本發(fā)明涉及一種飛行器。具體涉及一種基于共軸多旋翼姿態(tài)調(diào)整的無人飛行器。

背景技術(shù)：

飛行器在航天航空領(lǐng)域具有重要的作用，無人飛行器由于其自身的特點，應(yīng)用于探測、偵查、航拍等多個領(lǐng)域，奧地利西貝爾公司于2003年研制成功s-100無人直升機(jī)最大起飛重量為200kg，任務(wù)載荷50kg，續(xù)航時間4h，可用于24小時全天候監(jiān)測、地區(qū)和活動安保、邊界巡邏、海事安保和精確測量及繪圖；2011年7月，中航工業(yè)直升機(jī)所自主研制的u8無人直升機(jī)圓滿完成首次高原試飛試驗11年7月，中航工業(yè)直升機(jī)所自主研制的u8無人直升機(jī)圓滿完成首次高原試飛試驗，u8無人直升機(jī)最大起飛重量230千克，任務(wù)載荷40千克，測控距離100千米，續(xù)航時間4小時，可根據(jù)不同任務(wù)需要裝載不同設(shè)備，適合在高原地區(qū)作業(yè)。而在共軸飛行器方面，北京中航智科技有限公司成功研制定型的td220無人直升機(jī)已經(jīng)在多個領(lǐng)域得以應(yīng)用，開創(chuàng)了無人直升機(jī)在地質(zhì)勘查領(lǐng)域應(yīng)用的先河；在國家電網(wǎng)浙江省電力公司，率先應(yīng)用于“高壓輸電線路精細(xì)化巡檢”，作為海上載荷平臺，加快了無人直升機(jī)海洋維權(quán)應(yīng)用研究。

共軸式直升機(jī)具有合理的功率消耗(無用于平衡反扭矩的尾槳功率消耗)，優(yōu)良的操縱性、較小的總體尺寸等特點。

有的共軸雙旋翼直升機(jī)通過槳盤改變上下旋翼的槳葉角來實現(xiàn)直升機(jī)航向的操縱和穩(wěn)定。此種可變螺距共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)存在一些缺點，由于操縱系統(tǒng)部分和上下旋翼槳轂這些非流線形狀部件的數(shù)量和體積大于單旋翼直升機(jī)并暴露在氣流中，因而共軸式直升機(jī)的廢阻面積大于單旋翼直升機(jī)。由于共軸式直升機(jī)具有特殊的操縱系統(tǒng)構(gòu)件，因此要將廢阻面積降低到單旋翼直升機(jī)的水平很困難。且由于剛度低兩旋翼易碰撞，兩旋翼必須保持一定的間距，增加機(jī)身縱向體積。同時過于復(fù)雜的操縱機(jī)構(gòu)極大地增加了飛行機(jī)構(gòu)的故障率，也增加了制造的難度與成本。

還有的飛行器采用了共軸剛性旋翼設(shè)計，在尾部安裝推進(jìn)螺旋槳控制直升機(jī)水平飛行。但是這種剛性旋翼加控制螺旋槳設(shè)計一般用于較大型的直升飛機(jī)上，機(jī)身尺寸大，阻力大，動力性能差，而在小型飛行器上則很少用到這種結(jié)構(gòu)，因為小型飛行器重量較小，穩(wěn)定性差，采用此種設(shè)計時推進(jìn)槳和主旋翼產(chǎn)生的氣流互相干擾和推進(jìn)螺旋槳產(chǎn)生的力矩會影響飛行器穩(wěn)定性，不利于飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計和操縱性。

在小型飛行器領(lǐng)域，多軸飛行器正在興起，比較有名氣的是大疆公司的產(chǎn)品，還有派諾特、aee等品牌。多軸飛行器適用于重量比較輕、尺寸不太大的飛行器，由多個螺旋槳同時提供升力，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，靠調(diào)整各個螺旋槳的轉(zhuǎn)速來控制飛行器飛行姿態(tài)，可以實現(xiàn)多種復(fù)雜的飛行動作。但是這種多軸飛行器電機(jī)、電調(diào)與螺旋槳數(shù)量多，機(jī)身重量大，帶載能力與續(xù)航能力差，成本較高，控制難度高。

目前有的設(shè)計是通過翼板引導(dǎo)旋翼產(chǎn)生的氣流產(chǎn)生橫向推力及力矩來控制航向，如共軸雙槳球形飛行器。這種飛行器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是抗風(fēng)能力差，在有橫向風(fēng)時翼板反而會產(chǎn)生橫向力影響飛行器穩(wěn)定性，而且這種結(jié)構(gòu)要求翼板與螺旋槳間有足夠距離來產(chǎn)生力矩調(diào)整旋翼軸線方向，并要求螺旋槳與翼板間不能有障礙物，這就決定了這種結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)的緊湊。

