一种飞行器

技术领域

本发明涉及用于海上监管和测量、水上打捞救援作业飞行器，以及农用植保作业的飞行器技术领域，尤其涉及一种无人飞行器。

背景技术

目前市场上公开的具有共轴双旋翼动力系统的飞行器，常见为4轴或6轴对称布局的共轴双旋翼。飞行器的飞行动作有上升，悬停，转弯，平飞等多种状态。上升是升力大于起飞重量状态；悬停是在飞行器的升力等于起飞重量的状态；转弯是改变某个轴或某几个轴的旋翼的转速来实现；平飞是通过某个轴或某几个轴的旋翼转速降低，同时对称的某个轴或某几个轴的旋翼转速升高使飞行器机身倾斜，从而整个飞行器的升力也随之倾斜，升力的水平分量拉动飞行器实现平飞。以常见的4轴对称布局的共轴双旋翼飞行器为例，其使用的驱动螺旋桨的电机有8个，分别控制8个电机运行状态的电调也有8个，结构复杂，抗撞击性能差，可靠性能差。

发明内容

本发明提供一种飞行器，结构简单，可靠性高。

本发明采用以下技术方案：

一种飞行器，其包括由一个轴居中布局的共轴多旋翼动力系统，支撑共轴多旋翼动力系统的底盘支撑组件，底盘支撑组件下方设有的配重块，以及偏移重心装置；偏移重心装置驱动配重块做偏心位移，使飞行器的重心偏移并带动飞行器整体随之偏转。

本方案中，相比多轴无人机对不同旋翼速度差的计算控制以及方向转向的计算控制，本发明采用单轴双旋翼，仅需电动推杆控制配重块位移，改变配重块的重心，使得产生的升力的共轴旋翼组件轴线发生偏转，偏转升力的垂直分量和飞行器的垂直重力之间的平衡关系来控制飞行器的升降，偏转升力的水平分量提供飞行器的平飞、斜向上或斜向下的飞行动力，从而实现通过改变配重块重心位置来实现飞行姿态的改变，且控制机械结构简单，抗撞击性能好。

作为上述方案的改进，所述配重块为给飞行器供电的电池，且配置的电池在容置部内居中或对称分布，电池的重量大于底盘支撑组件与共轴双旋翼动力系统两者的总重量，飞行器的重心位于飞行器纵向高度的一半的下半部分，使得飞行器静态形成上轻下重的不倒翁状态。

作为上述方案的改进，所述底盘支撑组件包括上下开口的圆筒状防护架，底部圆环支撑架，以及用于连接圆筒状防护架和底部圆环支撑架的支撑杆，圆筒状防护架设在共轴多旋翼动力系统的旋翼外围，圆筒状防护架中心线、旋翼旋转中心与底部圆环支撑架的轴心线重合。

作为上述方案的改进，圆筒状防护架与底部圆环支撑架两者平行的两个圆组成圆台的母线，与底部圆环支撑架的直径的夹角为锐角。

作为上述方案的改进，所述偏移重心装置包括矩形框架、电动推杆和套设在电池上的环套，矩形框架的长边沿底部圆环支撑架内环径向设置；电动推杆的一端固定在矩形框架上，另一端连接环套，通过电动推杆的伸缩使得电池沿矩形框架的长边移动远离或接近轴心线，实现飞行器的重心偏移。

作为上述方案的改进，所述偏移重心装置对称设置四组，电动推杆渐次拉动一组电池靠边后回到靠近中心位置，可实现飞行器底部重心偏移并倾斜成圆环方式移动，并带动飞行器整体成360度姿态偏转。本方案中，靠边指的是电池可移动路径范围内离轴心线最远距离的位置。

作为上述方案的改进，所述共轴多旋翼动力系统配设为双旋翼动力系统，其包括第一电机和第二电机，两者的定子分别与圆筒状防护架内水平设置的上层横梁和下层横梁居中对应固定连接，第一电机的转子与第一桨叶固定连接，第二电机的转子与第二桨叶固定连接，所述第一电机与所述第二电机同轴心线转动。

作为上述方案的改进，所述双旋翼动力系统还包括两个电子调速器(以下简称电调)，所述电调控制第一电机或第二电机的启停状态和转速。

作为上述方案的改进，所述共轴多旋翼动力系统配设为双旋翼动力系统，其包括第一电机和第二电机，第一电机的转子与第一桨叶固定连接，第二电机的转子与第二桨叶固定连接；所述第一电机与所述第二电机同轴心线转动；

所述支撑杆包括第一支撑杆和转轴；

圆筒状防护架底面开口均匀布设若干第一支撑杆，形成等腰倒棱锥；所述第一电机和第二电机的定子为中空结构，由一根转轴穿过所述第一电机和第二电机的中空定子，与等腰倒棱锥的顶点固定连接。

