一种大载重的多旋翼无人飞行器的制作方法

本发明涉及飞机机械结构设计领域，具体而言，涉及一种载重量可达20kg的六旋翼大载重无人飞行器。

背景技术：

无人机应用很广，目前已涉及多方面领域，包括影视航拍、地图测绘、地质勘测、气象探测、环境探测、农林植保等等。作为一个飞行平台，无人机不仅能实现航拍的娱乐用途，更重要的是能搭载不同设备完成特定工业任务。无人机跟行业结合的将越来越紧密，包括测绘、农业、电力等领域的有效结合，逐渐变成解决方案中的一个工具，发挥更大的价值。

工业应用中，我们需要飞行器载重量大，飞行时间长，以完成特定工作，如喷洒农药、地图绘制等。多旋翼无人机由于具有垂直起降，无需跑道，飞行平稳，定点悬停的特点，行业应用较广。但现有技术受制于电池的单位质量储能强度，长航时的飞行需要多携带电池，电池本身的重量大大限制了飞行器的载重能力，严重限制了多旋翼无人机的行业应用。

现有技术中，消费级无人机载重量较小，搭载航拍设备，载重量在2kg以内；工业级无人机，载重量一般在5-15kg之间。例如，农林植保类无人机，以MG-1农业植保机为例，其标准载重为10kg左右，标准载重下正常悬停时间仅有10min，现实应用性较差。作为重要的参数，载重量小、飞行时间短，上述缺陷限制了无人机的行业应用。

为解决上述问题，专利CN 203078754U提出了一种大载重多旋翼无人直升机。包括机身、4个或4个以上成组旋翼，其特征在于，所述旋翼均由电动机驱动，电动机的电源由位于地面的电源通过线缆传输。该技术方案有效的减轻了无人机携带电池的重量，可在无人机上放置更重的仪器设备。但此技术方案在实际应用上受到了限制，主要表现在两个方面：一是无人机的飞行半径受地面线缆的长度制约，飞行半径小，飞行高度低；二是对作业环境有较高要求，要求飞行范围内地面无障碍物。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的载重量小、飞行时间短的不足，本发明提出了一种大载重的多旋翼无人飞行器。

本发明包括机身盖板、起落架、两个电池箱、电池、多个机臂连接件、多个机臂连接杆、多个电机、多组螺旋桨和电机座锁紧环。其中，所述机身盖板为正六边形的盒式结构，所述多个机臂连接件固定该机身盖板内部，并分别位于机身盖板正多边形的各个角上。所述各机臂连接杆的一端与机臂连接件固连，另一端为悬臂端。所述各电机通过电机座锁紧环固定各机臂连接杆的悬臂端。各组螺旋桨分别安装在所述各电机的上表面。两个电池分别安放在位于机身上板上表面几何中心和机身下板下表面几何中心的各电池箱内框架结构的起落架通过起落架固定起落架连接件安装在所述机身下板下表面。所述的正多边形为正六边形或正八边形。

所述机身盖板包括相互平行的机身上板、机身下板，以及连接该机身上板和机身下板的边部挡板；在该机身盖板内几何中心处的机身上板下表面与机身下板上表面之间固定有中心支撑框。

所述机臂连接件为组合件，包括机臂接头、轴套和锁紧螺母。其中的机臂接头由两个相互平行的方形的支架板和一个套筒组成。在所述两个支架板对称的两个侧表面上分别有连接孔。所述各支架板的几何中心有用于固定所述套筒的通孔。所述套筒的外径与各支架板上通孔的内径相同；所述套筒的内径与轴套的外径相同。在所述套筒外端的外圆周表面为螺纹面，并且所述套筒外端的端面开有轴向的定位槽。

所述机臂连接杆为空心圆筒状碳管，一端伸入到机臂连接件内部，依靠锁紧螺母拧紧，另一端伸入到电机座锁紧环，依靠锁紧螺丝拧紧。

所述电机座锁紧环为圆筒状。该电机座锁紧环沿轴向切开，以方便机翼连接杆悬臂端快速插入该锁紧环；在该电机座锁紧环外圆周表面一端的轴向切缝两侧均有径向凸出的锁紧耳片，该耳片上有同心的连接孔；当机臂连接杆一端插入该电机座锁紧环后，通过螺栓将耳片固紧，从而将机臂连接杆和电机机构连接。电机座和电机座锁紧环为一体式结构。

