一种无人机用平衡调节机构及无人机的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，具体来说，涉及一种无人机用的平衡调节机构的结构设计。

背景技术：

目前解决无人机角度控制较为代表性的是直升机的旋转斜板结构。该技术的技术特点为旋转斜板结构包含相互配合的上下两块旋转斜板，如图1所示，上旋转斜板紧贴下旋转斜板滑动，其倾斜角度由下旋转斜板决定。上旋转斜板随旋翼转动，由于前低后高，连杆和支点的作用迫使旋翼上升下降，最后按斜板的角度旋转，达到旋翼倾斜旋转。下旋转斜板不随旋翼转动，但倾斜角度可以由飞行员通过机械连杆或液压作动筒控制，以控制旋翼的倾斜角度。

旋转斜板结构通过两个控制杆的协同控制实现旋翼在整个空间内的转动，一个动力源仅能使得旋转斜板在一个平面内旋转，必须使用两个动力源才能实现空间内的转动。这种控制方式与结构是并不适合消费级无人机的。首先，两个动力源就需要两个舵机来控制操纵杆，因无人机因续航等原因对整机重量有轻量化要求，两个动力源控制倾角就会额外增加重量。其次，旋转斜板结构适用于人工控制，如若非要通过算法实现双动力源协同控制，以达到精确的方向及角度控制，则提高了软件算法的难度，而且难于保证可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无人机用平衡调节机构，不仅解决了采用双动力源人工协同控制旋翼倾斜角度所带来的整机重量增加、续航时间降低、操纵杆控制不便等问题，还避免了复杂软件算法的采用，有效提高了旋翼倾斜角度控制的可靠性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种无人机用平衡调节机构，其顶部用于连接所述无人机的电机以及旋翼，其包括依次连接的主动调节单元、倾斜获取单元、倾斜补偿单元：所述主动调节单元由单动力源控制，用于在无人机失去平衡时启动所述倾斜获取单元，所述倾斜获取单元，用于获取所述无人机的倾斜方向，所述倾斜补偿单元，通过获取到的所述无人机的倾斜方向实施反倾斜补偿，以实现所述无人机的自平衡。

进一步的，所述主动调节单元包括第一传动机构，所述倾斜获取单元包括第一球铰、顶杆、第二传动机构以及基于重力实现导向的导向机构，所述倾斜补偿单元包括第二球铰、杠杆补偿机构：所述第一球铰连接于第二传动机构与所述导向机构之间，所述顶杆在所述第一传动机构的带动下进行升降以实现对所述第一球铰锁定与解锁，所述第二传动机构在所述第一传动机构的牵引下带动所述导向机构进行倾斜导向以获取所述无人机的倾斜方向，所述第二球铰连接于所述第二传动机构与所述杠杆补偿机构之间，所述杠杆补偿机构用于在获取所述无人机的倾斜方向后实施反倾斜补偿。

进一步的，所述第一传动机构包括传动轴、第一牵引线、第二牵引线、两个弹性件以及固定连接于所述传动轴的凸轮、传动齿轮、摆臂：所述单动力源啮合传动于所述传动齿轮，所述传动轴转动连接于所述无人机内部，所述凸轮抵接所述顶杆，用于顶升所述顶杆，所述两个弹性件分别连接于所述无人机内部与所述顶杆之间，用于带动所述顶杆下降，所述摆臂设有第一侧臂、第二侧臂，所述第一侧臂、第二侧臂分别位于所述传动轴两侧，所述第一牵引线连接于所述第一侧臂与所述第二传动机构之间，用于牵引所述第二传动机构，所述第二牵引线连接于所述第二侧臂与所述第二传动机构之间，用于复位所述第二传动机构。

