CZ34229U1

CZ34229U1 - Drone with a combustion engine

Info

Publication number: CZ34229U1
Application number: CZ2020-37629U
Authority: CZ
Inventors: Petr Cita; Marie Hubálovská; Adam Hubálovský; Jiří JELÍNEK
Original assignee: Univerzita Hradec Králové
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2020-07-21

Description

Dron se spalovacím motoremDrone with internal combustion engine

Oblast technikyField of technology

Technické řešeni se týká dronu se spalovacím motorem, většinou kvadrokoptéry, obsahující základnu a vrtulové listy s rotačními mechanismyThe technical solution concerns a drone with an internal combustion engine, mostly a quadcopter, containing a base and propeller blades with rotating mechanisms

Dosavadní stav technikyPrior art

Dosud známé drony, většinou kvadrokoptéry, jsou poháněny elektromotory, které mají snadno nastavitelný kroutící moment i otáčky ve velkém rozsahu, táhnou již od nulových otáček, lze je krátkodobě značně přetěžovat, a proto zvládnou bez problému přizpůsobit se jakémukoliv režimu letu. Poháněcím zdrojem těchto dronů jsou baterie, které jsou schopny dodávat elektřinu jejich elektromotoru okolo 40 minut při nákladu několika kilogramů. Elektromotory mají na sobě připevněny pevné vrtule bez možnosti měnitelného úhlu náběhu. Tah vrtulí je regulován otáčkami jednotlivých elektromotorů. Větší rychlost otáček se rovná většímu tahu vrtule a otáčky těchto motorů jsou regulovány regulátory otáček. Byly i snahy použít spalovací motor, který pohání generátor pro výrobu elektrické energie, dodávané do jednotlivých elektromotorů vrtulí. Tato řešení však problém krátkého doletu dronu nevyřešila. Nelze si ani prakticky představit konstrukci kvadrokoptéry, která pohání vrtule vlastním spalovacím motorem, a to právě kvůli jejich silné nelineární zatěžovací charakteristice a relativně pomalé odezvě na řídící signály. Tím je podstatně sníženo přesné a rychlé řízení letu kvadrokoptéry.Previously known drones, mostly quadcopters, are powered by electric motors, which have easily adjustable torque and speed in a large range, pull from zero speed, can be greatly overloaded for a short time, and therefore can easily adapt to any flight mode. The driving source of these drones are batteries, which are able to supply electricity to their electric motor for about 40 minutes at a load of several kilograms. The electric motors have fixed propellers mounted on them without the possibility of a variable angle of attack. The thrust of the propellers is regulated by the speed of individual electric motors. Higher speed equals higher thrust of the propeller and the speed of these motors are regulated by speed regulators. Efforts have also been made to use an internal combustion engine that drives a generator to produce the electricity supplied to the individual electric motors of the propellers. However, these solutions did not solve the problem of short-range drone. It is not even possible to imagine the design of a quadcopter, which drives the propellers with its own internal combustion engine, precisely because of their strong nonlinear load characteristics and relatively slow response to control signals. This significantly reduces the accurate and fast flight control of the quadcopter.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Cílem tohoto technického řešení je proto sestrojení dronu, většinou kvadrokoptéry, umožňující pohon spalovacím motorem při umožnění snadného řízení stoupání, klesání, zatáčení a rychlosti letu, při prodloužení doby letu a zvýšení hmotnosti přenášeného nákladu.The aim of this technical solution is therefore to build a drone, mostly a quadcopter, enabling propulsion by an internal combustion engine while enabling easy control of climb, descent, turn and flight speed, while extending the flight time and increasing the weight of the transferred load.

Vytyčeného cíle je dosaženo dronem, většinou kvadrokoptérou, podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že rotační mechanismy jsou napojeny na spalovací motor, který je napojen na převáděcí hřídele, napojené na rozváděči převodovky, ze kterých jsou vyvedeny převáděcí hřídele a každá převáděcí hřídel je napojena na kuželový převod, který je spojen s vertikální hřídelí, propojenou s vrtulovými listy. Tím je umožněno dron ovládat jedním zdrojem rotačního pohybu.The set goal is achieved by a drone, mostly a quadcopter, according to this technical solution, the essence of which lies in the fact that the rotary mechanisms are connected to an internal combustion engine, which is connected to transmission shafts, connected to gearboxes, from which transfer shafts and each transfer the shaft is connected to a bevel gear which is connected to a vertical shaft connected to the propeller blades. This allows the drone to be controlled by a single source of rotational motion.

