一种筒式运载的四旋翼无人飞行器
阅读说明：本技术 一种筒式运载的四旋翼无人飞行器 (Four rotor unmanned vehicles of cylinder delivery ) 是由 刘青 张紫龙 李盛 许凯通 李钟谷 周子鸣 黄晓龙 张达 于 2020-12-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种筒式运载的四旋翼无人飞行器。采用纵向结构布局方式,由上至下分为控制舱、四个动力臂、电源及载荷舱,折叠状态下,四个动力臂向下折叠收拢,紧靠尾部电源及载荷舱,使得无人飞行器呈“细长型”纵向分布,减小了筒式运载器的径向尺寸；同时,设计了一种折叠展开机构,以大扭簧驱动动力臂展开,以双连杆随动绷直拉紧动力臂实现限位,以小扭簧提供双连杆折叠反向扭矩实现锁紧,折叠展开机构的主要结构件采用U型薄壁中空结构,成本低且重量轻,能在不增加折叠机构结构强度的同时有效减小动力臂展开时的冲击变形,且折叠状态下可以相互嵌套,减小折叠机构占用尺寸空间,提升空间利用率,能满足筒式运载的要求。(The invention discloses a barrel type carrying four-rotor unmanned aerial vehicle. The unmanned aerial vehicle is longitudinally distributed in a long and thin type by adopting a longitudinal structural layout mode and is divided into a control cabin, four power arms, a power supply and a load cabin from top to bottom, and in a folded state, the four power arms are folded downwards and are close to a tail power supply and the load cabin, so that the unmanned aerial vehicle is longitudinally distributed in a long and thin type, and the radial size of a barrel type carrier is reduced; simultaneously, a folding deployment mechanism has been designed, expand with big torsional spring drive power arm, it is spacing to stretch out the power arm with the two-link follow-up is stretched straightly and is realized, realize locking with the folding reverse moment of torsion of little torsional spring provides two-link, folding deployment mechanism's major structure adopts U type thin wall hollow structure, with low costs and light in weight, can effectively reduce the impact deformation when the power arm expandes when not increasing folding mechanism structural strength, and can be nested each other under the fold condition, reduce folding mechanism occupation size space, promote space utilization, can satisfy the requirement of cylinder delivery.)
技术领域
本发明属于无人飞行器技术领域，具体涉及一种可以筒式运载的四旋翼无人飞行器。
背景技术
