一种不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统及其优化设计方法

摘要

本发明提供了一种不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统和优化设计方法，具有两组旋翼结构，两组旋翼结构的桨叶朝向和旋转方向不同，且旋转面的投影区域具有重叠，通过优化设计，结构系统能够实现重叠区域存在着高升力产生，提高了多旋翼无人机周围的空间利用率，以及增加多个旋翼相互作用的整体升力效率。该结构系统具有成本低、通用性强的特点，可以为其他多旋翼无人机的旋翼设计提供一种可靠性强、实用价值高的设计方案。

说明书

技术领域

本发明涉及航空工程技术领域，具体涉及一种不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统。

背景技术

无人机因为使用成本低、应用场景广泛等优点，近年来受到广泛关注。国内外现有的旋翼无人机多为同转向旋翼，且旋翼间不存在重叠区域以防止产生干扰问题，这种旋翼无人机起飞时旋翼的单个使用效率及空间利用率有限。此外目前的旋翼无人机存在着耗电强、航时短的问题，而提高旋翼使用效率及空间利用率是解决旋翼无人机航时短的一个有效途径。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，提高旋翼的使用效率和空间的利用率，本发明提出一种不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统及其优化设计方法，采用两组旋翼，一组旋翼朝上，一组旋翼朝下，且相互有重叠区域，重叠区域经过优化设计保证在重叠区域可以提供额外升力，减少相互干扰带来的影响，使得飞机的整体升力大于单独每个旋翼升力的和，提高了旋翼的旋转效率，并扩大了旋翼无人机周围的空间利用率，同时减少叶片间相互干扰带来的影响。

本发明的技术方案为：

所述一种不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统，包括支架和两组旋翼结构；每组旋翼结构包括桨叶、驱动桨叶旋转的电机以及连接支架的支撑杆；所述支架内具有能源模块，能够为所述电机提供驱动能源；

第一组旋翼结构中的桨叶朝上，第二组旋翼结构中的桨叶朝下，在俯视观察时，两组旋翼结构中的桨叶旋转方向相反。

进一步的，两组旋翼结构的桨叶间隔分布，各为四片桨叶，同组间桨叶间隔90°，不同组间桨叶的最小间隔为45°。

进一步的，周向相邻桨叶的旋转面沿着飞机轴线的投影区域之间具有重叠区域，所述重叠区域的位置和面积通过优化设计得到，优化设计目标为最优的增升效果。

进一步的，相邻桨叶的旋转面投影区域之间的重叠区域呈现叶片状，优化后的面积为12.5cm

进一步的，两组旋翼结构中的桨叶转速不同，其中所述第一组旋翼结构的桨叶转速高于所述第二组旋翼结构的桨叶转速，且桨叶转速通过优化设计得到，优化设计目标为最优的增升效果。

进一步的，两组旋翼结构中的桨叶旋转面的高低差通过优化设计得到，优化设计目标为最优的增升效果。

上述旋翼结构系统的设计方法包括以下步骤：

步骤1：旋翼空间位置优化设计：

采用设定的基础旋翼构型作为每组旋翼结构中各个桨叶的初始构型；设置所述重叠区域的位置和面积、两组旋翼结构中的桨叶转速、以及两组旋翼结构中的桨叶旋转面高低差作为设计参数，以旋翼结构系统的升力指标和升力约束进行旋翼空间位置优化设计，将满足的旋翼空间位置设计结果作为中间结果；

步骤2：旋翼效率优化设计：

根据步骤1得到的旋翼空间位置设计结果，以单个旋翼的扭转分布作为设计参数，保持升力约束指标，通过优化设计，得到旋翼结构系统升力最优的旋翼扭转分布设计结果；

步骤3：将步骤1的旋翼空间位置优化设计结果和步骤2的旋翼效率优化设计结果组合，得到优化设计后的旋翼结构系统。

有益效果

本发明提供了一种不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统和优化设计方法，具有两组旋翼结构，两组旋翼结构的桨叶朝向和旋转方向不同，且旋转面的投影区域具有重叠，通过优化设计，结构系统能够实现重叠区域存在着高升力产生，提高了多旋翼无人机周围的空间利用率，以及增加多个旋翼相互作用的整体升力效率。该结构系统具有成本低、通用性强的特点，可以为其他多旋翼无人机的旋翼设计提供一种可靠性强、实用价值高的设计方案。

