CN102874405B - 一种微型单旋翼飞行器导流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型单旋翼飞行器导流控制方法，本发明的控制原理是利用导流片控制旋翼旋转产生的下洗气流，产生反扭矩配平及实现航向控制；即当旋翼旋转时产生的下洗气流流过导流片时，在水平面内导流片上产生绕旋转方向的力偶；当其与旋翼反向扭矩相等时，飞行器实现扭矩配平，机体不自转；当其与旋翼反扭矩不等时，机体旋转实现航向操纵；在微型单旋翼飞行器垂直起降、悬停和沿任意方向前飞时均可采用上述配平与航向控制方法；本发明的装置结构简单、紧凑，有利于微型化。

Description

一种微型单旋翼飞行器导流控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器领域，更具体的说，本发明涉及一种微型单旋翼飞行器导流控制方法。

背景技术

自上世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断提高，人们对动物飞行和游动机理的不断探索和深入了解，以及微电子技术的飞速发展，这些原理和技术正在应用于迅速发展起来的微型飞行器设计领域。微型飞行器在国家安全和国民经济建设等方面具有广泛的应用前景，可用于复杂环境条件下的侦察、通讯、勘探、协助救援等任务。

在已有的微型飞行器结构布局形式中，单旋翼布局的设计由于技术相对成熟，能够悬停并沿任意方向前飞而得到了广泛认同和应用。目前，基于一组单旋翼的设计均由于需要解决扭矩平衡的问题而导致飞行器结构尺寸相对较大，不利于进一步微型化发展。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微型单旋翼飞行器利用尾桨平衡扭矩而导致尺寸不易进一步微型化的问题，提出了一种微型单旋翼飞行器导流控制方法来平衡旋翼扭矩，实现航向操纵，并保持垂直起降、悬停和沿任意方向前飞的固有特性；通过对旋翼旋转产生的下洗气流的导流控制，改变导流片偏转角度产生扭矩，实现飞行器扭矩配平及航向控制。

一种微型单旋翼飞行器导流控制方法，具体如下：

微型飞行器在飞行过程中，导流片利用旋翼旋转产生的下洗气流，产生反扭矩配平及实现航向控制；即当旋翼旋转时产生的下洗气流流过导流片时，在水平面内导流片上产生绕旋转方向的力偶；当其与旋翼反向扭矩相等时，飞行器实现扭矩配平，机体不自转；当其与旋翼反扭矩不等时，机体旋转实现航向操纵；在微型单旋翼飞行器垂直起降、悬停和沿任意方向前飞时均可采用上述配平与航向控制方法。

应用于上述微型单旋翼飞行器导流控制方法的微型单旋翼飞行器，包括整流罩、机体壳、支撑杆、起落架、导流片、连接轴、平衡控制器、机体组件、旋翼、旋翼轴、上端盖和下端盖；

所述整流罩为圆筒型，在机体壳外侧，与机体壳同高、同轴；整流罩与机体壳通过顶端和底部两组沿整流罩直径方向布置的支撑杆固连；所述支撑杆共两组，每组两根，一组支撑杆位于整流罩顶部，一组支撑杆位于整流罩底部，四根支撑杆均位于同一竖直面内；所述起落架固定在整流罩底部，相互成为120°夹角；所述导流片为一对矩形薄板，位于整流罩与机体壳之间垂向中部，分别与两侧支撑杆成90°夹角；所述连接轴一端与导流片相连，另一端穿过机体壳通孔，与机体壳内的平衡控制器相连；所述平衡控制器控制导流片同向偏转以产生用于反扭矩配平和航向控制的力偶；机体组件包括传动机构、电机、电机控制器、电源，其中传动机构底部部分、电机、电机控制器、电源均固定在机体壳内部，传动机构顶部部分与旋翼及旋翼轴的顶端相连，旋翼轴的另一端与机体组件中的传动机构底部部分相连；所述机体壳与旋翼轴同轴，上下端分别由上端盖和下端盖覆盖。

