CN103318407A - 一种共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，包括主要包括自上向下依次配合装配的旋翼系统、操纵系统和传动系统，所述操纵系统与飞行控制中心通信连接。本发明所述共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，可以克服现有技术中结构复杂、自由操作难度大、控制效率低和阻力大等缺陷，以实现结构简单、自由操作难度小、控制效率高和阻力小的优点。

Description

一种共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统

技术领域

本发明涉及航空飞行器技术领域，具体地，涉及一种共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统。

背景技术

目前，世界上拥有共轴双旋翼无人直升机的国家有俄罗斯、美国、意大利和中国，有人直升机上驾驶员通过操纵杆及脚蹬，以机械的方式完成对直升机的操纵。与有人直升机相比，无人直升机使用舵机代替驾驶员进行操纵，舵机接收的指令来自安装在直升机上的飞行控制系统。

参见图1，传统的共轴双旋翼直升机上下旋翼的操纵系统，包括第一支座1，安装在第一支座1上的滑轮式转盘，在第一支座1和滑轮式转盘之间对称地设有一对变距拉杆(如变距拉杆2)，在第一支座1的两端对称地设有一对过渡摇臂(如过渡摇臂3)，在第一支座1的下方依次配合安装有上自动倾斜器4和第二支座6。在第二支座6的下方配合安装有下自动倾斜器7，在下自动倾斜器7的下方依次配合安装有撑杆5、航向操作滑环9、航向距杆8、总距套筒13和外轴14，在撑杆5的一侧安装有纵向舵机10，在航向距杆8的端部安装有航向舵机12，在总距套筒13的一侧依次配合安装有总距机11和总距舵机16，在内轴14内部轴向套装有内轴15。

参见图2，传统的共轴双旋翼直升机上下旋翼的操纵系统，采用机械联动的方式完成，上倾斜器(如图2中的上倾斜器1)通过连杆(如图2中的上下倾斜器连杆2)与下倾斜器(如图2中的下倾斜器3)相连，驾驶员或者舵机能够直接操纵的仅有下倾斜器。

传统的共轴双旋翼直升机操纵系统有如下缺点：

(1)结构复杂，对上旋翼的操纵需要通过中间连杆才能进行，中间连杆支撑在下倾斜器上，且必须随下旋翼一起旋转，这使得下倾斜器的设计复杂。

(2)由于机械关联，上下旋翼操纵是耦合的，限制了上旋翼的自由操纵。

(3)由于机械关联的复杂性，航向操纵一般采用半差动，即航向控制时仅对下旋翼变化总距，使得上下旋翼扭矩不平衡，从而使得直升机改变航向，由于下旋翼总距变化引起的气动变化，再由同时对上下旋翼进行总距操纵进行补偿。相对于全差动航向控制而言，半差动航向控制效率较低。

(4)操纵系统完全暴露，难以进行整流，在直升机大速度前飞时引起的阻力较大。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在结构复杂、自由操作难度大、控制效率低和阻力大等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，以实现结构简单、自由操作难度小、控制效率高和阻力小的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，主要包括自上向下依次配合装配的旋翼系统、操纵系统和传动系统，操纵系统与飞行控制中心通信连接。

进一步地，所述旋翼系统，包括旋翼轴，安装在所述旋翼轴上方的上旋翼桨叶，以及安装在所述旋翼轴下方的下旋翼桨叶；所述下旋翼桨叶配合安装在操纵系统上。

进一步地，所述操纵系统，包括自上向下依次连接在旋翼系统与操纵系统之间的下旋翼控制机构和上旋翼控制机构；所述下旋翼控制机构与下旋翼桨叶连接，上旋翼控制机构与上旋翼桨叶连接。

进一步地，所述下旋翼控制机构，包括与所述旋翼轴中连接下旋翼桨叶的外旋翼轴连接的连杆，连接在所述连杆两端的下倾斜盘内环和下旋翼桨叶变距摇臂，与所述下倾斜盘内环通过轴承连接的下倾斜盘外环，与所述下倾斜盘外环连接的下旋翼控制舵机；所述下倾斜盘外环为不动环，不随着外旋翼轴转动；下倾斜盘内环随着外旋翼轴转动。

进一步地，所述下旋翼控制舵机，包括减速箱，以及按照120°均布在减速箱周围的下旋翼第一控制舵机、下旋翼第二控制舵机和下旋翼第三控制舵机；所述下旋翼第一控制舵机、下旋翼第二控制舵机和下旋翼第三控制舵机的一端，分别连接在所述减速箱上。

