CN109050898A - 非均匀动力布局式十旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一种非均匀动力布局式十旋翼无人机，包括：机身；机臂，其沿机身周向布局，所述机臂沿长度方向一端为固定端，一端为自由端；机臂的固定端固定于机身，机臂的自由端安装有飞行机构；机身的下方还设有中心共轴双桨飞行机构；共轴双桨飞行机构通过脚架连接件安装在机身几何中心的正下方，合理利用了空间，载荷能力强，飞行效率高，结构紧凑。

Description

非均匀动力布局式十旋翼无人机

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种非均匀布局式十旋翼无人机。

背景技术

多旋翼无人机大多采用锂电池作为动力，具有结构简单、飞行稳定、易于控制等优点基于多旋翼无人机开发的国土测绘、农业植保、消防、森林防火等无人机系统已经大范围推广应用。

大载荷、长航时是无人机技术发展的重要方向，通过增加旋翼数量可以提高载重能力。常用大载荷多旋翼无人机大多采用常规单层多旋翼、共轴双桨双层布局等形式。常规单层八旋翼是常用的结构形式，具有飞行稳定性好、可靠性高、抗风性好、力效比高等优点；为了进一步提高载荷能力，一些单位采用增加旋翼数量的方法，研制了单层十二旋翼、十六旋翼结构，这种结构只能通过增加无人机轴距，加大机架尺寸来实现，而机架的中心区域却有较大面积没有被旋翼风场覆盖，使得空间利用率不高，使用保障不便。另一种常见的共轴双桨双层布局结构，极大提高了空间利用率，使得机架机构较为紧凑，但由于同轴上下两桨之间气流产生干扰，使得力效比降低，一般比正常布局式降低15%左右。

发明内容

本发明目的在于提供一种非均匀动力布局式十旋翼无人机，其载荷能力强，飞行效率高，结构紧凑。

为此，提供了一种非均匀动力布局式十旋翼无人机，包括：机身，机身包括机身框架、设备舱和脚架，设备舱安装在机身框架上，机身框架下方连接有竖直的脚架；；八个机臂，其沿机身周向布局，所述机臂沿长度方向一端为固定端，一端为自由端，机臂的固定端固定于机身，机臂的自由端分别安装有飞行机构；机身的下方还设有中心共轴双桨飞行机构。

可选的，所述机身框架由四根方管通过机身连接件连接成正方形结构，八个机臂通过机身连接件固定在机身框架的四个角上，机身框架与机臂在同一平面并形成“井”字形状。机身框架为整个无人机的主要受力部件，本发明设置为正方形结构，稳定性好，可承受较大的载荷。

进一步的，所述机臂包括机臂连接件和机臂杆，机臂杆通过机臂连接件与机身连接件可折叠连接。可选的，机臂长度与脚架长度相同，机臂可向下折叠90度，折叠后，可固定在脚架上，提高了整个无人机机身的便携性。

进一步的，在机身框架的四个角处分别连接有竖直的四个脚架。

进一步的，所述飞行机构包括电机、电机座、电调控制器和旋翼，所述旋翼可转动的固定在电机上，电机与电调控制器相连，电机安装于电机座上，电机座与机臂的自由端相连。所述电机为无刷电机，电调控制器连接设备舱里的飞控系统和无刷电机，根据飞控系统的控制信号来控制电机转速，旋翼随无刷电机一起转动，用于提供升力。

进一步的，所述中心共轴双桨飞机机构包括共轴连接件，上电机和下电机，上旋翼和下旋翼，上电调控制器和下电调控制器，上电机连接上电调控制器，下电机连接下电调控制器，上电机和下电机的输出轴在同一轴线上，并对置安装在共轴连接件上，上旋翼可转动地固定在上电机的输出轴以便向一个方向旋转，下旋翼可转动的固定在下电机的输出轴以便与上旋翼相反的方向旋转，所述共轴连接件通过脚架连接件连接到脚架上，脚架连接件一端与脚架连接，另一端连接到共轴连接件，脚架连接件所在平面与机身框架所在平面平行，上电调控制器和下电调控制器采用相同型号，并采用同一个输入信号，以确保共轴的上电机和下电机的转速绝对一致、扭矩相互抵消。

