一種大載重的多旋翼無人飛行器的製作方法

2023-06-04 22:05:21 1

本發明涉及飛機機械結構設計領域，具體而言，涉及一種載重量可達20kg的六旋翼大載重無人飛行器。

背景技術：

無人機應用很廣，目前已涉及多方面領域，包括影視航拍、地圖測繪、地質勘測、氣象探測、環境探測、農林植保等等。作為一個飛行平臺，無人機不僅能實現航拍的娛樂用途，更重要的是能搭載不同設備完成特定工業任務。無人機跟行業結合的將越來越緊密，包括測繪、農業、電力等領域的有效結合，逐漸變成解決方案中的一個工具，發揮更大的價值。

工業應用中，我們需要飛行器載重量大，飛行時間長，以完成特定工作，如噴灑農藥、地圖繪製等。多旋翼無人機由於具有垂直起降，無需跑道，飛行平穩，定點懸停的特點，行業應用較廣。但現有技術受制於電池的單位質量儲能強度，長航時的飛行需要多攜帶電池，電池本身的重量大大限制了飛行器的載重能力，嚴重限制了多旋翼無人機的行業應用。

現有技術中，消費級無人機載重量較小，搭載航拍設備，載重量在2kg以內；工業級無人機，載重量一般在5-15kg之間。例如，農林植保類無人機，以MG-1農業植保機為例，其標準載重為10kg左右，標準載重下正常懸停時間僅有10min，現實應用性較差。作為重要的參數，載重量小、飛行時間短，上述缺陷限制了無人機的行業應用。

為解決上述問題，專利CN 203078754U提出了一種大載重多旋翼無人直升機。包括機身、4個或4個以上成組旋翼，其特徵在於，所述旋翼均由電動機驅動，電動機的電源由位於地面的電源通過線纜傳輸。該技術方案有效的減輕了無人機攜帶電池的重量，可在無人機上放置更重的儀器設備。但此技術方案在實際應用上受到了限制，主要表現在兩個方面：一是無人機的飛行半徑受地面線纜的長度制約，飛行半徑小，飛行高度低；二是對作業環境有較高要求，要求飛行範圍內地面無障礙物。

技術實現要素：

為克服現有技術中存在的載重量小、飛行時間短的不足，本發明提出了一種大載重的多旋翼無人飛行器。

本發明包括機身蓋板、起落架、兩個電池箱、電池、多個機臂連接件、多個機臂連接杆、多個電機、多組螺旋槳和電機座鎖緊環。其中，所述機身蓋板為正六邊形的盒式結構，所述多個機臂連接件固定該機身蓋板內部，並分別位於機身蓋板正多邊形的各個角上。所述各機臂連接杆的一端與機臂連接件固連，另一端為懸臂端。所述各電機通過電機座鎖緊環固定各機臂連接杆的懸臂端。各組螺旋槳分別安裝在所述各電機的上表面。兩個電池分別安放在位於機身上板上表面幾何中心和機身下板下表面幾何中心的各電池箱內框架結構的起落架通過起落架固定起落架連接件安裝在所述機身下板下表面。所述的正多邊形為正六邊形或正八邊形。

所述機身蓋板包括相互平行的機身上板、機身下板，以及連接該機身上板和機身下板的邊部擋板；在該機身蓋板內幾何中心處的機身上板下表面與機身下板上表面之間固定有中心支撐框。

所述機臂連接件為組合件，包括機臂接頭、軸套和鎖緊螺母。其中的機臂接頭由兩個相互平行的方形的支架板和一個套筒組成。在所述兩個支架板對稱的兩個側表面上分別有連接孔。所述各支架板的幾何中心有用於固定所述套筒的通孔。所述套筒的外徑與各支架板上通孔的內徑相同；所述套筒的內徑與軸套的外徑相同。在所述套筒外端的外圓周表面為螺紋面，並且所述套筒外端的端面開有軸向的定位槽。

所述機臂連接杆為空心圓筒狀碳管，一端伸入到機臂連接件內部，依靠鎖緊螺母擰緊，另一端伸入到電機座鎖緊環，依靠鎖緊螺絲擰緊。

所述電機座鎖緊環為圓筒狀。該電機座鎖緊環沿軸向切開，以方便機翼連接杆懸臂端快速插入該鎖緊環；在該電機座鎖緊環外圓周表面一端的軸向切縫兩側均有徑向凸出的鎖緊耳片，該耳片上有同心的連接孔；當機臂連接杆一端插入該電機座鎖緊環後，通過螺栓將耳片固緊，從而將機臂連接杆和電機機構連接。電機座和電機座鎖緊環為一體式結構。

