一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置及其平衡方法
阅读说明：本技术 一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置及其平衡方法 (Unmanned aerial vehicle self-balancing device based on planetary gear speed change and balancing method thereof ) 是由 张华� 朱钱威 高鹏 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置及其平衡方法,涉及无人机技术领域。该方法是在无人机每个旋翼传动系统中增加行星轮变速装置,利用设于机架中心的铅锤触发装置对机架倾斜的响应,通过局部短路的形式使得低侧旋翼下方的分合闸电磁铁断电失去电磁吸力,弹簧回弹导致摩擦片压紧行星齿轮架,降低行星轮绕太阳轮的公转速度,从而提高在恒定输入下太阳轮的转速,并通过太阳轮带动动力轴提升无人机机身倾斜一侧的旋翼转速,增加升力,达到无人机自平衡的目的。本发明具有能够实时根据无人机的飞行姿态自适应调整机身相对较低一侧的升力以此达到无人机自平衡的效果。(The invention discloses an unmanned aerial vehicle self-balancing device based on planetary gear speed change and a balancing method thereof, and relates to the technical field of unmanned aerial vehicles. According to the method, a planetary gear speed change device is added in each rotor transmission system of the unmanned aerial vehicle, a plumb bob trigger device arranged in the center of a rack is used for responding to the inclination of the rack, the opening and closing electromagnet below a low-side rotor is powered off to lose electromagnetic suction force in a local short circuit mode, a friction plate is pressed on a planetary gear rack due to spring rebounding, the revolution speed of the planetary gear around a sun gear is reduced, the rotating speed of the sun gear under constant input is increased, the rotating speed of the rotor on the inclined side of the unmanned aerial vehicle body is increased by driving a power shaft through the sun gear, the lift force is increased, and the. The self-balancing unmanned aerial vehicle has the advantage that the lift force on the relatively lower side of the self-balancing unmanned aerial vehicle body can be adjusted in a self-adaptive manner in real time according to the flight attitude of the unmanned aerial vehicle, so that the self-balancing effect of the unmanned aerial vehicle is achieved.)