进一步的，所述中心共轴双桨飞行机构为一个，共轴双桨飞行机构安装在机身的几何中心的正下方，中心共轴双桨飞行机构的轴线穿过机身的几何中心，用来提供中心升力。

可选的，还包括脚架连接件，脚架连接件一端与脚架连接，另一端连接到共轴连接件，脚架连接件所在平面与机身框架所在平面平行。

进一步的，所述设备舱里安装有飞控系统、GPS系统、图像传输系统、载荷控制系统、电源管理系统和锂电池。

本发明所述无人机系统飞行原理如下：

起飞准备完毕后，先启动中心共轴双桨飞行机构，油门开启至50%～60%的水平，使得飞行器获取一定的升力，再按普通八旋翼飞行器的程序启动飞行；飞行过程中，中心共轴双桨飞行机构始终保持均匀动力输出，而八个周向布局的飞行机构负责提供飞行需要的升力，当飞行器需要降落时，按正常程序降落，待停稳后，关闭中心共轴双桨飞行机构。

采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.载荷能力强，中心共轴双桨飞行机构与八个飞行机构一起构成十旋翼飞行系统，在动力系统选型合理的情况下，单桨可承受10kg的起飞重量，起飞重量约100kg；

2.飞行效率高，仅采用中心共轴双桨飞行机构的效率略低，八个周向布局的飞行机构均在一个平面上，没有干扰气流，整体飞行效率较高；

3.依赖八个周向布局的飞行机构进行无人机的姿态与方向稳定，稳定性、抗风性与普通单层八轴飞行器相当，优于四轴、六轴机构；

4.共轴双桨飞行机构通过脚架连接件安装在机身几何中心的正下方，合理利用了空间，整个无人机结构紧凑，便于后勤保障。

附图说明

图1为本发明实施例非均匀动力布局式十旋翼无人机的整体结构示意图；

图2为图1中A处局部放大图；

图3为图1中B处局部放大图。

附图标记：1机身框架，2机身连接件，3设备舱，4脚架，5机臂，6机臂连接件，7飞行机构，8电调控制器，9电机，10旋翼，11电机座，12脚架连接件，13共轴连接件，14上电机，15上旋翼。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的实施例，使得本领域普通技术人员可以容易地实现它们。然而，本发明还可以以许多不同形式实施，而不限于本文所述的实施例。为了清楚起见，在附图中省略了与描述本发明无关的部分。除非另有说明，本文所用的术语具有在本领域中的通常含义。在本文中，采用术语“左”、“右”、“上”、“下”等描述参考附图的各部件的相对位置，采用术语“第一”、“第二”等区别功能相同或相近的不同部件。这些术语和类似术语的使用仅用于方便描述，而不应理解为限制本发明的范围。

参照图1，一种非均匀动力布局式十旋翼无人机，包括：机身，机身包括机身框架1和设备舱3和脚架，设备舱3安装在机身框架1上，机身框架1下方连接有竖直的脚架4；所述设备舱3里安装有飞控系统、GPS系统、图像传输系统、载荷控制系统、电源管理系统和锂电池（图中未示出）；八个机臂5，其沿机身周向布局，所述机臂5沿长度方向一端为固定端，一端为自由端，机臂5的固定端固定于机身，机臂5的自由端分别安装有飞行机构7；机身的下方还设有中心共轴双桨飞行机构。

可选的，所述机身框架1由四根碳纤维方管通过机身连接件2连接成正方形结构，可承受100kg以上的载荷，八个机臂5通过机身连接件2固定在机身框架1的四个角上，机身框架1与机臂5在同一平面并形成“井”字形状。机身框架1为整个无人机的主要受力部件，本发明设置为正方形结构，稳定性好，可承受较大的载荷。

所述机臂5包括机臂连接件6和机臂杆，机臂杆通过机臂连接件6与机身连接件2可折叠连接。机身连接件2和相邻的两个机臂连接件6组成一个五通结构，机臂5长度与脚架4长度相同，机臂可向下折叠90度，折叠后，可固定在脚架4上，提高了整个无人机机身的便携性。在机身框架1的四个角处分别连接有竖直的四个脚架4，脚架4为四个等长的碳纤维杆。

参照图2，所述飞行机构7包括电机9、电机座11、电调控制器8和旋翼10，所述旋翼10可转动的固定在电机9上，电机9与电调控制器11相连，电机9安装于电机座11上，电机座11与机臂5的自由端相连。所述电机9为无刷电机，电调控制器连接设备舱里的飞控系统和无刷电机，根据飞控系统的控制信号来控制电机转速，旋翼随无刷电机一起转动，用于提供升力。八个飞行机构的轴距为2250mm，旋翼规格为32mm×11mm，单个飞行机构最大拉力约20kg，起飞重量小于10kg；

