本實(shí)用新型涉及一種升力槳與姿態(tài)控制槳分離布局的電動(dòng)多翼無人機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)，屬于無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)由若干個(gè)功能、結(jié)構(gòu)、外形尺寸和規(guī)格完全相同的動(dòng)力單元組成，這些動(dòng)力單元均勻?qū)ΨQ分散式地布置在機(jī)身周邊。每個(gè)動(dòng)力單元由電機(jī)和螺旋漿組成，各動(dòng)力單元自身同時(shí)兼具產(chǎn)生升力和控制飛行姿態(tài)的兩大功能。因此，規(guī)格和參數(shù)的同一性以及功能兼顧性是現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)的動(dòng)力單元必須具備的基本技術(shù)特性。

然而從大量試驗(yàn)和實(shí)際使用情況看來，這種動(dòng)力單元的結(jié)構(gòu)與功能模式會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)螺旋漿的電機(jī)無法長時(shí)間地工作在高效率區(qū)段內(nèi)，電機(jī)需要消耗很大的電能才能獲取維持電動(dòng)多翼無人機(jī)飛行所需的升力。

目前，由于電動(dòng)多翼無人機(jī)受到自身飛行器重量的嚴(yán)格限制，機(jī)載電池的容量十分有限，所以現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)的飛行時(shí)間都很短，一般在15分鐘～30分鐘以內(nèi)，這給無人機(jī)的各種專業(yè)應(yīng)用帶來了極大的不便。由此可見，飛行時(shí)間過短已成為制約電動(dòng)多翼無人機(jī)發(fā)展的重大技術(shù)瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種升力槳與姿態(tài)控制槳分離布局的電動(dòng)多翼無人機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)，此動(dòng)力結(jié)構(gòu)突破了現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)布局，將電動(dòng)多翼無人機(jī)所需的動(dòng)力結(jié)構(gòu)分解成功能分離、獨(dú)立控制的升力槳與姿態(tài)控制槳，大大降低了電動(dòng)多翼無人機(jī)的電能消耗，使電動(dòng)多翼無人機(jī)在不衰減飛行能力和不增加電池容量的條件下可實(shí)現(xiàn)大幅度延長續(xù)航時(shí)間的目的，是對電動(dòng)多翼無人機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)的一次重大變革。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案：

一種升力槳與姿態(tài)控制槳分離布局的電動(dòng)多翼無人機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)，其特征在于：它包括在電動(dòng)多翼無人機(jī)垂直升降和各種姿態(tài)的飛行過程中提供升力以及保持機(jī)身平穩(wěn)的兩個(gè)升力槳組，兩個(gè)升力槳組上下同軸設(shè)置并安裝在機(jī)身的中心軸線上，升力槳組的外周均布有在空中飛行過程中對電動(dòng)多翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制的至少四個(gè)姿態(tài)控制槳組，其中：兩個(gè)升力槳組之間的轉(zhuǎn)速相同、旋轉(zhuǎn)方向相反，以互相抵消自旋力矩；相鄰兩個(gè)姿態(tài)控制槳組之間的旋轉(zhuǎn)方向相反。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是：

本實(shí)用新型將電動(dòng)多翼無人機(jī)所需的動(dòng)力結(jié)構(gòu)分解成功能分離、獨(dú)立控制的升力槳與姿態(tài)控制槳，改變了現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)布局，大大降低了電動(dòng)多翼無人機(jī)的電能消耗，在不衰減飛行能力和不增加電池容量的條件下，實(shí)現(xiàn)了大幅延長續(xù)航時(shí)間的目的。

1、升力槳處于機(jī)身中心的集中式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)徹底改變了電動(dòng)多翼無人機(jī)原有的動(dòng)力分布，為優(yōu)化升力電機(jī)的工作狀態(tài)創(chuàng)造了所需的基本條件。經(jīng)過大量試驗(yàn)證實(shí)，本實(shí)用新型中的兩個(gè)升力漿組所產(chǎn)生的總升力不低于現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)上分散式布置的多個(gè)動(dòng)力單元所產(chǎn)生的升力總合。