所述机身盖板中的机身上板和机身下板结构尺寸均相同，为正多边形碳板。多边形的各个角进行倒角处理，倒角边长度与机臂接头长度相匹配。倒角边内侧均有机臂接头的连接孔。在所述机身上板的各边的边缘与机身下板各边的边缘分别有用于嵌装边部挡板的卡槽。在所述机身下板上分布有起落架安装孔。

所述边部挡板两个长边的侧表面对称的分布有凸出该侧表面的卡块；各长边的侧表面上有两个卡块，当该边部挡板与机身盖板中的机身上板和机身下板配合时，该卡块分别嵌装入位于机身上盖板和机身下盖板的卡槽内。

所述中心支撑框的外形与机身上板和机身下板的外形相同。在该中心支撑框各个侧面的底框上均有用于布置飞控线路的凹槽。所述中心支撑框的高度与所述边部挡板的高度相同。在该中心支撑框的各个角上分别有用于与机身上板和机身下板固定连接的螺孔。

机臂接头包括两个支架和一个套筒。所述两个支架的方形框的边框内对称的表面上分别有支撑台；所述套筒与轴套之间为过渡配合。在所述套筒一端端面开有轴向的定位槽。所述有定位槽一端套筒的外圆周表面为螺纹面。锁紧螺母穿过轴套，其内螺纹和套筒外螺纹匹配，将轴套与机臂接头固定连接。

所述螺旋桨用木质材料和包裹在木质材料表面的碳纤维制成，为一体式的中心对称结构，并且该螺旋桨的对称中心为桨毂；所述的桨毂为凹槽状，该凹槽的两侧为螺旋桨桨叶。该螺旋桨的展长为760mm，其中桨毂的长度115mm。所述螺旋桨的螺距为 240mm。所述桨毂的厚度为3mm。该桨毂的上表面与下表面均为平面。

所述螺旋桨桨叶的叶根的厚度为7mm，叶尖的厚度为2mm，并且叶根与叶尖之间的上表面为一次曲线线性减薄；所述桨叶的弦向自叶根至叶尖为二次曲线，其中叶根处的弦长为70mm，叶尖处的弦长为30mm。桨毂处的弦长为70mm，并且桨毂与叶根之间为二次曲线连接。所述桨毂的厚度为该桨毂弦长的8％；叶根的厚度为该叶根弦长的 10％；叶尖的厚度为该叶尖弦长的6％。

本发明从无人机行业应用的现实角度出发，能够有效解决传统无人飞行器载重量小，飞行时间短的问题。

具有以下的优点：

(1)载重量大，有效载荷单次可达到20kg及以上。

优化飞机结构，实现载重量大。与一般无人机机身结构相比，本发明有两处改进，一是新增了中心支撑框。中心支撑框的使用大大增加了机身的结构刚度，特别是当大重量载荷悬挂于机身盖板下板时，机身下板变形量大大减小，对于同样厚度的机身下板，中心支撑框的使用可使得悬挂载荷量由10kg增加到20kg，但中心支撑框对于整个系统增重几乎可以忽略不计。如若不使用中心支撑框，在负载同等载荷的情况下，为保证强度要求，机身盖板将增厚1倍，重量增加较多；二是机臂连接件的优化设计。机臂连接件与机身盖板之间螺纹连接，保证机身拥有足够的刚度，以利于悬挂更重的载荷，机臂连接件与机臂之间通过锁紧螺母连接，同样具有机臂拆装方便的效果。

(2)续航时间长。有效载荷为10kg时，续航时间35min，有效载荷为20kg时，续航时间能够达到20min，满足大多数现实需要。

在本设计中，桨叶采用的螺旋桨的优势体现在结构和材质两方面。结构上，螺旋桨桨根处的剖面最厚，随着向桨尖处位移而逐渐减薄；桨根处桨叶厚度约为弦长的14％。桨尖的弦长比较小，厚度约为弦长的10％。桨尖部分较薄，为了减小阻力。桨根部分的线速度小，工作效率低，这部分桨叶剖面主要应服从保持强度和刚度的需要。此外，桨叶整体呈扭曲的片状，桨毂上下弧处为平面，保证与电机座的接触强度；从材质上讲，螺旋桨采用复合材质，轻且强度高。内部为木质，保持螺旋桨的形状，外层表面为碳纤维材质，能够保持螺旋桨的强度。