作为上述方案的改进，所述支撑杆还包括第二支撑杆，若干第二支撑杆的一端均匀固定布设在底部圆环支撑架上，另一端围合成等腰棱锥状或等腰圆台状。

作为上述方案的改进，等腰棱锥状或等腰圆台状上顶部水平设置第二横杆，垂直于第二横杆竖直设置与轴心线重合的支撑轴；位于等腰倒棱锥的顶点下方的转轴与支撑轴铰接；

位于等腰倒棱锥的顶点及以下的转轴水平设置第一横杆，在轴心线两侧第一横杆与第二横杆之间分别铰接电动推杆的两端；两电动推杆的伸缩使得以转轴与支撑轴铰接点旋转带动第一桨叶和第二桨叶偏转或复位轴心线。

作为上述方案的改进，底部圆环支撑架与其外部的高抗冲聚酰胺发泡材料锁定形成空腔浮力体，再在外部包裹防水塑胶布密封；或由玻璃钢材质面料涂层预制成为圆周腔体后再与固定支架锁定形成空腔浮力体，空腔浮力体为飞行器提供浮于水面的浮力。

作为上述方案的改进，所述共轴多旋翼动力系统包括共轴双旋翼，该对旋翼的桨叶旋转方向相反，至少设置一个共轴双旋翼。

作为上述方案的改进，底部圆环支撑架上周向均匀固定连接至少三个以上的轮组，其中一个为转向轮，且在转向轮轮框中心部署一个螺旋桨与轮子同轴转动。

有益效果

1、本发明是具有1个轴居中布局的共轴双旋翼飞行器，其使用的驱动螺旋桨的电机有2个，分别控制2个电机运行状态的电调也有2个，可见，4轴对称布局的共轴双旋翼飞行器的电机和电调的数量均是本发明的4倍，本发明飞行器零部件少4倍，可靠性就高4倍。

2、本发明提出一种具有1轴居中布局的共轴双旋翼飞行器，其实现平飞的技术方式是，巧妙地将电动飞行器必备的电池部署在飞行器底部，让飞行器重心沉底成为一个重心居中的不倒翁状态，通过电动推杆控制拉动底部的电池组件滑移靠边让飞行器的重心偏移，从而使飞行器在空中倾斜进而产生平飞所需的拉力。

3、巧妙的利用电动飞行器必备的电池部署在底部的容置部内，属于重心居中的不倒翁状态，移动电池的电能消耗比驱动旋翼旋转的耗电要小得多。

4、进一步是实验数据证明，4轴对称布局的共轴双旋翼动力系统的飞行器，每个电机为4KW，8个电机总功率为32KW，可以起飞的最大重量为103KG；而1轴居中布局的共轴双旋翼动力系统支持的飞行器，每个电机为16KW，2个电机同样是32KW，但可以起飞的最大重量为130KG，比4轴对称布局的共轴双旋翼飞行器的功效高27％，因为4轴飞行器在飞行中，为实现平飞，必须有一个轴的电机以小于额定功率运转，其对称面的电机至多以额定功率运转，从而才能让飞行器倾斜，进而实现平飞。本发明是以电池偏移的方式实现机身倾斜，所以两个电机都可以同时长时间以额定功率运转，致使功效更高一些。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种飞行器的共轴双旋翼结构示意图；

图2是图1的飞行器爆炸结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的一种电动无人飞行器的偏移重心装置结构示意图；

图4是本发明实施例1提供的一种电动无人飞行器的轮组的结构示意图；

图5是本发明实施例1提供的一种电动无人飞行器的转向轮的结构示意图；

图6是本发明实施例4提供的一种电动无人飞行器的共轴四旋翼结构示意图；

图7是本发明实施例2提供的一种电动无人飞行器的共轴双旋翼结构示意图；

图8是本发明实施例2提供的一种电动无人飞行器的共轴双旋翼偏转结构示意图；

图9是本发明实施例2提供的一种电动无人飞行器的共轴四旋翼结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，是本发明实施例1提供一种飞行器的共轴双旋翼结构示意图。该飞行器包括共轴双旋翼动力系统，用于支撑共轴双旋翼动力系统的底盘支撑组件、设于底盘支撑组件下方电池100、和偏移重心装置。偏移重心装置驱动配重块做偏心位移，使飞行器的重心偏移并带动飞行器整体随之偏转，实现各种飞行姿态。电池的重量大于底盘支撑组件与共轴双旋翼动力系统两者的总重量，飞行器的重心位于飞行器纵向高度的一半的下半部分，使得飞行器静态形成上轻下重的不倒翁状态，保证飞行器飞行稳定性，不易侧翻。

