CN102501968A - 涵道共轴直升机操纵机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涵道共轴直升机操纵机构，旨在解决涵道共轴直升机的飞行耦合问题，实现通过单输入得到单输出的操纵效果。本操纵机构采用上下旋翼系统分布在机身中部，上下旋翼各三个操纵通道，比普通涵道共轴直升机多两个通道，该六个操纵通道分别是总距同步操纵、总距差动操纵、纵向周期变矩同步操纵、纵向周期变矩差动操纵、横向周期变矩同步操纵、横向周期变矩差动操纵，可以单独控制飞行器的前向速度、侧向速度、垂向速度、俯仰角、滚转角、和航向角。本操纵机构利用对称性抵消操纵引起的耦合，实现解耦操纵，具有该解耦操纵系统的飞行器，通过六自由度的操纵方式，解决了欠输入多输出的控制耦合问题，使得飞行器的操纵更加简单。该操纵机构在军事和民用领域都有广阔的应用前景。

Description

涵道共轴直升机操纵机构

所属技术领域

本发明设计涉及涵道飞行器、共轴直升机等旋翼飞行器的操纵机构，尤其涉及涵道共轴直升机操纵机构。

背景技术

近些年来无人机得到了迅猛的发展，特别是采用轴对称布局的共轴式无人直升机。共轴双旋翼直升机由于没有尾桨，运动和动力耦合小，飞控系统容易实现，同时其具有较高的悬停效率、结构紧凑，因此无人直升机很多采用共轴式布局。而近期出现的共轴式无人直升机中，轴对称外形的涵道式共轴无人直升机也得到较大发展。涵道式布局的特点为：旋翼被包于涵道内，可以对旋翼起很好的保护作用，而且涵道可以提供附加的升力，提高了气动效率。而且涵道式布局使得旋翼的噪声小，安全性好，适合于复杂条件下起降。如美国西科斯基公司在结合ABC旋翼和涵道尾桨的基础上，研制高性能涵道共轴无人直升机Cypher。

国内外的直升机包括涵道共轴直升机都采用四通道操纵方式。而通过四通道操纵飞行器的六个自由度必将引起耦合。目前的解决办法是通过计算机控制系统进行解耦。由于直升机飞行原理复杂，飞行环境变化多样，因此这种控制系统解耦的方法难度交大，效果并不理想。

发明内容

本发明所要解决的问题就是解决涵道共轴直升机的飞行耦合问题，实现通过单输入得到单输出的操纵效果。

众所周知，直升机的操纵存在较大耦合关系，比如当提高旋翼总距时，由于反扭距的增加使得直升机的航向发生变化，形成了垂向速度和航向的耦合。飞行员需要采取措施调整航向。而调整航向的同时又会引起侧向速度的变化。形成航向与侧向速度的耦合。侧向速度的调整又会引起总距的调整等。这些耦合关系增加了直升机的操纵复杂程度。若能有效的解决这些耦合关系将简化操纵，提高飞行安全系数，增加飞行舒适感。

本发明依据涵道共轴直升机的特殊构型，设计了独特的六通道操纵机构，通过机械结构实现了从根本上解决直升机的耦合问题。使得飞行器的操纵更加简单，无人机飞行控制系统的设计更加容易。

本发明所采用的技术方案为，一种涵道共轴直升机的操纵机构，包括上旋翼系统、下旋翼系统、连接块和撑杆，其中，所述上旋翼系统包括桨毂、桨叶、第一连杆、摇臂组件、自动倾斜器、第二连杆、上支撑座、舵机座、舵机、滑道、电机、大齿盘、小齿轮、旋翼轴，所述小齿轮与所述电机相互啮合，所述大齿盘与所述小齿轮连接，所述旋翼轴一端与所述大齿盘连接，另一端与所述桨毂连接，所述舵机通过所述舵机座固定在所述桨毂下方，所述上支撑座设置在所述舵机座上方，所述滑道设置在所述上支撑座之上，所述自动倾斜器上有动环和不动环，所述不动环上设有杆状物，所述杆状物伸入所述滑道中，所述舵机通过所述第二连杆与所述自动倾斜器上的不动环连接，所述桨毂通过所述第一连杆与自动倾斜器上的动环连接，所述摇臂组件一端与所述自动倾斜器的动环连接，另一端与所述桨毂连接，所述桨叶设置在所述桨毂上；所述下旋翼系统与所述上旋翼系统结构相同，桨叶旋转方向相反；所述上旋翼系统与所述下旋翼系统通过所述连接块相互连接，并通过所述撑杆与机身连接；所述上、下旋翼系统各有三个舵机、三个第二连杆、三个第一连杆、三个桨毂和三个桨叶，均匀分布，构成六个操纵通道。

本发明操纵机构的操纵方法，包括上下旋翼总距同步操纵、上下旋翼差动操纵、纵向周期变矩同步操纵、横向周期变矩同步操纵、纵向周期变矩差动操纵、横向周期变矩差动操纵，具体为：