2、由于承擔(dān)產(chǎn)生升力功能的升力槳和升力電機(jī)設(shè)置在電動(dòng)多翼無人機(jī)的機(jī)身中心軸位置，因此它們具有較大的安裝空間，這樣，升力槳就可以采用大直徑螺旋漿葉來實(shí)現(xiàn)，升力電機(jī)就可以采用大扭力低轉(zhuǎn)速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，并且低KV值的大扭力電機(jī)、大直徑螺旋漿葉等具有的高效能特性可被充分利用，從而使本實(shí)用新型可具有很高的工作效率。

3、姿態(tài)控制漿不再承擔(dān)升力功能，因此其可采用小直徑螺旋漿葉來實(shí)現(xiàn)，其使用的姿態(tài)控制電機(jī)可采用小功率電機(jī)，并且姿態(tài)控制槳和姿態(tài)控制電機(jī)的數(shù)量可大大地減少。另外，姿態(tài)控制電機(jī)在飛行過程中處于間歇工作狀態(tài)，可使能耗進(jìn)一步降低。

4、與現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)相比，在產(chǎn)生相同升力的前提下，本實(shí)用新型動(dòng)力結(jié)構(gòu)所消耗的電量明顯降低，升力電機(jī)可較多地工作在高效率區(qū)段，從而用較少的能耗便可獲得較大的升力，以實(shí)現(xiàn)在不衰減飛行能力和不增加電池容量(不增加電能供應(yīng))的條件下大幅延長飛行時(shí)間的目的。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型電動(dòng)多翼無人機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)的主視示意圖。

圖2是圖1的俯視示意圖。

圖3是驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成示意圖。

圖4是升力槳組的一實(shí)施例示意圖。

圖5是圖4的仰視示意圖。

圖6是升力槳組的另一實(shí)施例示意圖。

圖7是圖6的仰視示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖3，本實(shí)用新型升力槳與姿態(tài)控制槳分離布局的電動(dòng)多翼無人機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)包括在電動(dòng)多翼無人機(jī)垂直升降和各種姿態(tài)的飛行過程中提供升力以及保持機(jī)身平穩(wěn)的兩個(gè)升力槳組，兩個(gè)升力槳組上下同軸設(shè)置并安裝在機(jī)身的中心軸線上，即兩個(gè)升力槳組的中心軸為機(jī)身的同一中心軸線，升力槳組的外周均布有在空中飛行過程中對電動(dòng)多翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)(如橫滾、仰臥、偏航)進(jìn)行控制的至少四個(gè)姿態(tài)控制槳組，所有姿態(tài)控制槳組處于同一水平面內(nèi)，其中：兩個(gè)升力槳組之間的轉(zhuǎn)速相同、旋轉(zhuǎn)方向相反，以互相抵消自旋力矩，即上面的升力槳組中的所有升力槳10的旋轉(zhuǎn)方向與下面的升力槳組中的所有升力槳10的旋轉(zhuǎn)方向相反(例如上面的升力槳組中的所有升力槳10的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎D(zhuǎn)，而下面的升力槳組中的所有升力槳10的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn))但轉(zhuǎn)速相同，這樣的設(shè)計(jì)可使兩個(gè)升力槳組各自產(chǎn)生的自旋力矩互相抵消，從而在空中飛行過程中保持機(jī)身平穩(wěn)，避免產(chǎn)生自旋，在本實(shí)用新型中，升力漿組的轉(zhuǎn)速只取決于對電動(dòng)多翼無人機(jī)的升降要求，其不參與姿態(tài)控制；相鄰兩個(gè)姿態(tài)控制槳組之間的旋轉(zhuǎn)方向相反，即各姿態(tài)控制槳組中的姿態(tài)控制槳50的轉(zhuǎn)速相同或不同，但相鄰的兩個(gè)姿態(tài)控制槳組的姿態(tài)控制槳50之間的旋轉(zhuǎn)方向相反(例如，一個(gè)姿態(tài)控制槳組的所有姿態(tài)控制槳50的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎D(zhuǎn)，則這個(gè)姿態(tài)控制槳組相鄰的姿態(tài)控制槳組中的所有姿態(tài)控制槳50的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn))，在本實(shí)用新型中，姿態(tài)控制槳組的轉(zhuǎn)速只取決于對電動(dòng)多翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)要求，其不參與升降控制。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，姿態(tài)控制槳組的個(gè)數(shù)可設(shè)計(jì)為大于等于4的偶數(shù)個(gè)，較優(yōu)地，姿態(tài)控制槳組設(shè)計(jì)為4個(gè)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，每個(gè)升力槳組包括至少一個(gè)升力槳10，升力槳10由升力電機(jī)20帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。對于每個(gè)升力槳組，每個(gè)升力槳10可由一個(gè)升力電機(jī)20帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，或者兩個(gè)或更多個(gè)或所有升力槳10共同由一個(gè)升力電機(jī)20帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，又例如，可以設(shè)計(jì)兩個(gè)升力電機(jī)20，每個(gè)升力電機(jī)20帶動(dòng)一個(gè)或多個(gè)升力槳10旋轉(zhuǎn)。升力槳10包括均布的至少兩個(gè)升力螺旋槳葉，圖2中示出了兩個(gè)升力螺旋槳葉構(gòu)成升力槳10的情形。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，每個(gè)姿態(tài)控制槳組包括姿態(tài)控制槳50，例如較佳地僅設(shè)計(jì)一個(gè)姿態(tài)控制槳50，姿態(tài)控制槳50由姿態(tài)控制電機(jī)60帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。對于每個(gè)姿態(tài)控制槳組，每個(gè)姿態(tài)控制槳50由一個(gè)姿態(tài)控制電機(jī)60帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。姿態(tài)控制槳50包括均布的至少兩個(gè)姿態(tài)控制螺旋槳葉，圖2中示出了兩個(gè)姿態(tài)控制螺旋槳葉構(gòu)成姿態(tài)控制槳50的情形。