技术领域：
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种在无人机飞行过程中能够实时根据无人机的飞行姿态调整各个旋翼的转速达到无人机自平衡装置及其平衡方法。
背景技术：
无人机是指无人驾驶的飞机，它是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。它与有人驾驶飞机相比，无人机往往更适合那些太“愚钝，肮脏或危险”的任务。由于它具有体积小、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点，它也被广泛运用于军事和民用等方面。
由于无人机的飞行姿态完全取决于程序控制与人为操作，所以有时候受到外界干扰或者人为不当操作可能导致无人机的坠毁，造成了经济损失，并且如果在人员较为密集的城市里，坠毁过程还有可能撞到行人，造成严重的二次人员伤亡。
为了解决以上的问题，本法明提供了一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置及其平衡方法，主要依靠机械传动和普通电路控制达到无人机自平衡的目的，具有动态响应快、抗干扰能力强的特点，对于避免外界干扰，人为误操作，实现无人机自平衡具有明显的有益效果。
发明内容
：本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置及其平衡方法，本发明可以有效实现无人机的自平衡调节作用。
本发明所采用的技术方案有：一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置，每个旋翼传动系统中的行星轮变速装置都包括分合闸电磁铁，铅锤触发装置，摩擦片，行星齿轮架，太阳轮，行星轮，齿圈，壳体，动力轴，机架，输入轴，电机，电机座，下端盖，上端盖，弹簧以及旋翼。所述分合闸电磁铁有三个，沿圆周方向均匀分布于上端盖凸台面上的小孔内，在每个分合闸电磁铁底部都固定有摩擦片。摩擦片压紧行星齿轮架的上端面，在下端面的周向上均匀分布有三个轴，在每个轴上都套装有一个行星轮，行星轮与外部齿圈，内部太阳轮同时啮合构成行星轮系。输入轴一端连接电机，一端通过花键连接齿圈。太阳轮通过花键将动力传送到动力轴上，动力轴顶端螺接有旋翼，进而带动旋翼旋转。其余上端盖，壳体，下端盖以及电机座之间通过螺栓相互连接固定于无人机机架上。
进一步地，所述铅锤触发装置包括：罩壳，卡扣，球铰支座，球头，铅锤轴，导电块，触发块，铅锤以及接线端子。其中球铰支座固定于罩壳内侧上端面的中央位置处，在铅锤轴上顶端固定有球头与球铰支座铰接，铅锤轴中部固定有一块方形导电块，在铅锤轴底端固定有铅锤，在罩壳的内壁四周均匀分布有四个触发块，罩壳通过四个卡扣固定于无人机机架中心位置，并且壳体的四个直角分别指向无人机的四个旋翼。
进一步地，所述触发块为L型角铁块，四块触发块的直角分别对应于罩壳内部四个角，相邻的触发块存在5-8mm的间隙，且触发块安装高度略高于导电块10-13mm左右，同时在每块触发块上都引出一段接线端子用于接入控制电路。
进一步地，所述控制电路包括分合闸电磁铁和开关。所述分合闸电磁铁分别为无人机不同旋翼下方的一组分合闸电磁铁，开关的通断状态分别对应于导电块与四个不同触发块的接触断开状态，其中各个开关对应并联于各个分合闸电磁铁，同理开关分别对应并联于分合闸电磁铁。
进一步地，所述铅锤轴与罩壳都采用不导电的高分子材料聚乙烯制成。
在初始状态下开关处于断开状态，此时分合闸电磁铁处于得电状态，在分合闸电磁铁的电磁吸力下电磁铁上的弹簧收缩，摩擦片与行星齿轮架脱开，行星轮公转不受影响，此时太阳轮转速处于低档位，这是无人机不发生倾斜时候的初始状态。当开关接通时，分合闸电磁铁被局部短路导致失电，此时摩擦片在分合闸电磁铁的弹簧作用下压紧行星齿轮架，行星轮公转受到影响，此时太阳轮转速处于高档位。
