CN206050070U - 一种能够快速下降的多旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能够快速下降的多旋翼飞行器，包括机体，所述飞行器还包括安装于所述机体上的至少四个变距螺旋桨结构，且所述每个变距螺旋桨结构的周围均设有用于削弱涡环效应的涵道，所述机体为纺锤形，其底部为半球形，顶部为锥形，所述涵道与机体为一体化组合结构，所述机体底部设有摄像头。本实用新型提供的飞行器能够快速下降，相对于被拍摄者进行横向移动或纵向移动，实现多角度拍摄，可以实现对跳伞，跳台滑雪，蹦极等极限运动的跟踪拍摄，同时特殊的结构使其平飞时，相比于现有的多旋翼飞行器产生额外的升力，效率更高。

Description

一种能够快速下降的多旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种能够快速下降的多旋翼飞行器。

背景技术

现有的航拍无人机，即搭载摄像头的小型多旋翼或固定翼飞行器，可以利用图像识别，GPS定位等技术，自动跟随目标进行航拍，不需要人为摇控操作。目前市售的航拍无人机已经可以实现这种功能，例如，被拍摄者携带微型GPS定位模块，该模块将被拍摄者的位置信息发送到无人机上，无人机根据相对位置信息自动跟随被拍摄者飞行，实现运动状态下的跟拍。

现有技术中，公开号为CN 104808686A的专利文献公开了一种飞行器跟随终端飞行的系统及方法，其包括飞行器和终端，两者通过无线网络完成信息传输，飞行器包括卫星定位单元，无线传输单元，控制单元，终端包括卫星定位单元，无线传输单元。其中终端实时获取位置及移动信息并发送至飞行器，飞行器实时获取自身的飞行信息，对比上述终端发送的信息，计算出航向角和距离参数，控制飞行器自动跟随终端飞行。

上述专利未指明飞行器的具体类型，但现有的无人飞行器通常是固定翼，直升机或者多旋翼飞行器。其中固定翼飞行器动作不够灵活，难以实现对目标的跟随拍摄，且无法悬停。直升机结构复杂，通常搭载大型航拍设备进行勘探等航拍任务。而对人等活动目标的跟拍一般采用多旋翼飞行器，其体积较小，操纵灵活。

现有技术中的多旋翼飞行器一般有多个螺旋桨，如四个或八个螺旋桨形式的多旋翼飞行器，由中心对称分布的多个螺旋桨提供升力，各螺旋桨转速协调变化可以使无人机向各方向运动，同时可搭载相机进行航拍。现有的多旋翼飞行器依靠螺旋桨提供动力，这种类型的飞行器无法快速向下飞行，当其下降率过高时，螺旋桨会产生涡环效应，导致机身剧烈抖动。因此，在某些需要飞行器快速下降的场合，例如跳伞或蹦极运动时，运动员高速下降时对其跟踪拍摄，传统飞行器难以实现。

传统多旋翼不能快速下降的原因如附图1所示，飞行器上升和悬停状态下，如附图1(a)，气流从旋翼上方流向旋翼，经过旋翼加速后，从旋翼下方流出，这个过程中旋翼获得升力；如附图1(b)，当飞行器下降时，尤其是当下降速度等于悬停时螺旋桨的诱导速度时，旋翼陷入一个巨大的涡环中，旋翼下方的气流从桨盘边缘折向旋翼上方，大幅减小了旋翼的效率，并伴随着剧烈震动，难以控制；当下降速度进一步增大时，旋翼进入自旋状态，气流方向均向上，如附图1(c)，此时飞行状态变的可控，但由于传统多旋翼一般不能改变桨距，在这种状态下螺旋桨只能反转，同样难以控制。

不同的垂直速率对应不同的飞行状态，其中现有的小型多旋翼无人机一般下降速度Vy不能大于-1m/s，因此难以在涡环与旋翼自转状态下飞行，传统的直升机虽然能在旋翼自转状态中快速下降，但难以跨越涡环状态，也难以在快速下降过程中保持姿态的稳定。以跳伞过程的跟拍为例，跳伞者在自由落体阶段下降速度约为50～60m/s，而开伞后下降速度迅速降低，接近地面时速度降为5～10m/s，整个过程跨越了附图1中的涡环状态和旋翼自转状态，因此无论是直升机还是多旋翼飞行器，目前均无法对跳伞者进行全程的跟随拍摄，一般需要专门的摄影师与被拍摄者同时跳伞进行跟拍。对于蹦极，跳台滑雪等一些极限运动，则只能通过在运动员身上安装摄像头的方式进行拍摄。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够快速下降的多旋翼飞行器，通过安装于机体上的至少四个变矩螺旋桨结构，以及在变距螺旋桨结构的周围设用于削弱涡环效应的涵道，使其可以跟随快速下降的目标进行拍摄，垂直向下飞行速度的范围在0～70m/s或更高，同时也可以实现悬停，上升，平飞等普通多旋翼的飞行动作，以解决上述现有技术不足的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种能够快速下降的多旋翼飞行器，包括机体，所述飞行器还包括安装于所述机体上的至少四个变矩螺旋桨结构，且所述每个变距螺旋桨结构的周围均设有用于削弱涡环效应的涵道；

