CN220181103U - 一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，包括机架和机臂，机架上安装有机架连接件，机架通过机架连接件与机臂相连，机臂的数量为三且呈放射状均匀分布在机架上，机臂的端部安装有旋转机构和动力组，旋转机构带动动力组转动；机架内部安装有电池，机架的底部安装有起落架，电池分别与旋转机构和动力组电连接。本实用新型所提供的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，充分发挥三旋翼无人机的优势之处，同时解决了三旋翼无人机稳定性差，操纵性差，抗干扰能力差及容错性差的问题。

Description

一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机

技术领域

本实用新型属于无人机技术领域，具体涉及一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机。

背景技术

旋翼机已经成为了无人机领域中一种非常常见的飞行器类型。在无人机的设计中，四旋翼是一种广泛采用的配置方案。四旋翼指的是具有四个独立旋转的旋翼，分布在飞行器的四个角落。每个旋翼通过调节转速和螺旋桨叶片的角度，以实现飞行控制。四旋翼设计在无人机领域中变得流行的原因是它具有许多优势。首先，四旋翼具有较高的稳定性和悬停能力。通过对四个旋翼进行智能调控，可以实现精确的悬停和操纵。其次，四旋翼在起降时不需要特定的起飞或降落跑道，因为它可以垂直起降，适应各种环境和场地。此外，四旋翼结构相对简单，容易维护和操作。这使得它成为广泛应用于航拍、物流配送、农业检测等领域的理想选择。

然而，随着无人机技术的不断发展和应用场景的多样化，对旋翼机的需求也在不断演变。一些应用场景对于更高的飞行效率和负载能力提出了要求。例如，一些长航时任务需要较大的续航能力，而一些携带重物的任务需要更高的负载能力。这就引出了对于新型旋翼机配置方案的探索。三旋翼是一种在无人机领域中逐渐受到关注的配置方案。它采用三个独立旋转的旋翼，分布在飞行器的三个角落。相较于四旋翼，三旋翼具有一些独特的优势。首先，三旋翼在效率方面有所提升。由于只有三个旋翼，相比四旋翼减少了一个旋翼，它能够减小气动阻力，提高飞行效率。其次，三旋翼的设计可以提供更高的负载能力，因为每个旋翼承担的负载更大。此外，三旋翼相比四旋翼还具有更好的机动性能。通过适当的控制策略，三旋翼可以实现更灵活、更敏捷的飞行动作，例如快速的加速、急转弯和高速飞行。此外，三旋翼还有助于减少整体飞行器的重量和复杂度。相比于四旋翼，三旋翼减少了一个旋翼和相关的传动系统，从而减少了飞行器的结构重量和维护成本。同时，由于减少了一个旋翼，三旋翼的气动布局也更加简洁，使得两个旋翼与机身之间的夹角增大，更便于安装视觉，雷达等各类传感器，以使得其能应用于更多需要智能化的场景。

然而，三旋翼本身的构型特点也决定了其难以具备与四旋翼相当的稳定性，由于只有三个旋翼提供升力，飞行器在垂直和横向方向上的稳定性可能会受到影响。三个旋翼也无法消反作用力矩，使得需要更复杂的控制算法和技术来实现稳定的飞行。其次，三旋翼的纠正能力也会较差，当一个旋翼受到外部扰动时，其他旋翼可以通过调整转速和推力来平衡飞行器，使其保持平稳飞行。相比之下，三旋翼无人机在受到扰动时可能更容易失去平衡，因为只有两个旋翼可以提供纠正力。除此之外，三旋翼不具备安全冗余性，若其中一个动力旋翼出现故障，无法依靠剩余的旋翼保持稳定并降落。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种推进效率高、稳定性好、操纵性好、抗干扰能力强的具有高机动性高可控性的三旋翼无人机。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，包括机架和机臂，机架上安装有机架连接件，机架通过机架连接件与机臂相连，机臂的数量为三且呈放射状均匀分布在机架上，机臂的端部安装有旋转机构和动力组，旋转机构带动动力组转动；机架内部安装有电池，机架的底部安装有起落架，电池分别与旋转机构和动力组电连接。