进一步地，所述上旋翼控制机构，包括与所述旋翼轴中连接上旋翼桨叶的内旋翼轴连接的连杆，连接在所述连杆两端的上倾斜盘内环和上旋翼桨叶变距摇臂，与所述上倾斜盘内环通过轴承连接的上倾斜盘外环，与所述上倾斜盘外环连接的上旋翼控制舵机；所述上倾斜盘外环为不动环，不随着内旋翼轴转动；上倾斜盘内环随着外旋翼轴转动。

进一步地，上旋翼控制机构，还包括用于支撑所述上旋翼桨叶变距摇臂的下支撑座。

进一步地，所述上旋翼控制舵机，包括减速箱，以及按照120°均布在减速箱周围的上旋翼第一控制舵机、上旋翼第二控制舵机和上旋翼第三控制舵机；所述上旋翼第一控制舵机、上旋翼第二控制舵机和上旋翼第三控制舵机的一端，分别连接在所述减速箱上。

进一步地，所述传动系统，包括与所述上旋翼桨叶变距摇臂连接的拉杆，与所述拉杆连接的摇臂，以及上端与所述摇臂连接、下端与所述上倾斜盘外环连接的长拉杆。

进一步地，所述传动系统，还包括用于支撑所述摇臂的上支撑座。

本发明各实施例的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，由于包括主要包括自上向下依次配合装配的旋翼系统、操纵系统和传动系统，操纵系统与飞行控制中心通信连接；可以简化共轴式双旋翼直升机的操纵系统，使得能够对上下旋翼进行独立的控制，解决传统共轴双旋翼直升机操纵系统的缺点；从而可以克服现有技术中结构复杂、自由操作难度大、控制效率低和阻力大的缺陷，以实现结构简单、自由操作难度小、控制效率高和阻力小的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为传统共轴式无人直升机操纵系统的结构示意图；

图2为上下旋翼机械联动结构示意图；

图3为共轴式直升机旋翼系统、操纵系统、传动系统的组合结构示意图；

图4为共轴式直升机操纵系统的结构示意图；

图5为下支撑座的结构示意图；

图6为上支撑座的结构示意图；

图7为舵机在减速箱上安装结构的俯视图。

结合附图1，本发明实施例中附图标记如下：

1-第一支座(滑轮式转盘)；2-变距拉杆；3-过渡摇臂；4-上自动倾斜器；5-撑杆；6-第二支座；7-下自动倾斜器；8-航向距杆；9-航向操作滑环；10-纵向舵机；11-总距机；12-航向舵机；13-总距套筒；14-外轴；15-内轴；16-总距舵机。

结合附图2，本发明实施例中附图标记如下：

1-上倾斜器；2-上下倾斜器连杆；3-下倾斜器。

结合附图3，本发明实施例中附图标记如下：

1-下旋翼控制舵机；1_1-下旋翼第一个控制舵机；1_2-下旋翼第二个控制舵机；1_3-下旋翼第三个控制舵机；2-下倾斜盘外环；3-下倾斜盘内环；4-连杆；5-下旋翼桨叶变距摇臂；6-外旋翼轴；7-上旋翼控制舵机；7_1-上旋翼第一个控制舵机；7_2-上旋翼第二个控制舵机；8-上倾斜盘外环；9-上倾斜盘内环；10-连杆；11-上旋翼桨叶变距摇臂；12-下支撑座；19-下旋翼桨叶；20-上旋翼桨叶。

结合附图4，本发明实施例中附图标记如下：

10-连杆；11-摇臂；12-内旋翼轴；13-长拉杆；14-摇臂；15-上支撑座；16-拉杆；17-上旋翼桨叶变距摇臂。

结合附图5，本发明实施例中附图标记如下：

10-连杆；11-摇臂；12-内旋翼轴；13-长拉杆。

结合附图6，本发明实施例中附图标记如下：

14-摇臂；15-上支撑座；16-拉杆。

结合附图7，本发明实施例中附图标记如下：

1-舵机；7-舵机；7_3-上旋翼第三个控制舵机；18-减速箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为了克服现有技术的不足，根据本发明实施例，如图3-图7所示，提供了一种共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，简化了共轴式双旋翼直升机的操纵系统，使得能够对上下旋翼进行独立的控制，从而解决了传统共轴双旋翼直升机操纵系统的缺点。

