一种多旋翼飞行器

摘要

本发明公开了一种多旋翼飞行器，包括燃油发动机、同步齿轮驱动机构、机架与多根电机支撑臂组成的机身、起落架、螺旋桨（主螺旋桨、副螺旋桨）、电动机、电子调速器、电池组和飞行控制系统，所述螺旋桨包括：一对同速反向共轴双旋翼的主螺旋桨，由燃油发动机通过同步齿轮驱动机构驱动，承担飞行器的主要升力，多对副螺旋桨,由电动机驱动，用于控制飞行器的姿态平衡及悬停、升降、前后左右、方向的机动飞行，同时承担飞行器的小部分升力，本发明改善了电动和燃油各自作为动力源的缺点，完美组合了电动及燃油作为动力源的优点，通过油电混合大幅度提升了多旋翼飞行器的载重量和续航时间。

权利要求

1.一种多旋翼飞行器，包括机架、螺旋桨、动力驱动机构和飞行控制系统，其特征在于，所述螺旋桨包括至少一对同速反向共轴多旋翼的主螺旋桨和至少一组副螺旋桨，所述动力驱动机构由驱动主螺旋桨的主动力组和驱动副螺旋桨的辅动力组组成，所述主动力组采用同步齿轮驱动机构，带动主螺旋桨为飞行器提供主要升力，包括：动力输出轴，由一空心轴和贯穿所述空心轴的芯轴组成；同步齿轮组，包括两个分别与芯轴、空心轴同轴心连接的大齿轮，两个大齿轮的相对面设有完全一致的凸齿；安装在动力输出轴上并通过离合器与两个大齿轮啮合的小齿轮，所述小齿轮设置在两个大齿轮的凸齿之间。

2.如权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于，当所述主螺旋桨为一对时，所述一对主螺旋桨的旋转轴线与飞行器的垂直中轴线平行且重合。

3.如权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于，当所述主螺旋桨为多对时，所述多对主螺旋桨中的每对螺旋桨的旋转轴线与飞行器的气动中心距离相等，且多对主螺旋桨中每对螺旋桨的旋转轴线布局都与飞行器的垂直中轴线两两对称。

4.如权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述辅动力组包括：至少2n个旋转速度可调的副螺旋桨，每2个副螺旋桨为一组，其旋转方向相反，用于控制飞行器的姿态平衡及悬停、升降、前后左右、方向的机动飞行，n为正整数，且n>=2。

5.如权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述副螺旋桨通过电动机驱动，每个电动机均与一个电子调速器连接，所述飞行控制系统通过程序指令和接收地面遥控指令，控制电子调速器对单个副螺旋桨的转速进行调节。

6.如权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述副螺旋桨的气动布局是布置在远离飞行器中轴线的最外侧，所述副螺旋桨及电动机通过电机支撑臂与机架连接，所述电机支撑臂围绕飞行器的中轴线的圆周分布。

7.如权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述副螺旋桨的旋转轴与飞行器的垂直中轴线呈3-10度左右的角度而且副螺旋桨的升力方向是向中轴线方向内倾。

说明书

一种多旋翼飞行器

技术领域

[0001] 本发明涉及飞行器的，尤其涉及飞行器的动力以及飞行控制技术。

背景技术

[0002] 目前，能实现垂直起降和悬停的飞行器种类很多，如：飞艇、直升飞机、垂直起降固定翼飞机、旋翼机、多旋翼飞行器（亦称多轴飞行器）等。这些飞行器的动力驱动方式一般就三种：燃油发动机、电力发动机或者油电混合进行供电。

[0003] 但是三种驱动方式的飞行器都各有其弊病，在同等的起飞重量条件下，以燃油发动机为动力的飞行器的特点是续航时间长，载重量大，但需要较复杂的机械控制机构，动力过载能力弱，动力输出及姿态控制困难。

[0004] 以电动机为动力的飞行器的特点是可省却机械控制结构，动力过载能力强，动力输出及姿态控制敏锐可靠，但受到目前电池技术的限制，相对续航时间短，载重量有限，需频繁更换电池，运行效率低，成本较高。

[0005] 而油电混合多旋翼飞行器则有的是使用燃油发动机发电和充电，再供电动机使用，此方案的能量转化率过低。还有的是在目前的多旋翼飞行器中加入几组燃油发动机搭配螺旋桨，通过桨的高速旋转获得更大的升力，尽管已考虑到将发动机的数量设为偶数并同时搭配正桨和反桨可相互抵消反扭力，但多台发动机未能做到机械同步联动，当多台燃油发动机输出的动力稍有不同时，就会产生复杂多样的不平衡力矩，使得飞行器很难稳定飞行和控制。