現(xiàn)有的另一些設(shè)計是通過調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)身重心相對于旋翼軸線的位置來改變旋翼的姿態(tài)角，從而實現(xiàn)飛行器的航向控制。這種原理的飛行器已經(jīng)有設(shè)計出的實物可以參考，用改變電池的位置來改變飛行器的重心位置，從而改變旋翼槳軸的姿態(tài)角，控制飛行器的航向。這種設(shè)計采用固定于機(jī)身的兩個舵機(jī)操縱兩個撥片控制連桿的角度來控制電池的位置，采用較復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，舵機(jī)安裝在活動的連桿上控制連桿的運動從而控制電池的位置，這種結(jié)構(gòu)還是比較保守，僅僅依靠電池的移動來改變機(jī)身重心位置會使得重心相對于旋翼軸線位置的變化范圍較小，旋翼軸線的姿態(tài)角只能在較小范圍內(nèi)變化，對飛行器飛行狀態(tài)的調(diào)整范圍不夠大，不能夠充分利用機(jī)身重量調(diào)整飛行姿態(tài)也將無法發(fā)揮飛行器的穩(wěn)定性潛能，而且因為軸線姿態(tài)角小飛行器的飛行速度慢。而且，這種電池裸漏在外的設(shè)計并不能很好的保護(hù)電池。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)共軸飛行器結(jié)構(gòu)的緊湊并減少飛行器動力浪費的現(xiàn)象，有一些飛行器在動力方面只利用共軸雙旋翼設(shè)計，通過機(jī)身調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)身重心相對于旋翼軸線的位置來改變旋翼的姿態(tài)角，從而實現(xiàn)飛行器的航向控制，還有一些飛行器通過機(jī)身下方的翼板引導(dǎo)旋翼產(chǎn)生的氣流而產(chǎn)生不同方向的推動力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有單槳飛行器可靠性差，功率損耗大，多軸飛行器重量大，帶載能力差，以及共軸雙旋翼飛行器重量大，機(jī)動性能差的問題，進(jìn)而提供一種基于共軸多旋翼姿態(tài)調(diào)整的無人飛行器。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：

基于共軸旋翼姿態(tài)調(diào)整的無人飛行器，它包括機(jī)芯、機(jī)架和偏擺調(diào)整機(jī)構(gòu)；

機(jī)芯包括雙輸出驅(qū)動機(jī)構(gòu)、框架和共軸多旋翼機(jī)構(gòu)；

框架上安裝有雙輸出驅(qū)動機(jī)構(gòu)，雙輸出驅(qū)動機(jī)構(gòu)的兩個輸出端連接有共軸多旋翼機(jī)構(gòu)，共軸多旋翼機(jī)構(gòu)上設(shè)置有反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，框架的底部連接有偏擺操縱桿，偏擺調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架上并能控制偏擺操縱桿擺動。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明整機(jī)采用共軸多旋翼設(shè)計，調(diào)整旋翼相對轉(zhuǎn)速可以對機(jī)身產(chǎn)生不同的反扭矩控制機(jī)身的自傳，螺旋槳的軸線方向可以相對于機(jī)身框架產(chǎn)生俯仰角使機(jī)身重心移動、重力相對于機(jī)芯產(chǎn)生調(diào)整力矩改變螺旋槳軸線方向進(jìn)而調(diào)整飛行器運動方向。采用此設(shè)計可以利用機(jī)身框架的全部重力產(chǎn)生控制力矩，與已存在的僅利用電池重力的飛行器相比，可產(chǎn)生更大的控制力矩，并且上述已存在的飛行器調(diào)整飛行姿態(tài)時機(jī)身相對于螺旋槳軸線一同轉(zhuǎn)動，而此設(shè)計螺旋槳軸線在空間中角度變化時機(jī)身相對于螺旋槳軸線的角度變化與螺旋槳軸線在空間中角度變化方向相反可以部分抵消，減少機(jī)身在空間中的角度變化，可提供更穩(wěn)定的平臺。

本發(fā)明相對于多旋翼飛行器提供動力的螺旋槳少重量輕，可以帶更重的載荷，還可以提供更長的續(xù)航時間；相對于靠輔助槳葉控制的共軸雙旋翼飛行器，這個飛行器靠重力調(diào)整飛行姿態(tài)，沒有輔助槳葉額外的耗能，也不會因輔助槳葉的氣流干擾飛行；相對于同樣靠重力調(diào)節(jié)的共軸雙旋翼飛行器，這個飛行器能夠調(diào)用整個機(jī)身框架的重量來控制姿態(tài)，不像之前一些設(shè)計僅僅靠電池重量。