本发明的优点在于：

（1）本发明中设计了一种采用导流片对微型单旋翼飞行器进行控制的方法，实现旋翼反扭矩配平和航向操纵，并保持飞行器垂直起降、悬停与沿不同方向前飞的能力不变；

（2）本发明中设计了一种采用导流片对微型单旋翼飞行器进行控制的方法，使应用此控制方法的微型单旋翼飞行器结构紧凑，有利于微型化。

附图说明

图1是利用本发明一种微型单旋翼飞行器导流控制方法的微型单旋翼飞行器的正视图；

图2是利用本发明一种微型单旋翼飞行器导流控制方法的微型单旋翼飞行器的俯视图；

图中：

1-整流罩        2-机体壳         3-支撑杆            4-起落架

5-导流片        6-连接轴         7-平衡控制器        8-机体组件

9-旋翼          10-旋翼轴        11-上端盖           12-下端盖

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示的实施例，为应用本发明控制方法进行扭矩配平和航向控制的微型单旋翼飞行器，包括整流罩1、机体壳2、支撑杆3、起落架4、导流片5、连接轴6、平衡控制器7、机体组件8、旋翼9、旋翼轴10、上端盖11和下端盖12。

所述整流罩1为圆筒型，在机体壳2外侧，与机体壳2同高、同轴；整流罩1与机体壳2通过顶端和底部两组沿整流罩1直径方向布置的支撑杆3固连；所述支撑杆3共两组，每组两根，一组支撑杆3位于整流罩1顶部，另一组支撑杆3位于整流罩1底部，四根支撑杆3均位于同一竖直面内（顶部的两根支撑杆3共线，沿直径方向对称布置；底部的两根支撑杆3也共线，同样沿直径方向对称布置，此时，上下两组支撑杆3的位置关系就靠顶部的支撑杆3连线与底部的支撑杆3连线共面（竖直面）保证）；所述起落架4固定在整流罩1底部，相互成为120°夹角。

所述导流片5为一对矩形薄板，位于整流罩1与机体壳2之间垂向中部，分别与两侧支撑杆3成90°夹角；所述连接轴6一端与导流片5相连，另一端穿过机体壳2通孔，与机体壳2内的平衡控制器7相连；所述平衡控制器7控制导流片5同向偏转以产生用于反扭矩配平和航向控制的力偶。

所述旋翼9、旋翼轴10、机体组件8（传动机构、电机、电机控制器、电源）与现有带尾桨的微型单旋翼飞行器相同；机体组件8包括传动机构、电机、电机控制器、电源，其中传动机构底部部分、电机、电机控制器、电源均固定在机体壳2内部，传动机构顶部部分与旋翼9及旋翼轴10的顶端相连，旋翼轴10的另一端与机体组件8中的传动机构底部部分相连，机体组件各部分之间以及机体组件与旋翼、旋翼轴的连接方式和控制方式与现有带尾桨的微型单旋翼飞行器相同。

所述机体壳2与旋翼轴10同轴，上下端分别由上端盖11和下端盖12覆盖。

所述的平衡控制器7采用微型控制舵机。

本发明的一种微型单旋翼飞行器导流控制方法，具体如下：

微型飞行器在飞行过程中，导流片5利用旋翼9旋转产生的下洗气流，产生反扭矩配平及实现航向控制；即当旋翼9旋转时产生的下洗气流流过导流片5时，在水平面内导流片5上产生绕旋转方向的力偶；当其与旋翼9反向扭矩相等时，飞行器实现扭矩配平，机体不自转；当其与旋翼9反扭矩不等时，机体旋转实现航向操纵；在微型单旋翼飞行器垂直起降、悬停和沿任意方向前飞时均可采用上述配平与航向控制方法。

本发明的一种微型单旋翼带飞行器导流控制方法，具体实现步骤如下:

（1）反扭矩配平

微型单旋翼飞行器在垂直起飞、悬停和沿不同方向前飞时，带反馈控制的平衡控制器7根据电机输出扭矩和旋翼下洗气流速度大小驱动导流片5同向偏转一定角度（该偏转角度小于30°），使导流片5上产生的力偶与旋翼9反扭矩相等，即实现扭矩配平，机体不自转。

（2）航向控制

微型单旋翼飞行器在垂直起飞、悬停和沿不同方向前飞时，带反馈控制的平衡控制器7根据电机输出扭矩、旋翼下洗气流速度及机身预期旋转角速度驱动导流片5同向偏转一定角度（该偏转角度小于30°），使导流片5上产生的力偶大于或小于旋翼9的反扭矩，使机体自转所需角度,然后再重复上述反扭矩配平控制，使机体不自转，即实现航向操纵。

实例中应用本发明控制方法进行扭矩配平和航向控制的微型单旋翼飞行器可通过以下步骤制造：

步骤一：制作机体壳2

如图1所示，机体壳2为圆筒型，与旋翼轴10同轴，机体壳2外壁直径和高度至少保证能够容纳机体组件8。机体壳2外壁用厚度为2mm的泡沫材料粘接而成。在机体壳2外壁竖直高度1/2处沿直径方向打一组圆孔，便于连接轴6通过；取一厚度2mm轻木板截取两个直径等于机体壳2内径的圆片，作为上端盖11及下端盖12，用于覆盖机体壳2上下端，根据机体壳2内旋翼轴10等部件的安装位置及尺寸要求适当在圆片上打孔、开槽。将机体壳2底部粘接下端盖12。

步骤二：改造带尾桨的单旋翼飞行器

将带尾桨的单旋翼飞行器的尾桨及尾部去除，保留原有的机体组件8（电源、传动机构、电机、电机控制器等）、旋翼9、旋翼轴10，并将原有机体组件8固定在机体壳2内，下端盖12上表面。

步骤三：制作整流罩1、支撑杆3及起落架4

整流罩1为圆筒型，与机体壳2同高，整流罩1外径介于旋翼9翼尖距旋转轴10中心距离的2/3与旋翼9展向长度。截取一段厚约2mm的矩形泡沫板，将其卷为圆柱形粘好作为整流罩1。取一段直径2mm碳纤维杆，截取等长四段，每段长度同整流罩1与机体壳2外壁间距，作为支撑杆3。取一段直径2mm细铝丝，截取等长三段，每段长约6cm。将每段铝丝折成“V”型，作为起落架4。

步骤四：制作导流片5及连接轴6，购置平衡控制器7

导流片5采用泡沫材料制作，并采用NACA0012翼型。连接轴6采用金属铝材料。将两块长方体的泡沫材料磨制出两个相同的带有NACA0012翼型的导流片5，导流片5沿轴向长度比支撑杆3长度短5mm，宽度为整流罩1高度的1/4。取一直径2mm铝丝，作为连接轴6。平衡控制器7采用市场上销售的常用、轻质、小体积的微型控制舵机。

步骤五：飞行器装配

将连接轴6一端与导流片5的一端连接，另一端穿过机体壳1中部所开通孔，当导流片5靠近机体壳1外壁的一端与机体壳1外壁间距约2mm时，利用热缩橡胶管将连接轴6轴向固定。转动连接轴6使初始时导流片5竖直放置，此时将连接轴6末端与一个平衡控制器7相连，并将平衡控制器7固定在机体壳1外壁内，同样的方法对称安装另一侧的导流片5及平衡控制器7。将平衡控制器7电源线与机体组件8的电源相连。

将四根支撑杆3两端沿整流罩1直径方向分别水平粘接在整流罩1与机体壳2上，将二者固连，其中两根固定在整流罩1顶端，另外两根水平固定在整流罩1底部，四根支撑杆3固定后保持竖直共面。上下两组支撑杆3均与连接轴6所在直线正交。将机体壳2上端用上端盖11粘接。最后将三个起落架4一端固定在整流罩1底部，相互成120°夹角。