进一步的，所述第二传动机构包括上滚动轴承、下滚动轴承、第三牵引线、第四牵引线、第五牵引线、支撑架、连杆以及滑动套装于所述连杆的上滑动轴承、下滑动轴承：所述连杆上设有第一通道、第二通道、第三通道，所述第一牵引线通过所述第一通道连接于所述下滑动轴承，用于带动所述下滑动轴承下降，所述第二牵引线通过所述第二通道连接于所述上滑动轴承，用于带动所述上滑动轴承下降，所述第三牵引线通过所述第三通道连接于所述上滑动轴承、下滑动轴承，用于实现所述上滑动轴承、下滑动轴承之间的同步反向移动，所述下滚动轴承固定套装于所述下滑动轴承，所述第五牵引线连接于所述下滚动轴承与所述导向机构，用于带动所述导向机构进行倾斜导向，所述上滚动轴承固定套装于所述上滑动轴承，所述第四牵引线连接于所述上滚动轴承与所述导向机构，用于带动所述导向机构复位，所述连杆与所述导向机构之间设有所述第一球铰，所述支撑架固定连接于所述连杆，其与所述杠杆补偿机构之间设有所述第二球铰。

进一步的，所述导向机构包括内壳、外壳、导向环、导向板:所述导向板与所述内壳、外壳固定连接并形成开口向下的环形滑槽，所述导向环位于所述环形滑槽内，其包括圆环体、实心球以及空心球，所述实心球、空心球固定插装于所述圆环体上相对的两侧并分别与所述第五牵引线、第四牵引线连接。

进一步的，所述导向板与所述连杆之间设有所述第一球铰，所述第一球铰包括设于所述连杆上的第一球头以及设于所述导向板上的第一球壳，所述连杆设有第四通道，所述顶杆的顶部设有顶爪，所述顶杆穿过所述第四通道，所述顶爪伸出于所述连杆用于顶托所述第一球壳，当所述顶杆在所述凸轮的带动下上升时，所述顶爪顶托所述第一球壳并锁定第一球铰。

进一步的，所述杠杆补偿机构包括补偿板以及至少两根间隔分布的调节杆：所述补偿板用于连接所述电机以及旋翼，以实施反向倾斜补偿，所述调节杆的底端活动连接于所述导向板，其顶端活动连接于所述补偿板，所述调节杆的底端与顶端分别位于所述第二球铰的相对两侧，且所述调节杆的底端与所述第二球铰之间横向距离为所述调节杆的顶端与所述第二球铰之间横向距离的两倍。

进一步的，所述支撑架与所述补偿板之间设有所述第二球铰，所述第二球铰包括设于所述支撑架上的第二球头以及设于所述补偿板上的第二球壳。

基于上述的无人机用平衡调节机构，本发明在另一方面还提供了一种无人机，所述无人机包括电机、旋翼、无人机用平衡调节机构。所述无人机用平衡调节机构的顶部连接所述电机以及旋翼，其包括依次连接的主动调节单元、倾斜获取单元、倾斜补偿单元：所述主动调节单元由单动力源控制，用于在无人机失去平衡时启动所述倾斜获取单元，所述倾斜获取单元，用于获取所述无人机的倾斜方向，所述倾斜补偿单元，通过获取到的所述无人机的倾斜方向实施反倾斜补偿，以实现所述无人机的自平衡。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：本发明提供的无人机用平衡调节机构，结构明确，其包括依次连接的主动调节单元、倾斜获取单元、倾斜补偿单元。主动调节单元由单动源控制，避免了传动的双动力源协调控制所带来整机重量增加、续航时间降低、操纵杆控制不便等弊端。当无人机失去平衡时，操作人员通过单动力源控制主动调节单元启动倾斜获取单元，以便检测无人机的倾斜方向，而倾斜补偿单元则根据倾斜获取单元检测到的无人机的倾斜方向进行反向倾斜，以便带旋翼反向倾斜从而达到控制旋翼倾斜角度的作用，以最终实现无人机整体自平衡的效果，整个过程不需要操作人员通过操纵杆手动调节无人机旋翼的倾斜角度，有效提高了旋翼倾斜角度控制的可靠性，同时还能避免复杂软件算法的使用。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明具体实施例无人机用平衡调节机构的主视图；

图2是本发明具体实施例无人机用平衡调节机构的立体图；

图3是本发明具体实施例第一传动机构的结构示意图；

图4是本发明具体实施例第二传动机构的结构示意图；

图5是本发明具体实施例导向机构的结构示意图；

图6是本发明具体实施例杠杆补偿机构的结构示意图；

图7是本发明具体实施例无人机用平衡调节机构的分解示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一”、“二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，另外，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、顶、底)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定位置(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定位置发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

