一种旋翼控制机构和双旋翼无人机的制作方法

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种体积小，便于携带，安全性高的旋翼控制机构以及双旋翼无人机。

背景技术：

单旋翼直升机有一个大旋翼和一个小尾桨，大旋翼提供直升机的升力及做各种动作的推力，尾桨用于航向控制。共轴双旋翼直升机有两副完全相同的旋翼，一上一下安装在同一根旋翼轴上，两副旋翼的旋转方向相反，它们的反扭矩互相抵消，因此不需要尾桨，相比单旋翼直升机，结构紧凑，尺寸只有单旋翼直升机的60%左右；另外，由于不需要尾桨来抵消旋翼的扭矩，其能源效率也要比单旋翼直升机高出10%以上。不过，由于有两副旋翼，共轴双旋翼直升机操控旋翼的倾斜盘很复杂。

共轴双旋翼直升机是消费级无人机的一个重要类别，不过目前其市场地位已远不如多旋翼机，主要原因有：1. 操控旋翼的倾斜盘机构太复杂；2. 整个直升机的结构从上到下有两副旋翼及处于旋翼正下方的机身，结构很不规则，消费级无人机为了简化倾斜盘设计，通常还留有一个小尾桨，不便于随身携带；3. 对于非专业的普通消费者，可操控性差，当意外失去平衡时，容易撞上障碍物或掉落，稳定性低。4. 高速旋转的旋翼没有围栏，容易打到障碍物，另外消费级无人机通常飞的低，旋翼容易伤到人，不够安全。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提出一种旋翼控制机构和双旋翼无人机，体积小，方便携带，且运行过程中稳定性强，安全性高。

针对直升机倾斜盘过于复杂的问题，本发明提出了一种新型的旋翼控制机构设计方法，其基本思想是：取消倾斜盘，旋翼固定安装于电机的旋翼轴上，旋翼的桨叶角固定，设计一个具有两个旋转轴的机构，将旋翼和电机的子系统安装到这个机构中，该机构可控制旋翼绕着两个旋转轴倾转，达到操控旋翼的目的。

基于上述设计思想，可设计出一种新型旋翼控制机构，其基本结构为:整个旋翼控制机构的核心机构旋翼控制机构沿着X轴和Y轴旋转；在X轴轴线上设置有一根旋翼横梁，在旋翼横梁上设有一个或两个电机座，电机座内安装电机，若有两个电机座，两个电机正反安装，即两个电机的轴一个朝上一个朝下，电机的轴上安装旋翼；旋翼横梁的两端设有X轴的两个轴头机构，称为X轴头机构；旋翼外梁上有两个与旋翼横梁上的X轴头机构相匹配的轴承，称为X轴承，其中一个X轴承处设有一个步进电机，称为X轴电机，和相应的传动减速装置，称为X轴传动减速装置，通过旋翼横梁的X轴头机构和旋翼外梁的X轴承可将旋翼横梁及装配其上的子系统装配入旋翼外梁中，所述X轴电机通过X轴传动减速装置与旋翼横梁上的一个X轴头机构连接；旋翼外梁上沿着Y轴轴线上设置有两个轴头机构，称为Y轴头机构。应用所述旋翼控制机构的无人机机身上设置两个与旋翼外梁的两个Y轴头机构相匹配的轴承，称为Y轴承，其中一个轴承处设一个步进电机，称为Y轴电机，和相应的传动减速装置，称为Y轴传动减速装置，通过旋翼外梁的Y轴头机构和机身的Y轴承可将旋翼外梁及装配在旋翼外梁上的子系统装配入机身，所述Y轴电机通过Y轴传动减速装置与旋翼横梁上的一个Y轴头机构连接。

