多旋翼飞行器 |
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| 申请号 | CN201710116851.6 | 申请日 | 2017-03-01 | 公开(公告)号 | CN107150792A | 公开(公告)日 | 2017-09-12 |
| 申请人 | 双叶电子工业株式会社; 小川精机株式会社; | 发明人 | 中岛修市郎; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种可滞空时间以及可搬重量较大的多旋翼 飞行器 。上述多旋翼飞行器具有： 发动机 (1)，其使 燃料 在内部燃烧，从而产生旋转；多个螺旋桨(21、22、23、24)，它们利用旋转，产生升 力 ；以及旋转传递路径(3)，其将由发动机(1)产生的旋转分配并传递至多个螺旋桨(21、22、23、24)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多旋翼飞行器，其具有： |
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| 说明书全文 | 多旋翼飞行器技术领域[0001] 本发明涉及一种多旋翼飞行器。 背景技术[0003] 多旋翼飞行器通常具有多个螺旋桨、分别对所述多个螺旋桨进行驱动而使其旋转的多个电动机以及向所述多个电动机供给电力的蓄电池。而且，通过分别独立地对多个电动机进行控制，从而能够使各螺旋桨的转速产生差，而进行空中的前进、后退、左转、右转、旋转等动作(例如，参照专利文献1)。 [0004] 专利文献1：日本特开2013-510614号公报 [0005] 然而，对于专利文献1那样的现有的多旋翼飞行器而言，若加大向电动机供给电力的蓄电池，则能够加长可滞空时间，但与此对应，蓄电池变重，因此可搬重量(所谓的有效载荷)变小。相反地，若减小蓄电池，则可搬重量相对变大，但与此对应，可滞空时间变短。这样，作为各螺旋桨的动力源而使用电动机的现有的多旋翼飞行器存在难以使可滞空时间以及可搬重量均增大的问题。 [0006] 这里，本申请的发明人研究了作为各螺旋桨的动力，除了电动机之外，还采用发动机。发动机的燃料通常具有远远高于电动机所使用的蓄电池的能量密度，因此若在螺旋桨的动力源采用发动机，则能够增加多旋翼飞行器的可滞空时间以及可搬重量。 [0007] 但是，对于使燃料在内部燃烧从而产生旋转的发动机而言，很难进行电动机那样的微妙的转速控制，因此同步驱动多个发动机非常困难。因此，在分别通过单独的发动机对多个螺旋桨进行驱动的情况下，难以使多旋翼飞行器的姿势稳定。 发明内容[0008] 本发明要解决的课题为提供一种可滞空时间以及可搬重量较大的多旋翼飞行器。 [0009] 为了解决本课题，在本发明中，提供以下的构成的多旋翼飞行器。 [0010] 一种多旋翼飞行器，其具有：发动机，其通过在内部燃烧燃料来产生旋转；多个螺旋桨，它们通过旋转来产生升力；以及旋转传递路径，其将由上述发动机产生的旋转分配并传递至上述多个螺旋桨。 [0011] 据此，由于发动机的燃料通常具有远远高于电动机所使用的蓄电池的能量密度，所以能够增加多旋翼飞行器的可滞空时间以及可搬重量。另外，由于构成为分配发动机的输出来对多个螺旋桨进行驱动，所以无需像分别通过单独的发动机对多个螺旋桨进行驱动的情况那样同步驱动多个发动机，所以能够容易使多旋翼飞行器的姿势稳定。 [0012] 上述旋转传递路径具有：第一轴，其动力地连结于上述多个螺旋桨中的第一螺旋桨；第二轴，其动力地连结于上述多个螺旋桨中的第二螺旋桨；以及差动齿轮，其将从上述发动机传递的旋转分配给上述第一轴以及第二轴，使得上述第一轴以及第二轴以与各自的旋转阻力对应的转速旋转。 [0013] 由于在动力地连结于第一螺旋桨的第一轴与动力地连结于第二螺旋桨的第二轴之间设置有差动齿轮，所以在第一螺旋桨以及第二螺旋桨的转速产生差，从而能够控制多旋翼飞行器的姿势。 [0014] 能够进一步在上述旋转传递路径设置：第一制动装置，其向上述第一轴施加制动力；以及第二制动装置，其向上述第二轴施加制动力。 [0015] 据此，通过利用第一制动装置或者第二制动装置向第一轴或者第二轴施加制动力，从而能够在第一轴的转速与第二轴的转速之间产生差。 [0017] 据此，由于在制动盘与定子之间没有摩擦损失，所以能够抑制第一制动装置以及第二制动装置非工作的状态下的能量损失，从而能够有效地增加多旋翼飞行器的可滞空时间以及可搬重量。 [0018] 第一制动装置以及第二制动装置分别能够采用通过将上述第一轴以及第二轴的旋转力转换为电力来向上述第一轴以及第二轴施加制动力的再生制动装置。 [0019] 据此，由于能够对在第一制动装置以及第二制动装置得到的电力进行再利用，所以动力的损失减小，从而能够加长多旋翼飞行器的可滞空时间。 [0020] 能够进一步在上述旋转传递路径设置：第一辅助电机，其向上述第一轴施加旋转力；以及第二辅助电机，其向上述第二轴施加旋转力。 [0021] 据此，通过利用第一辅助电机或者第二辅助电机向第一轴或者第二轴施加旋转力，从而能够使第一轴的转速与第二轴的转速之间产生差。另外，由于没有向第一轴或者第二轴施加制动力时那样的动力的损失，所以能够加长多旋翼飞行器的可滞空时间。 [0022] 若将上述多个螺旋桨的个数设置为四个以上，则容易使多旋翼飞行器的姿势稳定。这种情况下，上述旋转传递路径能够进一步具有以下的构成。 [0023] 上述旋转传递路径还具有：第三轴，其动力地连结于上述多个螺旋桨中的第三螺旋桨；第四轴，其动力地连结于上述多个螺旋桨中的第四螺旋桨；以及第二差动齿轮，其将从上述发动机传递的旋转分配给上述第三轴以及第四轴，使得上述第三轴以及第四轴以与各自的旋转阻力对应的转速旋转。 [0024] 这种情况下，作为上述旋转传递路径，能够还具有向上述差动齿轮与上述第二差动齿轮分配旋转的中央差动齿轮，其中，上述差动齿轮向上述第一轴以及第二轴分配旋转，上述第二差动齿轮向上述第三轴以及第四轴分配旋转。 [0025] 优选还设置有：交流发电机，其利用上述发动机的旋转进行发电；以及蓄电池，其对由该交流发电机产生的电力进行存储。 [0026] 据此，由于将在多旋翼飞行器的滞空过程中伴随着发动机的旋转而由交流发电机产生的电力存储于蓄电池，所以能够确保多旋翼飞行器的滞空过程中能够使用的蓄电池的电量，并且抑制蓄电池的重量。因此，能够有效地增加多旋翼飞行器的可滞空时间以及可搬重量。 [0027] 作为上述差动齿轮，能够具有：环齿轮，从上述发动机传递的旋转输入至该环齿轮；差动器壳，其以与上述环齿轮一体旋转的方式固定于环齿轮；小齿轮，其收纳于上述差动器壳内，并被支承为能够绕与上述环齿轮的轴心正交的轴心旋转；以及一对侧齿轮，它们被支承为能够绕与上述环齿轮的轴心相同方向的轴心旋转，并与上述小齿轮咬合，在上述一对侧齿轮中的一个侧齿轮连接有上述第一轴，在另一个侧齿轮连接有上述第二轴。 [0028] 本发明的多旋翼飞行器采用发动机作为各螺旋桨的动力源，发动机的燃料通常具有远远高于电动机所使用的蓄电池的能量密度，因此能够增加多旋翼飞行器的可滞空时间以及可搬重量。另外，由于构成为分配发动机的输出来对多个螺旋桨进行驱动，所以无需像分别通过单独的发动机对多个螺旋桨进行驱动的情况那样同步驱动多个发动机，所以能够容易使多旋翼飞行器的姿势稳定。附图说明 [0029] 图1是示意地表示本发明的第一实施方式的多旋翼飞行器的图。 [0030] 图2是图1所示的差动齿轮的放大剖视图。 [0031] 图3是示意地表示本发明的第二实施方式的多旋翼飞行器的图。 [0032] 图4是示意地表示本发明的第三实施方式的多旋翼飞行器的图。 [0033] 图5是示意地表示本发明的第四实施方式的多旋翼飞行器的图。 [0034] 图6是表示以将图1所示的发动机增加为两台，并将从该各发动机输出的旋转输入共用的中央差动齿轮的方式构成的变形例的图。 [0035] 图7是示意地表示增加图1所示的螺旋桨的数量的变形例的图。 [0036] 图8是示意地表示在从图7所示的发动机向各螺旋桨的旋转传递路径组装万向接头的变形例的图。 [0037] 符号说明 [0038] 1…发动机；21、22、23、24…螺旋桨；3…旋转传递路径；5…蓄电池；7…交流发电机；10…中央差动齿轮；111、112、113、114…轴；12、13…差动齿轮；14…环齿轮；15…差动器壳； 16…小齿轮；17…侧齿轮；201、202、203、204…制动装置；21…制动盘；22…定子；231、232、 233、234…辅助电机；251、252、253、254…制动装置。 具体实施方式[0039] 图1表示本发明的第一实施方式的多旋翼飞行器。该多旋翼飞行器例如为一种为了进行使用了照相机的从空中进行的测量以及观测、基于空中飞行的进行物品搬运、农药散布，而通过无人驾驶在空中移动的旋翼机，并具有单一的发动机1；利用旋转产生升力的四个螺旋桨21、22、23、24；将由发动机1产生的旋转分配并传递至四个螺旋桨21、22、23、24的旋转传递路径3；燃料箱4以及蓄电池5。 [0040] 发动机1是使燃料在内部燃烧从而产生旋转的驱动装置。发动机1的排气量例如设定于10～200cm3的范围内。作为发动机的燃料，使用石油燃料(例如汽油)。燃料箱4是对供给至发动机1的燃料进行收纳的罐，经由燃料管6连接于发动机1。蓄电池5是向发动机1的控制、未图示的陀螺仪传感器等供给电力的二次装置。另外，在发动机1一体地设置有利用发动机1的旋转进行发电的交流发电机7，由交流发电机7产生的电力被存储于蓄电池5。 [0042] 旋转传递路径3具有：中央差动齿轮10，其将从发动机1输出的旋转分配给第一中央轴91以及第二中央轴92；差动齿轮12，其将经由第一中央轴91从发动机1传递的旋转分配给第一轴111以及第二轴112；以及第二差动齿轮13，其将经由第二中央轴92从发动机1传递的旋转分配给第三轴113以及第四轴114。 [0043] 第一轴111动力地连结于第一螺旋桨21，若第一轴111旋转，则第一螺旋桨21与第一轴111一体地旋转。同样地，第二轴112动力地连结于第二螺旋桨22，第三轴113动力地连结于第三螺旋桨23，第四轴114动力地连结于第四螺旋桨24。 [0044] 如图2所示，差动齿轮12具有：环齿轮14，经由第一中央轴91从发动机1(参照图1)传递的旋转输入至该环齿轮14；差动器壳15，其以与环齿轮14一体旋转的方式固定于环齿轮14；小齿轮16，其收纳于差动器壳15内；以及一对侧齿轮17，它们与小齿轮16咬合。在差动器壳15固定有向与环齿轮14的轴心正交的方向延伸的小齿轮轴18。小齿轮16被支承为能够以小齿轮轴18为中心旋转。一对侧齿轮17分别以能够绕与环齿轮14的轴心相同方向的轴心旋转的方式被差动器壳15支承。在一对侧齿轮17中的一个侧齿轮17连接有第一轴111，在另一个侧齿轮17连接有第二轴112。 [0045] 该差动齿轮12将从发动机1传递的旋转分配给第一轴111以及第二轴112，使得第一轴111以及第二轴112以与各自的旋转阻力对应的转速旋转。即，在第一轴111的旋转阻力大于第二轴112的旋转阻力时，以第一轴111的转速小于第二轴112的转速的方式将第一中央轴91的旋转分配并传递至第一轴111以及第二轴112，另一方面，在第一轴111的旋转阻力小于第二轴112的旋转阻力时，以第一轴111的转速大于第二轴112的转速的方式将第一中央轴91的旋转分配并传递至第一轴111以及第二轴112。 [0046] 图1所示的第三轴113与第四轴114之间的差动齿轮13也形成为同第一轴111与第二轴112之间的差动齿轮12相同的构造。另外，中央差动齿轮10也形成为与差动齿轮12相同的构造。 [0047] 所述多旋翼飞行器采用发动机1作为第一～第四螺旋桨21、22、23、24的动力源，由于发动机1的燃料通常具有远远高于电动机所使用的蓄电池的能量密度，所以能够增加多旋翼飞行器的可滞空时间以及可搬重量。另外，由于构成为对发动机1的输出进行分配来对多个螺旋桨21、22、23、24进行驱动，所以无需像分别通过单独的发动机对第一～第四螺旋桨21、22、23、24进行驱动的情况那样同步驱动多个发动机，所以能够容易使多旋翼飞行器的姿势稳定。 [0048] 另外，由于该多旋翼飞行器具有利用发动机1的旋转进行发电的交流发电机7与对由该交流发电机7产生的电力进行存储的蓄电池5，所以能够确保多旋翼飞行器的滞空过程中能够使用的蓄电池5的电量，并且抑制蓄电池5的重量。因此，能够有效地增加多旋翼飞行器的可滞空时间以及可搬重量。 [0049] 图3表示本发明的第二实施方式的多旋翼飞行器。以下，与第一实施方式对应的部分标注相同的附图标记，省略说明。 [0050] 旋转传递路径3具有向第一～第四轴111、112、113、114分别施加制动力的第一～第四制动装置201、202、203、204。第一～第四制动装置201、202、203、204分别是由与第一～第四轴111、112、113、114一体旋转的制动盘21和在非接触状态下向该制动盘21施加制动力的定子22构成的非接触式的制动装置。作为这样的制动装置，例如能够采用涡流盘式制动器。 [0051] 该第二实施方式的多旋翼飞行器通过使第一～第四制动装置201、202、203、204选择性地工作，使经由各差动齿轮10、12、13被连接的第一～第四轴111、112、113、114的旋转阻力分别独立地变化，从而能够使第一～第四螺旋桨21、22、23、24的转速产生差。这样，第二实施方式的多旋翼飞行器通过对施加于第一～第四轴111、112、113、114的制动力进行控制，从而能够进行多旋翼飞行器的姿势控制。 [0052] 另外，第二实施方式的多旋翼飞行器由于采用非接触状态的制动装置201、202、203、204，所以在制动盘21与定子22之间没有摩擦损失，从而能够抑制第一～第四制动装置 201、202、203、204非工作的状态下的能量损失。因此，有效增加多旋翼飞行器的可滞空时间以及可搬重量。 [0053] 图4表示本发明的第三实施方式的多旋翼飞行器。以下，与第一实施方式对应的部分标注相同的附图标记，省略说明。 [0054] 旋转传递路径3具有向第一～第四轴111、112、113、114分别施加制动力的第一～第四制动装置251、252、253、254。第一～第四制动装置251、252、253、254分别是通过将第一～第四轴111、112、113、114的旋转力转换为电力，从而向第一～第四轴111、112、113、114施加制动力的再生制动装置。第一～第四制动装置251、252、253、254电连接于蓄电池5，将进行再生制动时得到的电力存储于蓄电池5。 [0055] 另外，第一～第四制动装置251、252、253、254通过从蓄电池5向第一～第四制动装置251、252、253、254选择性地供给电力，从而也作为向第一～第四轴111、112、113、114分别独立地施加旋转力的第一～第四辅助电机发挥作用。 [0056] 该第三实施方式的多旋翼飞行器通过使第一～第四制动装置251、252、253、254选择性地工作，向第一～第四轴111、112、113、114分别独立地施加制动力，从而能够使第一～第四螺旋桨21、22、23、24的转速产生差。另外，通过使第一～第四制动装置251、252、253、254选择性地作为辅助电机工作，向第一～第四轴111、112、113、114分别独立地施加旋转力，由此也能够使第一～第四轴111、112、113、114的旋转阻力分别独立地变化。这样，第三实施方式的多旋翼飞行器通过对施加于第一～第四轴111、112、113、114的制动力以及旋转力进行控制，从而能够进行多旋翼飞行器的姿势控制。 [0057] 另外，由于第三实施方式的多旋翼飞行器采用再生制动装置作为第一～第四制动装置251、252、253、254，所以能够对由第一～第四制动装置251、252、253、254得到的电力进行再利用。因此，动力的损失减小，从而能够有效地延长多旋翼飞行器的可滞空时间。 [0058] 图5表示本发明的第四实施方式的多旋翼飞行器。以下，与第二实施方式对应的部分标注相同的附图标记，省略说明。 [0059] 旋转传递路径3具有向第一～第四轴111、112、113、114分别施加旋转力的第一～第四辅助电机231、232、233、234。在第一辅助电机231与第一轴111之间的旋转传递路径3组装有单向离合器24。单向离合器24是虽然从第一辅助电机231向第一轴111传递使第一轴111的旋转增速的方向的旋转力，但却切断使第一轴111的旋转减速的方向的旋转力的传递的离合器。因此，在第一辅助电机231工作时，单向离合器24成为卡合状态，而从第一辅助电机231向第一轴111传递旋转力，但是在第一辅助电机231停止时，单向离合器24成为空转状态。由此，能够防止在第一辅助电机231停止时，第一辅助电机231的惯性力矩成为第一轴111的旋转阻力。在第二～第四辅助电机232、233、234与第二～第四轴112、113、114之间也分别组装有单向离合器24。 [0060] 第一～第四辅助电机231、232、233、234利用从蓄电池5被供给的电力驱动。另外，第一～第四辅助电机231、232、233、234也能够利用由交流发电机7产生的电力驱动。即，也能够将伴随着发动机1的旋转而由交流发电机7产生的电力存储于蓄电池5，与该蓄电并行地，从蓄电池5向第一～第四辅助电机231、232、233、234供给电力。 [0061] 该第四实施方式的多旋翼飞行器通过使第一～第四辅助电机231、232、233、234选择性地工作，向第一～第四轴111、112、113、114分别独立地施加旋转力，从而能够使第一～第四轴111、112、113、114的旋转阻力分别独立地变化。这样，第四实施方式的多旋翼飞行器能够通过对施加于第一～第四轴111、112、113、114的旋转力进行控制来进行多旋翼飞行器的姿势控制。另外，也能够通过使第一～第四制动装置201、202、203、204选择性地工作来使第一～第四螺旋桨21、22、23、24的转速分别独立地减速。 [0062] 第四实施方式的多旋翼飞行器由于构成为通过向第一～第四轴111、112、113、114施加旋转力，从而使第一～第四轴111、112、113、114的转速之间产生差，所以没有向第一～第四轴111、112、113、114施加制动力而对转速进行控制的情况那样的动力的损失。因此，能够有效地延长多旋翼飞行器的可滞空时间。 [0063] 在上述各实施方式中，以仅搭载了单一的发动机1的多旋翼飞行器为例进行了说明，但是例如，如图6所示，也能够构成为搭载两台发动机1，将从该两台发动机1输出的旋转同时输入单一的中央差动齿轮10。据此，在万一因某种故障而使一个发动机1停止时，也能够利用另一个发动机1的输出对螺旋桨21、22、23、24进行驱动，从而能够提高多旋翼飞行器的冗余性。 [0064] 在上述各实施方式中，以螺旋桨2的数量为四个的多旋翼飞行器为例进行了说明，但是本发明也能够同样适用于螺旋桨的数量多于四个的多旋翼飞行器。例如，如图7、图8所示，能够适用于具有八个螺旋桨21～28的多旋翼飞行器。如图8所示，若在从发动机1向各螺旋桨21～28的旋转传递路径3的中途组装万向接头26，则在螺旋桨的数量较多时，也能够将各螺旋桨21～28配置在同一圆周上(附图表示将各螺旋桨21～28配置在同一椭圆的圆周上的例子)。 |
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