重心恒定的多旋翼飞行器
阅读说明：本技术 重心恒定的多旋翼飞行器 (Multi-rotor aircraft with constant gravity center ) 是由 黄学禹 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种重心恒定的多旋翼飞行器,包括支架盘,支架盘上均匀设置有若干螺旋桨及飞行电机；载荷仓,设置在支架盘下方；连接件,连接支架盘和载荷仓,连接件和支架盘之间的连接为活动连接；多旋翼飞行器在前飞或者制动时,支架盘通过与连接件的活动连接进入倾斜状态,使支架盘的重心和载荷仓的重心保持在同一垂直线上。本实施例中连接件和支架盘之间的连接为活动连接,使支架盘倾斜时,不影响其重心位置,支架盘的重心和载荷仓的重心始终保持在同一垂直线上,不会产生翻转力矩,保证飞行的顺利进行,还能进行较快的加速和减速操作,而且还提高了飞行电机的能效,大大提高多旋翼飞行器的续航性。(The invention discloses a multi-rotor aircraft with a constant gravity center, which comprises a support plate, wherein a plurality of propellers and flight motors are uniformly arranged on the support plate; the load bin is arranged below the support plate; the connecting piece is connected with the support plate and the load bin, and the connecting piece is movably connected with the support plate; when the multi-rotor aircraft flies forwards or brakes, the bracket disc enters an inclined state through the movable connection with the connecting piece, so that the gravity center of the bracket disc and the gravity center of the loading bin are kept on the same vertical line. The connection between connecting piece and the support plate is swing joint in this embodiment, when making the support plate slope, does not influence its focus position, and the focus of support plate and the focus in load storehouse remain on same vertical line all the time, can not produce turning moment, guarantees going on smoothly of flight, can also carry out faster acceleration and deceleration operation, but also improved flying motor's efficiency, improved many rotor crafts's continuation of journey nature greatly.)
技术领域
本发明涉及飞行器领域，特别涉及一种重心恒定的多旋翼飞行器。
背景技术
多旋翼飞行器具有飞行平稳、容易操控等良好性能，目前已广泛应用于航拍、植保、巡检、搜救、物流等领域。
