圆形单旋翼无人机的制作方法

本发明涉及一种“圆形单旋翼无人机”，这种无人机的机身是半球形，圆形机身平面中心的下方安装风轮电机带动旋转的风轮，其上方中心同轴线安装由旋翼电机带动旋转的桨叶。下方风轮与上方桨叶的旋转方向始终相反，改变风轮的转速大小就能平衡桨叶旋转产生的机身水平旋转扭矩，从而使无人机的机身能够平衡而不旋转。本发明无人机属于通用航空工业技术领域。

背景技术：

近十年来国内外无人机发展迅速，广泛应用于社会经济、通用航空和国防建设的各个领域，取得巨大的社会效益和经济效益，且现在还只刚开头，将来的发展前景更好。

现在国内外常用的无人机主要有以下两类，它们各自具有的优缺点如下：

1、多旋翼无人机：以深圳大疆无人机为代表的深圳200多家公司制造的无人机近几年发展迅猛，深圳无人机产业已经占有国际70％的市场份额和国内90％的市场份额，成为了深圳的主要产业之一。它的最大优点是结构简单，多旋翼都是双数，多为4旋翼、6翼旋和8旋翼，将其中一半旋翼顺时针旋转，另外一半反时针旋转，机身自然平衡而不旋转而稳定飞行的方向，操控和培训都较容易，培训二三天后学员即可以熟练操控，因此得到各行各业的广泛应用。但遗憾的是因为多旋翼无人机其每个旋翼直径小，虽然数量较多，但是总功率并不大，而且占地面积较大，它适合于荷载较小的航拍和场景巡视等功能的使用。

2、传统单旋翼长尾梁带尾桨的无人机：结构较复杂，它是通过其长尾梁上的尾桨对机身作用形成反力矩来平衡无人机由于主旋翼产生的机身自转，但是因为尾桨作用力始终垂直于无人机的前进方向，所以操控较难，培训学员需要一个多月才能达到合格上岗水平，从而严重影响了这种无人机的广泛应用。但是这种单旋翼无人机由于旋翼直径较大，所以其最大优点是总荷载较大，适合做像农业植保、空中快递物件等要求能承载较大荷载功能的无人机。

技术实现要素：

针对现有上述两种无人机的实际情况，如何保留两种无人机的各自优点，同时又避开上述两种无人机的缺点，然后进行综合分析和创新改进，就产生了本发明“圆形单旋翼无人机”技术。

现将本发明无人机的工作原理阐述如下：

本发明无人机的机身是半球形，圆形机身平面中心的下方安装有风轮电机带动旋转的风轮，其上方中心同轴线安装由旋翼电机带动旋转的桨叶。根据空气动力学，半球形机身上方的旋翼小迎角旋转时，把空气向下压送从而产生升力抬举无人机的重量，同时空气对桨叶的反作用也水平推动机身旋转而无方向感。本发明在圆形机身下方将风轮电机带动旋转的风轮与其上方的旋翼桨叶反方向旋转，改变风轮的转速大小就能改变风轮产生的扭矩，从而可以使无人机的机身平衡而不旋转。至于无人机前后左右的飞行，则是通过在旋翼电机输出轴上安装万向节，此万向节的上方铰连接无人机主旋翼的主轴即万向轴，当此万向轴绕万向节前后左右的摇摆就可以控制无人机前后左右的飞行。而此万向轴的平面摆动是由“平面万向移动装置”来控制的，其结构是在相互垂直又可以相对运动的的固定槽板和活动槽板上方，安装可以在活动槽板的燕尾槽内移动的方孔滑块，而方孔滑块内又安装了可以在纵向360度运动的环转球和横向360度旋转的孔转球，带动旋翼桨叶旋转的万向轴则穿越孔转球中心孔与万向节铰相连，使万向轴能够绕着万向节的十字轴中心作灵活自由的水平万向摆动，从而实现对无人机前后左右飞行方向的操控，结构简单可靠。相对现有两种无人机，本发明无人机荷载较大、飞行效率更高、操控更容易和更安全，而且制造成本更低，其性价比具有更强的市场竞争优势。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的说明

