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原文传递一种矢量倾转的共轴双旋翼无人机

专利名称：	一种矢量倾转的共轴双旋翼无人机
摘要：	提供一种矢量倾转的共轴双旋翼无人机，由机身(101)、动力装置(102)和矢量倾转装置(103)组成，无人机左右两侧的动力装置(102)和矢量倾转装置(103)是对称且结构完全相同的。无人机高速前飞带来的后行桨叶失速问题可由上下旋翼转速相反，其后行桨叶所处位置相对机体对称的特性而解决；一副旋翼产生的侧倾力矩被另一副旋翼的侧倾力矩平衡。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	中国人民解放军空军工程大学
发明人：	刘博;周炜;蔡强;王小平;周问;常怡鹏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-19T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201910583776.3
公开号：	CN110217389A
分类号：	B64C27/10(2006.01);B;B64;B64C;B64C27
申请人地址：	710051 陕西省西安市长乐东路甲字1号空军工程大学
主权项：	1.一种矢量倾转的共轴双双旋翼无人机，由机身(101)、动力装置(102)和矢量倾转装置(103)组成，无人机左右两侧的动力装置(102)和矢量倾转装置(103)是对称且结构完全相同的；其特征在于机身(101)分为机身壳体、机身上方部分、机身内部部分、机身下方部分、左侧机臂套筒(201)和右侧机臂套筒(207)；其中机身壳体为长方体结构，包括位于机身壳体上部的机体上板(202)、机体底板(219)、左侧壁(218)、右侧壁(220)；通过第一固定连接装置使左侧壁(218)与机体上板(202)、机体底板(219)紧固连接；通过第二固定连接装置使机体上板(202)与左侧壁(218)、右侧壁(220)紧固连接；同样的，右侧壁(220)与机体底板(219)有相同的固定方式；在机身上方部分，在机体上板(202)上安装GPS导航接收天线基座(222)，从正面看，天线基座(222)呈倒“T”型，为惯用天线底座形状，利用第三固定连接装置使其与机体上板(202)紧固连接；在天线基座(222)上连接一根天线杆(223)，天线杆(223)上下两端均刻有螺纹，下端连接天线基座(222)，上端连接水平圆盘(204)；天线杆(223)与天线基座(222)、水平圆盘(204)同轴，且不可转动；将GPS固定在水平圆盘(204)上表面上；在机体上板(202)上安装一个小型旋翼，小型旋翼自上而下由旋翼安装帽(205)、旋翼桨叶(203)和无刷直流电机(206)组成，无刷直流电机(206)通过第四固定连接装置紧固连接在无人机机身上板(202)上；旋翼安装帽(205)、旋翼桨叶(203)和无刷直流电机(206)相互之间的连接方式为惯用方式；固定天线基座(222)和无刷直流电机(206)都位于无人机机身上板(202)的纵向中轴线上；机身内部部分安置有飞行控制器(212)、数据传输器(221)、4个电子调速器(208、209、216、217)、舵机(211、213)和电池(214)；飞行控制器(212)是无人机的控制中心，安装在机身内部，在收到指令后控制无刷直流电机(206)按照相应要求做出相应的动作，实现无人机飞行姿态的改变；数据传输器(221)安装在机身内部；电子调速器(208、209、216、217)采用无刷电调，接收启动、停止、制动信号后，实现对电机转速的控制，四个电子调速器的放置要考虑机身配重；电池(214)的安装位置由无人机重量配平确定；舵机(211、213)安装在飞行控制器两侧，根据配重固定安装在机体底板上，驱动传动轴转动，进而实现动力装置的倾转，改变无人机飞行姿态；机身下方部分具有两个碳纤维脚架(210、215)，沿飞行方向左右对称安装在机体底板下方，碳纤维脚架(210、215)上部呈拱形形状，拱形碳纤维脚架(210、215)拱形顶端通过第五固定连接装置或粘结剂与机体底板紧固连接；拱形碳纤维管两端穿过一根水平碳纤维管；碳纤维脚架(210、215) 