参见图3-图7，本实施例的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，主要构成如下：

下旋翼控制舵机1连接下倾斜盘外环2，下倾斜盘内环3通过连杆4与桨叶变距摇臂5相连，下倾斜盘外环2不随着外旋翼轴6转动，下倾斜盘内环3随着外旋翼轴6转动，下倾斜盘不动环(即下倾斜盘外环2)与下倾斜盘内环3通过轴承连接。

上旋翼控制舵机7与上倾斜盘外环8连接，上倾斜盘内环9通过连杆10与摇臂11相连，上倾斜盘外环8不随着内旋翼轴12转动，上倾斜盘内环9随着内旋翼轴12转动，上倾斜盘不动环8与上倾斜盘内环9通过轴承连接，摇臂11支撑在下支撑座12上，与长拉杆13相连，长拉杆13上端与摇臂14相连，摇臂14支撑在上支撑座15上，摇臂14与拉杆16相连，拉杆16与上旋翼变距摇臂17相连。

参见图7，下旋翼控制舵机1和上旋翼控制舵机7均有3个，按照120°均布在减速箱18周围，一端连接在减速箱18上。

上述实施例共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统的几种典型控制案例，具体如下：

(一)总距增加的控制

下旋翼控制舵机1和上旋翼控制舵机7收到飞行控制系统发来的增加总距的信号之后(例如爬升)：

下旋翼控制舵机1缩短，带动下倾斜盘外环2向下运动，从而带动下倾斜盘内环3向下运动，下倾斜盘内环3带动拉杆4向下运动，从而带动桨叶变距摇臂5的端部向下运动，使得下旋翼桨叶19的几何迎角增加，从而使得下旋翼桨叶19产生的气动力增加。

上旋翼控制舵机7缩短，带动上倾斜盘外环8向上运动，从而带动上倾斜盘内环9向上运动，上倾斜盘内环9带动拉杆10向上运动，拉杆10带动摇臂11绕下支撑座12转动，从而带动长拉杆13向下运动，长拉杆13带动摇臂14绕上支撑座15转动，从而带动拉杆16向上运动，拉杆16带动变距摇臂17的端部向上运动，从而使得上旋翼桨叶20的几何迎角增加，从而使得桨叶产生的气动力增加。

这样就通过下旋翼控制舵机1和上旋翼控制舵机7同时使得下旋翼桨叶19和上旋翼桨叶20的几何迎角同时增加，完成了总距增加的控制。

(二)总距减少的控制

下旋翼控制舵机1和上旋翼控制舵机7收到飞行控制系统发来的减少总距的信号(例如下降)后：

下旋翼控制舵机1伸长，带动下倾斜盘外环2向上运动，从而带下动倾斜盘内环3向上运动，下倾斜盘内环3带动拉杆4向上运动，从而带动变距摇臂5的端部向上运动，使得下旋翼桨叶19的几何迎角减小，从而使得下旋翼桨叶19产生的气动力减小。

上旋翼控制舵机7伸长，带动上倾斜盘外环8向下运动，从而带动上倾斜盘内环9向下运动，上倾斜盘内环9带动拉杆10向下运动，拉杆10带动摇臂11绕下支撑座12转动，从而带动长拉杆13向上运动，长拉杆13带动摇臂14绕上支撑座15转动，从而带动拉杆16向下运动，拉杆16带动上旋翼桨叶变距摇臂17的端部向下运动，从而使得上旋翼桨叶20的几何迎角减小，从而使得上旋翼桨叶20产生的气动力减小。

这样就通过下旋翼控制舵机1和上旋翼控制舵机7同时使得下旋翼桨叶19和上旋翼桨叶20的几何迎角同时增加，完成了总距减小的控制。

(三)横向滚转控制

以向左滚转为例：

下旋翼控制舵机1和上旋翼控制舵机7收到飞行控制系统发来的向左滚转的信号后：

下旋翼第三个控制舵机1_3伸长，下旋翼第一个控制舵机1_1和下旋翼第二个控制舵机1_2缩短，从而带动下倾斜盘外环2向左侧方向倾斜(本实施例中关于前后左右的方向规定见图7)，从而带动下倾斜盘内环3向左侧方向倾斜，下倾斜盘内环3带动拉杆4运动，从而使得当旋翼桨叶转动经过前部区域时气动力减小，经过后部区域时气动力增加，由于桨叶的挥舞效应使得下旋翼桨盘向左侧倾斜。