图1是本发明“圆形单旋翼无人机”安装u形起落架的机身纵剖面图。

图2是本发明“圆形单旋翼无人机”安装储液罐和雪橇起落架的机身纵剖面图。

图3是本发明“圆形单旋翼无人机”机身外形俯视图。

图4是本发明“圆形单旋翼无人机”机身结构的纵剖面放大图。

图5是本发明“圆形单旋翼无人机”机身结构的水平剖面放大图。

图6是本发明“圆形单旋翼无人机”风轮结构剖面的放大图。

图7是本发明“圆形单旋翼无人机”风轮结构3-3剖面的放大图。

图8是本发明“圆形单旋翼无人机”平面万向移动装置的1-1纵剖面放大图。

图9是本发明“圆形单旋翼无人机”平面万向移动装置的平面布置放大图。

图10是本发明“圆形单旋翼无人机”平面万向移动装置的2-2横剖面放大图。

图11是本发明“圆形单旋翼无人机”向前飞行时万向轴的纵向操控图。

图12是本发明“圆形单旋翼无人机”空中悬停时万向轴的纵向剖面状态图。

图13是本发明“圆形单旋翼无人机”向后飞行时万向轴的纵向操控图。

图14是本发明“圆形单旋翼无人机”向右飞行时万向轴的横向操控图。

图15是本发明“圆形单旋翼无人机”空中悬停时万向轴的横向剖面状态图。

图16是本发明“圆形单旋翼无人机”向左飞行时万向轴的横向操控图。

图中

1、导流罩2、风轮下壳3、风轮4、风轮上壳5、风轮基板6、安装架

7、风轮电机8、旋翼电机9、桨叶10、机身罩11、万向节12、固定槽板

13、活动槽板14、旋翼中心体15、万向轴16、防水圆板17、孔转球18、螺纹轴

19、环转球20、电动推杆21、肖钉22、提耳23、方孔滑块24、电池

25、风轮轴26、螺母27、螺钉28、排风环口29、储液罐30、进风孔

31、轮叶32、风轮体33、下环板34、u形起落架35、雪橇起落架36、设备舱

37、格片38、平面万向移动装置

具体实施方式

在图1所示本发明安装u形起落架的机身纵剖面图。其结构详见图4的放大图，其风轮下方安装风轮下壳和u形起落架，有利机身下方安装高空航拍和巡视设备对地面的摄影等功能的实施。

在图2所示本发明机身下方安装储液罐和雪橇起落架的机身纵剖面图，在风轮下方直接安装储液罐来替代风轮下壳，有利无人机对农业的植物保护(喷射农药或施肥)等作业功能的实施。

在图3中是本发明机身外形平面的俯视图。因为本发明无人机的空中旋翼扭矩改变不是通过改变桨叶的桨矩来控制，而是通过控制旋翼电机的输入电压来改变旋翼的旋转速度来改变旋翼的扭矩大小，因此桨叶相对旋翼中心体的飞行迎角是固定不动的，所以结构简单，可以安装4片至8片桨叶。在同等荷载扭矩条件下，有利减少桨叶长度，即减少主旋翼盘的直径，所以无人机整体结构更紧凑，安装和运输更方便。

在图4和图5中表示了本发明无人机的机身内部结构。从图中可以看出它与与现有两种无人机的结构完全不同。因为本无人机是单旋翼，自然会产生无人机的机身自转；为此本发明在旋翼电机8的输出轴上安装万向节11，此万向节11的上方铰接穿过孔转球17后与旋翼中心体14的主轴---即万向轴15，旋翼电机8通过万向节11带动万向轴15穿过转球17，再带动安装在旋翼中心体14的几片桨叶9旋转。此孔转球17是安装在一个方孔滑块23内，结构简单可靠。

