CN107089321A - 一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种民用无人机技术。一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，包括机身，机身上连接有多个机臂，在每个机臂上连接有一个螺旋桨，在所述的机臂上设有变升力调节结构，所述的变升力调节结构包括可旋转的叶片，在平飞状态下，叶片旋转后形成一个倾斜角，倾斜的方向与飞行的方向的夹角为锐角。本发明提供了一种能适用于燃油动力，升力可以调整，在平飞状态时不需要倾斜机身就可以进行无人机姿态的调整，稳定性和可操控性能好的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机；解决了现有技术中存在的燃油动力的无人机动力输出稳定性差，操作复杂，发动机震动大，容易对传感器造成损伤，频繁调速会使发动机寿命减少甚至出现熄火的技术问题。

Description

一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机

技术领域

本发明涉及一种民用无人机技术，尤其涉及一种可调升力矢量推进式多旋翼油动无人机。

背景技术

多旋翼无人机起飞降落简单要求低，悬停低速，使用环境要求低，十分灵活。随着多旋翼无人机进入民用领域，大量地使用与航拍、植保、测绘、救急等领域。现阶段锂电池作为动力的多旋翼无人机在螺旋桨速度的控制上，主要是依靠电子调速器（ESC）作为信号接收器，根据不同的信号需求来改变螺旋桨转速需求。现阶段，多旋翼无人机多为使用锂电池作为动力，然而这种状况下的多旋翼无人机，续航时间是个难以攻克的难题，多旋翼无人机的技术改进日益需求更新。固定翼飞机续航时间长但无法进行精细测绘拍摄、植保等许多工作，起飞降落一般需要跑道。因此，油动多旋翼无人机得到了广泛的关注。油动无人机具有更高的载荷能力，具有较长的续航时间。如中国专利：“一种油动变距四旋翼无人机（CN105270619A）”，它包括动力系统，传动系统、旋翼，操作系统和机架系统，旋翼、操纵系统、动力系统和传动系统都固定在机架系统上。但缺点在于稳定性差，操作复杂，发动机震动大，容易对传感器造成损伤，频繁调速会使发动机寿命减少甚至出现熄火。

发明内容

本发明提供了一种能适用于燃油动力，升力可以调整，在平飞状态时不需要倾斜机身就可以进行无人机姿态的调整，稳定性和可操控性能好的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机；解决了现有技术中存在的燃油动力的无人机动力输出稳定性差，操作复杂，发动机震动大，容易对传感器造成损伤，频繁调速会使发动机寿命减少甚至出现熄火的技术问题。

本发明的上述技术问题是通过下述技术方案解决的：一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，包括机身，机身上连接有多个机臂，在每个机臂上连接有一个螺旋桨，在所述的机臂上设有变升力调节结构，所述的变升力调节结构包括可旋转的叶片，在平飞状态下，叶片旋转后形成一个倾斜角，倾斜的方向与飞行的方向的夹角为锐角。所述的机身的下方设有起落架。机身包括飞控系统和变升力控制系统，飞控系统用于接收和处理驾驶员发射信号，完成相应的姿态、速度变化以及其他作业；所述变升力系统用于控制调速结构叶片偏转气流从而获取所需升力。通过在机臂上设置一个变升力调节结构，通过变升力调节结构来完成对气流的导向，从而形成不同的升力，这样就能保证燃油发动机一直处于经济转速下，无人机还能实现在机身无倾斜状态下平稳飞行。变升力调节机构是利用叶片的旋转来控制气流的导向，从而利用气流的导向产生的力来推进无人机的运动，而叶片旋转角度的变化来控制力的大小，从而实现在燃油发动机一直以恒定转速工作时，无人机还能实现矢量推进的目的，并且不容易熄火，可靠性更好。在平飞状态下，处于飞行方向上的变升力调节结构的叶片倾斜角度相同，从而形成朝向飞行方向上的推力，而没有位于飞行方向上的变升力调节结构的叶片可以利用对称结构将其余方向上的推力相互抵消，比如垂直于飞行方向上的叶片，可以对称布置，在飞行时，两侧的叶片相反方向倾斜，这样，在飞行平面内，垂直于飞行方向上形成的两个推力可以相互抵消，只留下向上的升力，并不影响飞行平面内的推力。从而实现在无人机不需要倾斜机身就可以完成平稳飞行的动作。