所述变距螺旋桨结构由电机、舵机、桨叶、空心电机轴、变距杆、变距梁及变距铰组成，所述电机通过空心电机轴带动两片桨叶旋转，且两片桨叶与所述空心电机轴之间通过变距铰连接，所述变距杆从空心电机轴中穿过，且所述变距杆顶端连接变距梁，底端连接舵机，所述舵机通过变距杆推动或拉动变距梁，所述变距梁通过两个拉杆分别带动两片桨叶。

优选地，所述机体为纺锤形，其底部为半球形，顶部为锥形。

优选地，所述涵道与机体为一体化组合结构。

优选地，所述机体底部设有摄像头。

优选地，所述机体内部设有驱动飞行器运行的电池。

本发明的有益效果在于：本发明提供的飞行器能够快速下降，可以实现对跳伞，跳台滑雪，蹦极等极限运动的跟踪拍摄，当被拍摄者快速下降时，飞行器能够跟随目标向下飞行，同时可以通过改变各螺旋桨的桨距角或转速，相对于被拍摄者进行横向移动或纵向移动，实现多角度拍摄。该飞行器同样可以像现有的多旋翼飞行器做悬停，平飞，上升等动作，其特殊的结构使其平飞时，相比于现有的多旋翼飞行器产生额外的升力，效率更高。

附图说明

如图1为现有技术中多旋翼飞行器在不同飞行状态下的气流状态图；

如图2为本发明中所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器的结构示意图；

如图3为本发明中所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器的俯视图；

如图4为图3中沿A-A方向的剖视结构图；

如图5为本发明所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器中变距螺旋桨结构的示意图；

如图6为图5的剖视结构图；

如图7为本发明所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器在不同飞行状态下涵道附近的气流状态图；

如图8为本发明所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器在不同飞行状态下的受力状态示意图；

其中，1-机体，2-涵道，3-电机，4-舵机，5-桨叶，6-空心电机轴，7-变距杆，8-变距梁，9-变距铰，10-拉杆，11-摄像头，12-电池。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2至图6所示，一种能够快速下降的多旋翼飞行器，包括机体1，所述飞行器还包括安装于所述机体1上的至少四个变矩螺旋桨结构，且所述每个变距螺旋桨结构的周围均设有用于削弱涡环效应的涵道2；所述变距螺旋桨结构由电机3、舵机4、桨叶5、空心电机轴6、变距杆7、变距梁8及变距铰9组成，所述电机3通过空心电机轴6带动两片桨叶5旋转，且两片桨叶5与所述空心电机轴6之间通过变距铰9连接，所述变距杆7从空心电机轴6中穿过，且所述变距杆7顶端连接变距梁8，底端连接舵机4，所述舵机4通过变距杆7推动或拉动变距梁8，所述变距梁8通过两个拉杆10分别带动两片桨叶5。

在本实例中，所述机体1为纺锤形，其底部为半球形，顶部为锥形。

在本实例中，所述涵道2与机体1为一体化组合结构。

在本实例中，所述机体1底部设有摄像头11。

此外，所述机体1内部设有驱动飞行器运行的电池12。

基于上述，该种飞行器每个螺旋桨结构都由电机3带动且桨距可调，推力方向可以向上或向下，且每个螺旋桨结构周围均有用于削弱涡环效应的涵道2。如图7(a)，在飞行器下降时，涵道2可以阻挡旋翼下方的空气通过桨盘边缘流向旋翼上方，从而有效减弱涡环效应；如图7(b)，在飞行器高速下降时，涵道2可以产生较强的稳定力矩，保持其竖直向下飞行。例如在飞行器快速下降的过程中，受扰动后向右倾斜时，在气流作用下涵道2的侧壁会产生向左的侧向力，该力作用于质心，产生逆时针方向的力矩，使飞行器回到竖直状态；而在飞行器平飞时，如图7(c)，机身保持倾斜状态，此时涵道2可以视为环形机翼，从剖视图中可以看出，气流流经涵道2的侧壁，产生升力Ld，同时，由于平飞时一直保持倾斜状态，上侧螺旋桨的推力要大于下侧螺旋桨的推力，因此气流速度V1＞V2，跟据伯努利效应，在图7(c)状态下，机体上方的压力小于下方的压力，该压力差产生一个额外的升力L′，作用于机体1。因此，与普通多旋翼相比，该布局的飞行器在平飞过程中产生额外的升力，效率较高。