本發(fā)明相對于多旋翼飛行器提供動力的螺旋槳少重量輕，可以帶更重的載荷，還可以提供更長的續(xù)航時間；相對于靠輔助槳葉控制的共軸雙旋翼飛行器，這個飛行器靠重力調(diào)整飛行姿態(tài)，沒有輔助槳葉額外的耗能，也不會因輔助槳葉的氣流干擾飛行；相對于同樣靠重力調(diào)節(jié)的共軸雙旋翼飛行器，這個飛行器能夠調(diào)用整個機(jī)身框架的重量來控制姿態(tài)，不像之前一些設(shè)計僅僅靠電池重量。本發(fā)明飛行器采用共軸雙旋翼設(shè)計相比于單槳飛行器，共軸雙槳可以減少螺旋槳尺寸使飛行器更容易飛過狹窄空間，雙槳對機(jī)身的反扭矩可以互相平衡，不必使用易碰到外物而損壞的尾槳，增加飛行器可靠性同時縮小機(jī)身尺寸，減小尾槳帶來的功率損耗。因為單槳飛行器必須用尾槳平衡旋翼產(chǎn)生的反扭矩，且尾槳需與機(jī)身有足夠的距離來提供產(chǎn)生力矩的力臂，增加機(jī)身的尺寸重量，而共軸飛行器多旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，反扭矩相互平衡即可穩(wěn)定，無需尾槳。

相比于多軸飛行器所用到的電機(jī)、電調(diào)與螺旋槳數(shù)量少，可以減少機(jī)身重量，增加帶載能力與續(xù)航能力，節(jié)約成本，降低控制難度。根據(jù)無刷電機(jī)測試數(shù)據(jù)，在相同的耗電功率下，更大的螺旋槳可以產(chǎn)生更多的升力，可以顯著提高動力系統(tǒng)效率，而共軸多旋翼相比于多軸飛行器更適于采用大直徑螺旋槳，也利于提高飛行器續(xù)航能力。

本發(fā)明設(shè)計調(diào)用機(jī)架及撥片的重量調(diào)節(jié)旋翼軸線的姿態(tài)角可以克服上述通過調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)身重心相對于旋翼軸線的位置來改變旋翼的姿態(tài)角，從而實現(xiàn)航向控制的飛行器結(jié)構(gòu)保守帶來的缺點。本發(fā)明可用于航拍、噴灑農(nóng)業(yè)和無人探測等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主視圖，圖2為圖1的側(cè)視圖，圖3為機(jī)芯的主視圖，圖4為圖3的側(cè)視圖，圖5為本發(fā)明去掉兩個側(cè)板的立體結(jié)構(gòu)圖，圖6為去掉起落架橫桿的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為二號螺旋軸、萬向軸承及萬向軸承座連接的結(jié)構(gòu)示意圖，圖8為圖6的仰視圖，圖9為機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明。

參見圖1-圖5說明，基于共軸多旋翼姿態(tài)調(diào)整的無人飛行器，它包括機(jī)芯a、機(jī)架b和偏擺調(diào)整機(jī)構(gòu)c；機(jī)芯a包括雙輸出驅(qū)動機(jī)構(gòu)1、框架2和共軸多旋翼機(jī)構(gòu)3；

框架2上安裝有雙輸出驅(qū)動機(jī)構(gòu)1，雙輸出驅(qū)動機(jī)構(gòu)1的兩個輸出端連接有共軸多旋翼機(jī)構(gòu)3，共軸多旋翼機(jī)構(gòu)3上設(shè)置有反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳4，框架2的底部連接有偏擺操縱桿5，偏擺調(diào)整機(jī)構(gòu)c安裝在機(jī)架b上并能控制偏擺操縱桿5擺動。

