原理、桨毂设计为基础，引入发展迅速的四旋翼无人机原理及其控制技术，通过设计半刚性旋翼和一种单自由度的自动倾斜器对现有双旋翼无人机的设计进行简化，并以电子式飞控系统控制舵机、电机操纵旋翼系统，以完成无人机的航向、俯仰及滚转等飞行动作，从而获得一种结构简单、研究简便、易于实现且飞行品质较高的双旋翼无人机。

然而，对于小型无人机而言，其设计往往受到成本、工艺手段等现实条件的约束，导致小型无人机的设计方法、结构特点等与中型、大型无人机不同。尤其是当生产批量较小、成本控制要求较高时这种约束就愈加明显。为了解决这些问题，小型无人机的研制已经形成了一些相应手段，譬如采用由轻木层板或碳纤维板等材料构成的板材榫接式结构、设计并采用一些加工简便的零部件、尽可能多的选用标准件、成熟货架产品等，以降低设计难度、节省生产制造的成本、增加设计的可实现性。

特别是，由于当前小型无人直升机、高性能直升机航模等技术较为成熟，所涉及小型双旋翼无人机的一些机构还可以通过部分引入现有成熟技术并加以改造，进行进一步的简化。譬如借鉴现有普通直升机航模中被广泛采用的旋翼系统总成、十字盘等的设计方法，通过改变其核心部件的形状、功能和安装方式，可以设计出全新的结构与机构，以适应前述所申请中国发明专利CN201410453204.0“一种双旋翼无人机”中的特殊技术要求，既能满足非共轴双旋翼无人机的飞行控制要求，又能进一步提高产品的可靠性、易维护性，并降低生产制造的难度。

实用新型内容

为了在小型双旋翼无人机上实现这种优化设计，充分保证小型无人机在低成本、易制造前提下的可实现性、易维护性，应当专门针对小型无人机的结构特点、常见制造工艺，设计出一种适用于小型双旋翼无人机的操纵机构。

为了解决这一技术问题，本实用新型采用的技术方案是：该小型双旋翼无人机由飞控系统托盘、主梁和旋翼系统吊舱组成。其中飞控系统托盘安装于主梁中部，旋翼系统吊舱对称安装于主梁两端。

旋翼系统吊舱由旋翼系统、舵机、结构支架、电机、电机座和主梁安装座等组成。两组旋翼系统由电机驱动、反向旋转，以消除自转扭矩。电机由螺栓安装于电机座上，电机通过联轴套与旋翼系统主轴相联，用以驱动旋翼，无人机的滚转由电机转速差控制。旋翼系统、舵机、电机座安装于结构支架上，由舵机驱动舵机拉杆带动单自由度自动倾斜器转动、控制旋翼系统周期变距。结构支架一侧有主梁支座，使结构支架与主梁固联。

上述小型双旋翼无人机，其旋翼系统由旋翼系统主轴、单自由度自动倾斜器、旋翼头座、桨毂、旋翼、钢片弹簧和拉杆系等组成。桨毂为机械式，分桨距铰和挥舞铰两部分。旋翼头座通过上下扭臂与自动倾斜器的动盘保持同步旋转，运转时舵机通过摇臂和拉杆带动自动倾斜器定盘倾转，驱使动盘转动，并通过拉杆带动桨距铰，使得旋翼迎角周期性变化，产生控制力矩。桨距铰和挥舞铰的结合方式限定了旋翼不能进行摆振运动，而只能进行挥舞运动，

挥舞铰上设有旋翼夹持结构，与旋翼固接，并与钢片弹簧一端贴合。钢片弹簧由螺钉与旋翼头座固定，可以传递旋翼所提供的弯矩，以完成无人机的航向和俯仰控制。

上述小型双旋翼无人机，其结构支架有结构主板、结构内板、结构外板、结构侧板、旋翼系统支座、支承架、支承架座和脚钉等组成。各结构板采用榫接式结构，其材质为碳纤维板或轻木层板，并由螺钉与旋翼系统支座、支承架座和脚钉等联接。结构主板上设有舵机安装槽和螺栓孔，用以固定舵机。结构主板和结构内板之间有主梁支座，由螺钉固定，用以与无人机主梁固联。

上述小型双旋翼无人机，其各部件在组装时，先将电机用螺钉固定于电机座上，再通过结构支架底部的榫头与电机座上的榫槽配合，使用螺钉将电机座与脚钉上的螺纹孔拧紧。将旋翼系统主轴插入旋翼系统支座，并使用联轴套和紧定螺钉将旋翼系统主轴与电机的动力输出轴相联。将单自由度自动倾斜器上的转轴插入支承架上设有的孔，保证单自由度自动倾斜器可以绕转轴倾转，连接舵机和拉杆，以操纵旋翼系统。最后通过主梁支座和螺栓将旋翼系统吊舱与主梁固联。