所述機身蓋板中的機身上板和機身下板結構尺寸均相同，為正多邊形碳板。多邊形的各個角進行倒角處理，倒角邊長度與機臂接頭長度相匹配。倒角邊內側均有機臂接頭的連接孔。在所述機身上板的各邊的邊緣與機身下板各邊的邊緣分別有用於嵌裝邊部擋板的卡槽。在所述機身下板上分布有起落架安裝孔。

所述邊部擋板兩個長邊的側表面對稱的分布有凸出該側表面的卡塊；各長邊的側表面上有兩個卡塊，當該邊部擋板與機身蓋板中的機身上板和機身下板配合時，該卡塊分別嵌裝入位於機身上蓋板和機身下蓋板的卡槽內。

所述中心支撐框的外形與機身上板和機身下板的外形相同。在該中心支撐框各個側面的底框上均有用於布置飛控線路的凹槽。所述中心支撐框的高度與所述邊部擋板的高度相同。在該中心支撐框的各個角上分別有用於與機身上板和機身下板固定連接的螺孔。

機臂接頭包括兩個支架和一個套筒。所述兩個支架的方形框的邊框內對稱的表面上分別有支撐臺；所述套筒與軸套之間為過渡配合。在所述套筒一端端面開有軸向的定位槽。所述有定位槽一端套筒的外圓周表面為螺紋面。鎖緊螺母穿過軸套，其內螺紋和套筒外螺紋匹配，將軸套與機臂接頭固定連接。

所述螺旋槳用木質材料和包裹在木質材料表面的碳纖維製成，為一體式的中心對稱結構，並且該螺旋槳的對稱中心為槳轂；所述的槳轂為凹槽狀，該凹槽的兩側為螺旋槳槳葉。該螺旋槳的展長為760mm，其中槳轂的長度115mm。所述螺旋槳的螺距為 240mm。所述槳轂的厚度為3mm。該槳轂的上表面與下表面均為平面。

所述螺旋槳槳葉的葉根的厚度為7mm，葉尖的厚度為2mm，並且葉根與葉尖之間的上表面為一次曲線線性減薄；所述槳葉的弦向自葉根至葉尖為二次曲線，其中葉根處的弦長為70mm，葉尖處的弦長為30mm。槳轂處的弦長為70mm，並且槳轂與葉根之間為二次曲線連接。所述槳轂的厚度為該槳轂弦長的8％；葉根的厚度為該葉根弦長的 10％；葉尖的厚度為該葉尖弦長的6％。

本發明從無人機行業應用的現實角度出發，能夠有效解決傳統無人飛行器載重量小，飛行時間短的問題。

具有以下的優點：

(1)載重量大，有效載荷單次可達到20kg及以上。

優化飛機結構，實現載重量大。與一般無人機機身結構相比，本發明有兩處改進，一是新增了中心支撐框。中心支撐框的使用大大增加了機身的結構剛度，特別是當大重量載荷懸掛於機身蓋板下板時，機身下板變形量大大減小，對於同樣厚度的機身下板，中心支撐框的使用可使得懸掛載荷量由10kg增加到20kg，但中心支撐框對於整個系統增重幾乎可以忽略不計。如若不使用中心支撐框，在負載同等載荷的情況下，為保證強度要求，機身蓋板將增厚1倍，重量增加較多；二是機臂連接件的優化設計。機臂連接件與機身蓋板之間螺紋連接，保證機身擁有足夠的剛度，以利於懸掛更重的載荷，機臂連接件與機臂之間通過鎖緊螺母連接，同樣具有機臂拆裝方便的效果。

(2)續航時間長。有效載荷為10kg時，續航時間35min，有效載荷為20kg時，續航時間能夠達到20min，滿足大多數現實需要。

在本設計中，槳葉採用的螺旋槳的優勢體現在結構和材質兩方面。結構上，螺旋槳槳根處的剖面最厚，隨著向槳尖處位移而逐漸減薄；槳根處槳葉厚度約為弦長的14％。槳尖的弦長比較小，厚度約為弦長的10％。槳尖部分較薄，為了減小阻力。槳根部分的線速度小，工作效率低，這部分槳葉剖面主要應服從保持強度和剛度的需要。此外，槳葉整體呈扭曲的片狀，槳轂上下弧處為平面，保證與電機座的接觸強度；從材質上講，螺旋槳採用複合材質，輕且強度高。內部為木質，保持螺旋槳的形狀，外層表面為碳纖維材質，能夠保持螺旋槳的強度。

