具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

针对现有技术的共轴无人机所存在的需要地面人员手动安装或打开折叠螺旋桨机构的技术问题，本申请提供一种可实现自动开桨和收桨的共轴折桨机构，其基本发明构思如下：

本申请提供的共轴折桨机构为共轴式上下多旋翼结构，每个转动单元均包括转动驱动装置、桨毂、桨夹和旋翼叶片，桨毂的转动中心与转动驱动装置的扭矩输出端固定连接，使得桨毂能够在转动驱动装置的驱动下绕转动中心旋转，则桨毂的外边缘构成其自由端，旋翼叶片通过桨夹铰接安装于桨毂的自由端。由于铰接结构，使得该旋翼叶片能够在转动驱动装置转动时，由于离心作用，高速旋转的桨毂会将旋翼叶片向远离转轴方向甩开，使得旋翼叶片尾端逐渐提升，将整个桨平面打开，并产生升力，以实现自动开桨的效果；在转动驱动装置停机时，旋翼叶片随之停转，受到重力作用，旋翼叶片会沿桨毂铰接处向下旋转、自然下垂，以实现自动收桨的效果。并且通过弹性件配合桨毂的多段杆段铰接结构，使得各转动单元中旋翼叶片与转动中心的间距从上至下依次减小，使得位于上方的旋翼叶片折桨后能够留出下方旋翼叶片折叠收纳的空间，以此保证两桨不互相干涉，能够自动、反复地开桨和收桨。

该共轴折桨机构可根据需要设置多个转动单元，由于螺旋桨在转动时会对机身产生一转动力矩，因此转动单元的数量以偶数为宜，当然转动单元的数量也可采用奇数，只要保证各个转动单元所产生的转动力矩相消即可。

为清楚理解本申请的内容，下面以双旋翼共轴无人机为例，对本申请的内容进行详细介绍：

实施例1：

参阅图1至图4，在本申请实施例中，一种共轴无人机1000，具体为双旋翼共轴无人机1000，也即共轴折桨机构100包括2组转动单元，为方便理解，将2组转动单元分别记为上转动单元110和下转动单元120，则转动单元中的各部件相应的也通过“上”、“下”进行区分。

具体来说，请参阅图1和图2，本实施例中共轴无人机1000包括主机200和共轴折桨机构100，共轴折桨机构100安装于主机200上，共轴折桨机构100可根据主机200的具体安装于主机200的顶部或底部，当然，也可根据需要将共轴折桨机构100的各个转动单元分别安装于主机200的不同位置，共轴折桨机构100在主机200上的分布结构本申请不做限制。作为优选，主机200采用圆柱形机身，机身各处的直径可不相同，但整体呈圆柱形。

主机200的机舱内部设置有飞行控制器(图中未示出)和供电装置(图中未示出)，飞行控制器、供电装置和转动驱动装置电连接。飞行控制器和供电装置是每个无人机中必不可少的元件，其中飞行控制器用于向无人机的各个执行元件(电机、舵机、摄像头、探照灯等等)发出控制指令，并获取各个传感器(例如GPS信号、压力传感器、温度传感器等)的反馈信号，实现无人机的飞行轨迹控制和飞行姿态控制，各个执行元件、各个传感器可选择安装于主机200的外壳220上或者主机200的机舱内；供电装置用于向无人机中各个用电元件供电，供电装置一般采用可充电的电池。本申请未对飞行控制器和供电装置的结构进行改进，具体内容可参阅现有技术的相关公开，此处不展开说明。

总而言之，参见图1，典型的主机200从上至下依次为：顶盖230、动力舱240、飞控舱250、电池仓260和工作机构270(例如三轴稳定云台271及其搭载的摄像头272)，共轴折桨机构100设置于动力舱240，飞行控制器设置于飞控舱250，供电装置设置于电池仓260，执行任务的工作机构270通常位于无人机的底端。本实施例中，此共轴无人机的外壳220总体呈圆柱形。其中动力及控制系统主要布置在圆柱形机身的上半部分，拍摄云台和电池主要布置在圆柱形机身的下半部分。

本实施例中，该共轴无人机1000还包括变距机构300，变距机构300安装于机身上，用于调整共轴折桨机构100的桨盘姿态。参阅图3至图4，变距机构300包括舵机310、连杆320和倾斜盘330，舵机310上设置有拨杆311，连杆320的两端分别与拨杆311和倾斜盘330铰接，倾斜盘330与转动单元铰接。倾斜盘330可仅与共轴折桨机构100的其中一个转动单元铰接，也可将倾斜盘330与共轴折桨机构100的各个转动单元均铰接。具体形式本申请不做限制。