Propojení vertikální hřídele s vrtulovými listy je ve výhodném provedení provedeno přes spojovací dílec s klouby náklonu, propojenými s úchyty, ve kterých jsou upevněny vrtulové listy.The connection of the vertical shaft to the propeller blades is preferably made via a connecting part with tilt joints connected to the holders in which the propeller blades are fixed.

Každý vrtulový list je většinou propojen s pákovým mechanismem, napojeným na servomotor. Tím je umožněno natáčení vrtulových listu.Each propeller blade is usually connected to a lever mechanism connected to a servomotor. This allows the propeller blades to rotate.

Servomotor je zpravidla upevněn na prstenci, kterým prochází vertikální hřídel.The servomotor is usually mounted on a ring through which the vertical shaft passes.

Spalovací motor a servomotor jsou ve výhodném provedení napojeny na řídící jednotku, která je napojena na přijímač a vysílač řídícího signálu.The internal combustion engine and the servomotor are preferably connected to a control unit, which is connected to a receiver and a transmitter of the control signal.

V jiném možném provedení je řídicí jednotka napojena přes telemetrické moduly na ovládací člen, který může být tvořen tabletem nebo PC nebo chytrým telefonem.In another possible embodiment, the control unit is connected via telemetry modules to a control member, which may be a tablet or a PC or a smartphone.

Řídící jednotka je napojena přes měnič napětí na baterii.The control unit is connected via a voltage converter to the battery.

Spalovací motor je přes Hallovu sondu napojen na řídící jednotku.The internal combustion engine is connected to the control unit via a Hall probe.

- 1 CZ 34229 U1- 1 CZ 34229 U1

Spalovací motor je opatřen alespoň jednou škrtící klapkou přívodu paliva, napojenou na řídící jednotku. Spalovací motor je přes řemenový převod a setrvačník opatřen startovacím nástavcem a startovacím elektromotorem.The internal combustion engine is equipped with at least one fuel supply throttle connected to the control unit. The internal combustion engine is equipped with a starting attachment and a starting electric motor via a belt drive and a flywheel.

Ve výhodném provedení je na řídící jednotku napojena odpalovací jednotka padáku.In a preferred embodiment, a parachute launcher is connected to the control unit.

Uživatelské signály mohou být odesílány dvěma způsoby. Podle prvního způsobu pomocí vysílačky, kde jsou data kódována vysílačkou na základě povelů ze dvou dvouosých kniplu. Signál je odeslán vzduchem přijímači, který data rozkóduje a datovými kabely odešle řídící jednotce. (Uživatelský vstup-ovládání náklonu, stoupání atd.). Podle druhého ze způsobů mohou být uživatelské signály odesílány pomocí počítače nebo tabletu nebo telefonu se speciálním datovým modulem nebo pomocí chytrého telefonu. Uživatel může v softwaru naprogramovat složité letové parametry a trasy letu a na základě vzájemné komunikace mezi pozemním počítačem a řídící jednotkou může dron autonomně prolétávat dopředu naplánované trajektorie. Tah vrtulí je regulován změnou úhlu náběhu vrtulí. Bude používána dvoulistá vrtule a úhly náběhu obou listu vrtulí budou shodné a změna úhlu náběhu bude probíhat shodně u obou listů jedné vrtule. Uhel náběhu každé vrtule bude ovládán jedním servomotorem. Dohromady tedy budou využity čtyři servomotory k ovládání letu. Jeden servomotor ovládá dva listy jedné ze čtyř vrtulí. Pohon vrtulí je zprostředkován spalovacím motorem s převodovkou, ze které je otáčivý pohyb převáděn převáděcími hřídelemi na rozváděči převodovky, ze kterých je otáčivý pohyb přes rozváděči hřídele převáděn na rotační mechanismus spojený s vrtulovými listy. Natáčení vrtulových listů je prováděno pomocí pákového mechanismu napojeného na servomotor, přičemž natáčení servomotoru je řízeno signály ze řídící jednotky.User signals can be sent in two ways. According to the first method, by means of a radio, where the data is encoded by the radio on the basis of commands from two biaxial sticks. The signal is sent over the air to the receiver, which decodes the data and sends it to the control unit via data cables. (User input - control of tilt, incline, etc.). According to the second method, user signals can be sent using a computer or tablet or a phone with a special data module or using a smartphone. The user can program complex flight parameters and flight paths in the software, and based on the mutual communication between the ground computer and the control unit, the drone can autonomously fly through pre-planned trajectories. The thrust of the propellers is regulated by changing the angle of attack of the propellers. A double-bladed propeller will be used and the pitch angles of both blades of the propeller will be the same and the change of the pitch angle will take place identically on both blades of one propeller. The angle of attack of each propeller will be controlled by one servomotor. In total, four servomotors will be used to control the flight. One servomotor controls two blades of one of the four propellers. The propeller is driven by an internal combustion engine with a gearbox, from which the rotary motion is transmitted by transfer shafts on the gearbox of the gearbox, from which the rotary motion is transferred via the camshafts to a rotary mechanism connected to the propeller blades. The rotation of the propeller blades is performed by means of a lever mechanism connected to the servomotor, the rotation of the servomotor being controlled by signals from the control unit.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Mechanické provedení dronu se spalovacím motorem podle tohoto technického řešení je schematicky znázorněno na obr. 1 a na obr. 2 je schematicky znázorněno elektrické a elektronické zapojení dílců dronu. Provedení rotačního mechanismu, kde je převáděn rotační pohyb na vrtulové listy, jejichž natáčení je zprostředkováno pákovým mechanismem od servomotoru, je znázorněno na obr. 3.The mechanical embodiment of a drone with an internal combustion engine according to this technical solution is schematically shown in Fig. 1 and Fig. 2 schematically shows the electrical and electronic connection of the drone components. An embodiment of the rotary mechanism, where the rotary motion is converted into propeller blades, the rotation of which is mediated by a lever mechanism from the servomotor, is shown in Fig. 3.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution

Dron, v tomto případě kvadrokoptéra je tvořena základnou 12. spočívající v konstrukci ve tvaru pásu, uspořádaných do tvaru H, uprostřed které je umístěn spalovací motor ]_ s převodovkou 7 motoru. Spalovací motor 1 je opatřen nádrží 5 paliva, sloužící kjeho napájení, a ventilátory 6, sloužícími kjeho chlazení. Tyto ventilátory 6 mohou být poháněny převodem od spalovacího motoru 1 nebo mohou být opatřeny elektromotorem poháněným z baterie 17.The drone, in this case the quadcopter, is formed by a base 12 consisting of a belt-shaped structure arranged in an H-shape, in the middle of which is located an internal combustion engine 1 with an engine gear 7. The internal combustion engine 1 is provided with a fuel tank 5 for its supply and fans 6 for its cooling. These fans 6 can be driven by a transmission from the internal combustion engine 1 or can be provided with an electric motor driven by a battery 17.

Převodovka 7 motoru je napojena na převáděcí hřídele 14 napojené na rozváděči převodovky 8, ze kterých jsou kolmo k převáděcím hřídelím 14 napojeny rozváděči hřídele 15, přivedené do rotačních mechanismů 9, ke kterým jsou přes úchyty 28 připevněny vrtulové listy 10. Rotační mechanismy 9 jsou opatřeny servomotory 11. jejichž natáčení je řízeno řídící jednotkou 16. která je napájena přes měnič 18 napětí z baterie 17. Rotační mechanismy 9 jsou opatřeny kuželovým převodem 9,1, propojeným s rozváděči hřídelí 15 a také s vertikální hřídelí 92, která je ve vrchní části opatřena spojovacím dílcem 30. opatřeným klouby 29 náklonu, ve kterých je tento spojovací dílec 30 spojen prostřednictvím úchytu 28 s vrtulovými listy 10, spojenými s pákovým mechanismem 31 propojeným se servomotorem 11, upevněným na prstenci 32, kterým prochází vertikální hřídel 92. Není vyloučeno ani takové provedení, kdy rotační mechanismy 9 mohou být poháněny jiným zdrojem rotačního pohybu. Spalovací motor 1 je opatřen také řemenovým převodem 2, pohánějícím setrvačník 3, propojený se startovacím nástavcem 4, uspořádaným proThe motor gearbox 7 is connected to transfer shafts 14 connected to the transfer gearbox 8, from which switch shafts 15 are connected perpendicular to the transfer shafts 14, fed to rotary mechanisms 9, to which propeller blades 10 are attached via grips 28. Rotary mechanisms 9 are provided servomotors 11, the rotation of which is controlled by a control unit 16, which is supplied via a voltage converter 18 from a battery 17. The rotary mechanisms 9 are provided with a bevel gear 9,1, connected to the distributor shaft 15 and also to a vertical shaft 92 which is in the upper part. provided with a coupling part 30 provided with tilt joints 29, in which this coupling part 30 is connected by means of a holder 28 to propeller blades 10 connected to a lever mechanism 31 connected to a servomotor 11 mounted on a ring 32 through which the vertical shaft 92 passes. such an embodiment that the rotary mechanisms 9 can be driven by another source of rotary motion. The internal combustion engine 1 is also provided with a belt transmission 2, driving a flywheel 3, connected to a starting attachment 4, arranged for

-2CZ 34229 U1 napojení na startovací elektromotor 13, napájený z baterie 17.-2GB 34229 U1 connection to a starting electric motor 13, battery powered 17.