附图说明

本实用新型的有益效果在于：通过采用适用于小型无人机的板材榫接式结构，以及通过引入现有小型无人直升机技术，对一些业已通过实践检验，已被充分证明其可行性、可靠性的成熟设计加以针对性地改造，转而设计出专门适用于小型双旋翼无人机的操纵机构，以使该小型双旋翼无人机的设计结构简单、工艺性强，使得双旋翼无人机的小型化、低成本的目的得以实现。

图1为本实用新型背景技术摘图暨俯仰和滚转姿态控制原理图；

图2为本实用新型背景技术摘图暨航向姿态控制原理图；

图3为本实用新型背景技术摘图暨旋翼挥舞运动受力分析图；

图4为本实用新型的整体效果图；

图5为本实用新型的旋翼系统吊舱外侧局部放大视图；

图6为本实用新型的旋翼系统吊舱内侧局部放大视图；

图7为本实用新型旋翼系统吊舱的分解图；

图8为本实用新型旋翼系统的分解图；

图9为本实用新型周期变距机构分解图；

图10为本实用新型旋翼系统周期变距的运动示意图；

图11为本实用新型结构支架的分解图。

具体实施方式

图中：1飞控系统托盘、2主梁、3旋翼系统吊舱、4旋翼系统、5舵机、6结构支架、7电机、8主梁安装座、9电机座、10联轴套、11舵机拉杆、12旋翼系统主轴、13单自由度自动倾斜器、14旋翼叶片、15旋翼头座、16钢片弹簧、17桨距铰、18挥舞铰、19倾斜器简支铰、20定盘、21动盘、22向心关节轴承、23拉杆、24定盘球铰、25动盘球铰、26桨距铰球铰、27上扭臂、28下扭臂、29结构主板、30结构内板、31结构外板、32结构侧板、33旋翼系统支座、34支承架、35支承架座、36脚钉

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

欲实现飞行器的飞行并保证较好的飞行品质，应保证飞行器的航向、俯仰和滚转完全可控。如背景技术CN201410453204.0“一种双旋翼无人机”所描述的原理，如图1、2、3：本实用新型通过控制电机转速ω₁与ω₂不同，带动旋翼转动产生的升力F₁与F₂不同，以控制滚转姿态；通过控制单自由度自动倾斜器，使旋翼周期变距产生f_min与f_max大小变化、位置交替，以控制俯仰姿态；通过旋翼挥舞运动产生力F₃与F₄，以控制航向。

本实用新型的结构如图4所示：该小型双旋翼无人机由飞控系统托盘1、主梁2和旋翼系统吊舱3组成。飞控系统托盘1安装于主梁2中部。旋翼系统吊舱3对称安装于主梁2两端，旋翼为正反桨。两组旋翼系统吊舱安装完成后的效果如图5、6。

旋翼系统吊舱结构3如图7所示：由旋翼系统4、舵机5、结构支架6、电机7、主梁安装座8和电机座9等组成。两组旋翼系统4由电机7驱动、反向旋转，以消除自转扭矩。电机7由螺钉安装于电机座9上，电机7通过联轴套10和紧定螺钉与旋翼系统主轴12相联。通过调节两侧电机的转速、产生的拉力F₁与F₂变化，可以控制无人机的滚转。

旋翼系统4、舵机5、电机座9安装于结构支架6上，由舵机5驱动舵机拉杆11带动单自由度自动倾斜器13转动、控制旋翼叶片14周期变距。结构支架6一侧有主梁安装座8，由螺钉固定于结构支架6上，用以安装主梁2。

上述小型双旋翼无人机，其旋翼系统4如图8所示：由旋翼系统主轴12、单自由度自动倾斜器13、旋翼叶片14、旋翼头座15、钢片弹簧16等组成。单自由度自动倾斜器13嵌套于旋翼系统主轴12上，旋翼头座15与旋翼系统主轴12固联。桨毂为机械式，分桨距铰17和挥舞铰18两部分，其中桨距铰17接于旋翼头座15上，并连接轴轴线转动，以调节桨距；桨距铰17上有竖置的开槽和横置的螺钉，用以铰接挥舞铰18，使挥舞铰18可以上下摆动。挥舞铰18一端的夹持结构将旋翼叶片14夹紧固联，并随其上下摆动、形成旋翼的挥舞运动。旋翼头座15顶部有螺钉固定的钢片弹簧16，其两端端面由螺钉与挥舞铰18顶面固定，用以限制旋翼的挥舞运动，以及传递旋翼叶片14上的升力。随着旋翼周期变距，两侧的旋翼叶片14产生的升力不同，钢片弹簧16两端的形变也不同，旋翼挥舞的幅度不同，使得升力f_min与f_max大小变化、位置交替。当f_min与f_max在y轴同侧时无人机通过调节其大小、方向完成俯仰控制。当f_min与f_max在y轴异侧时，实现如图3所示的旋翼挥舞运动和受力分解，最终通过旋翼系统主轴12将径向力F₃与F₄传递到无人机机身。在两组旋翼共同作用下可完成如图2所示的无人机航向控制。