作为优选，所述的螺旋桨由燃油发动机带动旋转。续航时间长，具备更高的载荷。

作为优选，所述的变升力调节结构为对称框式结构。在平飞状态下，在平飞状态下，位于飞行方向上的叶片倾斜方向相同均与飞行方向夹角为锐角；位于飞行方向以外的其余方向的叶片中，处于对称布置的两组叶片的倾斜方向相反或者均与机身垂直面平行。在飞行方向上的倾斜叶片之间产生的气流形成的升力分解为水平的推力和向上的升力，水平的推力朝向飞行方向，推进无人机运动。而其余方向上的叶片可以倾斜，但是由于对称布置，倾斜方向相向而设，从而使得分解的水平推力相互抵消，只留下向上的升力。当然也可以让其余方向上的叶片均完全打开，只形成向上的升力，而不影响水平方向上的力的大小。方便控制和调整。

所述的变升力调节结构包括n边形的边框，n为偶数，边框通过支架固定在机臂上，在边框上固定有旋转轴，旋转轴上连接有叶片。偶数边的边框能实现力的对称分布，方便计算，从而方便实现控制和调整。

作为优选，所述的变升力调节结构包括多个叶片层，每层的叶片层的叶片的长度由上之下递减。多层结构能让升力更大，并且更容易调节。同时变升力调节结构呈一个上大下小的结构，叶，形成一个收拢的空间，让力更集中，螺旋桨运转时，推力更大。

作为优选，所述的变升力调节结构包括四个主固定轴，四个主固定轴之间安装有相互平行的多层叶片，叶片的长度由上至下递减。各层叶片闭合时，叶片与机身水平面呈55°夹角；在起飞和降落状态时，叶片与机身垂直面平行；在平飞状态下，叶片与机身水平面夹角在0~55°之间。所述的固定轴上固定有叶片旋转轴，叶片安装在叶片旋转轴上，位于同一侧的各层叶片通过连接杆连接，连接杆通过电机带动。主固定轴形成的框架固定在机臂上，叶片在叶片旋转轴上旋转，同时连接杆带动位于同一边的多层叶片同时旋转，调节简单，方便控制。

作为优选，在起飞时，叶片与机身垂直面平行；在平飞状态下，位于飞行方向上的叶片相互平行且与飞行方向夹角为锐角，垂直于飞行方向上的叶片与机身垂直面平行。保证推力一致，在平飞状态下，不需要倾斜机身，完成指定飞行动作。两侧叶片相互平行，方便控制和调整。

作为优选，所述的螺旋桨位于变升力调节结构的中心，并且螺旋桨的高度高于变升力调节结构最上层的叶片。变升力调节结构带动的气流还能给燃油发动机提供冷却的效果，提高发动机寿命，并且将螺旋桨放置在中心位置，方便结构布置，节省空间，让无人机结构更为紧凑。

因此，本发明的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机具备下述优点：

（1）本发明可调升力矢量推进式多旋翼无人机，具有升力调控迅捷的优势，实现油动姿态动作调节迅速的特点。

（2）本发明可调升力矢量推进式多旋翼无人机，可以通过有方向性地调节叶片角度，改变升力方向，达到矢量推进的目的。

（3）本发明可调升力矢量推进式多旋翼无人机，通过调节叶片角度来实现平飞，机身不需要倾斜，加强了无人机作为搭载平台的稳定性和操控性，也简化了飞行参数调节过程。

（4）本发明燃油发动机处于经济转速点，转速保持不变，可靠性高，寿命长，不容易熄火。

附图说明

图1是本发明的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机的立体示意图。

图2是图1内变升力调节结构的放大示意图。

图3是图2内的变升力调节结构完全打开的大升力受力分析图。

图4是图3的气流流线图。

图5是图2内的小升力悬停状态气流流线图。

图6是图2在无人机矢量推动状态下的受力分析图。

图7是图5的气流流线图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示，一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，包括机身10，在机身10的下方固定有起落架11，起落架在无人机降落时保护整个机身的安全性着陆。机身上连接有4个机臂9，机臂9均布的连接在机身10上。机臂9是用于支撑燃油发动机2及其上的螺旋桨1。在机臂上同时固定有变升力调节结构3。变升力调节结构3为框型结构，螺旋桨1位于变升力调节结构的中心，并且螺旋桨1的高度高于变升力调节结构3的最上端的边框。在螺旋桨1的下方连接有燃油发动机2，燃油发动机2带动螺旋桨1以一个恒定的转速运行，而提供的升力在变升力调节结构3的调节下迅速形成不同工作状态需求的升力。

如图2所示，变升力调节结构包括四个主固定轴5，四个主固定轴均布在四个角并且倾斜布置，在相邻的两个主固定轴之间连接有多个相互平行的可转动的叶片旋转轴6，叶片旋转轴由上至下长度递减，在叶片旋转轴6上固定有叶片4。叶片旋转轴6和主固定轴5形成了变升力调节结构的框架，框架上大下小，由相互平行的多个四边形构成。在框架同一边的相互平行的叶片的外侧通过连接杆将各层叶片铰接，连接杆7与电机8输出轴相连，电机8安装在最下层的旋转轴6上。当需要叶片转动时，电机8可以带动最下一层叶片在旋转轴6上自由旋转，通过可动连接杆7带动其他各层叶片联动旋转，从而使任意一侧的叶片角度保持一致。通过叶片的旋转可以控制偏转气流，从而改变燃油发动机所提供的升力的大小和方向，以适应各种不同飞行状态下的升力需求。

