具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于无人机的变距装置及无人机，以解决螺旋桨桨距变距的驱动方式和控制逻辑复杂，且变距的稳定性较差的问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，如若涉及术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“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位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，如若涉及术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-图12所示，本发明实施例提供的一种用于无人机的变距装置，包括驱动器1、固定环2、旋转环3和变距拉杆4；驱动器1包括并排布置的第一舵机1a和第二舵机1b；固定环2套设在螺旋桨转轴5上且与螺旋桨转轴5球铰连接；固定环2上设置有沿固定环2的周向边沿均匀分布的第一连接支座2a、第二连接支座2b和第三连接支座2c；第一连接支座2a通过第一拉杆61与第一舵机1a的摇臂连接，且第一拉杆61的一端与第一舵机1a的摇臂铰接，第一拉杆61的另一端与第一连接支座2a球铰连接；第二连接支座2b通过第二拉杆62与第二舵机1b的摇臂连接，且第二拉杆62的一端与第二舵机1b的摇臂铰接，第二拉杆62的另一端与第二连接支座2b球铰连接；第三连接支座2c上固定设置有滑块2d，无人机的机架上设置有竖直布置的滑槽70，滑块2d与滑槽70滑动配合，且滑块能够在滑槽内转动；旋转环3以定轴转动的方式套设在固定环2上；变距拉杆4的数量为2个，且对称分布于旋转环3的外侧，变距拉杆30的一端与旋转环3的外沿铰接，变距拉杆4的另一端与螺旋桨8的桨毂80铰接，且两个变距拉杆4分别位于桨毂80的两侧。

该变距装置在实际应用过程中，通过第一舵机驱动第一拉杆和第二舵机驱动第二拉杆，由于固定环与螺旋桨转轴球铰，因此在第一拉杆和第二拉杆的驱动下，固定环会绕垂直于螺旋桨转轴的方向翻转倾斜，同时在滑块与机架上滑槽的滑动配合下，且滑块能够在滑槽内转动，因此，固定环在螺旋桨转轴的周向方向限转，由于旋转环以定轴转动的方式套设在固定环上，因此，螺旋桨转动时旋转环会在固定环的倾斜角度和倾斜方向下定轴转动，从而连接于旋转环与螺旋桨的桨毂之间的变距拉杆会随着螺旋桨的周期性转动而周期性的上下浮动，继而螺旋桨的桨叶会产生周期性的变距，从而实现无人机的空中动作的灵活控制，该变距装置仅需控制两个舵机的摇臂转动即可调节固定环的倾斜角度和倾斜方向，继而实现周期性变距，驱动方式和控制逻辑得到大幅的简化，同时周期性变距能够降低环境风向的影响，大大提升变距的稳定性。

这里需要说明的是，本领域技术人员都应该能够理解的是，螺旋桨的横向轴线是指桨毂两端对应安装桨叶的安装位的连线所在的直线。

进一步的实施方案中，上述滑块具体可以采用球头滑块的结构形式，通过设计成球头滑块的结构形式，能够使得滑块相对滑槽的各个方向的转动都十分顺畅，能够更有效地避免了因为第一拉杆和第二拉杆的伸长量误差导致的卡死问题。当然可以理解的是，上述采用球头滑块的方式仅仅是本发明实施例的优选举例而已，实际应用过程中，还可以采用其他可转动的滑块结构，在此不做更具体的限定。

为了本领域技术人员更好的理解本发明技术方案，下面结合具体的周期性变距过程进行简要说明：

参照图4和图5所示，当无人机要向方位角φ进行倾斜时，飞控系统控制舵机进行作动，使得固定环及旋转环运行至方位角φ提前90°时达到最高点，通过方位角φ之后90°达到最低点；从而使得螺旋桨桨叶在方位角φ的位置时桨距角最大、升力最大，在方位角φ位置之后180°时桨距角最小、升力最小，实现无人机向方位角φ倾斜。

当无人机准备进行改变飞行姿态时，飞控系统结算固定环2所需到达的目标倾斜角和姿态角，并计算固定环2此时所处的平面方程ax+by+cz＝0(取固定环与螺旋桨转轴的铰接球心为坐标原点)，a、b、c为相应系数，目标姿态角及倾斜角确定后即可确定。并与方程x²+y²＝R²联立，即可得此时两舵机(第一舵机/第二舵机)第一/第二连杆与固定环2各自的连接点P1、P2所在的z坐标，上式中R为固定环2的半径。

当计算出各个舵机所需提供的线位移后，需要对各个舵机的转动行程进行计算。每个舵机各自转角与该侧固定环竖直方向位移的关系满足下述关系。

图6和图7中β为第一/第二舵机的摇臂转角，l₁以及l₂分别为摇臂及第一/第二拉杆的长度，MN所在直线为第一/第二舵机的摇臂初始位置，即固定环2处于水平位置时，舵机的摇臂所处位置。P为拉杆与固定环2两者的连接点，C为固定环与螺旋桨转轴的铰接球心，平面MOP为过C点的铅锤平面，R为摇臂及拉杆连接点，Q为R向平面MOP的投影。