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是不同转向可重叠多旋翼无人机的三维示意图；

图2是不同转向可重叠多旋翼无人机的俯视示意图；

图3是不同转向可重叠多旋翼无人机的正视示意图；

图4是不同转向可重叠多旋翼无人机的侧视示意图；

图5是不同转向可重叠多旋翼无人机的俯视局部放大图；

图6是不同转向可重叠多旋翼无人机的三维局部放大图；

图7是不同转向可重叠多旋翼无人机扇叶的投影重叠区域示意图；

图8是不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统的优化设计程序框图；

图9是CFD计算的滑移网格示例；

图10是CFD计算的单旋翼涡量等值面图；

图11是CFD计算的截面1上不同转速的上下旋翼涡量云图；

图12是CFD计算的截面2上不同转速的上下旋翼涡量云图；

图13是CFD计算的截面3上不同转速的上下旋翼涡量云图。

图中：1、桨叶；1A、第一组朝上且从上侧看为顺时针旋转的同向转动扇叶；1B、第二组朝下且从上侧看为逆时针旋转的同向转动扇叶；2、电机；3、支撑杆；4、支架及能源、控制系统。

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，旨在用于解释本发明，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，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1～图4所示，本实施例中的不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统，包括支架和两组旋翼结构；每组旋翼结构包括四个旋翼、驱动桨叶旋转的电机以及连接支架的支撑杆；每个旋翼采用一对桨叶；所述支架内具有能源模块，能够为所述电机提供驱动能源。

第一组旋翼结构中的桨叶朝上，且桨叶旋转方向为俯视观察时顺时针旋转，第二组旋翼结构中的桨叶朝下，且桨叶旋转方向为俯视观察时逆时针旋转。两组旋翼结构的桨叶间隔分布，同组间桨叶间隔90°，不同组间桨叶的最小间隔为45°。相邻桨叶的旋转面投影区域之间具有重叠区域，重叠区域的位置和重叠面积经过优化设计，具有最优的增升效果。本实施例中，相邻桨叶的旋转面投影区域之间的重叠区域呈现叶片状，优化后的面积为12.5cm

两组旋翼结构中的桨叶转速不同，其中所述第一组旋翼结构的桨叶转速高于所述第二组旋翼结构的桨叶转速。转速经由优化程序设计，保证其具有更大的升力。

此外，两组旋翼结构中的桨叶旋转面的高低差经过优化设计实现增升。本实施例中该高低差通过支撑杆的指向实现。支撑杆3的长度为26.34cm，呈圆柱状，同时为了减轻飞机重量将内部挖空，外径为2.5cm，内径为2.1cm，壁厚0.2cm；同时扇叶间的高低差通过支撑杆3同水平面的夹角来改变，支撑杆3同水平面的夹角同样经过设计，支撑所述第一组旋翼结构的支撑杆3同水平面夹角为15°，支撑所述第二组旋翼结构的支撑杆3同水平面夹角为10°。

对于每个旋翼的桨叶而言，桨叶的叶型及安装角经过优化设计，在旋转过程中具有很大的升力。本实施例中，扇叶1的展长为20.53cm，平均气动弦长为1.85cm，安装角为前缘向下倾斜5°。

本实施例中支架及支架内的能源、控制系统，在设计过程中同时考虑了结构强度和飞行载荷的平衡，进行了一些结构重量的优化，保证最大的飞行效率。

本实施例中的优化设计分为两部分，分别为旋翼空间位置设计模块和旋翼效率优化模块。旋翼空间位置设计模块由基础的单旋翼构型作为开始的输入，通过复制平移形成具有上下旋翼的旋翼结构系统基础构型，其中设置所述重叠区域的位置和面积、两组旋翼结构中的桨叶转速、以及两组旋翼结构中的桨叶旋转面高低差作为设计参数，以旋翼结构系统的升力指标和升力约束进行旋翼空间位置优化设计，将满足的旋翼空间位置设计结果作为中间结果。将得到的旋翼空间位置设计结果输入旋翼效率优化模块，以单个旋翼的扭转分布作为设计参数，保持升力约束指标，通过优化设计，得到旋翼结构系统升力最优的旋翼扭转分布设计结果。该优化结果综合旋翼空间位置和扭转分布多种因素达到最优的升力效果。

本实施例提出的不同转向的多旋翼无人机重叠式旋翼结构系统，具有两组旋翼结构，两组旋翼结构的桨叶朝向和旋转方向不同，且旋转面的投影区域具有重叠，通过CFD计算以及气动优化结构系统保证重叠区域存在着高升力产生，提高了多旋翼无人机周围的空间利用率，以及增加多个旋翼相互作用的整体升力效率。该结构系统具有成本低、通用性强的特点，可以为其他多旋翼无人机的旋翼设计提供一种可靠性强、实用价值高的设计方案。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。