图1所示的四旋翼飞行器是最常使用的飞行器之一，其支架盘100上安装了四组飞行电机120及螺旋桨110，通过控制四组螺旋桨110的转速、转动方向之间的互相配合，实现飞行器的起飞、悬停、前飞、制动以及水平转弯等飞行动作。支架盘100的下方刚性安装有载荷仓200。载荷仓200搭载飞行器的控制装置。载荷仓200还可搭载各种用于执行任务的功能系统，例如搭载农药及喷洒装置用于植保施药，或搭载货物用于物流搬运。
四旋翼飞行器在起飞、悬停以及降落时，支架盘100为水平状态，四组螺旋桨110均产生垂直向上的拉力；四旋翼飞行器在前飞或者制动时，支架盘100为倾斜状态，从而产生水平方向上的分力，推动四旋翼飞行器前进或者减速制动。但是，现有的四旋翼飞行器的支架盘100的载荷仓200之间为刚性连接，四旋翼飞行器前飞或者制动时，支架盘100带动载荷仓200倾斜，如图2所示，使载荷重力G与支架盘重力G0不在同一直线上，由此产生一个翻转力矩。为平衡这个力矩,需要提高后方螺旋桨110拉力同时减少前方螺旋桨110拉力，当倾角增大到一定程度时，后方螺旋桨110将达到功率极限而无法提供足够拉力，导致系统失去平衡，这时飞行器会因失去姿态调整能力而坠毁。由于飞行器飞行时还受气流等因素影响，是动态载荷波动的，而动态载荷远比静态载荷大，一旦波动超出功率极限就会失去平衡；而飞行器的飞行电机120及螺旋桨110旋转是有惯性的，并不能马上响应动态载荷变化，如果系统工作在前后螺旋桨110极不平衡的状态，这种调节能力将更加低下，这时如果做稍微快一些的加速或减速动作就会使飞行器进入失衡状态，无法协调平衡而坠毁。此外，四旋翼飞行器的另一个问题是，飞行电机120及螺旋桨110在大功率运行时效率很低，并且功率越大，效率越低，因此，在进行前飞或者制动时，位于后方的螺旋桨110将很快进入低效的工作状态，消耗巨大能量却不能产生足够拉力。
通过对图1和图2所示的四旋翼飞行器例子的分析可以得知，载荷仓200在飞行中产生的翻转力矩是非常有害的。因此刚性安装载荷仓200的多旋翼飞行器只能维持较小倾角的飞行姿态，其拉力在水平方向的分力较小，只能进行较低速度的飞行。多旋翼飞行器的能量(电池电量/燃油)是有限的，并且大部分能量用于提拉自身重量保持高度，低的飞行速度将大大减少航程或作业面积等任务总量，其能效比低。此外飞行器必须小心地、缓慢地加速或减速，稍微快些的动作就会使飞行器进入失衡状态，容易坠毁。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种重心恒定的多旋翼飞行器，在前飞或制动时可以保持重心恒定，不会产生翻转力矩，保证飞行的顺利进行。
根据本发明的第一方面实施例的重心恒定的多旋翼飞行器，包括：支架盘，所述支架盘上均匀设置有若干螺旋桨，以及分别驱动所述螺旋桨转动的飞行电机；载荷仓，设置在所述支架盘下方；连接件，连接所述支架盘和所述载荷仓，所述连接件和所述支架盘之间的连接为活动连接；所述多旋翼飞行器在前飞或者制动时，所述支架盘通过与所述连接件的活动连接进入倾斜状态，使支架盘的重心和载荷仓的重心保持在同一垂直线上。
根据本发明第一方面实施例的重心恒定的多旋翼飞行器，至少具有如下有益效果：本实施例包括连接件，由于连接件和支架盘之间的连接为活动连接，使支架盘倾斜时，不影响其重心位置，支架盘的重心和载荷仓的重心始终保持在同一垂直线上，不会产生翻转力矩，保证飞行的顺利进行，还能进行较快的加速和减速操作，而且还提高了飞行电机的能效，大大提高多旋翼飞行器的续航性。
根据本发明第一方面所述的多旋翼飞行器，所述连接件设置有一个，所述连接件位于支架盘的重心和载荷仓的重心所在的垂直线上，通过上述设置，使多旋翼飞行器在悬停或者升降时，支架盘的重心和载荷仓的重心能一直保持在同一垂直线上。
根据本发明第一方面所述的多旋翼飞行器，所述支架盘和所述连接件通过铰链活动连接，铰链的结构简单可靠，支架盘的重心所在位置通过铰链可转动连接在连接件上，支架盘转动后进入倾斜状态，重心位置也不会发生变化，使支架盘的重心和载荷仓的重心保持在同一垂直线上。
根据本发明第一方面所述的多旋翼飞行器，所述支架盘上设置有耳轴，所述连接件顶部设置有与所述耳轴相配合的中轴。耳轴和中轴互相配合组成便于安装的铰链。