上旋翼第一个控制舵机7_1和上旋翼第二个控制舵机7_2伸长，上旋翼第三个控制舵机7_3缩短，从而带动上倾斜盘外环8向左侧方向倾斜，从而带动上倾斜盘内环9向左侧方向倾斜，上倾斜盘内环9带动拉杆10运动，拉杆10带动摇臂11运动，摇臂11带动长拉杆13运动，长拉杆13再带动摇臂14运动，摇臂14带动拉杆16运动，从而使得当上旋翼桨叶转动经过前部区域时气动力减小，经过后部区域时气动力增加，由于桨叶的挥舞效应使得下旋翼桨盘向左侧倾斜。

上下旋翼同时向左侧倾斜，就产生了一个侧向力，使得直升机向左滚转，从而完成了向左的滚转控制。

向右滚转的控制与向左滚转的控制类似，只是舵机的控制信号相反。

(四)纵向滚转控制

以向前滚转为例：

下旋翼控制舵机1和上旋翼控制舵机7收到飞行控制系统发来的向前滚转的信号后：

下旋翼第二个控制舵机1_2伸长，下旋翼第一个控制舵机1_1缩短，下旋翼第三个控制舵机1_3保持不动。从而带动下倾斜盘外环2向前倾斜，从而带动下倾斜盘内环3向前倾斜，下倾斜盘内环3带动拉杆4运动，从而使得当旋翼桨叶转动经过右侧区域时气动力减小，经过左侧区域时气动力增加，由于桨叶的挥舞效应使得下旋翼桨盘向前倾斜。

上旋翼第二个控制舵机7_1伸长，上旋翼第二个控制舵机7_2缩短，上旋翼第三个控制舵机7_3保持不动。从而带动上倾斜盘外环8向前倾斜，从而带动上倾斜盘内环9向前倾斜，上倾斜盘内环9带动拉杆10运动，拉杆10带动摇臂11运动，摇臂11带动长拉杆13运动，长拉杆13再带动摇臂14运动，摇臂14带动拉杆16运动，从而使得当上旋翼桨叶转动经过右侧区域时气动力减小，经过左侧区域时气动力增加，由于桨叶的挥舞效应使得下旋翼桨盘向前倾斜。

上下旋翼同时向前倾斜，就产生了一个前向力，使得直升机向前滚转，从而完成了向前的滚转控制。

向后滚转的控制与向前滚转的控制类似，只是舵机的控制信号相反。

(五)航向控制

本实施例中，偏航控制是通过上下旋翼总距差动变化来实现的。本实施例中，由于上下旋翼可以独立地进行分控，可以采用效率较高的全差动控制方案对航向进行控制。以向左偏航为例：

下旋翼控制舵机1和上旋翼控制舵机7收到飞行控制系统发来的向左偏航的信号后：

下旋翼控制舵机1同时伸长，下旋翼总距减小，作用在下旋翼的气动力矩减小。上旋翼控制舵机7缩短，上旋翼总距增加，作用在上旋翼的气动力矩增加。由于下旋翼受到的气动力矩向右，上旋翼受到的气动力矩向左，由于向右的力矩减小，向左的力矩增加，直升机向左转动，从而完成了向左偏航的控制。

向右偏航的控制与向左偏航的控制方法一样，只是上下旋翼舵机控制信号相反。

上述实施例的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，使用三个舵机控制下旋翼倾斜盘外环的倾转，带动下旋翼倾斜盘内环倾转，内环通过连杆对桨叶的迎角进行控制，实现对下旋翼的总距、横向和纵向的控制；另外使用三个舵机控制上旋翼倾斜盘外环的倾转，带动上旋翼倾斜盘内环倾转，内环通过连杆带动长拉杆上下运动，长拉杆穿过内轴，带动连接在长拉杆上端的摇臂运动，摇臂再带动与其连接的连杆运动，由于连杆与上旋翼桨叶的变距摇臂相连，从而实现了对上旋翼桨叶迎角的控制，实现对上旋翼的总距、横向和纵向的控制。

本发明各实施例的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，简化了共轴式双旋翼直升机的操纵系统，上下旋翼的操纵系统之间没有机械关联，能够对上下旋翼进行独立的控制，上下旋翼分别使用三个舵机进行控制；下旋翼控制舵机通过伸长或缩短，使得下旋翼倾斜盘外环上下运动或倾斜，带动下旋翼倾斜盘内环上下运动或倾斜，内环通过连杆对桨叶的迎角进行控制，实现对下旋翼的总距、横向和纵向的控制；上旋翼控制舵机通过伸长或缩短，使得上旋翼倾斜盘外环上下运动或倾斜，带动上旋翼倾斜盘内环上下运动或倾斜，内环通过连杆带动位于上旋翼轴内的长拉杆上下运动，带动连接在长拉杆上端的摇臂运动，摇臂再带动与其连接的连杆运动，由于连杆与上旋翼桨叶的变距摇臂相连，从而实现了对上旋翼桨叶迎角的控制，实现对上旋翼的总距、横向和纵向的控制。该共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统的结构简单，控制效率高，非常适用于共轴双旋翼无人直升机的控制。