参考图1至图7所示，本实施例提出了一种无人机用平衡调节机构，其顶部用于与无人机上的电机以及旋翼连接，特别的，本实施例中无人机用平衡调节机构包括依次连接的主动调节单元、倾斜获取单元、倾斜补偿单元。主动调节单元由单动力源控制，例如，本实施例中具体通过舵机控制，用于在无人机失去平衡时启动倾斜获取单元。倾斜获取单元则用于获取无人机的倾斜方向，倾斜补偿单元则通过获取到的无人机的倾斜方向进行反倾斜，以补偿无人机由于外部环境问题朝向一侧倾斜而出现失稳的情况，从而实现无人机的自平衡。

本实施例中主动调节单元包括第一传动机构100，倾斜获取单元包括第二传动机构200、基于重力实现导向的导向机构300、第一球铰400以及顶杆500，倾斜补偿单元包括杠杆补偿机构600、第二球铰700：

其中，第一球铰400连接于第二传动机构200与导向机构300之间，以实现第二传动机构200与导向机构300之间的柔性连接。顶杆500在第一传动机构100的带动下进行升降以实现对第一球铰400的锁定与解锁。第二传动机构200在第一传动机构100的牵引下带动导向机构300进行倾斜导向以获取无人机的倾斜方向。杠杆补偿机构600用于在获取无人机的倾斜方向后实施反倾斜补偿。第二球铰700连接于第二传动机构200与杠杆补偿机构600之间，以实现第二传动机构200与杠杆补偿机构600之间的柔性连接，从而便于杠杆补偿机构600能够相对第二传动机构200转动来实施反倾斜补偿。在无人机正常飞行时，顶杆500在第一传动机构100的带动下处于高处并锁定第一球铰400使得其球铰接结构失效，第二传动机构200与导向机构300之间成为刚性连接，在无人机不平衡、旋翼发生倾斜时，顶杆500在第一传动机构100的带动下处于低处并解锁第一球铰400使得其球铰接结构发挥球铰接作用，导向机构300可相对第二传动机构200转动以便于其实施倾斜导向。

具体的，如图3所示，第一传动机构100包括传动轴130、第一牵引线110、第二牵引线120、两个弹性件140以及固定连接于（例如焊接或过盈插装）传动轴130的凸轮150、传动齿轮160、摆臂170。

单动力源啮合传动于传动齿轮160，传动轴130转动连接于无人机内部，本实施例通过在传动轴130的两端装配轴承以及轴承座来实现传动轴130转动连接于无人机内部，轴承座则可采用螺栓固定连接于无人机内部。

凸轮150抵接顶杆500，用于顶升顶杆500，以便于实施第一球铰400的锁定。两个弹性件140分别连接于无人机内部与顶杆500之间，当凸轮150在传动轴130的带动下转动使得凸轮的至高点不抵接顶杆500时，弹性件140通过拉动顶杆500使其下降，从而实施第一球铰400的解锁，本发明中弹性件140的具体结构不作限定，具体的本实施例采用拉簧作为弹性件140,并设计拉簧的两端分别挂接在无人机内部与顶杆500之间。

摆臂170设有第一侧臂、第二侧臂，第一侧臂、第二侧臂分别位于传动轴130两侧，具体本实施例中摆臂170呈T字形，第一侧臂、第二侧臂均位于传动轴130的上方。第一牵引线110连接于第一侧臂与第二传动机构200之间，用于牵引第二传动机构200。第二牵引线120连接于第二侧臂与第二传动机构200之间，用于复位第二传动机构200，设置的第一侧臂、第二侧臂分别位于传动轴130两侧，使得传动轴130在转动时只能够拉紧第一牵引线110与第二牵引线120中的一根，防止第一牵引线110与第二牵引线120对第二传动机构200实施相互冲突的操作。

如图4所示，本实施例中第二传动机构200具体包括上滚动轴承210、下滚动轴承220、第三牵引线230、第四牵引线240、第五牵引线250、支撑架260、连杆270以及滑动套装于连杆270的上滑动轴承280、下滑动轴承290。

在连杆270上设有第一通道、第二通道、第三通道。第一牵引线110通过第一通道连接于下滑动轴承290，用于带动下滑动轴承290下降，第一牵引线110从第一通道出线孔271伸出连接于下滑动轴承290，如图1、图2所示。第二牵引线120通过第二通道连接于上滑动轴承280，用于带动上滑动轴承280下降，第一牵引线120从第二通道出线孔272伸出连接于上滑动轴承280，如图1、图2所示。