可见，欲完成该双旋翼无人机的控制、实现以上内容，还需要对无人机的旋翼系统4进行周期变距。周期变距的原理如图9：单自由度自动倾斜器13包括定盘20和动盘21，由向心关节轴承22嵌套于旋翼系统主轴12上。定盘20上以90°均匀分布着4个法兰耳，其中两个用以安装斜器简支铰19，两个用以安装定盘球铰24；安装方式为对称安装。倾斜器简支铰19简支于结构支架6上，使得单自由度自动倾斜器13可绕倾斜器简支铰19倾转。舵机拉杆11接于定盘球铰24上，当舵机5动作时，舵机拉杆11带动定盘20倾转，推动动盘21同步倾转。动盘21上均匀分布着4个动盘球铰25，拉杆23的一端与之相联，另一端与桨距铰球铰26相联。随着动盘21的倾转，带动拉杆23并带动桨距铰17转动，旋翼叶片14的迎角发生变化。当旋翼系统主轴12转动时，旋翼头座15通过上扭臂27和下扭臂28与倾斜器的动盘21保持同步旋转，在拉杆23的带动下旋翼迎角周期性变化，从而完成如图1、2所示的受力变化。其运动示意图如图10。

由于以上机构的作用，无人机的航向、俯仰和滚转控制得以保证。

上述小型双旋翼无人机，其结构支架6如图11：由结构主板29、结构内板30、结构外板31、结构侧板32、旋翼系统支座33、支承架34、支承架座35和脚钉36等组成。各结构板采用榫接式结构，其材质为碳纤维板或轻木层板，并由螺钉与旋翼系统支座33、支承架座35和脚钉36等联接，以保证强度。结构主板29上设有舵机安装槽，用以固定舵机5。结构主板29和结构内板30之间有主梁支座8，用以与主梁2固联。支承架34由螺钉固定在支承架座35上，支承架34上设有一列小孔，由倾斜器简支铰19穿过小孔、形成铰链，用以支承 单自由度自动倾斜器13，并保证其转动。通过选择支承架34上的小孔，可以选择单自由度自动倾斜器13的安装高度，并最终决定旋翼叶片14的安装角。

上述小型双旋翼无人机，其各部件在组装时，先将电机7用螺钉固定于电机座9上，再通过结构支架6底部的榫头与电机座9上的榫槽配合，使用螺钉将电机座9与脚钉36上的螺纹孔拧紧。将旋翼系统4上的旋翼系统主轴12插入旋翼系统支座33，并使用联轴套10和紧定螺钉将旋翼系统主轴12与电机7的动力输出轴相联。

通过以上的机构与结构设计，可以实现小型双旋翼无人机的航向、俯仰和滚转控制，有效控制无人机的飞行。

Claims (1)

1.一种小型双旋翼无人机的操纵机构，包括有飞控系统托盘、主梁和旋翼系统吊舱；飞控系统托盘安装于主梁中部；旋翼系统吊舱对称安装于主梁两端，旋翼为正反桨；旋翼系统吊舱由旋翼系统、舵机、结构支架、电机、主梁安装座和电机座组成，倾斜器简支铰与支承架配合形成铰链，使得单自由度自动倾斜器可以绕铰链轴线转动，由舵机拉杆带动单自由度自动倾斜器对旋翼进行周期变距，其特征在于：

单自由度自动倾斜器的定盘上90°均匀分布着4个法兰耳，用以分别安装倾斜器简支铰和定盘球铰，安装方式为180°对称安装，倾斜器简支铰和定盘球铰的安装轴线穿过向心关节轴承球心；

旋翼系统桨毂为机械式，分为桨距铰和挥舞铰，桨距铰上有竖置的开槽，通过螺钉将挥舞铰铰接于开槽中，可以沿开槽方向上下摆动；挥舞铰一端有旋翼叶片夹持结构，用以将旋翼叶片固定；

旋翼系统顶部设置有钢片弹簧，钢片弹簧被固定在旋翼头座上，为弹性体，两端与挥舞铰贴合，用以传递旋翼升力、限制挥舞运动幅度；旋翼叶片受周期变距作用不等幅地挥舞，可在旋翼系统主轴上产生径向力；

旋翼系统吊舱采用板材榫接式结构，用以承受操纵系统安装后的结构载荷，具体由结构主板、结构内板、结构外板、结构侧板、旋翼系统支座、支承架、支承架座和脚钉组成；并由螺钉与旋翼系统支座、支承架座和脚钉联接，以保证强度；结构主板上设有舵机安装槽，用以固定舵机；结构主板和结构内板之间有主梁安装座，用以与主梁固联；支承架上设有一列小孔，用以选择单自由度自动倾斜器的安装高度，并由此确定旋翼叶片的安装角。