无人机通过X轴电机和Y轴电机即可控制旋翼绕着X轴和Y轴旋转，无人机可以配置多套旋翼控制机构，只需简单地控制各套旋翼控制机构的X轴电机和Y轴电机使各副旋翼作适当的倾转，同时调整各旋翼的转速，即可敏捷地操控无人机做出各种飞行动作。本发明的旋翼控制机构消除了传统直升机复杂的倾斜盘，整个控制机构简单。另外，该旋翼控制机构原理上可设计为支持旋翼绕着X轴和Y轴作360旋转，因此当无人机受外力意外翻转时，都可以迅速让旋翼旋转至水平位置使旋翼的推力垂直向上，避免坠落。

对于大型直升机，旋翼直径长达几米以上，本发明的旋翼控制机构可能太大太重，不太适用。不过，对于消费级无人机，旋翼直径通常仅二、三十厘米以内，本发明的旋翼控制机构完全没有问题。为了减轻整个旋翼控制机构的重量，还可以按三种方法简化：

旋翼外梁只设一个X轴承，旋翼横梁只设一个X轴头机构，其优点是降低了旋翼外梁和旋翼横梁的机构复杂性；

旋翼外梁只设一个Y轴头机构，其优点是降低了旋翼外梁的机构复杂性，无人机机身也只需设置一个Y轴承，可简化机身设计；

旋翼外梁只设一个X轴承和一个Y轴头机构，旋翼横梁只设一个X轴头机构。其优点降低了旋翼外梁和旋翼横梁的机构复杂性，无人机机身也只需设置一个Y轴承，可简化机身设计及尺寸。

消费级无人机通常飞的很低，周围障碍物多，为旋翼提供一个防护机制是较好的设计。本发明提出的旋翼控制机构可以进一步加入旋翼防护机制。带旋翼防护机制的旋翼控制机构其基本结构为：在旋翼控制机构的旋翼横梁上增加一个旋翼防护框，旋翼防护框的上下两面均覆盖一个网状盖板，旋翼防护框和两个网状盖板构成一个防护围栏，将旋翼包裹其中。增加旋翼防护机制不改变旋翼控制机构的工作机理。由于网状盖板对气流有一定的负面影响，并且增加重量，对于防护要求不需要那么高的应用，可以不装配网状盖板。

本发明的旋翼控制机构的设计注意点：

原理上旋翼控制机构旋转时的X轴和Y轴不是平行的就可达到控制旋翼的目的，不过X轴和Y轴的中心线垂直相交是优选设计；整个旋翼控制机构的重心尽量与X-Y轴中心线交点重合是优选设计；旋翼的旋转轴中心线通过X-Y轴中心线交点，或者对于双旋翼的无人机，两副旋翼的旋转轴对称分布于X-Y轴中心线交点的两侧是优选设计。这些优选设计可减小X轴电机和Y轴电机的负载。