旋翼无人飞行器由于具有自由悬停的特点而被广泛运用，按领域可分为军用与民用两个方面。军用方面，旋翼无人飞行器根据搭载载荷不同可分为靶机、侦察机和察打一体机；民用方面，旋翼无人飞行器在航拍、测绘、农业、植保、快递运输、灾难救援、电力巡检、影视拍摄等等领域占据着越来越重要的地位，这些应用给市场带来了新的经济增长点，同时也逐渐改变了我们的生产和生活方式。
然而，旋翼无人飞行器飞行速度较慢，飞行距离较短，难以满足远程作业要求。对于军用方面的远程侦察、远程打击，民用方面的远程救援、远程灭火等有远程作业要求的应用场景，就需要无人飞行器折叠放置在筒式运载器中，由弹道导弹或者运输机等运载平台进行远程投送，运载平台抵近作业场所后，无人飞行器从筒式运载器中释放或者发射出来，浮空作业。
对于采用运载平台进行远程投送的应用场景，为了提升作业效率，降低投送成本，必须要求单次投送无人飞行器的数量尽量多，这就要求筒式运载的无人飞行器在满足负载要求的同时尺寸尽量小。市场上现有旋翼型无人飞行器由于采用横向的结构布局方式，加上折叠展开机构臃肿、折叠状态下占用空间大，使得无人飞行器折叠时径向尺寸过大，载荷尺寸空间小，空间利用率不高，难以满足筒式运载的要求。
发明内容
针对现有旋翼型无人飞行器横向的结构布局方式和臃肿的折叠展开机构难以满足筒式运载需求的问题，本专利提供一种筒式运载的四旋翼无人飞行器，该无人飞行器采用纵向结构布局方式，以及轻巧的折叠展开机构，既能降低飞行器折叠状态下的径向尺寸，同时缩小了折叠机构占用的空间，增大了载荷的尺寸空间，提升了空间利用率，满足了筒式运载的要求。
本发明所述的一种筒式运载的四旋翼无人飞行器，采用纵向结构布局，由上至下分为控制舱、四个动力臂、电源及载荷舱，头部控制舱内放置飞行控制器、电机电子调速器和数据链，中间四个动力臂上安装四套电机和折叠桨，尾部电源及载荷舱内放置电池、电源管理模块和载荷。在运载器内飞行器处于折叠状态，中间四个动力臂向下折叠收拢，紧靠尾部电源及载荷舱，使得无人飞行器呈“细长型”纵向分布，既减小了无人飞行器的径向尺寸，也即缩小了筒式运载器的径向尺寸；从运载器释放或发射后，飞行器中间四个动力臂在折叠展开机构作用下迅速展开并锁紧，折叠桨在电机旋转产生的离心力下甩开，飞行器稳定浮空作业。
折叠展开机构包括控制舱、动力臂、电源及载荷舱、大扭簧、小扭簧、动力臂转轴、上连杆转轴、上连杆、下连杆、双连杆转轴、下连杆转轴等。控制舱和电源及载荷舱通过螺栓固连后共同形成机体，动力臂和大扭簧均通过动力臂转轴设置在机体上，动力臂在大扭簧的驱动下可以绕机体上的动力臂转轴转动，实现折叠和展开。上连杆一端通过上连杆转轴与动力臂的端部铰接，另一端通过双连杆转轴与下连杆铰接。下连杆一端通过转轴与上连杆铰接，另一端通过下连杆转轴与电源及载荷舱的尾部铰接。小扭簧同轴安装在双连杆转轴上，提供一个上、下连杆折叠反向力矩。
本发明中所述的动力臂采用薄壁中空结构，上连杆、下连杆亦均采用U型薄壁结构。这种U型结构的连杆在折叠时，U型上、下连杆以及薄壁中空结构的动力臂可以相互嵌套，从而既缩小了折叠机构占用的尺寸空间，同时也增加了自身的机械强度和抗折弯的性能；展开时，动力臂在大扭簧的驱动下迅速展开，U型上连杆和U型下连杆也同步展开，当U型上连杆和U型下连杆绷直拉紧动力臂时，动力臂停止转动，实现限位。同时，U型上连杆的延伸段与U型下连杆的背部贴合，防止双连杆反向折叠。小扭簧提供一个U型上、下连杆折叠反向力矩，实现锁紧。
本发明中的折叠展开机构以大扭簧作为动力，动力臂、上连杆和下连杆、机体之间在动力臂展开后成三角形形态，以双连杆随动绷直拉紧作为限位，以小扭簧提供双连杆折叠反向力矩实现锁紧。大扭簧安装在机体及臂架根部，提供展开动力。双连杆分为上连杆和下连杆，下连杆一端铰支固定在飞行器尾部，另一端与上连杆铰支；上连杆一端铰支固定在动力臂端部，另一端与下连杆铰支，且沿连杆方向延伸一段距离，用以防止双连杆反向折叠。小扭簧安装在双连杆铰支部位，提供一个双连杆折叠反向力矩，防止双连杆意外折叠，实现辅助锁紧。
动力臂采用薄壁中空结构，双连杆均采用U型薄壁结构，一方面，以上结构均可以冲压成型，成本低且重量轻；另一方面，动力臂和双连杆可以利用中空结构在折叠状态下相互嵌套，缩小折叠机构占用的尺寸空间，为电源及载荷舱留出足够的可用空间。此外，双连杆一端拉动力臂端部，一端拉飞行器尾部，采用双连杆拉伸绷紧的方式限位，这种结构方式可以在不增加折叠机构结构强度的同时有效减小动力臂展开时的冲击变形，避免动力臂在冲击过载下塑性变形，也避免了折叠桨桨尖在动力臂冲击变形下与动力臂碰撞而损坏。