如圖2，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，升力槳10的升力螺旋槳葉的直徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于姿態(tài)控制槳50的姿態(tài)控制螺旋槳葉的直徑。升力螺旋槳葉為大直徑槳葉，姿態(tài)控制螺旋槳葉為小直徑槳葉。

如圖1，電動(dòng)多翼無人機(jī)的機(jī)身包括上下結(jié)構(gòu)的上機(jī)架70、下機(jī)架80，下機(jī)架80下面安裝有起落架90，較佳地，兩個(gè)升力槳組分別安裝在機(jī)身的上、下機(jī)架70、80上，所有姿態(tài)控制槳組安裝在上機(jī)架70或下機(jī)架80向外延伸的機(jī)臂上，其中：

當(dāng)掛載物(圖中未示出，例如用于植物保護(hù)的噴灑藥箱等物品)置于升力槳組的旋轉(zhuǎn)半徑之外時(shí)，安裝在下機(jī)架80的升力槳組位于下機(jī)架80的下方且此升力槳組中的升力槳10的升力螺旋槳葉11直接與升力電機(jī)20的輸出軸連接，如圖4和圖5所示。

當(dāng)掛載物(圖中未示出，例如攝像機(jī)等)置于下機(jī)架80下方時(shí)，安裝在下機(jī)架80的升力槳組位于下機(jī)架80的上方且升力槳組中的升力槳10的升力螺旋槳葉11通過減壓連接桿12與升力電機(jī)20的輸出軸連接，如圖6和圖7所示。從圖1、圖2以及圖6、圖7中可以理解，所有減壓連接桿12可以使升力槳10的中心位置形成一個(gè)低風(fēng)速區(qū)域，從而使低壓風(fēng)速區(qū)域用來消除掛載物與升力螺旋槳葉11下行氣流之間產(chǎn)生的互相作用與影響，從而改善飛行效果。

面對下機(jī)架80的升力槳組處于不同位置的設(shè)計(jì)，上機(jī)架70的升力槳組位于上機(jī)架70的上方或下方均可，視實(shí)際需要而定，并且上機(jī)架70的升力槳組中的升力槳10的構(gòu)成、規(guī)格尺寸等應(yīng)均與下機(jī)架80的升力槳組中的升力槳10保持相同。