整機(jī)采用共軸多旋翼設(shè)計，調(diào)整旋翼相對轉(zhuǎn)速可以對機(jī)身產(chǎn)生不同的反扭矩控制機(jī)身的自傳，螺旋槳的軸線方向可以相對于機(jī)身框架產(chǎn)生俯仰角使機(jī)身重心移動、重力相對于機(jī)芯產(chǎn)生調(diào)整力矩改變螺旋槳軸線方向進(jìn)而調(diào)整飛行器運動方向。采用此設(shè)計可以利用機(jī)身框架的全部重力產(chǎn)生控制力矩，與已存在的僅利用電池重力的飛行器相比，可產(chǎn)生更大的控制力矩，并且上述飛行器調(diào)整飛行姿態(tài)時機(jī)身相對于螺旋槳軸線一同轉(zhuǎn)動，而此設(shè)計螺旋槳軸線在空間中角度變化時機(jī)身相對于螺旋槳軸線的角度變化與螺旋槳軸線在空間中角度變化方向相反可以部分抵消，減少機(jī)身在空間中的角度變化，可提供更穩(wěn)定的平臺。

參見圖2至圖4說明，為了提高共軸多旋翼機(jī)構(gòu)3的可靠穩(wěn)定性，雙輸出驅(qū)動機(jī)構(gòu)1包括一號電機(jī)1-1、一號電機(jī)齒輪軸1-2、一號齒輪軸1-3、二號電機(jī)1-5、二號電機(jī)齒輪軸1-6和二號齒輪軸1-7；一號電機(jī)1-1的輸出軸與一號電機(jī)齒輪軸1-2連接，一號電機(jī)齒輪軸1-2的齒輪與一號齒輪軸1-3的齒輪相嚙合，二號電機(jī)1-5的輸出軸與二號電機(jī)齒輪軸1-6連接，二號電機(jī)齒輪軸1-6的齒輪與二號齒輪軸1-7的齒輪相嚙合，一號齒輪軸1-3和二號齒輪軸1-7均連接共軸多旋翼機(jī)構(gòu)3。這樣的設(shè)計，采用雙電機(jī)設(shè)計可以分別控制共軸多旋翼機(jī)構(gòu)3上的螺旋槳4正向和反向旋轉(zhuǎn)。一號電機(jī)1-1和二號電機(jī)1-5均可采用直流無刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)的動力通過齒輪傳動傳遞到螺旋槳軸上帶動螺旋槳的轉(zhuǎn)動。

參見圖1至圖7說明，為了更好的保證機(jī)芯的框架2能相對機(jī)架b前后或左右擺動共軸多旋翼機(jī)構(gòu)3包括一號螺旋軸3-1、二號螺旋軸3-2、萬向軸承3-3和萬向軸承座3-4；一號齒輪軸1-3與一號螺旋軸3-1的一端連接，一號螺旋軸3-1的另一端連接有螺旋槳4，二號齒輪軸1-7與二號螺旋軸3-2的一端連接，二號螺旋軸3-2的另一端連接有螺旋槳4，一號螺旋軸3-1和二號螺旋軸3-2為同軸套裝結(jié)構(gòu)；一號螺旋軸3-1套裝在二號螺旋軸3-2上且二者相對轉(zhuǎn)動，二號螺旋軸3-2轉(zhuǎn)動安裝在框架2上，框架2上安裝有萬向軸承3-3，萬向軸承3-3安裝在與機(jī)架b連接的萬向軸承座3-4上。利用萬向軸承連接機(jī)芯與機(jī)身框架，使機(jī)芯相對于機(jī)架的角度可調(diào)整，以利用機(jī)身的重力改變機(jī)芯螺旋槳升力的方向，來改變飛行器的飛行方向。優(yōu)選地，一號螺旋軸3-1和二號螺旋軸3-2上各安裝一個螺旋槳或各安裝兩個螺旋槳，通過控制一號電機(jī)1-1和二號電機(jī)1-5的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)一號螺旋軸3-1上螺旋槳和二號螺旋軸3-2上的螺旋槳反向運轉(zhuǎn)。

參見圖5、圖6和圖8說明，為了進(jìn)一步減輕整機(jī)的重量，穩(wěn)定控制機(jī)芯的擺動，機(jī)架b上相對設(shè)置有兩套偏擺調(diào)整機(jī)構(gòu)c，偏擺調(diào)整機(jī)構(gòu)c包括舵機(jī)c1、撥片c2和圓盤臂c3；舵機(jī)c1安裝在機(jī)架b上，舵機(jī)c1的輸出軸安裝有圓盤臂c3，圓盤臂c3上安裝有撥片c2，撥片c2的末端開設(shè)有通孔c21，兩個通孔c21貫通布置，偏擺操縱桿5的末端伸入于兩個通孔c21內(nèi)。每個偏擺調(diào)整機(jī)構(gòu)c有兩個圓盤臂c3，兩個圓盤臂c3受舵機(jī)c1控制，

