[发明专利]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

说明书

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。

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12.5cm²。

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