旋翼外梁和机身的尺寸能使旋翼绕着X轴和Y轴作360度旋转是优选设计。这样当无人机处于任何倾斜位置都可以操控旋翼使其推力垂直向上，避免坠落。

基于本发明提出的新型旋翼控制机构，本发明提出了一种带旋翼防护、便携、稳定的消费级双旋翼无人机，其总体结构由一套旋翼控制机构、两副旋翼和机身三个组件组成。

新型无人机的旋翼控制机构具有旋翼防护机制，其基本结构为：整个机构的核心是旋翼控制机构可以沿着X轴和Y轴旋转，X轴和Y轴的中心线垂直相交；沿着X轴轴线上设置有一根旋翼横梁，在旋翼横梁上安装一个旋翼保护框，旋翼保护框的上下两面均覆盖一个网状盖板，保护框和两个网状盖板构成一个防护围栏，将旋翼包裹在其中；在旋翼横梁上设有两个电机座，每个电机座安装了一个电机，两个电机正反安装，即电机轴一个朝上一个朝下，电机的轴上安装旋翼，两副旋翼的转向相反；旋翼横梁的两端设有X轴的两个轴头机构；旋翼控制机构的最外面是一个框状的旋翼外梁；旋翼外梁与X轴的两个交点处设有两个轴承，称为X轴承，它们与旋翼横梁上的两个X轴头机构相匹配，其中一个X轴承处设有一个步进电机，称为X轴电机，和相应传动减速装置，称为X轴传动减速装置，通过旋翼横梁的X轴头机构和旋翼外梁的X轴承可将旋翼横梁及装配其上的子系统装配入旋翼外梁中，X轴电机通过X轴传动减速机构与旋翼横梁的一个X轴头机构连接，旋翼外梁尺寸足够大，X轴电机可控制旋翼横梁及装配在旋翼横梁上的子系统绕着X轴作360度旋转；旋翼外梁在Y轴轴线方向设置有两个轴头机构，成为Y轴头机构。无人机的机身采用“U”型结构，由两个机臂和机身主体两部分组成。机臂上设有两个轴承，称为Y轴承，它们与旋翼外梁的两个Y轴头机构相匹配，其中一个Y轴承处设一个步进电机，称为Y轴电机，所述Y轴承处还设置有相应传动减速装置，称为Y轴传动减速装置，通过旋翼外梁的两个Y轴头机构及机臂的两个Y轴承可将旋翼外梁及装配其上的子系统装配入机身；Y轴电机通过Y轴传动减速装置与旋翼外梁的一个Y轴头机构连接，机臂足够长，Y轴电机可控制旋翼外梁及装配其上的子系统绕着Y轴作360度旋转。机身主体包含无人机的应用组件，如电池、摄像头、各种传感器、主控板、GPS等等，机臂和两个网状盖板上也可以安装需要的部件，比如用于全方位避障的超声波传感器。到底在无人机上要安装哪些应用组件取决于无人机针对的应用需求，本发明不作限定。

本发明双旋翼无人机的操控原理：

悬停：在无风环境中，通过旋翼控制机构的X轴电机和Y轴电机使两副旋翼保持水平，即旋翼旋转轴垂直，此时旋翼推力正向上；同时调整两副旋翼的转速，使得两副旋翼的升力与无人机的重力相等并使两副旋翼产生的自转扭矩相互抵消；

升/降：保持两副旋翼推力正向上且自转扭矩相同，调整旋翼转速，使两副旋翼产生的升力大于/小于无人机的重力；

偏航：保持两副旋翼推力正向上，调整两副旋翼的转速，使它们的自转扭矩不等，操控无人机转向；

前后飞行：设X轴方向为前后方向，通过Y轴电机控制旋翼绕Y轴偏转一定角度，提高旋翼转速，保持旋翼推力的垂直分量即升力与重力相等，旋翼推力的水平分量推动无人机前后飞行；

左右飞行：设Y轴方向为左右方向，通过X轴电机控制旋翼沿X轴偏转一定角度，提高旋翼转速，保持旋翼推力的垂直分量，即升力与重力相等，旋翼推力的水平分量推动无人机左右飞行；

本发明的双旋翼无人机有个技术特征：旋翼推力只用作无人机飞行控制，不能用于控制机身的姿态，机身的姿态完全由无人机的重力和风力决定；由于两副旋翼可绕着X轴和Y轴作360度倾转，不论机身的姿态如何，旋翼控制机构都能对无人机进行正常飞行操控。设计无人机时，重心根据无人机的应用需求来设置，通常重心设置在机身主体的几何中心附近。

为了减少无人机的重量，可以对旋翼控制机构按三种方法简化：旋翼外梁只设一个X轴承，旋翼横梁只设一个X轴头机构；或者旋翼外梁只设一个Y轴头机构，机身只设一个Y轴承，有一个机臂即可。或者旋翼外梁只设一个X轴承和一个Y轴头机构，旋翼横梁只设一个X轴头机构，机身只设一个Y轴承，有一个机臂即可。