安装壳体时保证其四个直角分别指向无人机的四个旋翼，这是为了让四个触发块的位置分别对应四个旋翼的方向，以此保证当机架向某处旋翼发生倾斜，铅锤就会在重力作用下向指定处的触发块靠近，从而可以实现开关分别对于不同旋翼下方分合闸电磁铁的精准控制，将较低位置处旋翼转速从低档位转化为高档位。
进一步地，所述行星齿轮架下端面均匀分布的三个轴都制有轴肩，轴肩与行星轮滚子轴承内圈接触，行星轮上下两端面都制有阶梯孔，行星轮滚子轴承外圈卡入行星轮上端阶梯孔内，行星轮滚子轴承内圈下端面压紧于行星轮上推力轴承上端面，行星轮上推力轴承安装在行星轮的上端阶梯孔底部；行星轮下端阶梯孔内安装有行星轮下推力轴承，中介推力轴承一端接触行星轮下推力轴承下端面，一端卡入齿圈内部的阶梯孔内。
中介推力轴承的上下端面转速不同，下端面卡入齿圈随齿圈转动，中介推力轴承上端面与行星轮下推力轴承接触，与行星轮的公转速度一致。
进一步地，所述动力轴中部的凸缘将动力轴分为上下两段，其中上段的长度大于下段长度，上段的凸缘处上方设有花键段，在动力轴上段顶端处设有螺纹端，太阳轮与花键段配合，动力轴上段的推力轴承下端面压紧花键段的上端面，推力轴承的上端面与滚子轴承的下端面接触，滚子轴承上端面卡入上端盖内孔处的阶梯孔内，同理动力轴下段的推力轴承一端压紧动力轴的凸缘下端面，另一端与滚子轴承的上端面接触，中介滚子轴承下端面卡入齿圈第二阶梯孔内，螺纹段通过螺纹螺接旋翼。
中介滚子轴承外圈卡入齿圈内，随与齿圈一起转动，中介滚子轴承内圈与动力轴接触，对应于动力轴的转速。
进一步地，所述齿圈包括：第一阶梯孔，第二阶梯孔，第一台阶面，第二台阶面；第一阶梯孔内卡有中介推力轴承，第二阶梯孔内卡有中介滚子轴承，在第一台阶面与壳体的大孔面之间卡有主滚珠轴承，在第二台阶面与壳体小孔面之间卡有副滚珠轴承。
本发明还提供了一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置的平衡方法，在无人机每个旋翼传动系统中增加行星轮变速装置，利用设于机架中心的铅锤触发装置对机架倾斜的响应，通过局部短路的形式使得低侧旋翼下方的分合闸电磁铁断电失去电磁吸力，弹簧回弹导致摩擦片压紧行星齿轮架，降低行星轮绕太阳轮的公转速度，从而提高在恒定输入下太阳轮的转速，并通过太阳轮带动动力轴提升无人机机架倾斜一侧的旋翼转速，增加升力，达到无人机自平衡的目的。
进一步地，所述弹簧在初始情况下处于被压缩状态，此时分合闸电磁铁得电，在电磁力作用下摩擦片克服弹簧力向上压缩弹簧与行星齿轮架脱开，旋翼处于低档位转速；当分合闸电磁铁被局部短路失去电磁力后，在弹簧自身的弹簧力作用下摩擦片压紧行星齿轮架，旋翼处于高档位转速。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明基于物理重力效应，主要应用机械传动与普通电路的控制方式实现无人机的自平衡目的，具有动态响应快，抗干扰能力强的有益效果。
2.本发明提供了一种行星轮旋翼竖直布置的方法，可以实现动力由齿圈输入，经由行星轮的变速作用后传递到太阳轮上由动力轴输出动力。
3.本发明结构简单，易于拆装维修。
附图说明：
图1为本发明的A-A旋转剖视图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明中铅锤触发装置结构图。
图4为本发明中无人机与铅锤触发装置的布置图。
图5为本发明中开关控制分合闸电磁铁电路图。
图6为本发明中行星轮结构的局部放大图。
图7为本发明中动力轴装配结构的爆炸图。
图8为本发明中壳体与齿圈之间装配结构图。
图9为本发明中行星轮的装配结构图。
图10为本发明中实施例1的工况图。
图11为本发明中实施例1中剖去一半罩壳的铅锤触发装置三维结构图。
图12为本发明中实施例1中铅锤触发装置的导电块与触发块的接触示意图。
图13为本发明中实施例2的工况图。
图14为本发明中实施例2中剖去一半罩壳的铅锤触发装置三维结构图。
图15为本发明中实施例2中铅锤触发装置的导电块与触发块的接触示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1并且参考图6，图7，图8以及图9来对一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置进行描述。