[0006] 因此，需要提供一种多旋翼飞行器，使它不限于动力源形式，也不依赖于复杂的机械控制结构，就可以实现稳定悬停及升降等飞行动作。

发明内容

[0007] 本发明为了解决上述现有技术的问题，提出一种多旋翼飞行器，包括燃油发动机、同步齿轮驱动机构、机架和多根电机支撑臂组成的机身、起落架、螺旋桨、电动机、电子调速器、电池组和飞行控制系统，螺旋桨包括：一对同速反向共轴双旋翼的主螺旋桨，由一台或多台燃油发动机通过同步齿轮驱动机构驱动, 承担飞行器的主要升力；至少4n个副螺旋桨，它们速度可调，每2个副螺旋桨为一组，其旋转方向相反，主要用于控制飞行器的姿态平衡及悬停、升降、前后左右、方向的机动飞行，同时承担飞行器的小部分升力，n为正整数，且n>=1。

[0008] 本发明通过燃油发动机为主动力驱动和电动机为辅助驱动混合为飞行器提供升力和姿态控制及飞行控制，由一台或多台燃油发动机通过同步齿轮驱动机构驱动，带动一对主螺旋桨（一正一反）同速反向旋转，为飞行器提供主要升力,由至少4台以上电动机驱动的多对副螺旋桨，主要用于控制飞行器的姿态平衡及悬停、升降、前后左右、方向的机动飞行控制，同时承担飞行器的小部分升力，同步齿轮驱动机构用于同步、协调、减速和调向主动力驱动的输入输出，提供可控的平衡稳定的升力输出，消除不平衡扭矩输出。以保证能与电动机、副螺旋桨构成的辅助驱动系统很好组合，成为实用的、可行的油电混合动力驱动方案，可广泛应用于垂直起降固定翼飞机和大载重长航时的多旋翼等飞行器中，尤其是中大型飞行器。

附图说明

[0009] 图1为本发明的主视图；

[0010] 图2为本发明的侧视图；

[0011] 图3为本发明的俯视图。

具体实施方式

[0012] 以下结合附图和实施例，说明本发明的结构原理。

[0013] 如图1至图3所示，本发明的多旋翼飞行器包括机架1、起落架2、飞行控制系统以及两套动力驱动机构，这两套动力驱动机构分别为主动力组和辅动力组。

[0014] 其中主动力组包括动力源、同步齿轮驱动机构和主螺旋桨12，同步齿轮驱动机构包括一对动力输出轴和同步齿轮组，动力输出轴由一空心轴3和贯穿该空心轴3的芯轴4组成，同步齿轮组相应地也设有两个大齿轮5，这两个大齿轮5分别与芯轴4、空心轴3同轴心连接，并且两个大齿轮5的相对面之间设有模数和齿数完全一致的一个或多个小齿轮6。同步齿轮驱动机构具有四大功能，同步、协调、减速和调向，同步功能可以保障每个动力输出轴转速一致，协调功能可以保障在使用多台燃油发动机或主电机时，均衡各发动机、电动机的动力输出状态差异，减速功能可以保障主螺旋桨做功效率最高，调向功能可以保障动力输出轴是由正转和反转成对组成，以相互抵消主螺旋桨产生的反扭矩，同时可以保障在使用多台燃油发动机或使用主螺旋桨电动机或使用发电机时的动力输出轴和动力输入轴的方向符合安装要求。

[0015] 主动力组中的动力源有两种实施例，其中，第一种动力源采用的是至少一台燃油发动机7、油箱8，每台燃油发动机7的动力输出轴通过离合器11连接到小齿轮，每个小齿轮6都是啮合在上下两个大齿轮5的凸齿之间。燃油动发动机7通过同步齿轮组带动两个主螺旋桨（一正一反）提供飞行器所需的主要升力。

[0016] 主动力组中的动力源的第二种实施例采用主电机9来替换燃油发动机7，主电机9的动力输出轴直接连接到一个小齿轮6，通过电池组10对主电机进行供电，从而带动同步齿轮组，通过同步齿轮驱动机构带动两个主螺旋桨。

[0017] 无论是采用燃油发动机还是采用主电机，都可以根据需要配置其个数，以燃油发动机为例，当燃油发动机有多个时，可以沿同步齿轮组中大齿轮的圆周方向进行排列，并分别通过单独的离合器和单独的小齿轮与同步齿轮驱动机构中的大齿轮连接，经同步、协调后有序统一的驱动主螺旋桨工作。解决了多台燃油发动机工作时，动力不协调不同步的问题，也解决了多台燃油发动机驱动多支主螺旋桨容易产生复杂多样的不平衡力矩的问题。因此，可以容许多台燃油发动机同时工作或者部分工作。