舵机转动过程中，QM＝l₁×sinβ，QR＝l₁×cosβ＝l₂×sin∠RPQ，进而可知∠RPQ＝arcsin(l₁cosβ/l₂)、∠PRQ＝arccos(l₁cosβ/l₂)、PC距离已知。D为C点在安装基座面的投影点。由此，直线QP长度、直线CP长度、直线MD长度均为已知，则有如下方程：

QM+QP×sin∠QPO-CP×cos∠CPO＝CD

QP×cos∠QPO+CP×sin∠CPO＝MD

上式中QM、QP、CP、CD、MD均为已知长度，通过求解方程得出∠CPO及∠QPO的大小，∠CPO即为转动盘的转角。

对上式进行整理，可得如下方程组：

通过求解上述关于α₁、α₂的方程组，可得α₂与β的函数关系，通过改变舵机偏转角β，即可实现对转角α₂的控制，进而调整OP长度。

OP＝CD+l₃cosα₂。

当然可以理解的是，上述采用几何关系计算得出每个舵机各自转角与该侧固定环竖直方向位移的对应关系的方式仅仅是本发明实施例的举例而已，实际应用过程中，还可以采用预存map对应表或预存map对应曲线的方式，其中，该预存map对应表和预存map对应曲线，可以通过仿真模拟测试得出，在此不再赘述。

在一些具体的实施方案中，上述螺旋桨8的桨毂80的具体结构，可以包括桨毂主框80a和位于桨毂主框80a内侧的套筒80b；桨毂主框80a与套筒80b之间通过转动关节80c连接，且转动关节80c沿螺旋桨8的横向轴线布置，以使桨毂主框80a能够相对套筒80b沿螺旋桨8的横向轴线转动，且变距拉杆4铰接于桨毂主框80上。其中，该转动关节80c的具体结构形式可以包括分别固定设置在套筒80b两侧的轴套80c1和设置在桨毂主框80a内侧的两个销柱80c2，轴套80c1的轴心沿螺旋桨8的横向轴线布置，销柱80c2插设在轴套80c1内且能够绕轴套80c1的轴心转动。通过转动关节的布置，能够在保证螺旋桨转轴不倾斜的情况下，使得螺旋桨倾斜调节实现变距，并且在变距过程中，螺旋桨的倾斜变距的转动中心会始终保持与螺旋桨的横向轴线一致。当然可以理解的是，上述采用轴套和销柱的方式，仅仅是本发明实施例对于转动关节的优选举例而已，实际应用过程中，还可以将桨毂与螺旋桨转轴之间设计成绕垂直于螺旋桨的横向轴线方向可转动，且二者周向方向限转的其他结构形式，比如，螺旋桨转轴上设计有带限位切口的球头，桨毂上设置有与带限位切口的球头相适配的带限位切口的球窝，且限位切口位于螺旋桨的横向轴线方向。

进一步的实施方案中，上述螺旋桨8的桨叶84可以采用分别以铰接的方式安装在桨毂80的两端。通过铰接连接的结构形式，当螺旋桨转动时，桨叶会在离心力的作用下而被拉直至横向轴线方向；当不飞行时，可以通过折叠桨叶实现螺旋桨的折叠，从而能够缩小飞行器整体的占用空间，收纳更加方便。

在一些更具体的实施方案中，上述机架的具体结构可以包括自下而上依次布置的底层基座71、舵机安装支架72和顶层基座73，舵机安装支架72的底部与底层基座71固定连接，舵机安装支架72的顶部与顶层基座73固定连接；舵机安装支架72上设置有两个并排布置的龙门支架72a，第一舵机1a和第二舵机1b分别安装在两个龙门支架72a内；滑槽70设置在顶层基座73上，且顶层基座73上设置有用于避让第一拉杆61和第二拉杆62的避空位。通过将机架设计成上述结构形式，龙门支架固定舵机更加方便快捷，而且稳定性更高，有助于减轻整机的重量，此外，还有助于舵机的散热；另外，通过顶层基座上设置竖直布置的滑槽，能够更加贴近第三连接支架布置，继而使得滑槽与滑块配合更加方便和稳定。

进一步的实施方案中，顶层基座上设计的避空位优选设计为形成于顶层基座73的边沿的缺口73a。通过将避空位设计成缺口的结构形式，使得变距拉杆的安装更加方便，并且加工更加简单易于实现匹配。

需要说明的是，上述固定环2与螺旋桨转轴5的球铰方式，具体可以通过球面轴承9实现，也可以是在螺旋桨转轴上直接加工形成球头结构，在固定环的内侧设置于该球头结构相匹配的球窝结构。实际应用过程中，可以根据实际需求进行选择。

此外，上述旋转环3与固定环2之间的定轴转动的实现方式，具体可以通过轴承连接来实现，具体为：轴承的内圈与固定环上对应的空心凸轴固定连接，轴承的外圈与旋转环的内侧固定连接，固定连接方式可以采用过盈配合又或者是键配合等方式。通过轴承连接方式能够减少二者的摩擦阻力，使得二者的相互转动互不干扰，同时二者又可以实现同步倾斜。