综上所述，本发明各实施例的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，采用分立控制方法，使得共轴式直升机的上下倾斜盘之间没有机械连接，上下倾斜盘分别使用舵机进行控制，其主要优点是：

(1)二者之间没有机械耦合关系，结构简单；

(2)由于舵机的控制信号来自飞行控制系统，因此根据信号的不同，可以对上下旋翼分别进行操纵，因此称为分立控制方法；由于没有机械耦合，控制的自由度很大；

(3)由于本发明中对上下旋翼进行独立的分立控制，航向控制采用效率较高的全差动控制，即上下旋翼的总距反向变化，从而产生扭矩差，使得直升机航向发生变化；相对于传统直升机半差动航向控制，全差动控制效率高，直升机升力变化小，有利于平稳控制；

(4)由于操纵系统机械上的简化，使得直升机在前飞时阻力较小，在同样的前飞速度下减小了发动机的功率消耗，在同样的发动机功率下，可以增加前飞速度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，主要包括自上向下依次配合装配的旋翼系统、操纵系统和传动系统，所述操纵系统与飞行控制中心通信连接。

2.根据权利要求1所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，所述旋翼系统，包括旋翼轴，安装在所述旋翼轴上方的上旋翼桨叶，以及安装在所述旋翼轴下方的下旋翼桨叶；所述下旋翼桨叶配合安装在操纵系统上。

3.根据权利要求2所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，所述操纵系统，包括自上向下依次连接在旋翼系统与操纵系统之间的下旋翼控制机构和上旋翼控制机构；所述下旋翼控制机构与下旋翼桨叶连接，上旋翼控制机构与上旋翼桨叶连接。

4.根据权利要求3所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，所述下旋翼控制机构，包括与所述旋翼轴中连接下旋翼桨叶的外旋翼轴连接的连杆，连接在所述连杆两端的下倾斜盘内环和下旋翼桨叶变距摇臂，与所述下倾斜盘内环通过轴承连接的下倾斜盘外环，与所述下倾斜盘外环连接的下旋翼控制舵机；所述下倾斜盘外环为不动环，不随着外旋翼轴转动；下倾斜盘内环随着外旋翼轴转动。

5.根据权利要求4所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，所述下旋翼控制舵机，包括减速箱，以及按照120°均布在减速箱周围的下旋翼第一控制舵机、下旋翼第二控制舵机和下旋翼第三控制舵机；所述下旋翼第一控制舵机、下旋翼第二控制舵机和下旋翼第三控制舵机的一端，分别连接在所述减速箱上。

6.根据权利要求3所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，所述上旋翼控制机构，包括与所述旋翼轴中连接上旋翼桨叶的内旋翼轴连接的连杆，连接在所述连杆两端的上倾斜盘内环和上旋翼桨叶变距摇臂，与所述上倾斜盘内环通过轴承连接的上倾斜盘外环，与所述上倾斜盘外环连接的上旋翼控制舵机；所述上倾斜盘外环为不动环，不随着内旋翼轴转动；上倾斜盘内环随着外旋翼轴转动。

7.根据权利要求6所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，上旋翼控制机构，还包括用于支撑所述上旋翼桨叶变距摇臂的下支撑座。

8.根据权利要求6或7所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，所述上旋翼控制舵机，包括减速箱，以及按照120°均布在减速箱周围的上旋翼第一控制舵机、上旋翼第二控制舵机和上旋翼第三控制舵机；所述上旋翼第一控制舵机、上旋翼第二控制舵机和上旋翼第三控制舵机的一端，分别连接在所述减速箱上。

9.根据权利要求8所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，所述传动系统，包括与所述上旋翼桨叶变距摇臂连接的拉杆，与所述拉杆连接的摇臂，以及上端与所述摇臂连接、下端与所述上倾斜盘外环连接的长拉杆。

10.根据权利要求9所述的共轴式双旋翼无人直升机操纵系统的分立控制系统，其特征在于，所述传动系统，还包括用于支撑所述摇臂的上支撑座。

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