(3)机身机臂的再次拆装快速方便：以本发明的六旋翼机为例，按照传统方式，需要拆卸机身上下板与机臂接头的所有螺栓，共计8X6＝48个，以每个螺丝拆卸10秒进行计算，共需8min。本发明仅需安装一次，再次安装拆卸时，只需松开锁紧螺母即可，且不需要任何工具，徒手即可完成，6个锁紧螺母按每个5秒钟计算，只需0.5min。有效节省了时间，且不需要任何工具即可完成。

(4)作业环境影响小。线缆输电对环境要求高，本发明使用传统机载电池方式，具有灵活方便，环境适应性广的特点。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是机身盖板、中心隔框和机臂连接件的配合示意图；

图3是机身盖板、机臂连接件和机臂连接杆的配合示意图；

图4是机臂连接杆、电机和螺旋桨的配合示意图；

图5是起落架、电池箱和边部挡板的配合示意图；

图6是机身盖板结构示意图；

图7是边部挡板结构示意图；

图8是中心支撑框结构示意图。

图9为机臂连接件结构示意图，其中，图9a是轴测图，图9b是轴套的结构示意图，图9c是锁紧螺母的结构示意图；

图10为机臂连接杆结构示意图；

图11为起落架结构示意图；

图12为起落架连接件结构示意图；

图13为电机座和电机座锁紧环结构示意图。

图14为沿着任意一对螺旋桨剖视示意图；

图15为沿着任意单个螺旋桨剖视示意图；

图16为机臂连接机构剖视图；

图17为螺旋桨结构示意图，其中图17a为正视图，图17b为俯视图。图中：

1.机身盖板；2.边部挡板；3.中心支撑框；4.机臂连接件；5.机臂连接杆；6.电机；7.螺旋桨；8.起落架；9.电池箱；10.电池；11.机臂接头；12.轴套；13.锁紧螺母；14.电机座锁紧环；15.电机座；16.卡槽；17.中心支撑框安装孔；18.起落架安装孔；19.起落架连接件；20.桨毂；21.叶根；22.叶尖。

具体实施方式

为克服多旋翼无人机载重小、续航时间短的缺点，以及目前线缆供电传输方式对飞行场地要求高，且飞行半径小的现状。本发明从无人机行业应用的现实角度出发，提出了一种多旋翼的大载重无人飞行器。

本发明包括机身盖板1、边部挡板2、中心支撑框3、起落架8、电池箱9、电池 10、多个机臂连接件4、多个机臂连接杆5、多个电机6和多组螺旋桨7。其中，所述机身盖板1为正六边形的盒式结构，由相互平行的机身上板、机身下板，以及连接该机身上板和机身下板的边部挡板2组成；所述中心支撑框位于该机身盖板1内的几何中心，固定在所述身上板的下表面与机身下板上表面之间。所述多个机臂连接件4固定所述机身盖板内部，并分别位于机身盖板正六边形的各个角上；在与各机臂连接件对应的所述边部挡板上分别开有机臂连接杆5的安装孔。所述各机臂连接杆5的一端伸入到机臂连接件4内部，并通过锁紧螺母固紧，另一端为悬臂端。所述各电机6通过电机座锁紧环14固定各机臂连接杆的悬臂端。

各组螺旋桨7分别安装在所述各电机的上表面。电池箱9有两个，分别固定在机身上板上表面的几何中心和机身下板下表面的几何中心。电池10置于所述电池箱内。框架结构的起落架8通过起落架固定起落架连接件安装在所述机身下板下表面。

所述机身盖板1中的机身上板和机身下板结构尺寸均相同，为正多边形碳板。正多边形的各个角进行倒角处理，倒角边长度与机臂接头长度相匹配。倒角边内侧均设置4个相同大小、正方形排列的螺纹孔，螺纹孔的位置和机臂接头一一对应。通过螺栓连接的方式将上下两层机身盖板和机臂连接件固定连接。在所述机身上板的多边形边的边缘与机身下板的多边形边的边缘分别有用于嵌装边部挡板2的卡槽16，该卡槽的数量和位置均与所述边部挡板上的卡块的数量和位置一致。在所述机身下板上分布有起落架安装孔18。所述的正多边形为正六边形或正八边形。在所述机身上板的内表面和下板的内表面分别有呈六角形分布或八角形分布的中心支撑框安装孔17。