所述一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置包括:分合闸电磁铁1，铅锤触发装置2，摩擦片3，行星齿轮架4，太阳轮5，行星轮6，齿圈7，壳体8，动力轴9，机架10，输入轴11，电机12，电机座13，下端盖14，上端盖15，弹簧16以及旋翼17。所述分合闸电磁铁1有三个，沿圆周方向均匀分布于上端盖15凸台面上的小孔内，在每个分合闸电磁铁1底部都固定有摩擦片3。摩擦片3压紧行星齿轮架4的上端面，在下端面的周向上均匀分布有三个轴，在每个轴上都套装有一个行星轮6，行星轮6与外部齿圈7，内部太阳轮5同时啮合构成行星轮系。输入轴11一端连接电机12，一端通过花键连接齿圈7。太阳轮5通过花键将动力传送到动力轴9上，动力轴9顶端螺接有旋翼17，进而带动旋翼17旋转。其余上端盖15，壳体8，下端盖14以及电机座13之间通过螺栓相互连接固定于无人机机架10上。
所述行星齿轮架4下端面均匀分布的三个轴都制有轴肩，轴肩与行星轮滚子轴承41内圈接触，行星轮6上下两端面都制有阶梯孔，行星轮滚子轴承41外圈卡入行星轮6上端阶梯孔内，行星轮滚子轴承41内圈下端面压紧于行星轮上推力轴承42上端面，行星轮上推力轴承42安装在行星轮6的上端阶梯孔底部；行星轮6下端阶梯孔内安装有行星轮下推力轴承43，中介推力轴承44一端接触行星轮下推力轴承43下端面，一端卡入齿圈内部的阶梯孔内。
所述动力轴9中部的凸缘911将动力轴9分为上下两段，其中上段的长度大于下段长度，上段的凸缘处上方设有花键段912，在动力轴9上段顶端处设有螺纹端913，太阳轮5与花键段912配合，动力轴9上段的推力轴承91下端面压紧花键段912的上端面，推力轴承91的上端面与滚子轴承92的下端面接触，滚子轴承92上端面卡入上端盖15内孔处的阶梯孔内，同理动力轴9下段的推力轴承91一端压紧动力轴9的凸缘911下端面，另一端与滚子轴承92的上端面接触，中介滚子轴承93下端面卡入齿圈第二阶梯孔72内，螺纹段912通过螺纹螺接旋翼17。
所述齿圈7包括：第一阶梯孔71，第二阶梯孔72，第一台阶面73，第二台阶面74。第一阶梯孔71内卡有中介推力轴承44，第二阶梯孔72内卡有中介滚子轴承93，在第一台阶面73与壳体8的大孔面83之间卡有主滚珠轴承81，在第二台阶面74与壳体8小孔面84之间卡有副滚珠轴承82。
为便于实现对行星轮的支撑，使得中介推力轴承44下端面卡入齿圈7随齿圈转动，中介推力轴承44上端面与行星轮下推力轴承43接触，与行星轮6的公转速度一致，所以中介推力轴承44的上下端面转速不同，起到支撑行星轮6与行星齿轮架4的作用。
为便于实现对动力轴9的径向定位，使得中介滚子轴承93外圈卡入齿圈7内，随着齿圈7一起转动，中介滚子轴承93内圈与动力轴9接触，中介滚子轴承93的内外圈转速不同，起到对动力轴的径向定位作用。
下面结合图3并且参考图4，图5来对一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置的铅锤触发装置进行描述。
所述铅锤触发装置2包括：罩壳21，卡扣22，球铰支座23，球头24，铅锤轴25，导电块26，触发块27，铅锤28以及接线端子29。其中球铰支座23固定于罩壳21内侧上端面的中央位置处，在铅锤轴25上顶端固定有球头24与球铰支座23铰接，铅锤轴25中部固定有一块方形导电块26，在铅锤轴25底端固定有铅锤28，在罩壳21的内壁四周均匀分布有四个触发块27，罩壳21通过四个卡扣22固定于无人机机架10中心位置，并且罩壳21的四个直角分别指向无人机的四个旋翼。
所述触发块27为L型角铁块，四块触发块27的直角分别对应于罩壳21内部四个角，相邻的触发块27存在5-8mm的间隙，且触发块27安装高度略高于导电块10-13mm左右，同时在每块触发块27上都引出一段接线端子29用于接入控制电路18。
所述控制电路18包括分合闸电磁铁1a、1b、1c、1d,开关2a、2b、2c、2d，所述分合闸电磁铁1a、1b、1c、1d分别为无人机不同旋翼17下方的一组分合闸电磁铁1，开关2a、2b、2c、2d的通断状态分别对应于导电块26与四个不同触发块27的接触断开状态，其中开关2a对应并联于分合闸电磁铁1a，同理开关2b、2c、2d分别对应并联于分合闸电磁铁1b、1c、1d。