下滚动轴承220固定套装于下滑动轴承290，第五牵引线250连接于下滚动轴承220与导向机构300，当第一牵引线110带动下滑动轴承290下降时，同时拉动第五牵引线250，使得第五牵引线250带动导向机构300进行倾斜导向。

上滚动轴承210固定套装于上滑动轴承280，第四牵引线240连接于上滚动轴承210与导向机构300，当第二牵引线120带动上滑动轴承280下降时，同时拉动第四牵引线240，使得第四牵引线240带动导向机构300复位。

为防止第一牵引线110间接拉动第五牵引线250实施倾斜导向的同时出现第二牵引线120间接拉动第四牵引线240实施复位，特别的，第三牵引线230通过第三通道连接于上滑动轴承280、下滑动轴承290，用于实现所述上滑动轴承280、下滑动轴承290之间的同步反向移动，具体的，本实施例中第三通道下出线孔231位于上滑动轴承280、下滑动轴承290之间，第三通道上出线孔232位于上滑动轴承280上方，如图1、图4所示，第三牵引线230在连接下滑动轴承290后依次穿过第三通道下出线孔231、第三通道上出线孔232从而连接到上滑动轴承280上，以便第一牵引线110带动下滑动轴承290下降时，上滑动轴承280同步上升。

如图5所示，本实施例中导向机构300具体包括内壳310、外壳320、导向环330、导向板340。

导向板340与内壳310、外壳320固定连接并形成开口向下的环形滑槽，为便于固定连接，导向板340为圆环形板，导向板340外端以及外壳320外端设有多个用于螺栓连接的外耳板，导向板340内端设有十字形连接板，而内壳310内端则设有用于与十字形连接板螺栓连接的内耳板。

位于环形滑槽内的导向环330包括圆环体、实心球以及空心球，实心球、空心球固定插装于圆环体上相对的两侧，以避免实心球、空心球与圆环体之间出现相对移动而使导向机构300失效，且第五牵引线250穿过环形滑槽的开口连接于实心球，以便于实现实心球在第五牵引线250的带动下滑动至环形滑槽的最低点，进而实现获取无人机倾斜方向的目的，第四牵引线240穿过环形滑槽的开口连接于空心球，以便于实现空心球在第四牵引线240的带动下带动导向机构300复位的目的。本实施例中在连杆270与导向机构300之间设有第一球铰400，具体的，将第一球铰400设置在导向板340与连杆270之间，第一球铰400包括设于连杆270上的第一球头410以及设于导向板340上的第一球壳420，如图7所示。第一球头410设于连杆270的顶部，既与连杆270一体成型，也可通过焊接、粘结固定。为了便于在导向板340上设置第一球壳420，本实施例在导向板340上十字形连接板的下方固定连接(例如焊接、粘结、螺栓连接)有第一球壳420。

本实施例中连杆270还设有第四通道，上述第一通道、第二通道、第三通道与第四通道可以为同一通道也可以分别开设，本实施例中为避免牵引线之间互相干涉，每一个通道均各自开设。在顶杆500的顶部设有顶爪510，顶杆500穿过第四通道，顶爪510伸出于连杆270用于顶托第一球壳420，为了稳固顶托第一球壳420，顶杆500上设有四个环形布置的顶爪510，同时为了便于顶爪510的装配，本实施例中连杆270上第四通道的上方开设有四个通孔，以便于顶爪510的伸出。在将顶杆500装配于连杆270上时，可先将没有连接顶爪510的顶杆500插入第四通道，再通过通孔从连杆270外部将顶爪510插装固定到顶杆500上，为保证顶爪510与顶杆500之间的固定连接可在顶爪510与顶杆500之间设置卡装结构或者在插装时涂抹胶水固定。当顶杆500在凸轮150的带动下上升时，顶爪510顶托第一球壳420，第一球头410与第一球壳420之间球铰接被锁定，球铰接失效，导向板340不能自由倾斜。