在實(shí)際實(shí)施時(shí)，升力電機(jī)20可為無刷直流電動(dòng)機(jī)，姿態(tài)控制電機(jī)60可為直流空心杯電動(dòng)機(jī)或小功率無刷直流電動(dòng)機(jī)，在本實(shí)用新型中，姿態(tài)控制電機(jī)60所使用的小功率無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率遠(yuǎn)小于升力電機(jī)20所使用的無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率。

在實(shí)際實(shí)施時(shí)，升力槳組和姿態(tài)控制槳組受驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制，如圖3，圖中示出了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成。具體來說，各升力電機(jī)20、各姿態(tài)控制電機(jī)60均與一個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制裝置連接，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制裝置與電機(jī)控制器105相連，電機(jī)控制器105與輸出用于控制現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)所有螺旋槳的N(N為正整數(shù))路電機(jī)控制信號(hào)的飛行控制器110相連，電機(jī)控制器105用于將飛行控制器110輸出的N路電機(jī)控制信號(hào)(圖3中示出了四路電機(jī)控制信號(hào)的情形)轉(zhuǎn)換成用于控制各姿態(tài)控制電機(jī)60以及各升力電機(jī)20總個(gè)數(shù)的相應(yīng)路數(shù)的控制信號(hào)，其中，兩個(gè)升力槳組可共同一路控制信號(hào)。

進(jìn)一步來說，與升力電機(jī)20相連的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制裝置為無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101，如圖3，無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101對升力電機(jī)20進(jìn)行換相控制以及通過PWM調(diào)制進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。

進(jìn)一步來說，當(dāng)姿態(tài)控制電機(jī)60為直流空心杯電動(dòng)機(jī)時(shí)，與姿態(tài)控制電機(jī)60相連的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制裝置為有刷直流電機(jī)電子調(diào)速器103，如圖3，有刷直流電機(jī)電子調(diào)速器103對姿態(tài)控制電機(jī)60通過PWM調(diào)制進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，其中：姿態(tài)控制槳組連接有電壓轉(zhuǎn)換器104。

而當(dāng)姿態(tài)控制電機(jī)60為小功率無刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，與姿態(tài)控制電機(jī)60相連的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制裝置為無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器(圖中未示出)，無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器對姿態(tài)控制電機(jī)60進(jìn)行換相以及通過PWM調(diào)制進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。

無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101包括微處理器、穩(wěn)壓電源以及由功率三極管構(gòu)成的PWM調(diào)制電路。姿態(tài)控制電機(jī)60所使用的無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器的構(gòu)成與無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101的構(gòu)成相同，因此可參考無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101來理解，但姿態(tài)控制電機(jī)60所使用的無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器的驅(qū)動(dòng)功率要遠(yuǎn)小于無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101的驅(qū)動(dòng)功率。

有刷直流電機(jī)電子調(diào)速器103包括微處理器、限流電阻以及由MOSFET三極管構(gòu)成的PWM調(diào)制電路。

電機(jī)控制器105包括將飛行控制器110輸出的原有電機(jī)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于控制升力槳組和姿態(tài)控制槳組的控制信號(hào)的微處理器。

如圖3，進(jìn)一步地，飛行控制器110包括微處理器111以及與微處理器111相連接的電陀螺儀112、加速度計(jì)113、氣壓計(jì)114、磁力計(jì)115等各類傳感器以及無線遙控接收機(jī)116。在實(shí)際實(shí)施時(shí)，飛行控制器110安裝在上機(jī)架70或下機(jī)架80的中心位置上且與升力槳組處于相異側(cè)。

