一種燃料動力四旋翼無人飛行器的製造方法
2023-04-27 03:17:01 2
一種燃料動力四旋翼無人飛行器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及無人飛行器【技術領域】，尤其涉及一種燃料動力四旋翼無人飛行器。該無人飛行器包括燃料發動機、傳動機構、制動機構及飛行控制系統；所述飛行控制系統與所述燃料發動機、傳動機構及制動機構連接；所述燃料發動機用於根據所述飛行控制系統的控制命令通過所述傳動機構驅動所述四旋翼無人飛行器的四個旋翼轉動；所述制動機構用於根據所述飛行控制系統的控制命令分別控制所述四個旋翼的轉速。與現有技術相比，本發明採用燃料發動機替代電池作為四旋翼無人飛行器的動力，大大提高了四旋翼無人飛行器的續航能力，同時，降低了四旋翼無人飛行器的成本。
【專利說明】—種燃料動力四旋翼無人飛行器
【技術領域】
[0001]本發明涉及無人飛行器【技術領域】，尤其涉及一種燃料動力四旋翼無人飛行器。
【背景技術】
[0002]四旋翼飛行器，國外又稱 Quadrotor、Four_rotor、4 rotors helicopter>X4-flyer等，是一種具有垂直起降和懸停能力的四螺旋槳飛行器。其優點是維護容易，結構簡單，穩定性高，在民用及軍用領域均有廣泛應用。
[0003]當前的多旋翼飛行器均採用電池驅動。由於電池價格高昂，能量密度遠低於燃料，且充電條件受限，因此，採用電池驅動的多旋翼飛行器普遍續航能力低。採用電池驅動是當下多旋翼飛行器在實際應用中受限的主要原因。
[0004]如果採用燃料驅動，除去內燃機的機械損耗，燃料動力較電池動力仍具有很大的優勢。目前市面上尚無燃料動力的多旋翼無人飛行器。已知天津大學申請了一種油電混合動力四旋翼無人飛行器的專利[公布號CN 103359284 A]，通過油動發動機給電池充電，然後由電池驅動電機帶動旋翼，該方案因從機械能到電能再到機械能的兩次轉換使得能量損失太大，在提升續航能力方面顯得不足。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，提供一種燃料動力四旋翼無人飛行器，以替代現有的以電池為動力的四旋翼無人飛行器，解決以電池為動力的四旋翼無人飛行器續航能力低的問題。本發明是這樣實現的:
[0006]一種燃料動力四旋翼無人飛行器，包括燃料發動機、傳動機構、制動機構及飛行控制系統；所述飛行控制系統與所述燃料發動機、傳動機構及制動機構連接；
[0007]所述燃料發動機用於根據所述飛行控制系統的控制命令通過所述傳動機構驅動所述四旋翼無人飛行器的四個旋翼轉動；
[0008]所述制動機構用於根據所述飛行控制系統的控制命令分別控制所述四個旋翼的轉速。
[0009]進一步地，所述傳動機構包括離合器、減速器及差速傳動機構；所述燃料發動機依次通過所述離合器、減速器及差速傳動機構驅動所述四旋翼無人飛行器的四個旋翼轉動；所述離合器的驅動機構與所述飛行控制系統連接，可根據所述飛行控制系統的控制命令改變所述離合器的狀態，以切斷或傳遞所述燃料發動機輸出到所述減速器的動力。
[0010]進一步地，所述差速傳動機構包括一個第一差速器及兩個第二差速器；
[0011 ] 所述減速器輸出的動力通過第一差速器的兩根半軸分配給兩個第二差速器，再通過兩個第二差速器各自的兩根半軸分配給四個旋翼。
[0012]進一步地，所述制動機構包括四個制動裝置；所述飛行控制系統通過所述四個制動裝置分別控制所述四個旋翼的轉速；所述制動裝置包括制動器及用於驅動所述制動器的制動器驅動機構；所述制動器驅動機構與所述飛行控制系統連接，用於根據所述飛行控制系統的控制命令通過與其連接的制動器控制相應旋翼的轉速。
[0013]進一步地，所述飛行控制系統包括:
[0014]若干傳感器，用於檢測所述無人飛行器的飛行參數；
