两栖多功能垂直起降飞行器的制造方法
【专利摘要】本发明主要提出了一种新型架构的垂直起降飞行器，其组成包括：螺旋桨、直流无刷电机、舵机、步进电机和支撑底座；所述直流无刷电机与螺旋桨连接，直流无刷电机为主要功率输出单元，通过带动螺旋桨转动，为飞行器提供动力；所述舵机通过舵机操纵臂与直流无刷电机和螺旋桨相连接，控制螺旋桨旋转面的水平偏角，实现飞行器的垂直爬升和前进飞行；所述步进电机设置在底座上，并与舵机操纵臂相连接；所述支撑底座为四脚支撑底座，支撑底座能够拆卸更换为滑轮底座或船型底座；该飞行器结构稳定可靠，空中、陆地、水面三种航行模式切换方便，未来可在民用载人飞行器、军用侦查飞行器、水面搜救飞行器等多种方向上有更多发展。
【专利说明】两栖多功能垂直起降飞行器
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于飞行器制造领域，具体涉及一种新型的飞机架构，在使用单一动力系统的情况下，便可同时满足空中飞行、陆地航行和水面航行等多种航行模式。
【背景技术】
[0003]垂直起降飞行器相对于固定翼飞行器来说，因起飞场地限制更小，小区域内的滞空能力更强，受到很多人的青睐。然而，不管是传统意义上的直升机还是现在流行的多旋翼，在不添加额外的动力装置的情况下，都缺少陆地、水面上的运动能力。在限制飞行或空间高度较低的特殊区域，飞行器只能依托人工搬运，在水面上空飞行遇突发状况需要紧急降落时，更是会存在坠入水中的危险。以上种种，严重限制了垂直起降飞行器的功能。若为实现陆地和水面航行能力额外添加动力装置，不仅会使得飞行器结构更加复杂、成本更高，而且也会增大飞行器自身的重量。
[0004]为解决上述问题，我们设计了一款采用单一动力系统、通过可更换的多功能底座便可实现在水、陆、空等多种情况下航行的多功能飞行器。
【发明内容】
[0005]本发明主要创新点是设计提出了一种新型架构的垂直起降飞行器，该款飞行器突破了常规垂直起降飞行器只能进行空中飞行的局限，具备了在不添加其它动力装置的情况下，能够在水面、陆上航行的能力，使得单旋翼垂直起降飞行器的用途大大扩展。
[0006]两栖多功能垂直起降飞行器的结构组成包括:螺旋桨、直流无刷电机、舵机、步进电机和支撑底座;所述直流无刷电机与螺旋桨连接，直流无刷电机为主要功率输出单元，通过带动螺旋桨转动，为飞行器提供动力;所述舵机通过舵机操纵臂与直流无刷电机和螺旋桨相连接，控制螺旋桨旋转面的水平偏角，实现飞行器的垂直爬升和前进飞行;所述步进电机设置在底座上，并通过与舵机操纵臂相连接从而控制螺旋桨;所述支撑底座为四脚支撑底座，支撑底座能够拆卸更换为滑轮底座或船型底座。
[0007]所述步进电机能够360°旋转，从而改变该飞行器的行进方向。
[0008]所述舵机设置在方形舵机支撑座上，方形舵机支撑座的左后、右前两个对角位置设置有辅助旋翼支架，两个辅助旋翼支架上对应设置有方向相反的辅助旋翼;所述辅助旋翼的安装位置与舵机操纵臂所在旋转面之间的距离大于辅助旋翼的半径。
[0009]所述的两栖多功能垂直起降飞行器，其多功能航行控制方法为:
(I)空中飞行模式:该模式下螺旋桨旋转面基本与地面平行或小角度倾斜，其主要动能输出为克服重力做功;在飞行过程中，当螺旋桨的旋转面与地面平行时，飞行器可实现空中悬停和垂直方向的升降；当舵机控制螺旋桨旋转面小幅度倾斜时，可为飞行器提供前飞的动力，此时，步进电机旋转可实现飞行方向的控制； (2)陆地航行模式:陆地航行模式可实现飞行器在地面上的行进，该模式装配有滑轮底座;在舵机控制下，螺旋桨旋转面基本与地面垂直，此时直流无刷电机带动螺旋桨旋转，产生方向向前的拉力，带动飞行器前进;该模式下步进电机控制螺旋桨的左右偏转角度，可实现飞行器在陆地上的转向；为使转向平稳，滑轮底座采用四个万向轮作为支撑，保证飞行器在地面上的多方向前进；
(3)水面航行模式:水面航行模式可实现飞行器在水面上的行进，该模式装配带有船型底座;水面航行模式与陆地航行模式基本相同，该模式下，螺旋桨的旋转面在舵机控制下基本与水面垂直，通过直流无刷电机带动产生前向拉力，带动飞行器前进;此时步进电机同样是控制飞行器的前进方向，不同的是，此种模式下，步进电机带动飞行器变向过程中，应适当降低螺旋桨的转速，待船体底座在水流的作用下完成身子修正后，重新加速;这样做的目的是防止船体底座的侧面受到的水流阻力不均匀造成侧翻，确保飞行器在水面上的平稳行进。
[0010]因为舵机的存在，螺旋桨可实现大角度的调节。当舵机带动螺旋桨的旋转面做出90°旋转时，螺旋桨的动力输出主要作用在水平方向上，此时飞行器辅助以滑轮或船型底座，便可具有在地面或水面上的航行能力。两种航行模式的效果图如图7、图8所示。
[0011]考虑到实际飞行过程中，螺旋桨在为机身提供升力的同时，也会产生反扭力带动机身旋转，影响飞行效果，在此，我们提出两套解决方案。
[0012]方案一:当螺旋桨的旋转面与地面平行时，及飞行器只做垂直方向的运动时，反扭力对机身的影响最为明显;此种情况下，可通过步进电机的反向旋转克服反扭力对机身的影响，其代价为损耗部分效率；当在步进电机的作用下，螺旋桨的旋转面与地面产生一定的倾角，及飞行器向前飞行时，如图5所示，飞行器自身的重力可有效克服反扭力对飞行器的影响，此时步进电机的转动主要用于控制飞行方向。此种方案能降低飞行器成本，可用于简单飞行。
[0013]方案二:添加辅助旋翼。在飞行器的左后、右前两个对角位置设置方向相反的两个辅助旋翼，图6所示，在两个辅助旋翼的共同作用下，会产生与主螺旋桨反扭力方向相反的扭力，两者相互抵消，保证飞行器的平稳飞行。为防止辅助旋翼与舵机的操纵臂擦碰，在设计辅助旋翼支架，应确保辅助旋翼的安装位置与操纵臂所在旋转面之间的距离大于辅助旋翼的半径。
[0014]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:
(1)实现了垂直起降飞行器两栖航行能力；
(2)单个主旋翼作为主要动能输出，简化了结构；
(3)舵机控制动力输出方向，步进电机控制行进方向，保证了飞行器的灵活性、稳定性和机动性；
(4)可方便拆卸替换的多功能辅助底座可满足不同飞行的需要。
【附图说明】
[0015]图1是典型结构主视图；
图2是典型结构正视图；
图3是典型结构左视图； 图4是典型结构俯视图；
图5是飞行器前进飞行示意图；
图6是扩展结构示意图；
图7是陆地航行模式示意图；
图8是水面航行模式示意图；
1、螺旋桨，2、直流无刷电机，3、舵机，4、步进电机，5、辅助旋翼，6、舵机操纵臂，7、辅助旋翼支架，8、支撑底座，9、滑轮底座，10、船型底座、11、方形舵机支撑座。