上述三种简化的双旋翼无人机只是简化了旋翼控制机构的X轴和Y轴机构复杂性，操控机理不受影响。

由于网状盖板对气流有一定的负面影响，并且增加重量，对于防护要求不需要那么高的应用，可以不装配网状盖板。

消费级无人机的一个重要应用是拍摄，机身主体上会配置摄像头，为了提高图像的稳定性，可以在无人机机身上增加减震机构，减震机构可消除旋翼旋转时的震动，提升图像效果。

本发明的有益效果为：

1. 取消了传统共轴双旋翼直升机复杂的倾斜器，结构简单；

2. 当无人机大角度倾斜，甚至翻转时，可敏捷地旋转旋翼保持旋翼推力垂直向上，避免坠落；

3. 无人机回收时可将旋翼系统折叠进机身的U型槽内，便于携带；

4. 高速旋转的旋翼被包裹在一个防护围栏内，不会误伤人，可以直接在掌上起飞和降落；

5. 无人机做各种飞行动作时，倾转的只是旋翼，机身姿态不受影响，实际上无人机运动时产生的风阻对机身姿态有一定影响，不过由于拍摄时无人机运动很慢，影响非常小，因此拍摄图像很平稳。

附图说明

图1为本发明旋翼控制机构立体图；

图2 为本发明旋翼控制机构分解图；

图3 为本发明旋翼控制机构的应用示例立体图；

图4 为本发明旋翼控制机构的应用示例分解图；

图5 为本发明X轴简化的外梁；

图6 为本发明采用X轴简化外梁的旋翼控制机构；

图7 为本发明Y轴简化的外梁；

图8 为本发明采用Y轴简化外梁的旋翼控制机构；

图9 为本发明X轴和Y轴都简化的外梁；

图10 为本发明采用X轴和Y轴都简化外梁的旋翼控制机构；

图11 为本发明带旋翼防护的旋翼控制机构立体图；

图12 为本发明带旋翼防护的旋翼控制机构分解图；

图13 为本发明无网状盖板的旋翼控制机构；

图14为本发明双旋翼无人机的立体图；

图15为本发明双旋翼无人机的分解图；

图16 为本发明双旋翼无人机的悬停姿态示意图；

图17 为本发明双旋翼无人机的前后飞行示意图；

图18 为本发明双旋翼无人机的左右飞行示意图；

图19 为本发明双旋翼无人机的回收形态示意图；

图20 为本发明采用X轴简化外梁的双旋翼无人机；

图21 为本发明采用Y轴简化外梁的双旋翼无人机；

图22 为本发明采用X轴和Y轴都简化外梁的双旋翼无人机；

图23 为本发明无网状盖板的双旋翼无人机；

图24 为本发明带有减震机制的无人机机身结构示意图。

图中标注说明：

1、旋翼控制机构 2、无人机机身

2A、双机臂无人机机身 2B、单机臂无人机机身

2C、带减震机构的无人机机身 3A、简化的旋翼横梁

4、电机座 5、电机

6、旋翼 7、X轴头机构

8、旋翼外梁 8A、X轴简化的旋翼外梁

8B、Y轴简化的旋翼外梁 8C、X轴和Y轴都简化的旋翼外梁

9、X轴承 10、X轴电机

11、X轴传动减速装置 12、Y轴头机构

13、Y轴承 14、Y轴电机

15、Y轴传动减速装置 16、保护框

17、网状盖板 18、机身主体

19、机臂 20、减震机构。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明的旋翼控制机构，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

一个旋翼控制机构实施例：

本实施例可装配两副旋翼，请参阅图1-图2, 所述旋翼控制机构的核心机理是旋翼控制机构绕着X轴和Y轴旋转，沿X轴轴线上设置有一根旋翼横梁3，在旋翼横梁3正中心设上下两个电机座4，电机座内安装电机5，两个电机正反安装，电机的轴上安装旋翼6；旋翼横梁3的两端设有两个X轴头机构7；一个框状的旋翼外梁8，设有两个X轴承9，其中一个X轴承9处设有一个X轴电机10和X轴传动减速装置11，通过旋翼横梁3的X轴头机构7和旋翼外梁8的X轴承9将旋翼横梁3及装配其上的子系统装配入旋翼外梁8中，本实施例中X轴传动减速装置11由一对大小齿轮组成，小齿轮装配于X轴电机10的轴上，大齿轮装配于旋翼横梁3的一个X轴头机构7上，使X轴电机10与所述旋翼横梁的X轴头机构7连接；旋翼外梁8上沿着Y轴线还设有两个Y轴头机构12。