本发明专利所采用的技术方案为：一种筒式运载的四旋翼无人飞行器方案，包括控制舱、动力臂、电源及载荷舱以及折叠展开机构。
所述四旋翼无人飞行器方案包括控制舱、四个动力臂、电源及载荷舱，折叠状态下整体结构布局呈“细长型”纵向分布，以缩小筒式运载器径向尺寸。
所述控制舱包括飞行控制器、电机电子调速器和数据链，飞行控制器实现任务规划、航迹与姿态控制，电子调速器实现电机转速控制，数据链实现飞行器与飞行器之间、飞行器与地面站之间的通讯。
所述动力臂包括臂架、电机和折叠桨。
所述折叠展开机构包括机体、动力臂、大扭簧、小扭簧、上连杆、下连杆、转轴等，该机构主要实现动力臂的折叠、展开、限位和锁紧。
所述动力臂展开以大扭簧为动力源，在大扭簧的驱动下沿上连杆转轴转动实现展开。
所述动力臂限位通过双连杆绷直拉紧动力臂实现。所述下连杆一端铰支固定在飞行器尾部，另一端与上连杆铰支；上连杆一端铰支固定在动力臂端部，另一端与下连杆铰支，且沿连杆方向延伸一段距离。上、下连杆在动力臂转动的过程中同步展开，当双连杆伸展绷直时，上连杆延伸段与下连杆背面贴合，可防止双连杆在惯性作用下反向折叠，同时，双连杆拉紧动力臂使其停止转动，实现限位。
进一步，所述限位方式可以在不增加折叠机构结构强度的同时有效减小动力臂展开时的冲击变形，避免动力臂在冲击过载下塑性变形，也避免了折叠桨桨尖在动力臂冲击变形下与动力臂碰撞而损坏。
所述动力臂锁紧主要由小扭簧提供一个双连杆折叠反向力矩实现，小扭簧安装在双连杆铰支部位，通过反向力矩防止双连杆意外折叠，实现辅助锁紧。
所述动力臂折叠主要通过动力臂的薄壁中空结构、双连杆的U型薄壁结构相互嵌套实现，缩小折叠机构占用的尺寸空间，为电源及载荷舱留出足够的可用空间，提升空间利用率。
进一步，所述薄壁中空结构的动力臂和U型薄壁结构的双连杆均可以冲压成型，成本低且重量轻。
附图说明
图1为四旋翼无人飞行器展开状态示意图；
图2为四旋翼无人飞行器折叠状态示意图；
图3为飞行器折叠展开机构结构示意图；
图4为U型下连杆、U型上连杆及动力臂结构示意图。
图中，1为控制舱，2为动力臂，3为电源及载荷舱，4为大扭簧，5为动力臂转轴，6为上连杆转轴，7为上连杆，8为双连杆转轴，9为小扭簧，10为下连杆，11为下连杆转轴，12上连杆延伸段。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施方式如图1、2、3和4所示。为了适应筒式运载器的环境，无人飞行器结构布局采用“细长型”纵向分布方案，由上至下分为控制舱1、四个动力臂2、电源及载荷舱3(见图1中展开状态)。头部控制舱1内放置飞行控制器、电机电子调速器和数据链，中间四个动力臂2上安置四套电机和折叠桨，尾部电源及载荷舱3内安置电池、电源管理模块和载荷。在运载器内飞行器处于折叠状态(见图2中折叠状态)，中间四个动力臂2向下折叠收拢，紧靠尾部电源及载荷舱3，使得无人飞行器呈“细长型”纵向分布，减小了无人飞行器的径向尺寸，满足筒式运载器的需求。为了进一步增大了载荷的尺寸空间，提升了空间利用率。
本发明设计了一种轻巧的折叠展开机构(见图3)，该折叠展开机构包括控制舱1、动力臂2、电源及载荷舱3、大扭簧4、动力臂转轴5、小扭簧9、上连杆7、下连杆10、上连杆转轴6、双连杆转轴8、下连杆转轴11等。控制舱1和电源及载荷舱3通过螺栓固连，共同形成机体；动力臂2在大扭簧4的驱动下绕机体上的动力臂转轴5转动，实现折叠展开。上连杆7一端通过上连杆转轴6与动力臂2的端部铰接，另一端通过双连杆转轴8与下连杆10铰接。下连杆10的另一端通过下连杆转轴11与电源及载荷舱11的尾部铰接。小扭簧9同轴安置在双连杆转轴8上，提供一个上、下连杆折叠反向力矩。动力臂2采用薄壁中空结构(见图4)，上连杆7、下连杆10也均采用U型薄壁结构。折叠时，U型的上连杆7、U型的下连杆10及动力臂2相互嵌套，缩小了折叠机构占用的尺寸空间；展开时，动力臂2在大扭簧4的驱动下迅速展开，同时U型的上连杆7和U型的下连杆10也同步展开，当上连杆7和下连杆10绷直拉紧动力臂2时，动力臂2停止转动，实现限位。同时，U型上连杆延伸段12与U型下连杆10的背部贴合，防止U型上、下连杆反向折叠。小扭簧9提供一个上、下连杆折叠反向力矩，实现锁紧。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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