本实施例中，变距机构300设置于共轴折桨机构100的下方，倾斜盘330与位于最下方的一个转动单元铰接，更为具体的，在倾斜盘330的边缘设置一个铰接杆340，铰接杆340的一端与倾斜盘330的边缘铰接、另一端与位于最下方转动单元的桨毂铰接。

本申请的共轴无人机1000中，在共轴折桨机构100做出了自动折桨设计，实现共轴双旋翼自动开桨、收桨安全可靠不打桨，下面详细介绍共轴折桨机构100的具体结构：

请参阅图1至图4，本实施例中共轴折桨机构100为共轴双桨结构，包括上转动单元110和下转动单元120两组转动单元，上转动单元110和下转动单元120共轴设置，且上转动单元110位于下转动单元120的上方。在某些实施例中，为了方便共轴折桨机构100的安装固定，主机200的内舱中心设置有旋翼主轴210，各转动单元从上至下依次串接于旋翼主轴210上，从而使得各转动单元与主机200均共轴设置。

参见图3和图4，共轴折桨机构100中各转动单元110/120均包括转动驱动装置111/121、桨毂112/122、桨夹和旋翼叶片114/124，桨毂112/122的转动中心与转动驱动装置111/121的扭矩输出端固定连接，使得桨毂112/122能够在转动驱动装置111/121的驱动下绕转动中心旋转，则桨毂112/122的外边缘构成其自由端，旋翼叶片114/124通过桨夹113/123铰接安装于桨毂112/122的自由端。旋翼叶片114/124与桨夹113/123通过一转轴铰接，形成绕Y轴旋转的摆阵铰；桨夹113/123通过另一转轴115/125与桨毂112/122铰接，形成绕X轴旋转的挥舞铰。桨夹113/123相当于给旋翼叶片114/124提供了上下左右摆动的空间，该摆动可以消除旋转产生的额外应力。

本实施例中转动驱动装置采用电机，提供高转速，为方便旋翼主轴210的安装，电机采用无刷电机，在飞行控制器上设置有电调ESC(电子调速器，简称电调)，通过电子调速器编程控制无刷电机。旋翼叶片可设置一片、两片或者多片，考虑到成本问题，本实施例中每个转动单元中均设置2片旋翼叶片。电机和桨毂均安装于主机200外壳220中，外壳220对电池和桨毂起到保护作用。

也即，本实施例中上转动单元110包括上电机111、上桨毂112、两个上桨夹113和两片上旋翼叶片114，上桨毂112呈长条状，其重心作为转动中心。上桨毂112的中心与上电机111的输出轴固定连接，上桨毂112的两端形成两个自由端，两片上旋翼叶片114通过两个上桨夹113分别铰接安装于两个自由端上。下转动单元120包括下电机121、下桨毂122、两个下桨夹123和两片下旋翼叶片124，下桨毂122呈长条状，其重心作为转动中心。下桨毂122的中心与下电机121的输出轴固定连接，下桨毂122的两端形成两个自由端，两片下旋翼叶片124通过两个下桨夹123分别铰接安装于两个自由端上。

进一步地，本实施例中，上电机111和下电机121均位于上桨毂112与下桨毂122之间，也即上电机111和下电机121相近设置，由此可以增加上桨毂112与下桨毂122之间的间距，进一步避免折桨时上旋翼叶片114与下旋翼叶片124干扰。通过该结构，使得整个共轴折桨机构100形成共轴折桨机构模块，模块化的结构能够提高该共轴折桨机构100的适用范围。

上转动单元110的上桨毂111的形状不限，可采用长条状结构或者片状结构，上桨毂111的中心具有空腔，供旋翼主轴210穿过。为了降低共轴折桨机构100的重量，桨毂采用碳纤维骨架，并镂空以减重、节省材料。

不同于上转动单元110，下转动单元120的下桨毂122包括至少两段依次铰接的杆段，其中一段杆段上设置有弹性件126，该弹性件126的一端与原理转动中心的杆段连接、另一端用于固定，可将弹性件126的另一端固定于旋翼主轴210或下电机121上。弹性件126可采用弹簧、弹片、橡皮筋等具有弹性的构件，具体结构本申请不做限制。

具体参见图3和图4，本实施例中，下桨毂122采用三段杆段铰接的结构，具体包括安装部1221和铰接安装于安装部1221两侧的悬臂1222，安装部1221和两个悬臂1222即为三段杆段，安装部1221的中部具有空腔，供旋翼主轴210穿过。两个悬臂1222上分别连接有一个弹性件126，两个悬臂1222的自由端构成下桨毂122的两个自由端。

基于下桨毂122的上述结构，将弹性件126设置为折桨状态下处于自然状态、开桨状态下处于拉伸状态。折桨时，上桨毂112保持不变，下桨毂122的安装部1221保持不变，两侧的悬臂1222受到弹性件126的牵引而向上翘起，使得上、下旋翼叶片114/124到旋翼主轴210的距离不同，上旋翼叶片114折桨后能够留出下旋翼叶片124折叠收纳的空间，以此保证下旋翼叶片124向下折叠时不会与上旋翼叶片114干涉，能够自动、反复地开桨和收桨。