[0015]中央控制單元，與所述若干傳感器連接，用於接收所述飛行參數，並根據所述飛行參數控制所述燃料發動機、傳動機構及制動機構動作。
[0016]進一步地，所述飛行參數包括:飛行高度、飛行速度、地理坐標、飛行姿態中的任意一個或多個。
[0017]進一步地，所述飛行控制系統還包括四個旋轉編碼器；所述四個旋轉編碼器與所述中央控制單元連接，用於分別檢測所述四個旋翼的轉速，並將檢測結果發送到所述中央控制單元。
[0018]進一步地，所述四旋翼無人飛行器還包括機架；所述機架包括支撐架和傳動架；
[0019]所述支撐機架包括兩根相互平行的大梁及兩個起落架；所述起落架固定連接在兩根大梁之間；
[0020]所述傳動架包括六根空心管及三個罩體；所述六根空心管及三個罩體連接成一個固定的整體作為所述差速傳動機構的支撐結構；在所述支撐結構中，所述第一差速器及兩個第二差速器分別容納於所述三個罩體內；所述第一差速器的兩根半軸及兩個第二差速器各自的兩根半軸分別容納於所述六根空心管內；
[0021]所述兩根大梁各自的兩端分別固定連接在所述兩個第二差速器各自的兩根半軸所對應的空心管上。
[0022]進一步地，所述半軸上安裝有軸承，所述軸承緊密嵌入該半軸所在的空心管內。
[0023]進一步地，所述機架採用碳纖維材料。
[0024]與現有技術相比，本發明採用燃料發動機替代電池作為四旋翼無人飛行器的動力，大大提高了四旋翼無人飛行器的續航能力，同時，降低了四旋翼無人飛行器的成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1:本發明實施例提供的燃料動力四旋翼無人飛行器結構示意圖。
[0026]圖2:本發明實施例提供的燃料動力四旋翼無人飛行器控制原理示意圖。
【具體實施方式】
[0027]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。
[0028]參考圖1及圖2，本發明提供的燃料動力四旋翼無人飛行器(以下簡稱無人飛行器)包括燃料發動機1、傳動機構、制動機構及飛行控制系統。燃料發動機I上設置有點火器11及啟動器12。點火器11設置在啟動器12上，當按下點火器11後，啟動器12啟動燃料發動機I。燃料發動機I所使用的燃料包括柴油、汽油、煤油、各種燃氣等。
[0029]飛行控制系統與燃料發動機1、傳動機構及制動機構連接。飛行控制系統是無人飛行器的控制中心，燃料發動機1、傳動機構及制動機構都是根據飛行控制系統的控制命令來工作的。其中，燃料發動機I根據飛行控制系統的控制命令通過傳動機構驅動四旋翼無人飛行器的四個旋翼7轉動，制動機構根據飛行控制系統的控制命令分別控制四個旋翼7的轉速。
[0030]傳動機構包括離合器2、減速器3及差速傳動機構。與汽車的傳動機構類似，燃料發動機I依次通過離合器2、減速器3及差速傳動機構驅動四旋翼無人飛行器的四個旋翼7轉動。離合器2的驅動機構與飛行控制系統連接，可根據飛行控制系統的控制命令改變離合器2的狀態，以切斷或傳遞燃料發動機I輸出到減速器3的動力。
[0031]與汽車中使用的差速傳動機構類似，該無人飛行器也採用兩級差速傳動的方式驅動四個旋翼7轉動。差速傳動機構包括一個第一差速器4及兩個第二差速器5。減速器3輸出的動力通過第一差速器4的兩根半軸分配給兩個第二差速器5，再通過兩個第二差速器5各自的兩根半軸分配給四個旋翼7。第一差速器4的兩根半軸及第二差速器5各自的兩根半軸形成一個「工」字形，該工字形的四個末端用於安裝無人飛行器的四個旋翼7。第一差速器4及兩個第二差速器5均為錐形齒輪差速器。兩個第二差速器5各自的兩根半軸的末端也都安裝有錐形齒輪9，兩個第二差速器5各自的兩根半軸可通過安裝在其末端的錐形齒輪9驅動相應的旋翼7轉動。
[0032]制動機構包括四個制動裝置，飛行控制系統通過四個制動裝置分別控制四個旋翼7的轉速。制動裝置包括制動器6及用於驅動制動器6的制動器驅動機構，制動器驅動機構與飛行控制系統連接，用於根據飛行控制系統的控制命令通過與其連接的制動器6控制相應旋翼7的轉速。制動器6可通過與半軸擠壓摩擦的方式對旋翼7進行制動。