(3)機身機臂的再次拆裝快速方便：以本發明的六旋翼機為例，按照傳統方式，需要拆卸機身上下板與機臂接頭的所有螺栓，共計8X6＝48個，以每個螺絲拆卸10秒進行計算，共需8min。本發明僅需安裝一次，再次安裝拆卸時，只需鬆開鎖緊螺母即可，且不需要任何工具，徒手即可完成，6個鎖緊螺母按每個5秒鐘計算，只需0.5min。有效節省了時間，且不需要任何工具即可完成。

(4)作業環境影響小。線纜輸電對環境要求高，本發明使用傳統機載電池方式，具有靈活方便，環境適應性廣的特點。

附圖說明

圖1是本發明的立體結構示意圖；

圖2是機身蓋板、中心隔框和機臂連接件的配合示意圖；

圖3是機身蓋板、機臂連接件和機臂連接杆的配合示意圖；

圖4是機臂連接杆、電機和螺旋槳的配合示意圖；

圖5是起落架、電池箱和邊部擋板的配合示意圖；

圖6是機身蓋板結構示意圖；

圖7是邊部擋板結構示意圖；

圖8是中心支撐框結構示意圖。

圖9為機臂連接件結構示意圖，其中，圖9a是軸測圖，圖9b是軸套的結構示意圖，圖9c是鎖緊螺母的結構示意圖；

圖10為機臂連接杆結構示意圖；

圖11為起落架結構示意圖；

圖12為起落架連接件結構示意圖；

圖13為電機座和電機座鎖緊環結構示意圖。

圖14為沿著任意一對螺旋槳剖視示意圖；

圖15為沿著任意單個螺旋槳剖視示意圖；

圖16為機臂連接機構剖視圖；

圖17為螺旋槳結構示意圖，其中圖17a為正視圖，圖17b為俯視圖。圖中：

1.機身蓋板；2.邊部擋板；3.中心支撐框；4.機臂連接件；5.機臂連接杆；6.電機；7.螺旋槳；8.起落架；9.電池箱；10.電池；11.機臂接頭；12.軸套；13.鎖緊螺母；14.電機座鎖緊環；15.電機座；16.卡槽；17.中心支撐框安裝孔；18.起落架安裝孔；19.起落架連接件；20.槳轂；21.葉根；22.葉尖。

具體實施方式

為克服多旋翼無人機載重小、續航時間短的缺點，以及目前線纜供電傳輸方式對飛行場地要求高，且飛行半徑小的現狀。本發明從無人機行業應用的現實角度出發，提出了一種多旋翼的大載重無人飛行器。

本發明包括機身蓋板1、邊部擋板2、中心支撐框3、起落架8、電池箱9、電池 10、多個機臂連接件4、多個機臂連接杆5、多個電機6和多組螺旋槳7。其中，所述機身蓋板1為正六邊形的盒式結構，由相互平行的機身上板、機身下板，以及連接該機身上板和機身下板的邊部擋板2組成；所述中心支撐框位於該機身蓋板1內的幾何中心，固定在所述身上板的下表面與機身下板上表面之間。所述多個機臂連接件4固定所述機身蓋板內部，並分別位於機身蓋板正六邊形的各個角上；在與各機臂連接件對應的所述邊部擋板上分別開有機臂連接杆5的安裝孔。所述各機臂連接杆5的一端伸入到機臂連接件4內部，並通過鎖緊螺母固緊，另一端為懸臂端。所述各電機6通過電機座鎖緊環14固定各機臂連接杆的懸臂端。

各組螺旋槳7分別安裝在所述各電機的上表面。電池箱9有兩個，分別固定在機身上板上表面的幾何中心和機身下板下表面的幾何中心。電池10置於所述電池箱內。框架結構的起落架8通過起落架固定起落架連接件安裝在所述機身下板下表面。

所述機身蓋板1中的機身上板和機身下板結構尺寸均相同，為正多邊形碳板。正多邊形的各個角進行倒角處理，倒角邊長度與機臂接頭長度相匹配。倒角邊內側均設置4個相同大小、正方形排列的螺紋孔，螺紋孔的位置和機臂接頭一一對應。通過螺栓連接的方式將上下兩層機身蓋板和機臂連接件固定連接。在所述機身上板的多邊形邊的邊緣與機身下板的多邊形邊的邊緣分別有用於嵌裝邊部擋板2的卡槽16，該卡槽的數量和位置均與所述邊部擋板上的卡塊的數量和位置一致。在所述機身下板上分布有起落架安裝孔18。所述的正多邊形為正六邊形或正八邊形。在所述機身上板的內表面和下板的內表面分別有呈六角形分布或八角形分布的中心支撐框安裝孔17。