左侧机臂套筒(201)和右侧机臂套筒(207)均为空心长圆柱棒体，与无人机侧壁固定连接为一体，左右对称；左侧机臂套筒(201)的右端与机体左侧壁(218)固定连接为一体，左侧机臂套筒(201)的左端与左侧矢量倾转装置(103)连接；矢量倾转装置(103)包括左右两侧各一套，二者结构完全相同且对称放置；右侧矢量倾转装置(103)自右向左大致包括：倾转机构传动轴(303)、第一轴承(302)、右侧机臂套筒(207)、右侧壁(220)、第二轴承(301)、舵机(213)；倾转机构传动轴(303)为轴承结构，右侧机臂套筒(207)左、右两端分别嵌入第二和第一轴承(301、302)，倾转机构传动轴(303)通过这两个轴承套在右侧机臂套筒(207)内，用于减小传动轴驱动动力装置转动的阻力，倾转机构传动轴(303)的轴心和两个轴承的轴心重合；倾转机构传动轴(303)右端具有突出连接部，通过突出连接部与动力装置(102)连接；倾转机构传动轴(303)左端与无人机机身内部的舵机(213)可转动连接，通过可转动连接方式将舵机(213)与倾转机构传动轴(303)连接在一起；舵机(213)驱动倾转机构传动轴(303)转动，进而控制右侧动力装置实现倾转；倾转机构传动轴(303)及右侧机臂套筒(207)均为中空结构；无人机左右两侧动力装置结构相同且对称布置，左侧动力装置(102)自上而下由上旋翼桨叶锁死机构(402)、上旋翼桨叶(401)、上电机(403)、上电机座垫片(405)、电机支架(404)、下电机座垫片(406)、下电机(407)、下旋翼桨叶(408)、下旋翼桨叶锁死机构(409)组成；上电机(403)通过第六固定连接装置与上电机座垫片(405)固定连接，上电机(403)位于上电机座垫片(405)之上；将上旋翼桨叶(401)固定在上电机(403)转子上端，转子转动驱动旋翼转动，产生升力；上旋翼桨叶锁死机构(402)安装在上电机(403)转子上，用于锁死桨叶，防止其松动；下电机(407)与下电机座垫片(406)固定连接，下电机(407)位于下电机座垫片(406)之下；将下旋翼桨叶(408)固定在下电机(407)的转子上，转子转动驱动旋翼转动，产生升力；下旋翼桨叶锁死机构(409)的形状和作用与上旋翼桨叶锁死机构(402)相同，安装在下电机(407)转子上；上、下电机座垫片(405和406)右端各自通过第七固定连接装置与左侧的倾转机构传动轴(410)固定连接；上、下电机座垫片(405和406)左端通过第八固定连接装置与电机支架(304)固定连接，电机支架(404)使上下两电机固定更加牢靠；并且，上电机(403)轴线与下电机(407)轴线重合，保证旋翼产生的升力最大化。 2.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人机，其特征在于，四个电子调速器固定在机体底板的四个角位置。 3.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人机，其特征在于，倾转机构传动轴(303)左端与无人机机身内部的舵机(213)可转动连接的方式为转动连接、螺纹连接或枢轴连接。 4.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人机，其特征在于，倾转机构传动轴(303)材料为碳纤维；机身材质选择铝合金材料、复合材料或碳纤维；旋翼桨叶均选用碳纤维桨叶。 5.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人机，其特征在于，通过上电机(403)和下电机(407)上下对称安装，构成双旋翼机构。 6.如权利要求1所述的共轴双旋翼无人机，其特征在于，电机型号选择2212、3508或4010。 7.如权利要求6所述的共轴双旋翼无人机，其特征在于，电机型号选择3508。 8.如权利要求1至7所述的共轴双旋翼无人机的无人机重量分析方法，其特征在于，无人机起飞总重量可以表示为：其中M为飞行器总重量，Md为电池重量，Mp为动力系统重量，Me电子设备重量，Ml为负载重量，Xs为结构重量因子；对于属于小型、速度低的倾转旋翼无人机而言，Xs的数值在0.4-0.5之间。 9.如权利要求1至7所述的共轴双旋翼无人机旋翼类型的设计方法，其特征在于，上旋翼桨叶(401)和下旋翼桨叶(408)均为双叶型的具有一定扭曲率的弧形长薄片；桨盘载荷是旋翼的一个重要参数，可以表示为：M为飞行器总重量，Sy是旋翼桨盘的有效面积；采用共轴双旋翼结构，在工作过程中会产生扰流，使浆盘的有效面积减小，为方便计算共轴双旋翼浆盘的有效面积，引入一个修正系数λ，因此旋翼有效面积表示为：Sy＝Kλπ(R12+R22)，其中，R1为上旋翼桨叶(401)的旋转半径，R2为下旋翼桨叶(408)的旋转半径，K为旋翼桨盘面积有效系数；无人机起飞必须满足的条件为：其中，η0为悬停有效系数，D为双旋翼有效面积直径；上旋翼桨叶(401)与下旋翼桨叶(408)半径不同，通过增大下旋翼桨叶(408)，使上下两个旋翼等速反向旋转产生相同的力，保证无人机的稳定性。 10.如权利要求9所述的共轴双旋翼无人机旋翼类型的设计方法，其特征在于，浆盘修正系数为0.75，有效系数为0.95，η0＝0.75；下旋翼桨叶(408)的半径为0.16m，上旋翼桨叶(401)的半径为0.12m；旋翼桨盘的有效面积Sy为0.38m2；机身材质采用AS4与PEEK的复合材料，无人机机身为中空的长方体结构，参数分别为：长25cm，宽20cm，高15cm。
所属类别：	发明专利