[0033]飛行控制系統包括若干用於檢測無人飛行器的飛行參數的傳感器以及與這些傳感器連接，用於接收飛行參數的中央控制單元8。中央控制單元8可根據接收到的飛行參數控制燃料發動機1、傳動機構及制動機構動作。飛行參數包括飛行高度、飛行速度、地理坐標、飛行姿態等。
[0034]飛行姿態是指無人飛行器當前所處的飛行狀態，包括上升、下降、前移、後移、左移、右移、左旋、右旋等。根據四旋翼無人飛行器的原理可知，四旋翼無人飛行器的飛行姿態主要是由其四個旋翼7的轉速大小，以及四個旋翼7之間的轉速差決定的。為準確控制無人飛行器的飛行姿態，有必要準確掌握四個旋翼7各自的轉速，從而為中央控制單元8提供控制依據。鑑於此，飛行控制系統還進一步包括了四個旋轉編碼器，四個旋轉編碼器與中央控制單元8連接，用於分別檢測四個旋翼7的轉速，並將檢測結果發送到中央控制單元8，這樣就可實時監測無人飛行器的四個旋翼7的轉速以及轉速差，為中央控制單元8控制無人飛行器的飛行姿態提供參考依據。為保證無人飛行器飛行穩定性，四個旋翼7的上方還安裝了整流罩10。燃料箱13掛載在減速器3的下方。無人飛行器設計時要儘可能使得其在不掛載燃料箱13時的重心與掛載燃料箱13時的重心之間的連線是豎直的，這樣才不會使無人飛行器的重心在掛載燃料箱前後產生水平方向的偏移，使無人飛行器的飛行姿態保持穩定。
[0035]該無人飛行器的機架採用碳纖維材料，從而可在提高無人飛行器機身強度的同時，大大降低機身重量。機架包括支撐架和傳動架。其中，支撐架主要起到支撐整個無人飛行器重量以及作為傳動架載體的作用。支撐架包括兩根相互平行的大梁及兩個起落架14，每個起落架14均固定連接在兩根大梁之間，從而使兩根大梁以及兩個起落架14共同形成一個固定的整體。大梁及起落架14均可採用空心碳纖維管以減輕機身重量，提高機身強度。
[0036]起落架14可包括三根空心碳纖維管，其中一根碳纖維管的兩個端部通過三通接頭或L型轉接頭分別與另外兩根碳纖維管的其中一個端部連接，另外兩根碳纖維管的另一個端部通過三通接頭分別連接在兩根大梁上，從而使起落架14固定連接在兩根大梁之間。兩個起落架14都可採用這種方式與大梁固定連接，當兩個起落架14都與大梁固定連接後，就形成了一個固定的整體。起落架14也可以採用直接彎折的整體結構替代由三根空心碳纖維管通過三通接頭或L型轉接頭連接的結構，但採用後者的方式不需要對材料進行彎折處理，只需要選擇合適的碳纖維管與接頭就可進行組裝，選材方便靈活。起落架14也可直接焊接在大梁上，但起落架14與大梁之間通過三通接頭連接便於起落架14的更換。
[0037]傳動架包括六根空心管15及三個罩體。六根空心管15也可採用碳纖維材料。這六根空心管15及三個罩體連接成一個固定的整體作為差速傳動機構的支撐結構。在支撐結構中，第一差速器4及兩個第二差速器5分別容納於三個罩體內，第一差速器4的兩根半軸及兩個第二差速器5各自的兩根半軸分別容納於六根空心管15內。兩根大梁各自的兩端分別固定連接在兩個第二差速器5各自的兩根半軸所對應的空心管15上。同樣，這裡也可以採用三通接頭的固定連接方式，從而可以使支撐架與傳動架方便分離，便於維修或更換出現問題的結構。
[0038]為在各半軸轉動的時候起到良好的支撐及固定作用，還在半軸上安裝有軸承，並將軸承緊密嵌入該半軸所在的空心管15內。這樣，空心管15可通過軸承對半軸起到良好的支撐及固定作用，使差速傳動機構運行更穩定，從而確保無人飛行器飛行的可靠性。制動器6也可安裝在空心管15內，編碼器可安裝在空心管15末端，通過檢測半軸轉動的角速度的方式檢測旋翼7的轉速。