另外在圆形机身平面中心的下方安装由风轮电机7带动风轮3旋转，此风轮3始终与旋翼中心体14反方向旋转，这样风轮3形成的反扭矩就可以平衡其上方安装在旋翼中心体14的几片桨叶9产生的机身自转扭矩，机身就可以平衡而稳定不乱转。因为旋翼电机8的大部分(约90％)的功率是用来抬举无人机的重量，机身自转的功率只有10％左右，加之风轮3内的轮叶31的迎角是90度，阻力大，所以较小直径的风轮3是可以平衡旋转迎角较小而由几片桨叶9组成的直径较大旋翼盘的水平扭矩。安放在设备舱内的电池24同时向旋翼电机8和风轮电机7供电。通过改变风轮电机7和旋翼电机8的输入电压大小就能改变了它们的转速和扭矩的大小。同时控制这两个电机的输入电压来控制它们各自扭矩的大小，总是可以找到平衡点而实现本无人机机身的扭矩平衡。设备舱内的几个主要部件旋翼电机8、风轮电机7、电池24和一套“水平万向移动装置”38，及其它飞控电子仪器仪表等都是安装在安装架6上；安装架6又通过螺钉27安装在风轮上壳4上面，机身罩10保护设备舱内的所有部件和电子设备免受外部风雨和太阳暴晒而成为一个整体。将风轮下壳2用螺钉固定在风轮上壳4的外圆环下边缘上形成扁形风轮空腔。风轮3在此空腔内旋转时从进风孔30进入风轮内的空气，在离心力作用下再从其四周边缘的排气环口28向下喷气，因此风轮3在完成平衡机身自转的水平扭矩外，还可以产生少量升力。排气环口28内有若干格片37支撑风轮下壳2和使用设备的重量。无人机空中飞行时从机身顶部穿出的万向轴15，其水平摆动角度较大，为防止雨水侵入设备舱内，在机身罩顶部安装了防水圆板16，因为万向轴15从防水圆板16中心小孔穿过，所以此防水圆板16也会跟随万向轴15的摆动而在机身罩10顶部摆动防水。

在图6和图7中表示了本发明无人机的风轮内部结构。它是由风轮体32和若干轮叶31和下环板33结为一体，若干轮叶31均布安放在风轮体32和下环板33之间，通过螺钉27与风轮基板5连成整体，再通过风轮轴25向上与风轮电机7相连。

在图8、图9和图10中表示控制本发明无人机前后左右飞行的一套“平面万向移动装置”。它是在固定槽板12燕尾槽内可以滑动的活动槽板13上再安装可在其燕尾槽内移动的方孔滑块23，而此方孔滑块23内又安装了纵向可以绕螺纹轴18做360度运动的环转球19和横向可以绕螺纹轴18做360度旋转的孔转球17；旋翼中心体14的万向轴15则穿越孔转球17的中心孔与万向节11铰相连，在纵向和横向安装的2个电动推杆20组合作用下，使得万向轴15能够绕着万向节11顶端作自由灵活的平面万向摆动，从而实现对本发明无人机前后左右方向飞行的自由操控。

在图11、图12和图13中表示了本发明无人机纵向运动控制方式。其中图12表示本无人机在空中悬停时万向轴15处于垂直状态的工况。图11中电动推杆21通过提耳23和肖钉21推活动槽板13向前方移动，使得万向轴15前倾，无人机获得前倾分力而向前飞。图13中电动推杆21和通过提耳23和肖钉21拉活动槽板13向后方移动，使得万向轴15后倾，无人机获得后倾分力而向后飞。

在图14、图15和图16中表示了本发明无人机横向运动控制方式。其中图15表示本无人机在空中悬停时万向轴15处于垂直状态的工况。图14中电动推杆21通过提耳23和肖钉21推活动槽板13向右边移动，使得万向轴15右倾，无人机获得右倾分力而向右边飞行的状态。图16中电动推杆21通过提耳23和肖钉21拉方孔滑块23向左边移动，使得万向轴15左倾，无人机获得左倾分力而向左边飞行。

若无人机飞手同时操控纵向和横向的2个电动推杆21移动，则本发明无人机就可以分别能向右前方、左前方、右后方和左后方的飞行。因为本发明无人机的前后左右飞行是采用电动推杆21来操控万向轴15的水平万向摆动，操控力相对传统单旋翼带尾桨的无人机大很多，所以本发明无人机的操控会像现有“多旋翼无人机”一样轻松自如。而本发明无人机的荷载又可以像传统“单旋翼带尾翼无人机”一样大。总之本发明无人机既保留现有两种无人机各自的优点，同时又避开上述两种无人机的缺点，还由于结构简单和紧凑，制造成本和制造周期可以更低，因此本发明“圆形单旋翼无人机”若能研发成功，则其性价比相对现有的两种无人机都将具有更强的市场竞争力。

需要说明的是：对于所属领域的普通技术人员来说，在不违背发明原理的前提下，对本发明技术还可以做出若干的改进和变形，但是这些仍然是属于本发明的保护范围之内。