本实施例中，机身上板和机身下板均为正六边形。

所述边部挡板为矩形板。在该边部挡板的两个长边的侧表面对称的分布有凸出该侧表面的卡块；各长边的侧表面上有两个卡块，当该边部挡板与机身盖板1中的机身上板和机身下板配合时，该卡块分别嵌装入位于机身上盖板和机身下盖板的卡槽内。

所述机臂连接件4为组合件，包括机臂接头11、轴套12和锁紧螺母13。所述机臂接头11整体为长方体式结构，由两个相互平行的支架板和一个套筒组成。所述支架板为方形，在两个支架板对称的两个侧表面上分别有连接孔，通过该连接孔将两个支架板的两个侧表面分别与机身上板和机身下板固定连接。所述各支架板的几何中心有用于固定所述套筒的通孔。所述套筒的外径与各支架板上通孔的内径相同；所述套筒的内径与轴套12的外径相同。在所述套筒外端的外圆周表面为螺纹面，并且所述套筒外端的端面开有轴向的定位槽。组装时，所述机臂接头11固定在机身上板和机身下板之间。轴套12装入机臂接头11的套筒内，机翼连接杆5装入所述轴套内并通过锁紧螺母13锁紧。机臂接头包括两个支架和一个套筒。所述两个支架的结构相同，均为方形的框结构。所述两个支架的方形框的边框内对称的表面上分别有一个支撑台；所述套筒与轴套之间为过渡配合。在所述套筒一端端面开有轴向的定位槽。所述有定位槽一端套筒的外圆周表面为螺纹面。锁紧螺母穿过轴套，其内螺纹和套筒外螺纹匹配，将轴套与机臂接头固定连接。

所述中心支撑框3为框架结构，并且该框架的外形与机身上板和机身下板的形状相同。本实施例中，所述中心支撑框为正六边形。

在该中心支撑框六个侧面的底框上均有用于布置飞控线路的凹槽。所述中心支撑框的高度与所述边部挡板的高度相同。在该中心支撑框正六边的六个角上分别有用于与机身上板和机身下板固定连接的螺孔。中心支撑框3为金属铝材质，重量轻，且结实耐用。

所述机臂连接杆5为空心圆筒状碳管，一端伸入到机臂连接件4内部，依靠锁紧螺母拧紧，另一端伸入到电机座锁紧环14，依靠锁紧螺丝拧紧。

所述电机座锁紧环14为圆筒状。该电机座锁紧环沿轴向切开，以方便机翼连接杆悬臂端快速插入该锁紧环；在该电机座锁紧环外圆周表面一端的轴向切缝两侧均有径向凸出的锁紧耳片，该耳片上有同心的连接孔；当机臂连接杆一端插入该电机座锁紧环后，通过螺栓将耳片固紧，从而将机臂连接杆和电机机构连接。电机座和电机座锁紧环为一体式结构，电机座为现有技术，椭圆形结构，与电机W110-25匹配。