[0018] 主动力组的螺旋桨是成对设置的,可以是一对,也可以是多对,每对主螺旋桨12的直径、螺矩等气动特性均一致和对称，每对主螺旋桨在飞行器中的气动布局对所产生的升力大小都是均衡的可控的，方向都是一致的，最大限度的减少或削除三维不平衡扭矩和扭力的输出，只产生一致向上的可控升力，是飞行器中承担主要的升力和部分电力的重要组件。当主螺旋桨为一对时，主螺旋桨的一对旋转轴线与飞行器的垂直中轴线重合，即三轴合一。当主螺旋桨为多对时，每对主螺旋桨的旋转轴线与飞行器的气动中心距离相等，且多对主螺旋桨中每对螺旋桨的旋转轴线布局都与飞行器的垂直中轴线两两对称。

[0019] 本发明的辅动力组包括副螺旋桨13、电动机14和电池组10，以及支撑副螺旋桨13和电动机的电机支撑臂15，用于控制飞行器的姿态平衡及悬停、升降、前后左右、方向的机动飞行，同时承担飞行器的小部分升力。

[0020] 其中副螺旋桨13的数量至少需要4个，也可以是6个、8个等，因此至少需要2n个，n为正整数，且n>=2，相应地电机支撑臂的数量也需要设置这么多，多个电机支撑臂15围绕飞行器的垂直中轴线均匀分布。本实施例中一共设置了4组8个副螺旋桨，用于控制飞行器的姿态平衡及悬停、升降、前后左右、方向的机动飞行。这4组副螺旋桨中每一组内的2个副螺旋桨的旋转方向相反，每一个电动机与一个电子调速器连接，飞行控制系统可以通过程序指令，也可以接收地面遥控指令，控制电子调速器对单个副螺旋桨的转速进行调节，实现飞行器的稳定悬停和向上下前后左右及侧上下前后左右等多个方向的飞行及各种角度的旋转。

[0021] 本发明也可以单独通过辅动力组提供飞行器所需的全部升力，也就是说，即便主动力组失效，辅动力组也可以维持飞行器的正常飞行。通过对不同位置的副螺旋桨转速变化完成飞行器的升降及方向转动、悬停。飞行器的升降靠副螺旋桨电机的转速同时增大或减小来控制；飞行器在飞行中，可通过控制不同位置的副螺旋桨电机转速来调节飞行姿态变化，可轻易实现向上下前后左右及侧上下前后左右等多个方向飞行和悬停。

[0022] 主桨的旋转轴平行于飞行器的垂直中轴线，飞行器的垂直中轴线是穿过飞行器的气动中心的且垂直于飞行器的水平面，电机支撑臂与水平面呈一定角度，在本实施例中，副螺旋桨的旋转轴与飞行器的垂直中轴线呈3-10度左右的角度而且副螺旋桨的升力方向是向中轴线方向内倾的。飞行器通过副螺旋桨预设内倾角，使无人飞行器的飞行更加稳定，同时，副螺旋桨还预设有侧倾角，使飞行器水平旋转方向调节更加敏锐，提高飞行器水平旋转方向的稳定性和机动性，侧倾角为副螺旋桨的旋转轴除了向飞行器中轴线方向内倾外，同时还向飞行器中轴线一侧或另一侧倾斜，所有正转副螺旋桨的旋转轴向一侧倾斜，所有反转副螺旋桨的旋转轴向另一侧倾斜，侧倾角的范围为±2-5度。

[0023] 在汇总了现有电动及燃油两种动力驱动的优缺点后，申请人经过十多年的经验摸索，研制出能够实际应用的油电混合动力驱动方法（以油动为主，电动为辅的一种新型驱动方式），集合了传统两种驱动方式的优点（提高可载重量，增加续航时间，结构更简单，控制更容易），大幅提升飞行器的性能。与现有技术相比，本发明不仅提供了两种动力模式，而且即便主动力组失效飞行器仍可继续飞行，相对同类型产品更加安全可靠，稳定性大大提高。通过模块化设计，简化了多旋翼结构，使副螺旋桨的机械结构相对简化，更易拆装及维护，可以快装快卸副螺旋桨组件和主桨，燃油发动机（装上燃油发动机就是油电混合动力，不装燃油发动机或装主电动机就是纯电动），机壳罩，云台，相机等配件。简化了生产工艺，降低了生产成本。通过地面站的计算机通过数字传输电台控制飞行器飞行状态，可超视距控制飞行，也可通过遥控器控制飞行。本发明的技术方案降低了飞行器操作难度，使无操纵基础的初学者也能操纵飞行器平稳飞行。并且本实施例中的八旋翼结构也比四旋翼、六旋翼结构也使飞行器性能更加可靠。

[0024] 应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。