共轴双旋翼动力系统包括第一电机、固定设置在第一电机转子上的第一桨叶11、第二电机、固定设置在第二电机转子上的第二桨叶12、和电调；第一桨叶和第二桨叶反向旋转。通过设定控制程序使电调控制第一电机或/和第二电机的启停和转速。

底盘支撑组件包括设置在第一桨叶和第二桨叶外围的上下开口的圆筒状防护架21，若干支撑杆22和底部圆环支撑架23。若干支撑杆的一端与上下开口的圆筒状防护架的下端连接，另一端与底部圆环支撑架，若干支撑杆均匀布。上下开口的圆筒状防护架与底部圆环支撑架两者平行的两个圆组成圆台的母线，与底部圆环支撑架的圆环直径之间的夹角为锐角。上下开口的圆筒状防护架内具有上下两个水平布设的横杆211，第一电机和第二电机的定子分别与上层横梁和下层横梁居中固定连接，所述第一桨叶共有三个桨叶与第一电机的转子固定连接，所述第二桨叶共有三个桨叶与第二电机的转子固定连接。所述第一电机与所述第二电机同轴心线M转动。优选若干支撑杆交叉设置，形成沙漏状，交叉点221、底部圆环支撑架的圆心位于所述轴心线M上。

底部圆环支撑架23还包括其内环径向互相垂直设置十字支撑杆231。十字支撑杆的四个杆体上分别固定安装四组偏移重心装置。

偏移重心装置包括矩形框架31、电动推杆32和套设在电池上的环套33，矩形框架的长边沿底部圆环支撑架内环径向设置，宽度略大于电池直径。矩形框架沿长边底部设置导轨34。电动推杆的一端固定在矩形框架上远离底部圆环支撑架圆心的一端，另一端连接在电池环套上，连接板35的下端设置滚轮36，连接板与环套33连接，滚轮与导轨适配，电动推杆推动电池沿底部圆环支撑架内环径向上远离或接近轴心线。

按照设定控制程序让电动推杆渐次拉动一组电池靠边后回到靠近中心位置，可实现飞行器底部重心偏移并倾斜成圆环方式移动，并带动飞行器整体成360度姿态偏转。

以底部圆环支撑架23的圆上一点为圆心，在底部圆环支撑架的圆半径和圆轴心线所在平面上均匀设置三根等长支撑杆形成底部圆环浮力体的支架部232，该支架部结构均匀布设在圆环上，与高抗聚酰胺发泡材料锁定形成空腔浮力体40，再在外部包裹防水塑胶布密封，或由玻璃钢材质面料涂层预制成为圆周腔体后再与支架部锁定形成空腔浮力体。空腔浮力体40的内环半径长度大于矩形框架长边的距离。

支撑部232上固定连接部署至少三个以上的轮组233，其中一个为转向轮，且在转向轮轮框中心部署一个螺旋桨2331与轮子同轴转动，螺旋桨由电机驱动。该方案可在陆地地面拉动移位，可在水面上依靠所述螺旋桨推动和控制行进方向。

可选地，偏移重心装置在底部圆环支撑架的内环中可以至少设置2组，且以轴心线M对称设置，保证所有电池在初始位置时，飞行器的重心处于轴心线上。

可选地，参见图6，共轴双旋翼动力系统可以至少设置一个。

空腔浮力体的形状还可以是方形体、多边形柱体、椭球型、棱锥体等形状。

由于无人机飞行或悬停拍摄视频时，需要克服飞行器自身重量不断由电机运行驱动旋翼的桨叶旋转，处于耗电中，本申请电动无人飞行器可以时而悬空，时而浮在水面上，此时电机停止转动，节省电量。

电动无人机飞控系统接收遥控器的指令，输出相应的信号给到电调和电池驱动装置，电池驱动装置具体为电动推杆，其中，电调将电池的直流电转换为三相电，根据信号实时控制输出给电机的三相电的电流强度和频率，由此调节电机转速，而电池驱动装置则将电池移动到相应位置。

以下为飞行器各个飞行动作的实现过程：

垂直起降：飞行器离地后，当桨叶旋转产生的升力大于飞行器自身重力时，飞行器垂直上升，当桨叶旋转产生的升力小于飞行器自身重力时，飞行器垂直下降；当由侧飞切换至垂直升降模式时，飞控系统根据侧飞的水平速度和方向而发出指令，使电池驱动装置推动电池移动位置，直至飞行器在空中直立，实现垂直起降。

空中悬停：控制飞行器垂直升降，在指定的高度下，当桨叶旋转产生的升力等于飞行器自身重力时，飞行器空中悬停。

平飞：飞控系统发出指令，电池初始位置位于轴心线四周，电动推杆推动电池沿径向远离轴心线方向移动，此时飞行器在空中倾斜，升力方向也随之倾斜，当桨叶旋转产生的升力足够大，升力的垂直分量等于飞行器的重量时，升力的水平分量拉动飞行器平飞。