如图6所示，本实施例杠杆补偿机构600具体包括至少两根间隔分布的调节杆610、补偿板620。

补偿板620用于连接无人机的电机以及旋翼，以实施反向倾斜补偿。

调节杆610的底端活动连接于导向板340，调节杆610的顶端活动连接于补偿板620，调节杆610的结构并不唯一，本实施例中调节杆610由多根相邻之间垂直连接的杆件组成。为实现反向倾斜补偿的功能，调节杆610的底端与顶端分别位于第二球铰700的相对两侧，且调节杆610的底端与第二球铰700之间横向距离为调节杆610的顶端与第二球铰700之间横向距离的两倍，由杠杆平衡原理可知，当导向板340在实心球的带动下向无人机倾斜的方向倾斜一定角度A时，补偿板620以第二球铰700为支撑点向导向板340倾斜方向的反方向倾斜角度B，且补偿板620的倾斜角度B是导向板340倾斜角度A的二倍，补偿板620的反方向倾斜同时可带动电机以及旋翼反向倾斜角度B度，通过间接控制旋翼角度来实现无人机的自平衡，达到反向倾斜补偿的效果，以确保无人机的自平衡的实现。

为了提高反向倾斜补偿的效果，本实施例具体设置了四根呈等间距环形阵列分布的调节杆610，当无人机倾斜于任何方向时，本实施例提供的无人机用平衡调节机构都能够较好地进行反倾斜补偿。

针对上述活动连接的实现，本实施例具体在导向板340的顶部、补偿板620的底部以及调节杆610的两端均形成有用于活动连接的吊耳，为了便于安装，本实施例在调节杆610两端的吊耳上均开设有卡口，以便于通过卡口卡入导向板340以及补偿板620上的吊耳。

本实施例中支撑架260固定连接于连杆270，并在支撑架260与杠杆补偿机构600之间设有第二球铰700，具体的，第二球铰700设置在支撑架260与补偿板620之间，第二球铰700包括设于支撑架260上的第二球头710以及设于补偿板620上的第二球壳（图中未示出）。由于导向板340上十字形连接板的设置，为便于支撑架260与连杆270之间的固定连接，支撑架260包括上支撑板、下支撑板以及连接在上支撑板与下支撑板之间的四根支柱，如图1、图4以及图7所示，下支撑板位于第一球铰400下方并过盈插装于连杆270上，四根支柱均穿过十字形连接板，并在上支撑板上具体设有第二球头710，第二球头710以及第二球壳的设置可参考第一球铰400的设置来实现。

基于上述的无人机用平衡调节机构，本实施例在另一方面还提供了一种无人机，无人机包括电机、旋翼以及本实施例中所述的无人机用平衡调节机构。在无人机用平衡调节机构的顶部具体连接有无人机的电机、旋翼。

针对本实施例中无人机的自平衡的具体调节方法如下：当无人机受外部环境（例如大风）出现旋翼倾斜时，操作人员通过单动力源驱动传动齿轮160朝第一侧臂一侧转动，在传动齿轮160的带动下，传动轴130转动并带动凸轮150以及摆臂170转动，凸轮150的转动使得凸轮150的至高点不在抵接顶杆500，顶杆500在自身重力以及两个弹性件140的拉动下下降，从而顶杆500上的顶爪510下降且不在顶托第一球壳420，第一球铰400解锁并发挥作用，导向板340可相对第二传动机构200在空间内转动，摆臂170的转动使得第一牵引线110拉动下滑动轴承290下降，进而下滚动轴承220通过第五牵引线250带动实心球在环形滑槽内滑动，促使实心球在自身重力的作用滑动到环形滑槽内的最低点，导向板340在实心球的带动下向无人机的倾斜方向倾斜，补偿板620在调节杆610的带动下向无人机倾斜方向的反方向倾斜以补偿或修正无人机自身不平衡的状态。当调节完毕，无人机恢复平衡时，操作人员通过单动力源驱动传动齿轮160复位，传动轴130转动并带动凸轮150以及摆臂170复位，第二牵引线120拉动上滑动轴承280下降，从而带动第四牵引线240拉动空心球并使得导向板340复位，在导向板340板复位的同时凸轮150顶升顶杆500使顶爪510锁定第一球铰400，令第一球铰400的球铰接失效，第二传动机构200与导向板340之间成为刚性连接，而补偿板620在调节杆610的带动下即可实现复位。

应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。