所述铅锤轴与罩壳都采用不导电的高分子材料聚乙烯制成。
为便于得到不同的输出转速，将太阳轮转速分为两档：低档位与高档位。在初始状态下开关处于断开状态，此时分合闸电磁铁1处于得电状态，在分合闸电磁铁1的电磁吸力下电磁铁上的弹簧收缩，摩擦片3与行星齿轮架4脱开，行星轮公转不受影响，此时太阳轮转速处于低档位，这是无人机不发生倾斜时候的初始状态。当发生倾斜时，对应较低位置处的开关接通，分合闸电磁铁1被局部短路导致失电，摩擦片3在分合闸电磁铁1的弹簧作用下压紧行星齿轮架4，行星轮公转受到影响，太阳轮5转速提高，此时太阳轮转速处于高档位。
为便于利用无人机的偏角控制较低侧旋翼转速，安装壳体21时保证其四个直角分别指向无人机的四个旋翼，这是为了让四个触发块27的位置分别对应四个旋翼17的方向，以此保证当机体向某处旋翼发生倾斜，铅锤28就会在重力作用下向指定处的触发块靠近，从而可以实现开关2a、2b、2c、2d分别对于不同旋翼下方分合闸电磁铁1a、1b、1c、1d的精准控制，将较低位置处旋翼17转速从低档位切换为高档位。
下面结合图1，2并参考其余各图，本发明实施例提供了一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置的平衡方法，包括以下步骤：在无人机每个旋翼传动系统中增加行星轮变速装置，利用设于机架10中心的铅锤触发装置2对机架倾斜的响应，通过局部短路的形式使得低侧旋翼17下方的分合闸电磁铁1断电失去电磁吸力，弹簧16回弹导致摩擦片压紧行星齿轮架，降低行星轮6绕太阳轮5的公转速度，从而提高在恒定输入下太阳轮的转速，并通过太阳轮5带动动力轴9提升无人机机架10倾斜一侧的旋翼转速，增加升力，达到无人机自平衡的目的。
所述弹簧16在初始情况下处于被压缩状态，此时分合闸电磁铁1得电，在电磁力作用下摩擦片克服弹簧力向上压缩弹簧16与行星齿轮架4脱开，旋翼17处于低档位转速；当分合闸电磁铁1被局部短路失去电磁力后，在弹簧16自身的弹簧力作用下摩擦片3压紧行星齿轮架4，旋翼17处于高档位转速。
以下实施例是利用上述实施例所述的装置对一种基于行星轮变速的无人机自平衡装置及其平衡方法的具体实施例。
实施例1
根据图10所示，当无人机向左发生较大倾斜时候(偏转角度大于15°)，说明此时无人机向左侧两个旋翼17的中间位置倾斜。由图11、12所示，铅锤触发装置2上的导电块26同时与两个触发块27接触。
此时控制较低位置处分合闸电磁铁1的两个开关闭合，局部短路较低位置处的两组分合闸电磁铁导致该组分合闸电磁铁失电，摩擦片3在失去分合闸电磁铁1的吸力作用后，通过弹簧16的回弹力压紧在行星齿轮架4的上端面，故而限制了行星轮6的公转速度，因此在恒定的电机12输入转速下太阳轮5的转速提高，相对应无人机较低位置一侧的两个旋翼17转速切换为高档位，加大升力，使得无人机逐渐恢复平衡状态。
同理可得当无人机向右，前，后的其余三个方向倾斜时，也能导致无人机倾斜侧的两个旋翼转速同时提高，加大升力，使得无人机逐渐恢复平衡状态。
实施例2
根据图13所示，当无人机向左前侧发生较大倾斜时(偏转角度大于20°)，说明此时无人机只是向某一侧的旋翼17处倾斜。由图14、15所示，铅锤触发装置2上的导电块26只与单个触发块27接触。
此时控制较低位置处分合闸电磁铁1单个开关闭合，局部短路较低位置处的单组分合闸电磁铁导致分改组合闸电磁铁失电，摩擦片3在失去分合闸电磁铁1的吸力作用后，通过弹簧16的回弹力压紧在行星齿轮架4的上端面，故而限制了行星轮6的公转速度，因此在恒定的电机12输入转速下太阳轮5的转速提高，相对应无人机较低位置一侧的两个旋翼17转速切换为高档位，加大升力，使得无人机逐渐恢复平衡状态。
同理可得当无人机向右前，左后，右后的其余三个方向倾斜时，也能导致无人机倾斜侧的单个旋翼转速提高，加大升力，使得无人机逐渐恢复平衡状态。
实施例3
其余中间的过渡状态都可以根据上述的两个实施例给出的具体情况，由导电块26与触发块27之间实时的接触关系来确定旋翼的转速改变情况，以此实现无人机的自平衡调节。