斜上飞和斜下飞：在平飞的状态下，当加大升力或减小升力时，升力的垂直分量大于或小于飞行器的重量，升力的水平分量拉动飞行器飞行，即可实现斜上飞和斜下飞。

转向：飞控系统指令共轴双旋翼组件的第一电机和第二电机的其中一个电机加速或减速，互为反向旋转的第一桨叶和第二桨叶所产生的反扭矩不平衡，飞行器朝向反扭矩大的方向转动，或者，飞控系统同时指令第一电机和第二电机其中一个电机加速，另一个电机减速，即可实现飞行器的转向。

水面漂浮：触水后飞行器由于空腔浮力体的浮力大于飞行器的自身重力，漂浮在水面上。

应急反应：如突然遇到大风，飞行器快速向某个方向倾斜，当姿态传感器检测到飞行器的倾斜角大于设定值，且倾斜运动的角速度值大于设定值时，飞控系统自动发出快速转向指令，令飞行器转向对着来风方向飞，即逆风飞，并随着飞行器姿态的变化而实时转向调节，在一定风力范围内避免飞行器空中翻转。

超应急反应：当应急反应不能有效控制空中姿态时(无人机处于应急反应状态超过10秒)，飞控系统自动指令电池驱动装置推动电池移动，改变重心，当飞行器重心处于旋翼轴的中心线上时，飞控系统再自动指令共轴双旋翼组件的第一电机和第二电机的其中一个电机加速、另一个电机停止，令飞行器在空中快速自转，形成一个自转陀螺，依靠陀螺的定轴性保障飞行器在一定风力范围内不翻转，并逐步下降高度降落地面。

参见图7，是本发明实施例2提供的一种电动无人飞行器的共轴双旋翼结构示意图。

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于，底盘支撑组件包括设置在第一桨叶11和第二桨叶12外围的上下开口的圆筒状防护架21，若干支撑杆和底部圆环支撑架。上下开口的圆筒状防护架的的下端连接若干根支撑杆201’，优选三根，形成等腰倒锥状。第一电机和第二电机的定子为中空结构，由一根转轴202a’穿过所述第一电机和第二电机的中空定子固定连接。等腰倒锥状支撑杆的锥尖与一水平设置的第一横杆203’固定连接，所述转轴202a’的下端穿过等腰倒锥状支撑杆的锥尖，第一横杆与一支撑轴202b’铰接。第一横杆以锥尖位置对称两侧是等长的，支撑轴、底部圆环支撑架的圆心位于所述轴心线上。

若干支撑杆201”的一端均匀布设在底部圆环支撑架上并与之固接，另一端固定在转轴和支撑轴铰接点的下方支撑轴上，形成等腰棱锥状，棱锥状支撑杆的锥尖或棱锥台顶部位置上固定水平设置第二横杆204’，第二横杆以棱锥状支撑杆锥尖位置对称两侧是等长的。在轴心线两侧第二横杆与第一横杆之间分别铰接电动推杆205’的两端，电动推杆的一端铰接第一横杆的端部，另一端铰接第二横杆的端部。两电动推杆的伸缩使得以转轴与支撑轴铰接点旋转带动第一桨叶和第二桨叶偏转。

可选地，参见图9，共轴双旋翼动力系统可以至少设置一个。

飞行动作的区别：

平飞：参见图4，当飞控系统控制一根电动推杆收缩，另一根电动推杆伸长，迫使与第一横杆固定连接的转轴以及上下开口的圆筒状防护架，带动第一桨叶和第二桨叶偏离轴心线M，带动共轴双旋翼也旋转，此时桨叶旋转产生的升力发生倾斜，该倾斜升力分解为垂直分量和水平分量，当升力足够大，垂直分量等于飞行器自身重力时，水平分量拉动飞行器平飞。

垂直起降：当由平飞切换至垂直升降模式时，飞控系统控制轴心线两侧的电动推杆收缩至原位，双旋翼的轴心线复位呈竖直状态，飞控系统同时控制电池移动回初始位，飞行器的重心处于轴心线上，实现垂直起降。

超应急反应：当应急反应不能有效控制空中姿态时(无人机处于应急反应状态超过10秒)，飞控系统指令双旋翼的轴心线复位呈竖直状态，同时指令电池移动使飞行器重心在轴心线上，飞控系统再自动指令第一电机和第二电机的其中一个电机加速、另一个电机停止，致使飞行器在空中快速自转，形成一个自转陀螺，依靠陀螺的定轴性保障飞行器在一定风力范围内不翻转，并逐步下降高度降落地面。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。