[發(fā)明專利]一種基于變槳距控制的單內(nèi)燃機動力多旋翼無人飛行器

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201610266535.2
• 申請日: 2016-04-26
• 公開（公告）號: CN105752331A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賀云濤;張超;侯亞偉;徐廣通;王正平
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: B64C27/12
• 分類號: B64C27/12;B64D35/04;B64C27/80
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明具體涉及一種單動力內(nèi)燃機驅(qū)動變槳距控制的多旋翼無人飛行器，屬于飛行器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近幾年，由于具備穩(wěn)定的懸停能力和垂直起降能力，小型多旋翼飛行器發(fā)展迅速。簡單的機械結(jié)構(gòu)和自身較強的魯棒性使得其廣泛應(yīng)用于航拍、測繪、路面檢測等等。傳統(tǒng)的多旋翼飛行器大多采用固定槳距的螺旋槳，通過調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同的反扭力矩和拉力來控制飛行姿態(tài)的平衡。對于大多數(shù)四旋翼來說，這種控制方式是十分有效的。但是由于電機和螺旋槳的轉(zhuǎn)動慣量較低，限制了控制帶寬。并且隨著尺寸增加帶寬低的問題對于多旋翼飛行器就更加明顯，較大的多旋翼轉(zhuǎn)動慣量較高，為了達到控制和飛行的要求就需要更大的電機來驅(qū)動，這樣就又造成了更大的轉(zhuǎn)動慣量。最終當飛行器尺寸增加到一定的范圍后，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速就不能夠穩(wěn)定的控制飛行器的姿態(tài)。同時，采用定距螺旋槳不能夠?qū)崿F(xiàn)拉力反向，制約了旋翼飛行器的機動性。

同時，旋翼飛行器大多數(shù)采用的是電機驅(qū)動，而目前現(xiàn)有的鋰電池能量密度都較低(170Wh/kg)，如果要增加飛行器的航時，就需要攜帶更重的電池，這樣就降低了多旋翼飛行器的載重量。而燃油的能量密度較高(12000Wh/kg)，單從能量的角度分析油動力飛行器可以有效的提高多旋翼飛行器航時。國內(nèi)有采用多個油動機代替電機來解決電驅(qū)動多旋翼面對的航時和載重量低的問題。但是由于油動內(nèi)燃機是通過控制空氣的進氣量來改變?nèi)加偷娜紵潭葋砜刂评Φ淖兓@樣就會造成控制響應(yīng)慢。而且油動內(nèi)燃機質(zhì)量大，這樣的設(shè)計使轉(zhuǎn)動慣量過大。同時突風和飛行器的姿態(tài)變化會造成進氣量突變，溫度也會對燃油的燃燒產(chǎn)生一定的影響，這樣就造成控制精度難以保證，對飛控系統(tǒng)要求增加。

基于以上的分析，此發(fā)明采用單動力輸出，變槳距控制的四旋翼。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決多旋翼無人飛行器航時短、載重量低的問題而提供一種單動力內(nèi)燃機驅(qū)動和變槳距控制的多旋翼無人飛行器。

本發(fā)明的目的是通過下屬技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明的基于變槳距控制的單內(nèi)燃機動力多旋翼無人飛行器，包括變槳距控制部分和單動力傳動部分。

其中，變槳距控制部分包括螺旋槳和變槳距結(jié)構(gòu)。螺旋槳安裝在變槳距結(jié)構(gòu)旋翼頭頂端；變槳距結(jié)構(gòu)包括舵機、連接桿和旋翼頭；每個舵機通過位于其上的轉(zhuǎn)盤以及一根連接桿分別與和每個舵機對應(yīng)的變槳距結(jié)構(gòu)連接件連接，舵機安裝在碳纖維管上。通過控制舵機來控制變槳距機構(gòu)，進而控制螺旋槳的槳距。變槳距控制部分的主要功能為改變螺旋槳槳距。

單動力傳動結(jié)構(gòu)包括內(nèi)燃機、多個碳纖維管、多個同步帶、多個同步帶輪、和多個主傳動軸。使用三根碳纖維管來構(gòu)造飛行器的機架，機架采用H型布局。主傳動軸安裝在碳纖維管內(nèi)，主傳動軸的一端安裝三個(一個大尺寸，兩個相同的小尺寸)同步帶輪，大尺寸同步帶輪通過一個同步帶與內(nèi)燃機轉(zhuǎn)軸相連，兩個小尺寸同步帶輪通過兩個同步帶分別與兩個螺旋槳轉(zhuǎn)軸相連；主傳動軸的另外一端安裝兩個小尺寸同步帶輪，兩個小尺寸同步帶輪通過同步帶分別與另外兩個螺旋槳轉(zhuǎn)軸相連。為了抵消螺旋槳的反扭力矩，主傳動軸的安裝方向與螺旋槳轉(zhuǎn)軸的方向垂直，相鄰連接主傳動軸和螺旋槳轉(zhuǎn)軸的兩個同步帶反向安裝，來讓相鄰的兩個螺旋槳反向轉(zhuǎn)動。內(nèi)燃機安裝在機架的一根碳纖維管上，并讓它與這根碳纖維管平行，便于調(diào)試飛行器調(diào)試重心。單動力傳動部分的主要功能為實現(xiàn)以內(nèi)燃機為動力源驅(qū)動四個螺旋槳。

本發(fā)明以內(nèi)燃機為單獨動力源，內(nèi)燃機帶動同步帶，同步帶帶動主傳動軸，傳動軸再通過傳動帶帶動四個螺旋槳旋轉(zhuǎn)。通過舵機驅(qū)動變槳距機構(gòu)，變槳距機構(gòu)改變螺旋槳槳葉的槳距，槳距的改變使螺旋槳槳葉所受拉力發(fā)生變化，進而改變飛行器的飛行姿態(tài)。

有益效果

相比用多個內(nèi)燃機驅(qū)動油動力旋翼，單動力輸出降低了對動力輸出軸的輸出精度的要求，只需要滿足輸出軸對功率和轉(zhuǎn)速的要求就可以。

對于螺旋槳來說，拉力的大小與槳葉尺寸、螺旋槳螺距、轉(zhuǎn)速有關(guān)。對于定距螺旋槳來說，拉力的控制是通過調(diào)節(jié)槳葉的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的。而變距螺旋槳則是通過控制螺旋槳的槳距來實現(xiàn)拉力大小控制。并且變距螺旋槳對最大拉力控制響應(yīng)更快同時更加精確。

對于變距槳來說由于槳距變化范圍較大，可以在正負槳距之間切換，因此可以實現(xiàn)在動力輸出軸轉(zhuǎn)向恒定的條件下實現(xiàn)拉力反向，增強了旋翼飛行器的機動性。

變槳距雖然增加了機械結(jié)構(gòu)的復雜性，但是單動力輸出就不需要每個螺旋槳單獨驅(qū)動，減少了電機的數(shù)量。這樣就降低了旋翼飛行器的轉(zhuǎn)動慣量。

附圖說明

圖1為無人飛行器整體外形示意圖；