每個撥片c2相對于兩個圓盤臂c3中的一個固定，另一個圓盤臂c3僅對撥片c2起支撐作用，可相對轉(zhuǎn)動。萬向軸承3-3用兩個轉(zhuǎn)動角度可控的舵機(jī)c1分別帶動兩個撥片c2來控制機(jī)芯相對于機(jī)架b的兩個轉(zhuǎn)動自由度上的轉(zhuǎn)角，控制機(jī)芯a相對于機(jī)架b的角度，從而控制飛行器飛行姿態(tài)。每個舵機(jī)c1通過圓盤臂c3與一個撥片c2固定連接，同時為另一個撥片c2的旋轉(zhuǎn)提供旋轉(zhuǎn)支撐。機(jī)芯由可在操縱桿上滑移的萬向軸承和安裝軸承的軸承座與撥片連接，可實現(xiàn)機(jī)芯的控制操縱部位。

舵機(jī)c1對稱布置可以使機(jī)身重量對稱分布，利于機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，兩個撥片c2的軌道角度夾角為45度，這種設(shè)計在保證控制要求的前提下更好地實現(xiàn)的機(jī)身重量分布的對稱和氣動外形的對稱，利于控制?？杀ＷC機(jī)芯a角度可以沿兩個方向進(jìn)行調(diào)整。撥片c2有效作用的部分采用球面設(shè)計，且兩個撥片c2作用部分的球面球心重合，這樣兩個撥片c2相對轉(zhuǎn)動時可以保證不碰撞，在兩個撥片c2轉(zhuǎn)動時撥片c2的作用面相對于操縱桿會產(chǎn)生夾角，需要用帶有萬向軸承5-2的過渡套筒相連接，偏擺操縱桿5的末端帶有過渡套筒，過渡套筒卡裝在通孔c21內(nèi)。

參見圖5說明，只依靠萬向軸承機(jī)芯相對于機(jī)身框架會自轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn))，擋桿用來避免這種旋轉(zhuǎn)，這樣機(jī)芯就只能擺動，為了避免這樣的情況發(fā)生，共軸多旋翼機(jī)構(gòu)3還包括軸壓蓋3-5、限位桿3-6和兩個擋桿3-7；軸壓蓋3-5安裝在框架2上，軸壓蓋3-5的側(cè)面還安裝限位桿3-6，萬向軸承座3-4上安裝有并列間隔設(shè)置的兩個擋桿3-7，限位桿3-6布置在兩個擋桿3-7之間。二號螺旋軸3-2穿出軸壓蓋3-5，且二號螺旋軸3-2能相對軸壓蓋3-5轉(zhuǎn)動，如此設(shè)置，擋桿可以在機(jī)芯和機(jī)身框架間傳遞力矩，防止機(jī)身框架相對于機(jī)芯產(chǎn)生自傳。

參見圖3說明，為了減輕機(jī)芯的重量，框架2包括上箱板2-1、中箱板2-2、下箱板2-3和四個立柱2-4；四個立柱2-4呈方形排布，四個立柱2-4的上端、中部和下端對應(yīng)安裝有上箱板2-1、中箱板2-2和下箱板2-3，一號電機(jī)1-1和二號電機(jī)1-5安裝在下箱板2-3上，二號螺旋軸3-2穿出上箱板2-1，一號齒輪軸1-3通過軸承安裝在中箱板2-2上，二號齒輪軸1-7通過軸承安裝在上箱板2-1上。優(yōu)選地，四個立柱2-4均為尼龍立柱。

參見圖7說明，為了減輕機(jī)芯的重量，機(jī)架b包括架體b1和多個支撐連接桿b2，萬向軸承座3-4上沿周向安裝有多個支撐連接桿b2，支撐連接桿b2與架體b1連接。

參見圖5說明，架體b1為方形框架結(jié)構(gòu)，方形框架結(jié)構(gòu)包括四個豎向支柱桿b11、四個起落架橫桿b12和四個側(cè)板b13；四個豎向支柱桿b11連接成一個豎框，四個起落架橫桿b12連接成一個橫框，豎框安裝在橫框上，豎框上每相鄰兩個豎向支柱桿b11之間連接有一個側(cè)板b13，相對的兩個側(cè)板b13上各安裝有一個舵機(jī)c1，多個支撐連接桿b2分別與豎框連接。

參見圖1和圖2說明，為了保證飛行器電力正常供給，基于共軸多旋翼姿態(tài)調(diào)整的無人飛行器還包括電池d，電池d安裝在機(jī)架b上。電池d用于給一號電機(jī)1-1、二號電機(jī)1-5、舵機(jī)c1供電。電池d供電用，電池d為可充電電池。

本發(fā)明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可以利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案范圍。