步骤六：飞行器试飞

在地面静止状态下，按照微型单旋翼飞行器原有垂直起飞、悬停及沿任一方向前飞的飞行控制方法，操作飞行器垂直起降、悬停或前飞。在上述飞行状态下，调节平衡控制器7驱动导流片5同向偏转一定角度，使导流片5上产生的力偶与旋翼9反扭矩相等，实现扭矩配平，机体不自转。在上述飞行状态下，如需转向，平衡控制器7驱动导流片5同向偏转一定角度，使导流片5上产生的力偶大于或小于旋翼9反扭矩，使机体自转所需角度，然后再重复上述扭矩配平控制，使机体不自转，即实现航向操纵。试飞完成后，垂直降落至地面即可。

Claims (3)

1.一种微型单旋翼飞行器导流控制方法，其特征在于，具体如下：

微型飞行器在飞行过程中，导流片利用旋翼旋转产生的下洗气流，产生反扭矩配平及实现航向控制；即当旋翼旋转时产生的下洗气流流过导流片时，在水平面内导流片上产生绕旋转方向的力偶；当其与旋翼反向扭矩相等时，飞行器实现扭矩配平，机体不自转；当其与旋翼反扭矩不等时，机体旋转实现航向操纵；在微型单旋翼飞行器垂直起降、悬停和沿任意方向前飞时均可采用上述配平与航向控制方法，所述导流片为一对矩形薄板，位于整流罩与机体壳之间垂向中部，分别与两侧支撑杆成90°夹角；

具体包括：

(1)反扭矩配平

微型单旋翼飞行器在垂直起飞、悬停和沿不同方向前飞时，带反馈控制的平衡控制器根据电机输出扭矩和旋翼下洗气流速度大小驱动导流片同向偏转一定角度，所述的偏转角度小于30°，使导流片上产生的力偶与旋翼反扭矩相等，即实现扭矩配平，机体不自转；

(2)航向控制

微型单旋翼飞行器在垂直起飞、悬停和沿不同方向前飞时，带反馈控制的平衡控制器根据电机输出扭矩、旋翼下洗气流速度及机身预期旋转角速度驱动导流片同向偏转一定角度，使导流片上产生的力偶大于或小于旋翼的反扭矩，使机体自转所需角度,然后再重复上述反扭矩配平控制，使机体不自转，即实现航向操纵。

2.应用于权利要求1所述一种微型单旋翼飞行器导流控制方法的微型单旋翼飞行器，其特征在于，包括整流罩、机体壳、支撑杆、起落架、导流片、连接轴、平衡控制器、机体组件、旋翼、旋翼轴、上端盖和下端盖；

所述整流罩为圆筒型，在机体壳外侧，与机体壳同高、同轴；整流罩与机体壳通过顶端和底部两组沿整流罩直径方向布置的支撑杆固连；所述支撑杆共两组，每组两根，一组支撑杆位于整流罩顶部，一组支撑杆位于整流罩底部，四根支撑杆均位于同一竖直面内；所述起落架固定在整流罩底部，相互成为120°夹角；所述导流片为一对矩形薄板，位于整流罩与机体壳之间垂向中部，分别与两侧支撑杆成90°夹角；所述连接轴一端与导流片相连，另一端穿过机体壳通孔，与机体壳内的平衡控制器相连；所述平衡控制器控制导流片同向偏转以产生用于反扭矩配平和航向控制的力偶；机体组件包括传动机构、电机、电机控制器、电源，其中传动机构底部部分、电机、电机控制器、电源均固定在机体壳内部，传动机构顶部部分与旋翼及旋翼轴的顶端相连，旋翼轴的另一端与机体组件中的传动机构底部部分相连；所述机体壳与旋翼轴同轴，上下端分别由上端盖和下端盖覆盖。

3.根据权利要求2所述的微型单旋翼飞行器，其特征在于，所述的平衡控制器采用微型控制舵机。