（1）上下旋翼总距同步操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环向上，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器同步向上，此时，上、下旋翼系统力矩相互抵消，产生合力变化量，直升机改变垂向速度；

（2）上下旋翼差动操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环向上，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环反向向下，此时上下旋翼合力不变，产生力矩变化量，此时直升机只改变航向；

（3）纵向周期变矩同步操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环同步倾斜，上旋翼拉力与下旋翼拉力的合力方向发生变化，即前倾，上旋翼力矩与下旋翼力矩相互抵消，此时，直升机只改变前向速度；

（4）横向周期变矩同步操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环同步倾斜，上旋翼拉力与下旋翼拉力的合力方向发生变化，即侧倾，上旋翼力矩与下旋翼力矩相互抵消，此时，直升机只改变侧向速度；

（5）纵向周期变矩差动操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环反向倾斜，上旋翼拉力与下旋翼拉力的合力方向不改变，而上旋翼力矩与下旋翼力矩的合力矩发生变化，产生俯仰力矩，此时，直升机只改变俯仰姿态；

（6）横向周期变矩差动操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环反向倾斜，上旋翼拉力与下旋翼拉力的合力方向不改变，而上旋翼力矩与下旋翼力矩的合力矩发生变化，产生滚转力矩，因此此时，直升机只改变滚转姿态。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

    （1）本操纵机构利用对称性抵消操纵引起的耦合，实现解耦操纵，通过六自由度的操纵方式，实现完全解耦的操纵系统，解决了欠输入多输出的控制耦合问题，使得飞行器的操纵更加简单，无人机飞行控制系统的设计更加容易。

    （2）具有解耦操纵系统的飞行器具有普通飞行器无法实现的飞行能力，增强了飞行器的功能，使得其应用范围更加广泛。

    （3）通过结构优化设计，使得共轴涵道直升机结构极其紧凑，有效缩小了上下旋翼间距，减少旋翼之间的气动干扰。

 

附图说明

图1为操纵机构主视图；

图2为操纵机构俯视图；

图3为操纵机构轴式图；

图4为总距同步操纵原理图；

图5为总距差动操纵原理图；

图6为纵、横向周期变距同步操纵原理图；

图7为纵、横向周期变距差动操纵原理图。

其中：1、桨毂，2、桨叶，3、第一连杆，4、摇臂组件，5、自动倾斜器，6、第二连杆，7、上支撑座，8、舵机座，9、舵机，10、滑道，11、电机，、12、大齿盘，13、小齿盘，14、连接块，15、撑杆，16、旋翼轴； 

F1、上旋翼拉力，F2、下旋翼拉力，ΔF、上旋翼拉力与下旋翼拉力合力变量， M1、上旋翼力矩，M2、下旋翼力矩，ΔM、上旋翼力矩与下旋翼力矩合力矩变量。

 

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的优选实施方式：

如图1至图3所示，一种涵道共轴直升机的操纵机构，包括上旋翼系统、下旋翼系统、连接块14和撑杆15，其中，所述上旋翼系统包括桨毂1、桨叶2、第一连杆3、摇臂组件4、自动倾斜器5、第二连杆6、上支撑座7、舵机座8、舵机9、滑道10、电机11、大齿盘12、小齿轮13、旋翼轴16，所述小齿轮13与所述电机11连接，所述大齿盘12与所述小齿轮13相互啮合，所述旋翼轴16一端与所述大齿盘12连接，另一端与所述桨毂1连接，所述舵机9通过所述舵机座8固定在所述桨毂1下方，所述上支撑座7设置在所述舵机座8上方，所述滑道10设置在所述上支撑座7之上，所述自动倾斜器5上有动环和不动环，所述不动环上设有杆状物，所述杆状物伸入所述滑道10中，所述舵机9通过所述第二连杆6与所述自动倾斜器5上的不动环连接，所述桨毂1通过所述第一连杆3与自动倾斜器5上的动环连接，所述摇臂组件4一端与所述自动倾斜器5的动环连接，另一端与所述桨毂1连接，所述桨叶2设置在所述桨毂1上，所述舵机9、第二连杆6、第一连杆3、桨毂1和桨叶2均有三个，构成三个操纵通道；所述下旋翼系统与所述上旋翼系统结构相同，桨叶旋转方向相反；所述上旋翼系统与所述下旋翼系统通过所述连接块14相互连接，并通过所述撑杆15与机身连接。

所述上下旋翼系统，对称的分布在机身中部，整体重心位于上下旋翼中部，上旋翼为右旋旋翼，下旋翼为左旋旋翼。

图4至图7所示，为涵道共轴旋翼操纵原理图。如图4中，当上下旋翼总距同步操纵时：操纵上旋翼3个舵机，使自动倾斜器不动环向上，操纵下旋翼上3个舵机使自动倾斜器同步向上，上下旋翼力矩相互抵消，合力变化量为ΔF。此时直升机改变垂向速度。

如图5中，当上下旋翼差动操纵时：操纵上旋翼3个舵机，使自动倾斜器不动环向上，操纵下旋翼上3个舵机使自动倾斜器不动环反响向下，此时上下旋翼合力不变，力矩变化量为ΔM，此时直升机只改变航向。