如圖1至圖3，圖中示出了兩個(gè)升力槳組且每個(gè)升力槳組設(shè)置一個(gè)升力槳10和一個(gè)升力電機(jī)20，以及四個(gè)姿態(tài)控制槳組且每個(gè)姿態(tài)控制槳組設(shè)置一個(gè)姿態(tài)控制槳50和一個(gè)姿態(tài)控制電機(jī)60的情形，換句話說，圖中示出了機(jī)身上設(shè)置有兩個(gè)升力槳10和四個(gè)姿態(tài)控制槳50的情形，相應(yīng)地，每個(gè)姿態(tài)控制槳50各自相連的一個(gè)姿態(tài)控制電機(jī)60均由一個(gè)有刷直流電機(jī)電子調(diào)速器103驅(qū)動(dòng)，每個(gè)升力槳10各自相連的一個(gè)升力電機(jī)20均由一個(gè)無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101驅(qū)動(dòng)，各有刷直流電機(jī)電子調(diào)速器103的信號(hào)端口分別作為獨(dú)立的一路與電機(jī)控制器105相應(yīng)引腳連接，兩個(gè)無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101的信號(hào)端口合并為一路與電機(jī)控制器105相應(yīng)一個(gè)引腳連接，也就是說，電機(jī)控制器105用于將飛行控制器110輸出的四路電機(jī)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于控制四個(gè)姿態(tài)控制槳50以及兩個(gè)升力槳10的五路控制信號(hào)。

在本實(shí)用新型中，飛行控制器110使用的是現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)的飛行控制器，飛行控制器110內(nèi)的電子部件在飛行過程中用于測量電動(dòng)多翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)參數(shù)，并接收無線遙控發(fā)射機(jī)發(fā)出的飛行指令，參數(shù)、指令等全部信息均傳送給微處理器111，由微處理器111綜合處理后產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)并輸出。圖3示出的飛行控制器110是具有驅(qū)動(dòng)四個(gè)螺旋槳功能的現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)所使用的飛行控制器，其輸出四路電機(jī)控制信號(hào)。

當(dāng)這四路電機(jī)控制信號(hào)傳送給電機(jī)控制器105后，電機(jī)控制器105通過對接收的四路電機(jī)控制信號(hào)的占空比等狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析而產(chǎn)生出適合升力槳10、姿態(tài)控制槳50分離設(shè)計(jì)的升力控制信號(hào)、姿態(tài)控制信號(hào)，一共5路控制信號(hào)，進(jìn)而通過無刷直流電機(jī)電子調(diào)速器101對升力電機(jī)20進(jìn)行獨(dú)立控制，通過有刷直流電機(jī)電子調(diào)速器103對姿態(tài)控制電機(jī)60進(jìn)行獨(dú)立控制。

在電動(dòng)多翼無人機(jī)進(jìn)行垂直升降以及各種姿態(tài)的飛行過程中，如圖3，兩個(gè)升力槳10的轉(zhuǎn)速相同、旋轉(zhuǎn)方向相反，于是分別正、反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩個(gè)升力槳10共同合成升力，同時(shí)消除自旋，保持機(jī)身平穩(wěn)。

在執(zhí)行完垂直升起操作后的空中飛行過程中，當(dāng)不需要改變飛行姿態(tài)時(shí)，各姿態(tài)控制電機(jī)60保持靜止?fàn)顟B(tài)，所有姿態(tài)控制槳50的轉(zhuǎn)速為0，不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，而當(dāng)需要改變飛行姿態(tài)時(shí)，各姿態(tài)控制電機(jī)60根據(jù)飛行姿態(tài)需求而以相應(yīng)轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，且使相鄰的兩個(gè)姿態(tài)控制槳50之間的旋轉(zhuǎn)方向相反(如圖2所示)，以改變電動(dòng)多翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)。

當(dāng)然在電動(dòng)多翼無人機(jī)實(shí)際進(jìn)行垂直上升的過程中，姿態(tài)控制槳50也可參與，其與升力槳10同時(shí)同步工作，產(chǎn)生附加升力，以提高升空速度。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是：

本實(shí)用新型將電動(dòng)多翼無人機(jī)所需的動(dòng)力結(jié)構(gòu)分解成功能分離、獨(dú)立控制的升力槳與姿態(tài)控制槳，改變了現(xiàn)有電動(dòng)多翼無人機(jī)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)布局，大大降低了電動(dòng)多翼無人機(jī)的電能消耗，在不衰減飛行能力和不增加電池容量的條件下，實(shí)現(xiàn)了大幅延長續(xù)航時(shí)間的目的。

以上所述是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例及其所運(yùn)用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，任何基于本實(shí)用新型技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。