【具体实施方式】
[0016]两栖多功能垂直起降飞行器的结构组成包括:螺旋桨1、直流无刷电机2、舵机3、步进电机4和支撑底座8;所述直流无刷电机2与螺旋桨I连接，直流无刷电机2为主要功率输出单元，通过带动螺旋桨I转动，为飞行器提供动力;所述舵机3通过舵机操纵臂6与直流无刷电机2和螺旋桨I相连接，控制螺旋桨I旋转面的水平偏角，实现飞行器的垂直爬升和前进飞行;所述步进电机4设置在支撑底座8上，并通过与舵机操纵臂相连接从而控制螺旋桨I;所述支撑底座8为四脚支撑底座，支撑底座8能够拆卸更换为滑轮底座9或船型底座10。
[0017]所述步进电机4能够360°旋转，从而改变该飞行器的行进方向。
[0018]所述舵机3设置在方形舵机支撑座11上，方形舵机支撑座11的左后、右前两个对角位置设置有辅助旋翼支架7，两个辅助旋翼支架7上对应设置有方向相反的辅助旋翼5;所述辅助旋翼5的安装位置与舵机操纵臂6所在旋转面之间的距离大于辅助旋翼5的半径。
[0019]因为舵机3的存在，螺旋桨I可实现大角度的调节。当舵机3带动螺旋桨I的旋转面做出90°旋转时，螺旋桨I的动力输出主要作用在水平方向上，此时飞行器辅助以滑轮底座9或船型底座10，便可具有在地面或水面上的航行能力。两种航行模式的效果图如图7、图8所不O
[0020]所述的两栖多功能垂直起降飞行器，其多功能航行控制方法为:
(1)空中飞行模式:该模式下螺旋桨I旋转面基本与地面平行或小角度倾斜，其主要动能输出为克服重力做功;在飞行过程中，当螺旋桨I的旋转面与地面平行时，飞行器可实现空中悬停和垂直方向的升降；当舵机3控制螺旋桨I旋转面小幅度倾斜时，可为飞行器提供前飞的动力，此时，步进电机4旋转可实现飞行方向的控制；
(2)陆地航行模式:陆地航行模式可实现飞行器在地面上的行进，该模式装配有滑轮底座9;在舵机3控制下，螺旋桨I旋转面基本与地面垂直，此时直流无刷电机2带动螺旋桨I旋转，产生方向向前的拉力，带动飞行器前进;该模式下步进电机4控制螺旋桨I的左右偏转角度，可实现飞行器在陆地上的转向；为使转向平稳，滑轮底座9采用四个万向轮作为支撑，保证飞行器在地面上的多方向前进；
(3)水面航行模式:水面航行模式可实现飞行器在水面上的行进，该模式装配带有船型底座10;水面航行模式与陆地航行模式基本相同，该模式下，螺旋桨I的旋转面在舵机3控制下基本与水面垂直，通过直流无刷电机2带动产生前向拉力，带动飞行器前进。此时步进电机4同样是控制飞行器的前进方向，不同的是，此种模式下，步进电机4带动飞行器变向过程中，应适当降低螺旋桨I的转速，待船体底座10在水流的作用下完成身子修正后，重新加速。这样做的目的是防止船体底座10的侧面受到的水流阻力不均匀造成侧翻，确保飞行器在水面上的平稳行进。
[0021]考虑到实际飞行过程中，螺旋桨I在为机身提供升力的同时，也会产生反扭力带动机身旋转，影响飞行效果，在此，我们提出两套解决方案。
[0022]方案一:当螺旋桨I的旋转面与地面平行时，及飞行器只做垂直方向的运动时，反扭力对机身的影响最为明显。此种情况下，可通过步进电机4的反向旋转克服反扭力对机身的影响，其代价为损耗部分效率。当在步进电机4的作用下，螺旋桨I的旋转面与地面产生一定的倾角，及飞行器向前飞行时(如图5所示)，飞行器自身的重力可有效克服反扭力对飞行器的影响，此时步进电机4的转动主要用于控制飞行方向。此种方案能降低飞行器成本，可用于简单飞行。