该种飞行器采用变距螺旋桨，以适应不同工作状态下垂直速度的大幅变化，在悬停、平飞、上升状态下采用正桨距，产生升力，在下降过程中则采用负桨距，跟据下降速度的不同或者加减速的需要，桨距与转速协调变化。在不同的飞行状态下，桨距是通过以下方式控制飞行器垂直速度的：

如图8所示，图中ω表示桨叶旋转方向，α表示桨距角，V、V′分别表示螺旋桨上侧、下侧的气流速度，L表示飞行器的受力。如图8(a)所示，在上升、悬停以及平飞状态下，桨距角α为正的状态，图中ω表示桨叶旋转方向，此时气流经过螺旋桨后加速向下运动，气流速度V＜V′，飞行器获得向上的升力L。

如图8(b)表示飞行器减速下降时的状态，在跟随跳伞者拍摄时，降落伞打开后跳伞者下降速度迅速降低，此时需要飞行器减速下降。此时桨距角为正，涵道2内的气流经过螺旋桨后加速向下运动，气流速度V＜V′，飞行器获得向上的反作用力L，使飞行器减速，而涵道2外侧气流向上运动，涵道2侧壁阻止了涡环的形成，因此避免了现有直升机或多旋翼飞行器的涡环效应。

如图8(c)表示加速下降的状态，当拍摄目标下降速度大于飞行器正常的下降速度时，飞行器需要加速下降以跟随目标，此时桨距角α为负，螺旋桨下方气流经过螺旋桨后加速向上，气流速度V＞V′，飞行器获得向下的反作用力L，从而加速向下运动。

如图8(d)表示旋翼自旋下降的状态，当拍摄目标自由落体时，例如跳伞者在未开伞时的下落状态，此时飞行器利用自身重力下降，电机无需提供功率，螺旋桨在气流作用下自动旋转，随下降速度的不同，此时的螺旋桨桨距角为负或者较小的正角度。为了在自由落体过程中跟随被拍摄者，四个螺旋桨产生的升力L能够分别作小幅度改变，进而使飞行器相对于自由落体中的被拍摄者横向或纵向移动。该过程与常见的四旋翼飞行器的原理类似，即改变各螺旋桨升力L，使飞行器受到的合力方向改变，从而改变飞行器的运动状态；不同之处在于该过程在快速下降的状态下进行。每个螺旋桨改变升力的方法有两种：1、螺旋桨在气流作用下自动旋转时小幅度改变桨距角α，同时电机提供一定的功率保持螺旋桨转速恒定，此时桨距角α越小，该螺旋桨提供的升力L越小；2、桨距角α恒定，电机提供一定的功率使螺旋桨小幅度的加快或降低转动速度，使其升力L变大或变小。

综上所述，通过机体1内的电池12驱动变距螺旋桨及摄像头11，该种飞行器能够快速下降，可以实现对跳伞，跳台滑雪，蹦极等极限运动的跟踪拍摄，当被拍摄者快速下降时，飞行器能够跟随目标向下飞行，同时可以通过改变各螺旋桨的桨距角或转速，相对于被拍摄者进行横向移动或纵向移动，实现多角度拍摄。该飞行器同样可以像现有的多旋翼飞行器做悬停，平飞，上升等动作，其特殊的结构使其平飞时，相比于现有的多旋翼飞行器产生额外的升力，效率更高。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种能够快速下降的多旋翼飞行器，包括机体，其特征在于，所述机体为纺锤形，所述飞行器还包括安装于所述机体上的至少四个变距螺旋桨结构，且所述每个变距螺旋桨结构的周围均设有用于削弱涡环效应的涵道；

所述变距螺旋桨结构由电机、舵机、桨叶、空心电机轴、变距杆、变距梁及变距铰组成，所述电机通过空心电机轴带动两片桨叶旋转，且两片桨叶与所述空心电机轴之间通过变距铰连接，所述变距杆从空心电机轴中穿过，且所述变距杆顶端连接变距梁，底端连接舵机，所述舵机通过变距杆推动或拉动变距梁，所述变距梁通过两个拉杆分别带动两片桨叶。

2.根据权利要求1所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器，其特征在于，所述机体底部为半球形，顶部为锥形。

3.根据权利要求2所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器，其特征在于，所述涵道与机体为一体化组合结构。

4.根据权利要求1所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器，其特征在于，所述机体底部设有摄像头。

5.根据权利要求1所述的一种能够快速下降的多旋翼飞行器，其特征在于，所述机体内部设有驱动飞行器运行的电池。