CN104176248B - 双发动机四轴四旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高可靠双发动机四轴四旋翼机，由航空发动机、旋翼机体、动力分配传动系统、飞行控制系统、四个旋翼总成等构成，旋翼机旋翼为可变桨距旋翼，且具有旋翼转动驱动部分以及旋翼桨角度调整部分。本发明涉及的四旋翼机使用两台航空发动机驱动四个旋翼，每个发动机驱动对称轴上的一对螺旋桨且中间添加减速机构；旋翼桨角度调整机构驱动可变浆距螺旋桨改变桨距以改变升力；发动机工作在较高效率区间，通过调节浆距实现悬停、前飞、后飞等姿态控制；飞控系统由ARM、GPS、三轴陀螺仪等构成，精确、可靠。采用此发明的双发方案，当出现一台发动机故障时，可以通过提升另一台发动机功率，基本保持飞机姿态，实现安全降落，具有很高的可靠性。

Description

双发动机四轴四旋翼无人机

技术领域：本发明涉及一种旋翼无人机，尤其是一种双发动机四轴四旋翼无人机。

背景技术：四旋翼机，是一种具有四个螺旋桨的飞行器，并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的旋翼具有相同的旋转方向，分两组，这两组的旋转方向各不相同。与传统的旋翼机不同，四旋翼机是通过改变螺旋桨的速度或者改变螺距的方式来实现各种动作的。四旋翼机是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行；从另一方面来说，四旋翼机有四个输入力，同时却有六个输出，所以它又是一种欠驱动系统(欠驱动系统是指少输入多输出系统)。通常的单旋翼式旋翼机具有倾角可以变化的螺旋桨，而经典的四旋翼机与此不同，它四个旋翼为固定翼，前后和左右两组螺旋桨的转动方向相反，并且通过改变螺旋桨的速度来改变升力，进而改变四旋翼机的姿态和位置。不过目前也出现可以改变螺距的四旋翼飞行器，这种变桨距控制方式比经典的改变电机转速的方式更灵活方便，本发明就涉及变桨距控制方式。现有的四旋翼机一般多为电机驱动，但是电池的能量密度较低，所以面临着续航时间短、载重量轻等一系列问题，严重地限制了其使用范围，遏制了其应用推广性；少数使用发动机驱动的四旋翼机，由于发动机的非线性与大时滞性，不能很好控制旋翼机实现各种空中姿态，这也严重的影响其飞行的稳定性、平衡性和使用的可靠性、实用性。

发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种双发动机四轴四旋翼无人机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：双发动机四轴四旋翼无人机,包括机体、动力传动装置和旋翼总成；动力传动装置固定在机体上并与旋翼总成连接。所述的旋翼总成包括舵机、旋翼夹、变桨距控制臂、变距滑块、变距杆、可变桨距螺旋桨和旋翼夹基座。每个旋翼夹基座上均安装有两个旋翼夹，且这两个旋翼夹沿着旋翼夹基座中心所在截面呈左右对称安装，旋翼夹可沿旋翼夹基座所在轴旋转，旋翼夹与变距杆的一端通过铰接链铰接，可以以铰接孔为圆心自由转动。变距滑块套在旋翼转动输入轴上，可沿旋翼转动输入轴的轴线上下移动，并与变距杆的另一端刚性连接，带动变距杆上下移动，进而带动旋翼夹沿旋翼夹基座所在轴旋转转动。所述变桨距控制臂一端与变距滑块链接，另一端与舵机连接，可带动变距滑块沿旋翼转动输入轴的轴线上下移动，通过变距杆拉动两个旋翼夹转动，从而改变浆距，达到通过变桨距而改变升力大小的目的。

所述的动力传动装置包括第一发动机、第二发动机、上输入齿轮、下输入齿轮、上输出齿轮、下输出齿轮、中心轴和变速箱。第一发动机带动上输入齿轮，第二发动机带动下输入齿轮。上输入齿轮和下输入齿轮上下重叠放置且共轴于中心轴。上输出齿轮与上输入齿轮啮合，下输出齿轮与下输入齿轮啮合。上输出齿轮和下输出齿轮都通过变速箱与旋翼总成的旋翼转动输入轴连接。

优选的，所述的第一发动机和第二发动机为航空发动机。

优选的，所述的第一发动机和第二发动机垂直重叠共轴安装在旋翼机机体偏下方。

本发明的特点及有益效果：普通单发动机四旋翼机的发动机有可能出现故障，比如空中停车等，采用本发明涉及的双发动机的方案，是将两个发动机垂直安装在旋翼机中心偏下位置，使整机重心在轴平面以下，并处于机体形心中心线上，为此使重心处于轴平面下的中心处。当一台发动机故障发生时，有一个对称轴失去动力，但在重心作用下，机体仍然处于平衡状态，此时可以通过提升另一台发动机功率，基本保持飞机姿态，实现安全降落，具有高可靠性。本发明采用航空发动机，增加了有效任务载荷，延长了飞行时间，可应用于长航时重型或大型无人运输系统，或者高经济价值的应用目标：比如长航时电力、输油管线巡线等项目应用。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示，双发动机四轴四旋翼无人机,包括机体、动力传动装置和旋翼总成；动力传动装置固定在机体上并与旋翼总成连接。所述的旋翼总成包括舵机9、旋翼夹10、变桨距控制臂11、变距滑块12、变距杆13、可变桨距螺旋桨14和旋翼夹基座15。每个旋翼夹基座15上均安装有两个旋翼夹10，且这两个旋翼夹10沿着旋翼夹基座15中心所在截面呈左右对称安装，旋翼夹10可沿旋翼夹基座15所在轴旋转，旋翼夹10与变距杆13的一端通过铰接链铰接，可以以铰接孔为圆心自由转动。变距滑块12套在旋翼转动输入轴18上，可沿旋翼转动输入轴18的轴线上下移动，并与变距杆13的另一端刚性连接，带动变距杆13上下移动，进而带动旋翼夹10沿旋翼夹基座15所在轴旋转转动。所述变桨距控制臂11一端与变距滑块12链接，另一端与舵机9连接，可带动变距滑块12沿旋翼转动输入轴18的轴线上下移动，通过变距杆13拉动两个旋翼夹10转动，从而改变浆距，达到通过变桨距而改变升力大小的目的。