使用本旋翼控制机构实施例如图3和图4所示，无人机机身上设置两个Y轴承13，其中一个Y轴承13处设一个Y轴电机14和Y轴传动减速装置15，通过旋翼外梁8的Y轴头机构12和机身的Y轴承13将旋翼外梁及装配其上的子系统装配入机身，本实施例中Y轴传动减速装置15由一对大小齿轮组成，小齿轮装配于Y轴电机14的轴上，大齿轮装配于旋翼外梁8的一个Y轴头机构12上，使Y轴电机14与所述旋翼外梁的Y轴头机构12连接。在本实施例中，无人机通过X轴电机10和Y轴电机14即可控制旋翼绕着X轴和Y轴倾转，只要框状的旋翼外梁8和无人机机臂19的尺寸足够大，无人机可控制旋翼绕着X轴和Y轴作360度旋转。

为了减轻本实施例的旋翼控制机构的重量，可以按三种方法简化：

1. 以图5的旋翼外梁8A替换图1中的旋翼外梁8，简化的旋翼控制机构如图6所示，其与图1的机构区别是：旋翼外梁8A只设一个X轴承9，旋翼横梁3A也只设一个X轴头机构7。其优点是旋翼外梁8A和旋翼横梁3A的尺寸只有原来的一半，缺点是只有一个X轴承9承重；

2. 以图7的旋翼外梁8B替换图1中的旋翼外梁8，简化的旋翼控制机构如图8所示，其与图1的机构区别是：旋翼外梁8B只设一个Y轴头机构12。其优点是旋翼外梁8B只有一半尺寸，无人机机身2也只需设置一个Y轴承13，可简化机身设计。缺点是只有一个Y轴承13承重；

3. 以图9的旋翼外梁8C替换图1中的旋翼外梁8，简化的旋翼控制机构如图10所示，其与图1的机构区别是：旋翼外梁8C只设一个X轴承9和一个Y轴头机构12，旋翼横梁3A只设一个X轴头机构7。其优点是旋翼外梁8C只有1/4尺寸，旋翼横梁3A只有一半尺寸，无人机机身2也只需设置一个Y轴承13，可简化机身设计及尺寸。其缺点是X轴和Y轴都只有一个轴承承重。

本实施例的旋翼控制机构可加入旋翼防护功能，如图11和图12，只需要在本实施例的旋翼横梁3上增加一个旋翼保护框16及在旋翼保护框16的上下两面增加一个网状盖板17即可实现，当对于防护要求不高的应用，也可以去掉网状盖板17，如图13所示。

为了更清楚地表述本发明的双旋翼无人机，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

双旋翼无人机实施例1：

请参阅图14-图15，其总体结构由一套旋翼控制机构1、两副旋翼6和机身2A三个组件组成。旋翼控制机构1具有旋翼防护机制，其基本结构为：整个机构的核心是旋翼横梁绕着X轴和Y轴旋转，X轴和Y轴的中心线垂直相交（交点标为O）；沿着X轴有一根旋翼横梁3，在旋翼横梁3上安装一个旋翼保护框16，旋翼保护框16的上下两面均覆盖一个网状盖板17，保护框16和两个网状盖板17构成一个防护围栏，将旋翼6包裹在其中；在旋翼横梁3相应于O点的部位设有上下两个电机座4，每个电机座4安装了一个电机5，两个电机5正反安装，电机5的轴上安装旋翼6，两副旋翼6的转向相反；旋翼横梁3的两端设有两个X轴头机构7；机构的最外面是一个框状的旋翼外梁8；旋翼外梁8与X轴的两个交点处设有两个X轴承9，它们与旋翼横梁3上的两个X轴头机构7相匹配，其中一个X轴承9处设有一个X轴电机10和相应的X轴传动减速装置11，通过旋翼横梁3的X轴头机构7和旋翼外梁8的X轴承9可将旋翼横梁3及装配其上的子系统装配入旋翼外梁8中，本实施例中X轴传动减速装置11由一对大小齿轮组成，小齿轮装配于X轴电机10的轴上，大齿轮装配于旋翼横梁3的一个X轴头机构7上，使X轴电机10与旋翼横梁的一个X轴头机构7连接，旋翼外梁8的尺寸足够大，使得旋翼横梁3及装配其上的子系统可绕着X轴作360度旋转；旋翼外梁8与Y轴的两个交点处设有Y轴的两个Y轴头机构12。