优选地，所述机架包括平行布置的上机架板和下机架板，机架连接件和电池均位于上机架板和下机架板之间，上机架板和下机架板结构相同，上机架板呈三角形结构，上机架板和下机架板上均设有机架板孔，螺钉穿过机架板孔分别与机架连接件和电池相连。

优选地，所述机架连接件包括两个互相平行布置的机架连接块，机架连接块为长方体结构，机架连接块的中间开设有机架连接块通孔，机臂穿设于机架连接块通孔，且机臂与机架连接块固连。

优选地，所述机臂为圆柱体的管状结构，机臂为碳纤维管。

优选地，所述旋转机构包括电机安装座、轴承、倾转舵机和固定片，轴承套设在机臂的端部且固连，固定片位于机臂内且与机臂固连，动力组安装在电机安装座的端部，电机安装座的另一端套设在轴承上，倾转舵机安装在电机安装座上，倾转舵机的输出轴与固定片固连，倾转舵机工作时自身旋转带动电机安装座转动，从而带动动力组转动。

优选地，所述电机安装座包括固连为一体的电机安装座板和电机安装座环，电机安装座环的截面为圆环状结构，电机安装座板上设有电机安装座通孔和电机安装座板槽，动力组安装在电机安装座通孔上，并通过连接件固连，倾转舵机安装在电机安装座板槽内并通过螺栓与电机安装座板固连，倾转舵机转轴的轴线与电机安装座环的轴线平行。

优选地，所述动力组包括动力电机和叶片，动力电机的电机端与电机安装座板固连，动力电机的转轴端与叶片相连，动力电机工作时驱动叶片转动。

优选地，所述相邻机臂之间的夹角为120°。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所提供的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，充分发挥三旋翼无人机的优势之处，同时解决了三旋翼无人机稳定性差，操纵性差，抗干扰能力差及容错性差的问题。

2、本实用新型通过在三个机臂上安装动力组，使得三旋翼无人机具备三组矢量拉力，矢量拉力的组合能充分解决反扭矩无法对消的问题，同时极大提高了三旋翼无人机的稳定性与机动性。动力组的设计也使得其容错能力提高，在其中一个旋翼故障时，依靠剩余倾转旋翼矢量组合，亦可保持无人机稳定并安全降落。

附图说明

图1是本实用新型一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机的结构示意图；

图2是本实用新型旋转机构的结构示意图；

图3是本实用新型旋转机构的剖视结构示意图；

图4是本实用新型电机安装座与固定片的位置结构示意图；

图5是本实用新型前向运动受力分析示意图；

图6是本实用新型侧向运动受力分析示意图；

图7是本实用新型航向运动示意图。

附图标记说明：1、机架；2、机臂；3、电机安装座；4、轴承；5、倾转舵机；6、动力组；7、起落架；8、电池；9、固定片；11、上机架板；12、下机架板；13、机架连接块；30、电机安装座板；31、电机安装座环；60、动力电机；61、叶片；301、电机安装座通孔；302、电机安装座板槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明：

如图1到图7所示，本实用新型提供的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，包括机架1和机臂2，机架1上安装有机架连接件，机架1通过机架连接件与机臂2相连，机臂2的数量为三且呈放射状均匀分布在机架1上，机臂2的端部安装有旋转机构和动力组6，旋转机构带动动力组6转动；机架1内部安装有电池8，机架1的底部安装有起落架7，电池8分别与旋转机构和动力组6电连接。

机架1包括平行布置的上机架板11和下机架板12，机架连接件和电池8均位于上机架板11和下机架板12之间，上机架板11和下机架板12结构相同，上机架板11呈三角形结构，上机架板11和下机架板12上均设有机架板孔，螺钉穿过机架板孔分别与机架连接件和电池8相连。