如图17为螺旋桨的结构示意图。所述螺旋桨7为一体式的中心对称结构，并且该螺旋桨的对称中心为桨毂20。

所述螺旋桨对称中心的桨毂为凹槽状，该凹槽的两侧为桨叶。所述桨叶叶根21 的厚度为7mm，叶尖22的厚度为2mm，并且叶根与叶尖之间的上表面为一次曲线线性减薄。

该螺旋桨的展长为760mm，其中桨毂的长度115mm。所述螺旋桨的螺距为240mm。所述桨毂的厚度为3mm。

所述桨叶的弦向自叶根21至叶尖22为二次曲线，其中叶根处的弦长为70mm，叶尖处的弦长为30mm。桨毂20处的弦长为70mm，并且桨毂与叶根之间为二次曲线连接。

所述桨毂的厚度为该桨毂弦长的8％；叶根的厚度为该叶根弦长的10％；叶尖的厚度为该叶尖弦长的6％。

该桨毂的上表面与下表面均为平面；在桨毂上分布有连接螺孔。

所述螺旋桨为复合结构，其内部为木质，以保持螺旋桨的形状；外层表面为碳纤维，能够保持螺旋桨的强度。所述螺旋桨拉力可达16kg。

安装时，桨毂的下表面放置在与电机座上表面，并通过螺钉与电机座连接。本实施例中：

机身盖板为正六边形，在每一个正六边形角部内侧位置处设有机臂连接孔，通过螺栓连接的方式将上下两层机身盖板1和机臂连接件4固定连接。机臂连接杆5为空心圆筒状碳管，一端伸入到机臂连接件4内部，依靠锁紧螺母拧紧，另一端伸入到电机座锁紧环14，依靠锁紧螺丝拧紧。机臂连接件4整体为长方体结构，由机臂接头11、轴套12、锁紧螺母13组成，机臂接头11的支架板的几何中心有套筒，轴套12穿入套筒形成过渡配合。机臂连接杆5穿入轴套中形成过盈配合，锁紧螺母13的内螺纹与轴套12外螺纹配合，完成机臂连接件4和机臂连接杆5的固定。机臂连接杆5另一端伸入电机6内，依靠电机座锁紧环14将所述机臂连接杆5和电机6连接。电机6包含电机座锁紧环14、电机座15、电机6以及螺旋桨7，螺旋桨7安装在电机轴上。起落架8位于机身下板下部中心位置，依靠起落架连接件结构将起落架8和下部机身盖板固定连接。电池箱9设有两个，分别位于机身上板下表面中心和机身下板的上表面中心，为中空长方体结构，各电池箱内各装入4块电池10，供大载重无人机的飞行。

如图2所示，为机身盖板1、中心支撑框3、机臂连接件4的装配示意图。其中，机臂连接件4位于机身盖板1倒角位置内侧，四个螺纹为一组，将机臂连接件4固定连接在机身上下板之间；中心支撑框3位于机身盖板1正中心位置处，中心支撑框3 为正六边形形状，六边形的六个点位于机身盖板边线所在的中垂线上。依靠螺纹连接的方式，将中心支撑框3固定在机身上下板之间。边部挡板2卡在机身盖板边部留设的长方形卡槽内部，并固定在上下机身盖板1之间。所述中心支撑框3、机臂连接件4、边部挡板2高度一致。

图3为机身盖板1、机臂连接件4、机臂连接杆5的装配示意图。机臂连接件4 依靠螺纹连接的方式连接在机身上板与机身下板之间。机臂连接件由三部分组成：机臂接头11、轴套12、锁紧螺母13。装配时，轴套12伸入机臂接头11内部，过渡配合，依靠卡块径向在定位槽内部。机臂连接杆4一端伸入到轴套12内部，过盈配合；锁紧螺母13穿过套筒，其内螺纹与套筒外螺母配合，将机身盖板1和机臂连接杆4 相连接。

如图10所示，机臂连接杆4为中空圆筒状，一端伸入套筒，过盈配合；另一端伸入电机座锁紧环14内。

如图4所示，电机由电机座锁紧环14、电机座15、电机6、螺旋桨7组成。电机座锁紧环14和电机座15为一体式结构，电机锁紧环内径略大于机臂连接杆外径，锁紧环径向底部装设锁紧螺纹，依靠锁紧螺纹将机臂连接杆和电机连接。电机座15和电机6为现有技术，其中，电机座和电机配套，电机选用W110-25电机。电机的选型按照优化设计方案计算得出。螺旋桨7为复合结构，其内部为木质，外表面为碳纤维材质，保证了螺旋桨的强度。相比全木质的螺旋桨，本实施例采用的一体式螺旋桨具有重量轻、强度高的优点。

如图11所示，起落架8位于所述机身下板中心，整体为杆状结构，采用中空铝管焊接而成。该起落架底端在宽度方向上的两条铝管，沿着各自方向两侧伸出，共同组成无人机飞行器起落架。所述起落架通过起落架连接件安装在位于机身下板上的起落架安装孔18上。

图12为起落架连接件的结构示意图。所述起落架连接件中部为与起落架铝管配合的半圆形。半圆的两端为径向凸出的水平的安装板，该安装板上有安装孔。安装时，将起落架连接件的半圆形卡在起落架上部水平铝管外径上，将安装板通过螺栓固定在机身下板中心。

电池箱9有两个，均为箱体结构。各电池箱分别通过角铁固定在机身上板的上表面和机身下板的下表面。