Spalovací motor 1 je opatřen škrtícími klapkami 22. ovládajícími přívod paliva do spalovacího motoru 1, přičemž tyto škrtící klapky 22 jsou ovládány řídící jednotkou 16. Spalovací motor j. je opatřen také Hallovou sondou 21, napojenou také na řídící jednotku 16. Řídící jednotka 16 je napojena na přijímač 20 řídícího signálu pro komunikaci s vysílačem 19 řídícího signálu a/nebo tato řídící jednotka 16 může být uspořádána přes telemetrické moduly 23 pro komunikaci s ovládacím členem 24, kterým je zpravidla tablet nebo PC nebo chytrý telefon. Ovládací člen 24 je zpravidla opatřen také GPS modulem, v tomto případě RTK GPS modulem 25. Řídící jednotka 16 může být rovněž napojena na GPS orgán 26 a případně také na odpalovací jednotku 27 padáku Dron je řízen přes řídící jednotku 16 typu Pixhawk 2.1, která je napájena z baterie 17. Dron, v tomto případě kvadrokoptéra je ovládána vysílačem 19 řídícího signálu, který předává signál přijímači 20 řídícího signálu, předávajícímu informaci dále do řídící jednotky 16. případně je možno s řídící jednotkou 16 komunikovat pomocí telemetrických modulu 23 přes ovládací člen 24, tudíž přes tablet nebo PC nebo chytrý telefon. Řídící jednotka 16 potom ovládá přes škrtící klapky 22 otáčky spalovacího mooru 1, ze kterého je kroutící moment přenášen přes převodovku 7 motoru, převáděcí hřídele 14. rozváděči převodovky 8, rozváděči hřídele 15 a rotační mechanismy 9 na vrtulové listy 10. Natáčení jednotlivých vrtulových listů 10 je prováděno přes pákový mechanismus 31 servomotory 11 podle informace, kterou obdrží od řídící jednotky 16, na základě signálu obdrženého od přijímače 20 nebo telemetrického modulu 23. Řídicí jednotka 16 je mikropočítač skládající se z výpočetního HW a senzorů. Standardně akcelerometrů, gyroskopu, kompasu, GPS a barometru. Senzory mohou být doplněny externími senzory pro zvýšení přesnosti měření a zvýšení bezpečnosti letu.The internal combustion engine 1 is provided with throttle valves 22 controlling the fuel supply to the internal combustion engine 1, these throttle valves 22 being controlled by a control unit 16. The internal combustion engine j is also provided with a Hall probe 21 also connected to the control unit 16. connected to a control signal receiver 20 for communication with the control signal transmitter 19 and / or this control unit 16 can be arranged via telemetry modules 23 for communication with a control member 24, which is usually a tablet or PC or a smartphone. The control member 24 is generally also provided with a GPS module, in this case an RTK GPS module 25. The control unit 16 can also be connected to a GPS body 26 and possibly also to a parachute launcher 27. The drone is controlled via a control unit 16 of Pixelwk type 2.1. powered by a battery 17. The drone, in this case the quadcopter, is controlled by a control signal transmitter 19, which transmits the signal to the control signal receiver 20, which passes the information on to the control unit 16. Alternatively, the control unit 16 can be communicated by telemetry modules 23 via the control member 24. , therefore via a tablet or PC or smartphone. The control unit 16 then controls via the throttles 22 the speed of the combustion moor 1, from which the torque is transmitted via the engine gearbox 7, the transfer shafts 14 of the transfer case 8, the transfer shafts 15 and the rotating mechanisms 9 onto the propeller blades 10. Rotation of the individual propeller blades 10 is performed via the lever mechanism 31 by the servomotors 11 according to the information it receives from the control unit 16, based on the signal received from the receiver 20 or the telemetry module 23. The control unit 16 is a microcomputer consisting of computing HW and sensors. Standard accelerometers, gyroscope, compass, GPS and barometer. The sensors can be supplemented with external sensors to increase measurement accuracy and increase flight safety.