所述的动力传动装置包括第一航空发动机1、第二航空发动机2、上输入齿轮3、下输入齿轮4、上输出齿轮6、下输出齿轮5、中心轴7和变速箱8。第一航空发动机1带动上输入齿轮3，第二航空发动机2带动下输入齿轮4。上输入齿轮3和下输入齿轮4上下重叠放置且共轴于中心轴7。上输出齿轮6与上输入齿轮3啮合，下输出齿轮5与下输入齿轮4啮合。上输出齿轮6和下输出齿轮5都通过变速箱8与旋翼总成的旋翼转动输入轴18连接动力传动装置还可以是通过皮带轮和皮带组成的皮带传动或通过齿轮和传动轴组成的轴传动或通过齿轮与链条组成的链传动带动旋翼总成工作。第一航空发动机1、第二航空发动机2可选用活塞式航空发动机、燃气涡轮发动机、冲压发动机或者脉冲发动机，功率强劲，推力很大，增加了有效任务载荷，延长了飞行时间。

第一航空发动机1逆时针旋转的同时，第二航空发动机2顺时针旋转，两台航空发动机分别带动中心轴上的上输入齿轮3、下输入齿轮4转动，上输入齿轮3、下输入齿轮4与输出齿轮6、下输出齿轮5一组正转，一组反转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消，符合四旋翼工作要求。

第一航空发动机1、第二航空发动机2垂直重叠共轴安装在旋翼机机体偏下方，使整机重心在轴平面以下，并处于机体形心中心线上，为此使重心处于轴平面下的中心处。当一台发动机停车等故障发生时，一对称轴失去动力，但在重心作用下，机体仍然处于平衡状态。提升另一台发动机升力，使飞机安全降落，提高飞机的安全稳定性。

舵机安装在主机架上，与变桨距控制臂连接，飞行控制系统给定的信号控制舵机工作，达到变桨距目的。

飞行控制系统中的内置ARM处理器相当于旋翼机大脑，处理旋翼机飞行姿态相关信息，GPS定位系统用来确定旋翼机当下飞行位置以便于跟踪控制，三轴陀螺仪用来感知旋翼机的平衡程度并将讯号传送至内置ARM处理器，再通过处理器内部程序的运算产生控制信号来控制旋翼机体上四个旋翼的转速，以维持整个机体的平衡。

四旋翼机机体为钢架镂空结构或全封闭结构，材料或为新型航空材料铝锂合金，把金属锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入金属锂之后，可以降低合金的密度，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。下置四个起落架(16)，形式为固定式或可收放式。

本发明能够克服因电机电池的能量密度较低所引起着续航时间短、载重量轻等问题，扩大了本发明的使用范围；同时也克服了因发动机的非线性、大时滞性而引起的四旋翼机姿态不易控制的问题，大大地提高了飞行的稳定性、平衡性和使用的可靠性、实用性。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动和变形不脱离本发明的精髓和范围，仍属于本发明的权利要求和同等技术范围之内，则本发明意图包含这些改动和变型。

Claims (2)

1.双发动机四轴四旋翼无人机,包括机体、动力传动装置和旋翼总成；动力传动装置固定在机体上并与旋翼总成连接，其特征在于：所述的旋翼总成包括舵机、旋翼夹、变桨距控制臂、变距滑块、变距杆、可变桨距螺旋桨和旋翼夹基座；每个旋翼夹基座上均安装有两个旋翼夹，且这两个旋翼夹沿着旋翼夹基座中心所在截面呈左右对称安装，旋翼夹沿旋翼夹基座所在轴旋转，旋翼夹与变距杆的一端通过铰接链铰接，以铰接孔为圆心自由转动，变距滑块套在旋翼转动输入轴上，沿旋翼转动输入轴的轴线上下移动，并与变距杆的另一端刚性连接，带动变距杆上下移动，进而带动旋翼夹沿旋翼夹基座所在轴旋转转动，所述变桨距控制臂一端与变距滑块链接，另一端与舵机连接，带动变距滑块沿旋翼转动输入轴的轴线上下移动；所述的动力传动装置包括第一发动机、第二发动机、上输入齿轮、下输入齿轮、上输出齿轮、下输出齿轮、中心轴和变速箱；第一发动机带动上输入齿轮，第二发动机带动下输入齿轮，上输入齿轮和下输入齿轮上下重叠放置且共轴于中心轴，上输出齿轮与上输入齿轮啮合，下输出齿轮与下输入齿轮啮合，上输出齿轮和下输出齿轮都通过变速箱与旋翼总成的旋翼转动输入轴连接。

2.如权利要求1所述的双发动机四轴四旋翼无人机，其特征在于：所述的第一发动机和第二发动机为航空发动机。