本實施例中，機身上板和機身下板均為正六邊形。

所述邊部擋板為矩形板。在該邊部擋板的兩個長邊的側表面對稱的分布有凸出該側表面的卡塊；各長邊的側表面上有兩個卡塊，當該邊部擋板與機身蓋板1中的機身上板和機身下板配合時，該卡塊分別嵌裝入位於機身上蓋板和機身下蓋板的卡槽內。

所述機臂連接件4為組合件，包括機臂接頭11、軸套12和鎖緊螺母13。所述機臂接頭11整體為長方體式結構，由兩個相互平行的支架板和一個套筒組成。所述支架板為方形，在兩個支架板對稱的兩個側表面上分別有連接孔，通過該連接孔將兩個支架板的兩個側表面分別與機身上板和機身下板固定連接。所述各支架板的幾何中心有用於固定所述套筒的通孔。所述套筒的外徑與各支架板上通孔的內徑相同；所述套筒的內徑與軸套12的外徑相同。在所述套筒外端的外圓周表面為螺紋面，並且所述套筒外端的端面開有軸向的定位槽。組裝時，所述機臂接頭11固定在機身上板和機身下板之間。軸套12裝入機臂接頭11的套筒內，機翼連接杆5裝入所述軸套內並通過鎖緊螺母13鎖緊。機臂接頭包括兩個支架和一個套筒。所述兩個支架的結構相同，均為方形的框結構。所述兩個支架的方形框的邊框內對稱的表面上分別有一個支撐臺；所述套筒與軸套之間為過渡配合。在所述套筒一端端面開有軸向的定位槽。所述有定位槽一端套筒的外圓周表面為螺紋面。鎖緊螺母穿過軸套，其內螺紋和套筒外螺紋匹配，將軸套與機臂接頭固定連接。

所述中心支撐框3為框架結構，並且該框架的外形與機身上板和機身下板的形狀相同。本實施例中，所述中心支撐框為正六邊形。

在該中心支撐框六個側面的底框上均有用於布置飛控線路的凹槽。所述中心支撐框的高度與所述邊部擋板的高度相同。在該中心支撐框正六邊的六個角上分別有用於與機身上板和機身下板固定連接的螺孔。中心支撐框3為金屬鋁材質，重量輕，且結實耐用。

所述機臂連接杆5為空心圓筒狀碳管，一端伸入到機臂連接件4內部，依靠鎖緊螺母擰緊，另一端伸入到電機座鎖緊環14，依靠鎖緊螺絲擰緊。

所述電機座鎖緊環14為圓筒狀。該電機座鎖緊環沿軸向切開，以方便機翼連接杆懸臂端快速插入該鎖緊環；在該電機座鎖緊環外圓周表面一端的軸向切縫兩側均有徑向凸出的鎖緊耳片，該耳片上有同心的連接孔；當機臂連接杆一端插入該電機座鎖緊環後，通過螺栓將耳片固緊，從而將機臂連接杆和電機機構連接。電機座和電機座鎖緊環為一體式結構，電機座為現有技術，橢圓形結構，與電機W110-25匹配。