根据本发明第一方面所述的多旋翼飞行器，所述支架盘和所述连接件通过万向节活动连接。通过铰链连接只能进行两个方向(前飞和制动)的倾斜，对比铰链连接，通过万向节连接，可使支架盘朝向任意方向进行倾斜，无论是前进、制动还是水平拐弯，都可以通过支架盘的倾斜进行调节和控制。
根据本发明第一方面所述的多旋翼飞行器，所述连接件顶部设置有球状的第一连接件，所述支架盘上设置有与所述第一连接件相配合的第二连接件。进一步的，第二连接件优选为与第一连接件相配合的弧形凹槽，第一连接件和第二连接件一起组成万向节。
根据本发明第一方面所述的多旋翼飞行器，所述支架盘上设置有至少一个倾侧驱动装置。
根据本发明第一方面所述的多旋翼飞行器，所述连接件设置有多个，所述连接件围绕支架盘的重心和载荷仓的重心所在的垂直线均匀分布。
根据本发明第一方面所述的多旋翼飞行器，所述连接件为可控的伸缩组件。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有四旋翼飞行器的结构示意图；
图2是图1的四旋翼飞行器前飞\制动时所受重力的分析图；
图3是本发明提供的第一实施例的多旋翼飞行器结构示意图；
图4是图3的多旋翼飞行器前飞\制动时所受重力的分析图；
图5是本发明提供的第二实施例的多旋翼飞行器结构示意图；
图6是图5的多旋翼飞行器前飞时的结构示意图；
图7是图5的多旋翼飞行器制动时的结构示意图。
附图标号说明：
支架盘100，螺旋桨110，飞行电机120，载荷仓200，连接件300，铰链310，倾侧驱动装置400。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图3至图4，本发明提供的第一实施例，一种重心恒定的多旋翼飞行器，包括支架盘100和载荷仓200，支架盘100和载荷仓200之间通过连接件300连接。支架盘100上均匀设置有多组螺旋桨110和飞行电机120。载荷仓200设置在支架盘100下方，用于搭载飞行器的控制装置以及各种功能系统，此外载荷仓200还可以用于搭载货物。在本实施例中，连接件300设置有一个，连接件300位于支架盘100的重心和载荷仓200的重心所在的垂直线上。连接件300下部与载荷仓200的顶部固定连接，连接件300背离载荷仓200的上部，通过铰链310与支架盘100活动连接。铰链310包括固定设置在支架盘100上的耳轴，以及设置在连接件300顶部的中轴，中轴与耳轴相配合安装组成铰链310。支架盘100安装后，以铰链310为轴转动。
容易想到的是，当飞行器在前飞或者制动时，为了驱动支架盘100转动，还可以装设减速电机，减速电机优选装设在支架盘100上，减速电机的输出轴连接铰链310，并带动铰链310转动，从而驱动支架盘100转动进行倾斜。进一步的，为了检测支架盘100的倾角，在支架盘100上还设置有陀螺仪和倾角传感器，陀螺仪和倾角传感器连接飞行器的控制装置。在飞行器前进或者减速制动的过程时，通过飞行器的控制装置，控制减速电机进行正转或反转，可调整支架盘100转动的方向以及角度，并由陀螺仪和倾角传感器检测支架盘100转动的角度，进行反馈和调整。此外，在铰链310内可以设置限位结构，限制支架盘100的转动角度范围。
如图3所示，本实施例的重心恒定的多旋翼飞行器在起飞、悬停以及降落时，支架盘100为水平状态，四组螺旋桨110均产生垂直向上的拉力。如图4所示，当飞行器在前飞或者制动时，减速电机启动，支架盘100以铰链310为轴转动后进入倾斜状态，从而产生水平方向上的分力，推动飞行器前进或者减速制动；在飞行器前进或者减速制动的过程中，由于连接件300和支架盘100之间的活动连接，使支架盘100倾斜后，支架盘100的重心和载荷仓200的重心都没有发生改变，保持在同一垂直线上，不会产生翻转力矩，保证飞行的顺利进行，还能进行较快的加速和减速操作，而且还提高了飞行电机120的能效，大大提高多旋翼飞行器的续航性。
参照图5至图7，本发明提供的第二实施例，本实施例提供的多旋翼飞行器结构，与第一实施例的多旋翼飞行器结构基本相同。具体的，包括支架盘100和载荷仓200，支架盘100和载荷仓200之间通过连接件300连接。支架盘100上同样均匀设置有多组螺旋桨110和飞行电机120。载荷仓200设置在支架盘100下方。连接件300设置有一个，连接件300位于支架盘100的重心和载荷仓200的重心所在的垂直线上。连接件300下部与载荷仓200的顶部固定连接，连接件300背离载荷仓200的上部，通过铰链310与支架盘100活动连接。铰链310包括固定设置在支架盘100上的耳轴，以及设置在连接件300顶部的中轴，中轴与耳轴相配合安装组成铰链310。支架盘100安装后，以铰链310为轴转动。支架盘100上还设置有陀螺仪和倾角传感器。