在本实施例中，上机架板11和下机架板12均为板状结构。机架板孔根据实际使用需要进行设定位置，孔的类型及孔径大小，以便能够更好的固定与之固连的其它设备。起落架7由两端圆管构成倒置的“T”字型结构，起落架7的顶部与下机架板12的底部固连，起落架7的数量为二且对称的分布在下机架板12的底部。起落架7的底部能够为无人机提供稳定的支撑。

电池8的数量为二且平行的分布在上机架板11和下机架板12之间，上机架板11的顶部还设有无人机控制器，无人机控制器与电池8电连接。无人机控制器为现有控制设备,本实用新型采用的无人机控制器为Holybro Pixhawk 6C,其采用STM32H704作为主控芯片,支持一般旋翼无人机所需的接口,无人机控制器中集成的IMU组件可实时反馈无人机姿态,控制器具备总共16个PWM信号输出口,其中三个直接PWM信号作为舵机输出信号接口，倾转舵机5由一个电源降压模块通过电池8供电,同时由飞控的PWM信号接口连接倾转舵机5的信号接口，使得舵机按照输入的PWM信号指令倾转并保持在特定角度。

机臂2为圆柱体的管状结构，机臂2为碳纤维管，相邻机臂2之间的夹角为120°。机架1采用碳纤维板结合连接件构成轻质抗扭抗弯机架，同时机架连接件作为夹具与碳纤维管构成的机臂2进行连接，使得三个等长的机臂2固定在机架1上且两两夹角为120°从而形成一个中心对称的三旋翼构型。

机架连接件包括两个互相平行布置的机架连接块13，机架连接块13为长方体结构，机架连接块13的中间开设有机架连接块通孔，机臂2穿设于机架连接块通孔，且机臂2与机架连接块13固连。

旋转机构包括电机安装座3、轴承4、倾转舵机5和固定片9，轴承4套设在机臂2的端部且固连，固定片9位于机臂2内且与机臂2固连，动力组6安装在电机安装座的端部，电机安装座3的另一端套设在轴承4上，倾转舵机5安装在电机安装座3上，倾转舵机5的输出轴与固定片9固连，倾转舵机5工作时自身旋转带动电机安装座3转动，从而带动动力组6转动。

在本实施例中，固定片9为圆板形状结构，固定片9固设于机臂2的内部。电机安装座3与轴承4的外圈固连，并随轴承4的外圈转动，使得电机安装座3可绕机臂2自由转动。轴承4的内圈与机臂2的外表面铰接固连。

电机安装座3包括固连为一体的电机安装座板30和电机安装座环31，电机安装座环31的截面为圆环状结构，电机安装座板30上设有电机安装座通孔301和电机安装座板槽302，动力组6安装在电机安装座通孔301上，并通过连接件固连，倾转舵机5安装在电机安装座板槽302内并通过螺栓与电机安装座板30固连，倾转舵机5转轴的轴线与电机安装座环31的轴线平行。倾转舵机5的输出轴所在方向与电机安装座板槽302的延长方向相同，即就是倾转舵机5的输出轴的轴线与碳纤维管构成的机臂2轴线重合，同时倾转舵机5的输出轴与固定片9固连，再将固定片9与碳纤维管机臂2内壁固连。此时当舵机5通过输出轴输出力矩时，由于输出轴与机臂2固定，使得倾转舵机5本身产生反方向旋转并带动铰接在机臂2上的电机安装座3旋转，从而使得动力组6倾转。通过这样的结构使得倾转舵机5的输出轴仅输出扭矩而无需承受弯矩。

动力组6包括动力电机60和叶片61，动力电机60的电机端与电机安装座板30固连，动力电机60的转轴端与叶片61相连，动力电机60工作时驱动叶片61转动。叶片61为现有的旋转叶片，叶片61在电机60的带动下旋转并产生矢量推力，能够使得无人机起飞。