[0023]方案二:添加辅助旋翼5。在飞行器的左后、右前两个对角位置设置方向相反的两个辅助旋翼5，图6所示，在两个辅助旋翼5的共同作用下，会产生与主螺旋桨I反扭力方向相反的扭力，两者相互抵消，保证飞行器的平稳飞行。为防止辅助旋翼5与舵机3的操纵臂擦碰，在设计辅助旋翼支架7时，应确保辅助旋翼5的安装位置与舵机操纵臂6所在旋转面之间的距离大于辅助旋翼5的半径。
【主权项】
1.两栖多功能垂直起降飞行器，其特征在于，其结构组成包括:螺旋桨、直流无刷电机、舵机、步进电机和支撑底座;所述直流无刷电机与螺旋桨连接，直流无刷电机为主要功率输出单元，通过带动螺旋桨转动，为飞行器提供动力;所述舵机通过舵机操纵臂与直流无刷电机和螺旋桨相连接，控制螺旋桨旋转面的水平偏角，实现飞行器的垂直爬升和前进飞行;所述步进电机设置在支撑底座上，并与舵机操纵臂相连接;所述支撑底座为四脚支撑底座，支撑底座能够拆卸更换为滑轮底座或船型底座。2.根据权利要求1所述的两栖多功能垂直起降飞行器，其特征在于，所述步进电机能够360°旋转，从而改变该飞行器的行进方向。3.根据权利要求1所述的两栖多功能垂直起降飞行器，其特征在于，所述舵机设置在方形舵机支撑座上，方形舵机支撑座的左后、右前两个对角位置设置有辅助旋翼支架，两个辅助旋翼支架上对应设置有方向相反的辅助旋翼。4.根据权利要求4所述的两栖多功能垂直起降飞行器，其特征在于，所述辅助旋翼的安装位置与舵机操纵臂所在旋转面之间的距离大于辅助旋翼的半径。5.根据权利要求1所述的两栖多功能垂直起降飞行器，其特征在于，其多功能航行控制方法为: (1)空中飞行模式:该模式下螺旋桨旋转面基本与地面平行或小角度倾斜，其主要动能输出为克服重力做功;在飞行过程中，当螺旋桨的旋转面与地面平行时，飞行器可实现空中悬停和垂直方向的升降；当舵机控制螺旋桨旋转面小幅度倾斜时，可为飞行器提供前飞的动力，此时，步进电机旋转可实现飞行方向的控制； (2)陆地航行模式:陆地航行模式可实现飞行器在地面上的行进，该模式装配有滑轮底座;在舵机控制下，螺旋桨旋转面基本与地面垂直，此时直流无刷电机带动螺旋桨旋转，产生方向向前的拉力，带动飞行器前进;该模式下步进电机控制螺旋桨的左右偏转角度，可实现飞行器在陆地上的转向；为使转向平稳，滑轮底座采用四个万向轮作为支撑，保证飞行器在地面上的多方向前进； (3)水面航行模式:水面航行模式可实现飞行器在水面上的行进，该模式装配带有船型底座;水面航行模式与陆地航行模式基本相同，该模式下，螺旋桨的旋转面在舵机控制下基本与水面垂直，通过直流无刷电机带动产生前向拉力，带动飞行器前进;此时步进电机控制飞行器的前进方向，步进电机带动飞行器变向过程中，适当降低螺旋桨的转速，待船体底座在水流的作用下完成身子修正后，重新加速，确保飞行器在水面上的平稳行进。
【文档编号】B64C27/52GK106004287SQ201610482793
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】孟光磊, 潘海兵, 梁宵, 田丰, 薛继佳, 朱琳琳, 喻勇涛
【申请人】沈阳航空航天大学