本实施例与第一实施例的区别在于，为了驱动支架盘100转动，在支架盘100和载荷仓200之间设置有倾侧驱动装置400。倾侧驱动装置400可以是气缸或者油缸，并由电控阀门进行控制，电控阀门由飞行器的控制装置进行控制。倾侧驱动装置400的一端固定在载荷仓200顶部，倾侧驱动装置400的活塞杆连接支架盘100，并推动支架盘100进行转动倾侧。参照图5，具体的，倾侧驱动装置400的活塞杆连接支架盘100右侧的一端。
进一步的，为了提高倾侧驱动装置400的可控性，还可以在倾侧驱动装置400上设置有阻尼缓冲器。
如图5所示，本实施例的重心恒定的多旋翼飞行器在起飞、悬停以及降落时，倾侧驱动装置400的活塞杆位于中部位置，支架盘100为水平状态，四组螺旋桨110均产生垂直向上的拉力。如图6所示，当飞行器在前飞时，倾侧驱动装置400的活塞杆回缩，带动支架盘100以铰链310为轴顺时针转动，进入倾斜状态，从而产生水平方向上的分力，推动飞行器前进。如图7所示，当飞行器在制动时，倾侧驱动装置400的活塞杆往前伸出，带动支架盘100以铰链310为轴逆时针转动，进入倾斜状态，从而产生水平方向上的分力，使飞行器减速制动。在飞行器前进或者减速制动的过程中，由于连接件300和支架盘100之间的活动连接，使支架盘100倾斜后，支架盘100的重心和载荷仓200的重心都没有发生改变，保持在同一垂直线上，不会产生翻转力矩，保证飞行的顺利进行，还能进行较快的加速和减速操作，而且还提高了飞行电机120的能效，大大提高多旋翼飞行器的续航性。
本发明提供的第一实施例和第二实施例中，连接件300都采用了铰链310的形式与支架盘100活动连接。容易想到的是，在其他实施例中，连接件300还可以通过万向节与支架盘100活动连接，具体的，连接件300顶部设置有球状的第一连接件，支架盘100上设置有与第一连接件相配合的第二连接件，第二连接件优选为弧形凹槽，更好与球状的第一连接件相配合组成万向节。通过万向节的连接方式，可使支架盘100往更多方向进行转动，在转动过程中也不会导致重心的偏移，支架盘100的重心和载荷仓200的重心保持在同一垂直线上，使飞行器在前进、制动和转弯都不会产生翻转力矩，保证飞行的顺利进行。
本发明还提供了第三实施例，一种多连接件的重心恒定的多旋翼飞行器，包括支架盘和载荷仓，支架盘和载荷仓之间通过连接件连接。支架盘上均匀设置有多组螺旋桨和飞行电机。支架盘上还设置有陀螺仪和倾角传感器。载荷仓设置在支架盘下方。在本实施例中，设置有多个连接件，多个连接件围绕支架盘的重心和载荷仓的重心所在的垂直线均匀分布。进一步的，根据支架盘上的螺旋桨和飞行电机的组数和分布，优选设置2到4个连接件。连接件下部与载荷仓的顶部固定连接，连接件背离载荷仓的上部，与支架盘活动连接。在本实施例中，连接件均为可控的伸缩组件，由飞行器的控制装置进行控制。当多旋翼飞行器上设置2个连接件时，两个连接件前后分布；多旋翼飞行器在起飞、悬停以及降落时，两个连接件的长度一致，支架盘为水平状态；多旋翼飞行器在前飞时，位于前方的连接件缩短，同时位于后方的连接件伸长，使支架盘倾侧，产生水平方向上的分力，推动飞行器前进；多旋翼飞行器在制动时，位于前方的连接件伸长，同时位于后方的连接件缩短，使支架盘朝另一个方向倾侧，使飞行器减速制动。
本方案提供的重心恒定的多旋翼飞行器，通过连接件和支架盘之间的活动连接，使支架盘倾斜时，不影响其重心位置，支架盘的重心和载荷仓的重心始终保持在同一垂直线上，不会产生翻转力矩。对比现有的四旋翼飞行器，本方案所提供的重心恒定的多旋翼飞行器，能保证飞行的顺利进行，还能进行较快的加速和减速操作，而且还提高了飞行电机的能效，大大提高多旋翼飞行器的续航性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。