[0039]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，包括燃料發動機、傳動機構、制動機構及飛行控制系統；所述飛行控制系統與所述燃料發動機、傳動機構及制動機構連接； 所述燃料發動機用於根據所述飛行控制系統的控制命令通過所述傳動機構驅動所述四旋翼無人飛行器的四個旋翼轉動； 所述制動機構用於根據所述飛行控制系統的控制命令分別控制所述四個旋翼的轉速。
2.如權利要求1所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述傳動機構包括離合器、減速器及差速傳動機構；所述燃料發動機依次通過所述離合器、減速器及差速傳動機構驅動所述四旋翼無人飛行器的四個旋翼轉動；所述離合器的驅動機構與所述飛行控制系統連接，可根據所述飛行控制系統的控制命令改變所述離合器的狀態，以切斷或傳遞所述燃料發動機輸出到所述減速器的動力。
3.如權利要求2所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述差速傳動機構包括一個第一差速器及兩個第二差速器； 所述減速器輸出的動力通過第一差速器的兩根半軸分配給兩個第二差速器，再通過兩個第二差速器各自的兩根半軸分配給四個旋翼。
4.如權利要求1所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述制動機構包括四個制動裝置；所述飛行控制系統通過所述四個制動裝置分別控制所述四個旋翼的轉速；所述制動裝置包括制動器及用於驅動所述制動器的制動器驅動機構；所述制動器驅動機構與所述飛行控制系統連接，用於根據所述飛行控制系統的控制命令通過與其連接的制動器控制相應旋翼的轉速。
5.如權利要求1所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述飛行控制系統包括: 若干傳感器，用於檢測所述無人飛行器的飛行參數； 中央控制單元，與所述若干傳感器連接，用於接收所述飛行參數，並根據所述飛行參數控制所述燃料發動機、傳動機構及制動機構動作。
6.如權利要求5所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述飛行參數包括:飛行高度、飛行速度、地理坐標、飛行姿態中的任意一個或多個。
7.如權利要求5所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述飛行控制系統還包括四個旋轉編碼器；所述四個旋轉編碼器與所述中央控制單元連接，用於分別檢測所述四個旋翼的轉速，並將檢測結果發送到所述中央控制單元。
8.如權利要求3所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述四旋翼無人飛行器還包括機架；所述機架包括支撐架和傳動架； 所述支撐機架包括兩根相互平行的大梁及兩個起落架；所述起落架固定連接在兩根大梁之間； 所述傳動架包括六根空心管及三個罩體；所述六根空心管及三個罩體連接成一個固定的整體作為所述差速傳動機構的支撐結構；在所述支撐結構中，所述第一差速器及兩個第二差速器分別容納於所述三個罩體內；所述第一差速器的兩根半軸及兩個第二差速器各自的兩根半軸分別容納於所述六根空心管內； 所述兩根大梁各自的兩端分別固定連接在所述兩個第二差速器各自的兩根半軸所對應的空心管上。
9.如權利要求8所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述半軸上安裝有軸承，所述軸承緊密嵌入該半軸所在的空心管內。
10.如權利要求8所述的燃料動力四旋翼無人飛行器，其特徵在於，所述機架採用碳纖維材料。
【文檔編號】B64D27/02GK104309802SQ201410563943
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】盧少平, 楊文哲, 楊震, 陳偉, 鄧甘雨 申請人:深圳大學