无人机的机身采用“U”型结构，由两个长机臂19和机身主体18两部分组成。机臂19上设有两个Y轴承13，它们与旋翼外梁8的两个Y轴头机构12相匹配，其中一个Y轴承13处设Y轴电机14和Y轴传动减速装置15，通过旋翼外梁8的两个Y轴头机构12及机臂19的两个Y轴承13可将旋翼外梁及装配其上的子系统装配入机身，本实施例中Y轴传动减速装置15由一对大小齿轮组成，小齿轮装配于Y轴电机14的轴上，大齿轮装配于旋翼外梁8的一个Y轴头机构12上，使Y轴电机14与所述旋翼外梁的Y轴头机构12连接。机臂足够长，能使旋翼外梁8及装配其上的子系统绕着Y轴作360度旋转。机身主体包含无人机的应用组件，本发明不作限定，由应用需求决定，设计时重心安置于其几何中心处。

本实施例双旋翼无人机的操控原理：

悬停：如图16所示，在无风环境中，通过旋翼控制机构的X轴电机和Y轴电机使两副旋翼保持水平，即旋翼旋转轴垂直，此时旋翼推力正向上；同时调整两副旋翼的转速，使得两副旋翼的升力与无人机的重力相等并使两副旋翼产生的自转扭矩相互抵消；

升/降：保持两副旋翼推力正向上且自转扭矩相同，调整旋翼转速，使两副旋翼产生的升力大于/小于无人机的重力；

偏航：保持两副旋翼推力正向上，调整两副旋翼的转速，使它们的自转扭矩不等，操控无人机转向；

前后飞行：设X轴方向为前后方向，如图17所示，通过Y轴电机控制旋翼绕Y轴偏转一定角度，提高旋翼转速，保持旋翼推力的垂直分量即升力与重力相等，旋翼推力的水平分量推动无人机前后飞行；

左右飞行：设Y轴方向为左右方向，如图18所示，通过X轴电机控制旋翼沿X轴偏转一定角度，提高旋翼转速，保持旋翼推力的垂直分量，即升力与重力相等，旋翼推力的水平分量推动无人机左右飞行；

该无人机便于携带，旋翼可以折叠进机身的“U”型槽内，如图19所示是无人机的回收形态。

双旋翼无人机实施例2：

为了减少无人机的重量，双旋翼无人机实施例1可以对旋翼控制机构按三种方法简化：

1. 以图5的旋翼外梁8A替换图14中的旋翼外梁8，简化的无人机如图20，机构特征是：旋翼外梁8A只设一个X轴承9，旋翼横梁只设一个X轴头机构7；

2. 以图7的旋翼外梁8B替换图14中的旋翼外梁8，简化的无人机如图21，机构特征是：旋翼外梁8B只设一个Y轴头机构12，无人机机身2B只设一个Y轴承13，有一个机臂19即可；

3. 以图9的旋翼外梁8C替换图14中的旋翼外梁8，简化的无人机如图22，机构特征是：旋翼外梁8C只设一个X轴承9和一个Y轴头机构12，旋翼横梁只设一个X轴头机构7，无人机机身2B只设一个Y轴承13，有一个机臂19即可。

双旋翼无人机实施例3：

对于旋翼防护要求不高的场合，双旋翼无人机实施例1可以不装配网状盖板，图23所示的是图14所示无人机去掉了网状盖板。

双旋翼无人机实施例4：

双旋翼无人机实施例1的无人机可以在机身上增加减震机构20以消除旋翼旋转时的震动，有减震机构的无人机机身2C如图24所示。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。