如圖17為螺旋槳的結構示意圖。所述螺旋槳7為一體式的中心對稱結構，並且該螺旋槳的對稱中心為槳轂20。

所述螺旋槳對稱中心的槳轂為凹槽狀，該凹槽的兩側為槳葉。所述槳葉葉根21 的厚度為7mm，葉尖22的厚度為2mm，並且葉根與葉尖之間的上表面為一次曲線線性減薄。

該螺旋槳的展長為760mm，其中槳轂的長度115mm。所述螺旋槳的螺距為240mm。所述槳轂的厚度為3mm。

所述槳葉的弦向自葉根21至葉尖22為二次曲線，其中葉根處的弦長為70mm，葉尖處的弦長為30mm。槳轂20處的弦長為70mm，並且槳轂與葉根之間為二次曲線連接。

所述槳轂的厚度為該槳轂弦長的8％；葉根的厚度為該葉根弦長的10％；葉尖的厚度為該葉尖弦長的6％。

該槳轂的上表面與下表面均為平面；在槳轂上分布有連接螺孔。

所述螺旋槳為複合結構，其內部為木質，以保持螺旋槳的形狀；外層表面為碳纖維，能夠保持螺旋槳的強度。所述螺旋槳拉力可達16kg。

安裝時，槳轂的下表面放置在與電機座上表面，並通過螺釘與電機座連接。本實施例中：

機身蓋板為正六邊形，在每一個正六邊形角部內側位置處設有機臂連接孔，通過螺栓連接的方式將上下兩層機身蓋板1和機臂連接件4固定連接。機臂連接杆5為空心圓筒狀碳管，一端伸入到機臂連接件4內部，依靠鎖緊螺母擰緊，另一端伸入到電機座鎖緊環14，依靠鎖緊螺絲擰緊。機臂連接件4整體為長方體結構，由機臂接頭11、軸套12、鎖緊螺母13組成，機臂接頭11的支架板的幾何中心有套筒，軸套12穿入套筒形成過渡配合。機臂連接杆5穿入軸套中形成過盈配合，鎖緊螺母13的內螺紋與軸套12外螺紋配合，完成機臂連接件4和機臂連接杆5的固定。機臂連接杆5另一端伸入電機6內，依靠電機座鎖緊環14將所述機臂連接杆5和電機6連接。電機6包含電機座鎖緊環14、電機座15、電機6以及螺旋槳7，螺旋槳7安裝在電機軸上。起落架8位於機身下板下部中心位置，依靠起落架連接件結構將起落架8和下部機身蓋板固定連接。電池箱9設有兩個，分別位於機身上板下表面中心和機身下板的上表面中心，為中空長方體結構，各電池箱內各裝入4塊電池10，供大載重無人機的飛行。

如圖2所示，為機身蓋板1、中心支撐框3、機臂連接件4的裝配示意圖。其中，機臂連接件4位於機身蓋板1倒角位置內側，四個螺紋為一組，將機臂連接件4固定連接在機身上下板之間；中心支撐框3位於機身蓋板1正中心位置處，中心支撐框3 為正六邊形形狀，六邊形的六個點位於機身蓋板邊線所在的中垂線上。依靠螺紋連接的方式，將中心支撐框3固定在機身上下板之間。邊部擋板2卡在機身蓋板邊部留設的長方形卡槽內部，並固定在上下機身蓋板1之間。所述中心支撐框3、機臂連接件4、邊部擋板2高度一致。

圖3為機身蓋板1、機臂連接件4、機臂連接杆5的裝配示意圖。機臂連接件4 依靠螺紋連接的方式連接在機身上板與機身下板之間。機臂連接件由三部分組成：機臂接頭11、軸套12、鎖緊螺母13。裝配時，軸套12伸入機臂接頭11內部，過渡配合，依靠卡塊徑向在定位槽內部。機臂連接杆4一端伸入到軸套12內部，過盈配合；鎖緊螺母13穿過套筒，其內螺紋與套筒外螺母配合，將機身蓋板1和機臂連接杆4 相連接。

如圖10所示，機臂連接杆4為中空圓筒狀，一端伸入套筒，過盈配合；另一端伸入電機座鎖緊環14內。

如圖4所示，電機由電機座鎖緊環14、電機座15、電機6、螺旋槳7組成。電機座鎖緊環14和電機座15為一體式結構，電機鎖緊環內徑略大於機臂連接杆外徑，鎖緊環徑向底部裝設鎖緊螺紋，依靠鎖緊螺紋將機臂連接杆和電機連接。電機座15和電機6為現有技術，其中，電機座和電機配套，電機選用W110-25電機。電機的選型按照優化設計方案計算得出。螺旋槳7為複合結構，其內部為木質，外表面為碳纖維材質，保證了螺旋槳的強度。相比全木質的螺旋槳，本實施例採用的一體式螺旋槳具有重量輕、強度高的優點。

如圖11所示，起落架8位於所述機身下板中心，整體為杆狀結構，採用中空鋁管焊接而成。該起落架底端在寬度方向上的兩條鋁管，沿著各自方向兩側伸出，共同組成無人機飛行器起落架。所述起落架通過起落架連接件安裝在位於機身下板上的起落架安裝孔18上。

圖12為起落架連接件的結構示意圖。所述起落架連接件中部為與起落架鋁管配合的半圓形。半圓的兩端為徑向凸出的水平的安裝板，該安裝板上有安裝孔。安裝時，將起落架連接件的半圓形卡在起落架上部水平鋁管外徑上，將安裝板通過螺栓固定在機身下板中心。

電池箱9有兩個，均為箱體結構。各電池箱分別通過角鐵固定在機身上板的上表面和機身下板的下表面。