如图6中纵向周期变矩同步操纵时：操纵上旋翼3个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼3个舵机，使自动倾斜器不动环同步倾斜，上旋翼拉力F1与下旋翼拉力F2的合力方向发生变化（前倾），上旋翼力矩M1与下旋翼力矩M2相互抵消，因此只改变前向速度。同样横向周期变矩同步操纵时，上旋翼拉力F1与下旋翼拉力F2的合力方向发生变化（侧倾），上旋翼力矩M1与下旋翼力矩M2相互抵消，因此只改变侧向速度。

如图7中，当纵向周期变矩差动操纵时：操纵上旋翼3个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼3个舵机，使自动倾斜器不动环反向倾斜，上旋翼拉力F1与下旋翼拉力F2的合力方向不改变，而上旋翼力矩M1与下旋翼力矩M2的合力矩发生变化（俯仰力矩），因此只改变俯仰姿态。同样横向周期变矩差动操纵时，上旋翼拉力F1与下旋翼拉力F2的合力方向不改变，而上旋翼力矩M1与下旋翼力矩M2的合力矩发生变化（滚转力矩），因此只改变滚转姿态。

Claims (2)

1.一种涵道共轴直升机的操纵机构，包括上旋翼系统、下旋翼系统、连接块（14）和撑杆（15），其中，所述上旋翼系统包括桨毂（1）、桨叶（2）、第一连杆（3）、摇臂组件（4）、自动倾斜器（5）、第二连杆（6）、上支撑座（7）、舵机座（8）、舵机（9）、滑道（10）、电机（11）、大齿盘（12）、小齿轮（13）、旋翼轴（16），所述小齿轮（13）与所述电机（11）连接，所述大齿盘（12）与所述小齿轮（13）相互啮合，所述旋翼轴（16）一端与所述大齿盘（12）连接，另一端与所述桨毂（1）连接，所述舵机（9）通过所述舵机座（8）固定在所述桨毂（1）下方，所述上支撑座（7）设置在所述舵机座（8）上方，所述滑道（10）设置在所述上支撑座（7）之上，所述自动倾斜器（5）上有动环和不动环，所述不动环上设有杆状物，所述杆状物伸入所述滑道（10）中，所述舵机（9）通过所述第二连杆（6）与所述自动倾斜器（5）上的不动环连接，所述桨毂（1）通过所述第一连杆（3）与自动倾斜器（5）上的动环连接，所述摇臂组件（4）一端与所述自动倾斜器（5）的动环连接，另一端与所述桨毂（1）连接，所述桨叶（2）设置在所述桨毂（1）上；所述下旋翼系统与所述上旋翼系统结构相同，桨叶旋转方向相反；所述上旋翼系统与所述下旋翼系统通过所述连接块（14）相互连接，并通过所述撑杆（15）与机身连接；其特征在于：所述上、下旋翼系统各有三个舵机（9）、三个第二连杆（6）、三个第一连杆（3）、三个桨毂（1）和三个桨叶（2），均匀分布，构成六个操纵通道。

2. 如权利要求1所述的涵道共轴直升机的操纵机构的操纵方法，包括上下旋翼总距同步操纵、上下旋翼差动操纵、纵向周期变矩同步操纵、横向周期变矩同步操纵、纵向周期变矩差动操纵、横向周期变矩差动操纵，该方法的特征在于：

（1）上下旋翼总距同步操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环向上，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器同步向上，此时，上、下旋翼系统力矩相互抵消，产生合力变化量（ΔF），直升机改变垂向速度；

（2）上下旋翼差动操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环向上，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环反向向下，此时上下旋翼合力不变，产生力矩变化量（ΔM），此时直升机只改变航向；

（3）纵向周期变矩同步操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环同步倾斜，上旋翼拉力（F1）与下旋翼拉力（F2）的合力方向发生变化，即前倾，上旋翼力矩（M1）与下旋翼力矩（M2）相互抵消，此时，直升机只改变前向速度；

（4）横向周期变矩同步操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环同步倾斜，上旋翼拉力（F1）与下旋翼拉力（F2）的合力方向发生变化，即侧倾，上旋翼力矩（M1）与下旋翼力矩（M2）相互抵消，此时，直升机只改变侧向速度；

（5）纵向周期变矩差动操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环反向倾斜，上旋翼拉力（F1）与下旋翼拉力（F2）的合力方向不改变，而上旋翼力矩（M1）与下旋翼力矩（M2）的合力矩发生变化，产生俯仰力矩，此时，直升机只改变俯仰姿态；

（6）横向周期变矩差动操纵：操纵上旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环倾斜，操纵下旋翼系统中的三个舵机，使自动倾斜器不动环反向倾斜，上旋翼拉力（F1）与下旋翼拉力（F2）的合力方向不改变，而上旋翼力矩（M1）与下旋翼力矩（M2）的合力矩发生变化，产生滚转力矩，因此此时，直升机只改变滚转姿态。

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