另外，本发明还提供了一种无人机，包括变距装置和用于驱动螺旋桨转动的动力机构，且该变距装置为上述任一方案所描述的用于无人机的变距装置。由于该用于无人机的变距装置具有上述技术效果，因此具有上述变距装置的无人机也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

进一步的实施方案中，上述螺旋桨8的具体结构可以包括可变距螺旋桨8a和固定距螺旋桨8b，且可变距螺旋桨8a与固定距螺旋桨8b为共轴反转螺旋桨；动力机构包括用于驱动可变距螺旋桨8a绕螺旋桨转轴5的轴心转动的第一驱动电机10和用于驱动固定距螺旋桨8b绕螺旋桨转轴5的轴心转动的第二驱动电机11，变距拉杆4铰接于可变距螺旋桨8a的桨毂上。通过将螺旋桨设计成共轴反转的双螺旋浆的结构，使得无人机的升力控制更加灵活多变。

下面结合无人机采用共轴反转的双螺旋桨的结构形式的工作原理进行简要说明：

当无人机需要控制机身绕垂直轴(即螺旋桨转轴所在轴心)转动时，控制系统对第一驱动电机11和第二驱动电机12的转速分别进行控制，使两者的气动力矩不相等，产生控制机身绕垂直轴转动的力矩。

根据相关经验及文献可知，上部螺旋桨(固定距螺旋桨8b)与下部螺旋桨(可变距螺旋桨8a)旋转时，产生的升力F1、F2及阻力矩T1、T2分别为：

F₁＝k₁₁N₁ ²；

F₂＝k₂₁N₂ ²；

T₁＝k₁₂N₁ ²；

T₂＝k₂₂N₁₂ ²。

上式中，N₁、N₂分别为第二驱动电机11和第一驱动电机10的转速，k₁₁、k₁₂、k₂₁、k₂₂均为相关系数，由试验测得。

当无人机准备进行上升或下降时，第二驱动电机11和第一驱动电机10同时增大或减小转速，使得总升力增大或减小，同时上部螺旋桨(固定距螺旋桨8b)与下部螺旋桨(可变距螺旋桨8a)产生的力矩相等。

当无人机准备进行绕轴线的转动时，飞控系统计算如下方程：

F₁+F₂＝F₁₀+F₂₀

T₁-T₂＝T_A

上式中，F₁₀、F₂₀分别为开始转动上部螺旋桨(固定距螺旋桨8b)与下部螺旋桨(可变距螺旋桨8a)的升力，T_A为进行控制所需产生的力矩，由飞控系统给出。

在一些更具体的实施方案中，上述第一驱动电机和第二驱动电机的布置方式，可以采用如图13和图14所示的并列排布的方式进行驱动，图中省略了变距装置，此时，固定距螺旋桨8b的桨毂与可变距螺旋桨8a的桨毂之间设置有与螺旋桨转轴5固定连接的固定支架15，第一驱动电机10和第二驱动电机12并列排布置于固定支架12上；第一驱动电机10通过第一减速机构13与可变距螺旋桨8a的桨毂传动连接，第二驱动电机11通过第二减速机构14与固定距螺旋桨8b的桨毂传动连接。通过并列排布的电机布置形式，能够使得动力机构的布置更加紧凑，减小占用空间，同时采用分别驱动固定距螺旋桨8b的桨毂和可变距螺旋桨8a的桨毂，使得螺旋桨转轴可以设计成固定不动的方式，同时固定距螺旋桨8b的桨毂和可变距螺旋桨8a的桨毂的同轴转动性更高。需要说明的是，上述第一减速器和第二减速器一般优选采用齿轮的结构形式，不仅可以减小占用空间，而且有助于提高传动精度和转速改变时的响应速度。

当然可以理解的是，实际应用过程中，上述第一驱动电机和第二驱动电机的布置方式，也可以设计成如图15和图16所示的同轴串列布置的结构形式，图中省略了变距装置及其对应的布置空间，此时，第一驱动电机10为空心轴电机，第二驱动电机11的驱动轴同轴穿过空心轴电机，且第一驱动电机10和第二驱动电机12通过固定支座16与机架固定连接；螺旋桨转轴5包括用于驱动可变距螺旋桨8a转动的第一转轴和用于驱动固定距螺旋桨8b转动的第二转轴，且第一转轴为空心轴，第二转轴同轴穿设第一转轴的内侧；第一驱动电机10的空心轴与第一转轴同轴连接或为同一个轴，固定环2套设在第一转轴上且与第一转轴为球铰连接；第二驱动电机11的驱动轴与第二转轴同轴连接或为同一个轴。通过同轴布置的电机形式，能够使得动力机构整体布置在机架的下部，更加方便动力机构的布置。

实际应用过程中，第一驱动电机和第二驱动电机具体采用并列排布的方式，还是采用同轴串列的排布方式，可以根据实际布置需求进行选择，在此不做更具体的限定。

以上对本发明所提供的用于无人机的变距装置及无人机进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。