参照图1和图3，所述中心共轴双桨飞机机构包括共轴连接件13，上电机14和下电机，上旋翼15和下旋翼，上电调控制器和下电调控制器，上电机14连接上电调控制器，下电机连接下电调控制器，上电机14和下电机的输出轴在同一轴线上，轴线穿过机身中心，并对置安装在共轴连接件13上，上旋翼15可转动地固定在上电机14的输出轴以便向一个方向旋转，下旋翼可转动的固定在下电机的输出轴以便与上旋翼相反的方向旋转。上电调控制器和下电调控制器采用相同型号，并采用同一个输入信号，以确保共轴的上电机14和下电机的转速绝对一致、扭矩相互抵消。共轴连接件13通过脚架连接件12连接到脚架4上，脚架连接件12一端与脚架4连接，另一端连接到共轴连接件13，脚架连接件12所在平面与机身框架1所在平面平行。

中心共轴双桨飞行机构为一个，共轴双桨飞行机构安装在机身的几何中心的正下方，中心共轴双桨飞行机构的轴线穿过机身的几何中心，用来提供中心升力。

为使得中心共轴双桨飞行机构提供更大的升力，使得整个飞行平台的载荷能力达到最大，采用如下设计原则：首先选择上旋翼和下旋翼尺寸略小于脚架对角线的尺寸，使得空间布局合理紧凑；在此基础上，选配与上旋翼和下旋翼尺寸相匹配的无刷电机，优选的，中心共轴飞行机构的上电机和下电机功率大于周向八个飞行机构的电机；上旋翼和下旋翼的旋转方向相反。上旋翼和下旋翼尺寸为35mm×12mm，最大拉力约40kg，实际飞行中工作点为20kg。

上文已经详细描述了用于实现本发明的某些最佳实施例和其他实施例，但应理解，这些实施例的作用仅在于举例，而不在于以任何方式限制本发明的范围、适用或构造。本发明的保护范围由所附权利要求及其等同方式限定。本领域技术人员可以在本发明的教导下对前述各实施例作出诸多改变，这些改变均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非均匀动力布局式十旋翼无人机，包括：机身，机身包括机身框架（1）和设备舱（3），设备舱（3）安装在机身框架（1）上；八个机臂（5），其沿机身周向布局，所述机臂（5）沿长度方向一端为固定端，一端为自由端，机臂（5）的固定端固定于机身，机臂的自由端分别安装有飞行机构（7）；其特征在于，机身框架（1）的下方还设有中心共轴双桨飞行机构。

2.根据权利要求1所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，所述机身框架（1）由四根方管通过机身连接件连接成正方形结构，八个机臂（5）通过机身连接件（2）固定在机身框架（1）的四个角上，机身框架（1）与机臂（5）在同一平面并形成“井”字形状。

3.根据权利要求1所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，所述机臂（5）包括机臂连接件（6）和机臂杆，机臂杆通过机臂连接件（6）与机身连接件（2）可折叠连接。

4.根据权利要求1所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，所述飞行机构（7）包括电机（9）、电机座（11）、电调控制器（8）和旋翼（10），所述旋翼（10）可转动的固定在电机（9）上，电机（9）与电调控制器（8）相连，电机（9）安装于电机座（11）上，电机座（11）与机臂（5）的自由端相连。

5.根据权利要求1所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，所述机身框架（1）下方还连接有竖直的脚架（4），所述中心共轴双桨飞机机构包括共轴连接件（13），上电机（14）和下电机，上旋翼（15）和下旋翼，上电调控制器和下电调控制器，上电机（14）连接上电调控制器，下电机连接下电调控制器，上电机（14）和下电机的输出轴在同一轴线上，并对置安装在共轴连接件（13）上，上旋翼（15）可转动地固定在上电机（14）的输出轴以便向一个方向旋转，下旋翼可转动的固定在下电机的输出轴以便与上旋翼相反的方向旋转，所述共轴连接件（13）通过脚架连接件（12）连接到脚架（4）上，脚架连接件（12）一端与脚架（4）连接，另一端连接到共轴连接件（13），脚架连接件（12）所在平面与机身框架（1）所在平面平行。

6.根据权利要求1所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，所述中心共轴双桨飞行机构为一个，共轴双桨飞行机构安装在机身的几何中心的正下方，中心共轴双桨飞行机构的轴线穿过机身的几何中心。

7.根据权利要求2所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，在机身框架（1）的四个角处分别连接有竖直的四个脚架（4）。

8.根据权利要求1所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，所述设备舱（3）里安装有飞控系统、GPS系统、图像传输系统、载荷控制系统、电源管理系统和锂电池。

9.根据权利要求1所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，所述机臂（5）长度和脚架（4）高度相同。

10.根据权利要求1所述的非均匀动力布局式十旋翼无人机，其特征在于，所述机身框架（1）和脚架（4）的材质均为碳纤维。