实施例2：

基于同样的发明构思，本实施例提供一种应用于共轴无人机1000的螺旋桨开折控制方法，该方法可以适用于双旋翼共轴无人机或者多旋翼共轴无人机，下面以应用于实施例1的共轴无人机1000为例，对本实施例的螺旋桨开折控制方法进行详细介绍：

该螺旋桨开折控制方法包括开桨控制方法和折桨控制方法，开桨控制方法和折桨控制方法均通过共轴无人机1000的飞行控制器控制，自动进行，不需要地面人员的参与或辅助。

开桨控制方法包括：

飞行控制器控制转动驱动装置转动，转动驱动装置通过桨毂带动桨夹和旋翼叶片高速转动，由于离心作用，高速旋转的桨毂会将旋翼叶片向远离转轴方向甩开，使得旋翼叶片尾端逐渐提升，将整个桨平面打开，并产生升力。也即旋翼叶片在离心力作用下将整个桨平面打开，实现旋翼叶片开桨。

具体的，由于下转动单元120的下桨毂122为多段铰接杆结构，且下桨毂122上设置有弹性件126，下转动单元120在开桨时，下旋翼叶片124在离心力作用下克服弹性件126的弹力将整个桨平面打开。

由于实施例1的共轴无人机1000具有多个转动单元，为了进一步避免桨叶之间干涉，本实施例中，在开桨时飞行控制器控制2组以上转动单元110中的各转动驱动装置从上至下依次转动，转动驱动装置通过桨毂带动旋翼叶片转动，以使旋翼叶片在离心力作用下将整个桨平面打开，各旋翼叶片从上至下依次开桨。

以双旋翼共轴无人机1000为例，需要开桨时，共轴无人机1000开机启动，飞行控制器控制上电机111先通电旋转，待上旋翼叶片114打开后，飞行控制器控制下电机121通电旋转，下旋翼叶片124克服弹性件126的弹力而打开，双旋翼共轴无人机1000上下螺旋桨均打开后的结构图如图1和图3所示。

通过开桨顺序的设置，由此可避免当旋翼叶片尺寸过大(叶片尺寸大于上下桨毂122的间距)时，下旋翼叶片124早于上旋翼叶片114打开，导致上旋翼叶片114与下旋翼叶片124发生干涉的情况。

折桨控制方法包括：

飞行控制器控制转动驱动装置反向转动后断电，以使转动驱动装置制动停转，旋翼叶片随之停转，受到重力作用，旋翼叶片在重力作用下会沿桨毂的转轴向下旋转、自然下垂，实现旋翼叶片折桨。相比于传统无人机电机断电后仍会因为惯性继续旋转并逐渐减速，本申请通过电子调速器ESC编程控制无刷电机，当主控信号给出电机断电指令时，断电瞬间产生逆序旋转磁场使电机瞬间(0.1秒内，毫秒级)制动停转。电机制动后，桨夹和旋翼叶片停转，离心力消失，此时停转的桨夹和旋翼叶片受到重力作用，沿桨毂转轴向下旋转、自然下垂，以实现旋翼自动收桨的效果。

具体的，由于下转动单元120的下桨毂122为多段铰接杆结构，且下桨毂122上设置有弹性件126，下转动单元120在折桨时，下旋翼叶片124在重力作用下沿下桨毂122向下旋转、自然下垂，并且下桨毂122的悬臂1222在弹性件126的弹力作用下向上转动，使得铰接与悬臂1222自由端的下桨夹123与下旋翼叶片124整体向旋翼主轴210倾斜上移。

由于实施例1的共轴无人机1000具有多个转动单元，为了进一步避免桨叶之间干涉，本实施例中，在折桨时，飞行控制器控制2组以上转动单元110中的各转动驱动装置从下至上依次反向转动后断电，以使转动驱动装置制动停转，旋翼叶片在重力作用下沿桨毂向下旋转、自然下垂，旋翼叶片从下至上依次折桨。

以双旋翼共轴无人机1000为例，需要折桨时，飞行控制器控制下电机121先断电刹车，待下旋翼叶片124折叠并整体向旋翼主轴210倾斜上移后，飞行控制器控制上电机111断电刹车，上旋翼叶片114折叠，双旋翼共轴无人机1000上下螺旋桨均折叠后的结构图如图2和图4所示。

通过折桨顺序的设置，由此可避免当旋翼叶片尺寸过大(叶片尺寸大于上下桨毂122的间距)时，上旋翼叶片114早于下旋翼叶片124折叠，导致上旋翼叶片114与下旋翼叶片124发生干涉的情况。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。