如图3和4所示，变升力调节结构的叶片4完全垂直于所述机身上下板10，此时螺旋桨1旋转带动的气流全部通过变升力调气结构3，对应起飞和降落时的大升力状态。

如图5所示，变升力调节结构的叶片4与所述机身上下板10之间的角度位于90°和55°之间，此时所述螺旋桨1旋转带动的气流仅有一部分通过所述变升力调气结构3，并且位于螺旋桨两侧相对两边的叶片倾斜方向相反，均朝向中间倾斜，这样从叶片缝隙中的气流产生的力，在水平方向的分力相互抵消，只有向上的升力，从而对应悬停时的小升力状态。

如图6和7所示为无人机平飞状态下矢量推进的实现形式，其中图6、图7中的箭头为无人机飞行方向。此时，垂直于飞行方向上所述变升力调节结构的叶片4完全打开，平行于飞行方向上变升力调节结构3的叶片4向飞行方向的相反方向上打开，螺旋桨1旋转带动的气流由此被导向飞行方向的反方向，从而将无人机向飞行方向上推动。位于飞行方向上的相对的两组叶片相互平行，位于同一层的两个叶片的与水平面的夹角相同。通过改变各个方向上所述变升力调节结构3的叶片4的开度，可达到自由改变无人机实际飞行方向的目的。此时，处于平飞状态下的无人机机身不需要倾斜，飞行更加稳定，对于设备的搭载是有利的，也使得无人机的操作和平飞状态下的参数调节过程更加简便。

变升力调节结构3的叶片4与所述机身上下板10之间的角度为55°，此时变升力调节结构的叶片4几乎完全闭合，所述螺旋桨1旋转带动的气流无法通过所述变升力调气结构3，对应地面的零升力状态。

从上述实施例可知，本发明可调升力矢量推进式多旋翼无人机可以方便迅捷地调整油动多旋翼无人机的升力，可靠地保证无人机工作效率和发动机寿命。此外，在无人机飞行状态时可通过有方向性地调节变升力调节结构叶片开度，达到快速改变飞行方向的目的。不需要倾斜机身即可进行平飞的设计，加强了无人机的稳定性并简化了地面操作过程。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。凡利用本发明所提出的技术思想所设计的等效结构，或是在本发明基础上进行的任何改动与改进，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，包括机身，机身上连接有多个机臂，在每个机臂上连接有一个螺旋桨，其特征在于：在所述的机臂上设有变升力调节结构，所述的变升力调节结构包括可旋转的叶片，在平飞状态下，叶片旋转后形成一个倾斜角，倾斜的方向与飞行的方向的夹角为锐角。

2.根据权利要求1所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：所述的变升力调节结构为对称的框式结构。

3.根据权利要求2所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：在平飞状态下，位于飞行方向上的叶片倾斜方向相同均与飞行方向夹角为锐角；位于飞行方向以外的其余方向的叶片中，处于对称布置的两组叶片的倾斜方向相反或者均与机身垂直面平行。

4.根据权利要求2所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：所述的变升力调节结构包括n边形的边框，n为偶数，边框通过支架固定在机臂上，在边框上固定有旋转轴，旋转轴上连接有叶片。

5.根据权利要求1所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：所述的变升力调节结构包括多个叶片层，每层的叶片层的叶片的长度由上之下递减。

6.根据权利要求1所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：所述的变升力调节结构包括四个主固定轴，四个主固定轴之间安装有相互平行的多层叶片，叶片的长度由上至下递减。

7.根据权利要求6任意一项所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：在起飞时，叶片与机身垂直面平行；在平飞状态下，位于飞行方向上的叶片相互平行且与飞行方向夹角为锐角，垂直于飞行方向上的叶片与机身垂直面平行。

8.根据权利要求6任意一项所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：所述的固定轴上固定有叶片旋转轴，叶片安装在叶片旋转轴上，位于同一侧的各层叶片通过连接杆连接，连接杆通过电机带动。

9.根据权利要求1至7任意一项所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：所述的变升力调节结构的叶片对称的分布在螺旋桨的两侧，平飞状态下，在飞行方向上，位于螺旋桨两侧的叶片的倾斜方向相同，并且两侧叶片相互平行。

10.根据权利要求1至7任意一项所述的一种可调升力矢量推进式多旋翼无人机，其特征在于：所述的螺旋桨位于变升力调节结构的中心，并且螺旋桨的高度高于变升力调节结构最上层的叶片。