采用的动力组6由无刷直流电机与螺旋桨组成，其中无刷电机对应为动力电机60，螺旋桨对应为叶片61。每个无刷直流电机的输入为三相电，由其配备的T-Motor Air 40AESC电子调速器提供，电子调速器供电端直接并入电源，信号端接入飞控的其中三个PWM信号输出端口，由飞控产生的PWM信号指令控制电子调速器ESC驱动无刷直流电机按照指定转速旋转，从而带动螺旋桨以提供升力。

在本实施例中，无人机控制器分别与电机60和倾转舵机5电连接，无人机控制器分别控制电机60和倾转舵机5工作，进而使得无人机进行各种姿态的飞行。可倾转的动力组6倾转平面两两夹角为120°，通过合适的矢量组合，可提供前向与后向推力，使得无人机在保持姿态不变的情况下进行前后运动。亦可提供侧向力，使得无人机在保持姿态不变的情况下进行侧向运动，三个动力组6的叶片61同时倾转可提供的矢量航向力矩，同时抵消旋翼产生的反扭矩，用于保持航向稳定并实现快速航向变化。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，其特征在于：包括机架(1)和机臂(2)，机架(1)上安装有机架连接件，机架(1)通过机架连接件与机臂(2)相连，机臂(2)的数量为三且呈放射状均匀分布在机架(1)上，机臂(2)的端部安装有旋转机构和动力组(6)，旋转机构带动动力组(6)转动；机架(1)内部安装有电池(8)，机架(1)的底部安装有起落架(7)，电池(8)分别与旋转机构和动力组(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，其特征在于：所述机架(1)包括平行布置的上机架板(11)和下机架板(12)，机架连接件和电池(8)均位于上机架板(11)和下机架板(12)之间，上机架板(11)和下机架板(12)结构相同，上机架板(11)呈三角形结构，上机架板(11)和下机架板(12)上均设有机架板孔，螺钉穿过机架板孔分别与机架连接件和电池(8)相连。

3.根据权利要求1所述的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，其特征在于：所述机架连接件包括两个互相平行布置的机架连接块(13)，机架连接块(13)为长方体结构，机架连接块(13)的中间开设有机架连接块通孔，机臂(2)穿设于机架连接块通孔，且机臂(2)与机架连接块(13)固连。

4.根据权利要求1所述的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，其特征在于：所述机臂(2)为圆柱体的管状结构，机臂(2)为碳纤维管。

5.根据权利要求1所述的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，其特征在于：所述旋转机构包括电机安装座(3)、轴承(4)、倾转舵机(5)和固定片(9)，轴承(4)套设在机臂(2)的端部且固连，固定片(9)位于机臂(2)内且与机臂(2)固连，动力组(6)安装在电机安装座的端部，电机安装座(3)的另一端套设在轴承(4)上，倾转舵机(5)安装在电机安装座(3)上，倾转舵机(5)的输出轴与固定片(9)固连，倾转舵机(5)工作时自身旋转带动电机安装座(3)转动，从而带动动力组(6)转动。

6.根据权利要求5所述的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，其特征在于：所述电机安装座(3)包括固连为一体的电机安装座板(30)和电机安装座环(31)，电机安装座环(31)的截面为圆环状结构，电机安装座板(30)上设有电机安装座通孔(301)和电机安装座板槽(302)，动力组(6)安装在电机安装座通孔(301)上，并通过连接件固连，倾转舵机(5)安装在电机安装座板槽(302)内并通过螺栓与电机安装座板(30)固连，倾转舵机(5)转轴的轴线与电机安装座环(31)的轴线平行。

7.根据权利要求1所述的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，其特征在于：所述动力组(6)包括动力电机(60)和叶片(61)，动力电机(60)的电机端与电机安装座板(30)固连，动力电机(60)的转轴端与叶片(61)相连，动力电机(60)工作时驱动叶片(61)转动。

8.根据权利要求1所述的一种具有高机动性高可控性的三旋翼无人机，其特征在于：所述相邻机臂(2)之间的夹角为120°。