Řídící jednotka 16 na základě dat ze senzorů a uživatelských povelů provádí kontinuálně výpočty otáček jednotlivých motorů. Výpočty jsou prováděny na principu PID regulace. Řídící jednotka 16 odesílá do regulátorů otáček povely pomocí datových kabelů. Data odeslaná vysílačem 19 v pásmu 2,4 GHz jsou v přijímači 20 rozkódována a datovými kabely odeslána řídící jednotce 16. Pokud jsou povely odesílány pomocí ovládacího členu, tzv. „companion,,, počítače, (tablet, PC, nebo chytrý telefon), uživatel může v softwaru naprogramovat složité letové parametry a trasy letu a na základě vzájemné komunikace s řídící jednotkou 16 může dron prolétávat dopředu naplánované trajektorie. Tah vrtulí bude regulován změnou úhlu náběhu vrtulí, přičemž bude se využívat dvoulisté vrtule a úhly náběhu obou vrtulových listu 10 budou probíhat shodně u obou listů jedné vrtule. Každá vrtule bude ovládána jedním servomotorem 11. Dohromady tedy budou využity čtyři servomotory 11 k ovládání letu. Servomotory 11 mají snímač polohy, který zajišťuje jeho přesné nastavení. Ovládání servomotoru 11 je realizováno pomocí řídících pulzů přes PWM modulaci. Řidiči jednotka 16 pomocí stejných signálů PWM modulace bude řídit úhel natočení natáčecího servomotoru a tím pádem úhel náběhu vrtulí 10. Ovládání a řídící příkazy jsou odesílány zašifrované na základě délky impulzu.The control unit 16 continuously calculates the speed of the individual motors on the basis of data from sensors and user commands. Calculations are performed on the principle of PID control. The control unit 16 sends commands to the speed controllers via data cables. The data sent by the transmitter 19 in the 2.4 GHz band are decoded in the receiver 20 and sent by data cables to the control unit 16. If the commands are sent by means of a control element, so-called "companion", computer, (tablet, PC or smartphone), the user can program complex flight parameters and flight paths in the software, and based on mutual communication with the control unit 16, the drone can fly through pre-planned trajectories. The thrust of the propellers will be regulated by changing the pitch angle of the propeller, using a double-bladed propeller, and the pitch angles of both propeller blades 10 will be the same for both blades of one propeller. Each propeller will be controlled by one servomotor 11. Thus, four servomotors 11 will be used together to control the flight. The servomotors 11 have a position sensor which ensures its precise adjustment. The control of the servomotor 11 is realized by means of control pulses via PWM modulation. The control unit 16 will use the same PWM modulation signals to control the angle of rotation of the rotary servomotor and thus the angle of attack of the propellers 10. The control and command commands are sent encrypted based on the pulse length.

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

An internal combustion engine drone, usually a quadcopter, comprising a base (12) and propeller blades (10) with rotating mechanisms (9), characterized in that the rotating mechanisms (9) are connected to an internal combustion engine (1) which is connected to the transfer shafts (14) connected to the camshafts (8), from which the camshafts (15) are led out and each of these camshafts (15) is connected to a bevel gear (9.1) connected to a vertical shaft (9.2) connected with propeller blades (10).

A drone according to claim 1, characterized in that the connection of the vertical shaft (9.2) to the propeller blades (10) is made via a connecting part (30) with tilt joints (29) connected to the holders (28) in which they are fixed. propeller blades (10).

-3 CZ 34229 U1

Drone according to claim 2, characterized in that the propeller blades (10) are connected to a lever mechanism (31) connected to the servomotor (11).

A drone according to claim 3, characterized in that the servomotor (11) is mounted on a ring (32) through which the vertical shaft (9.2) passes.

Drone according to Claims 1 to 4, characterized in that the internal combustion engine (1) and the servomotor (11) are connected to a control unit (16).

Dron according to claim 5, characterized in that the control unit (16) is connected to the receiver (20) and the transmitter (19) of the control signal

Drone according to Claim 5 or 6, characterized in that the control unit (16) is connected to the control element (24) via telemetry modules (23).

A drone according to claim 7, characterized in that the control member (24) is formed by a tablet or a PC or a smartphone.

Dron according to Claims 5 to 8, characterized in that the control unit (16) is connected to the battery (17) via a voltage converter (18).

Drone according to Claims 1 to 9, characterized in that the internal combustion engine (1) is connected to the control unit (16) via a Hall probe (21).

Drone according to claims 1 to 10, characterized in that the internal combustion engine (1) is provided with at least one fuel supply throttle (22) connected to the control unit (16).

Drone according to Claims 1 to 11, characterized in that the internal combustion engine (1) is provided with a starting attachment (4) and a starting electric motor (13) via a belt drive (2) and a flywheel (3).

Dron according to Claims 6 to 10, characterized in that a parachute firing unit (27) is connected to the control unit (16).