CN104210640B - 一种平流层浮空器矢量推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明从工程实际出发，利用现有推进技术，结合平流层浮空器工作环境，提出了一种可应用于各种布局平流层浮空器的简单、有效、可靠的全尺寸矢量推进装置。并利用现有无刷电机与数字舵机技术，结合平流层浮空器地面试验要求，提出了一种低成本、低结构载荷的平流层浮空器地面样机缩比矢量推进装置。详细结构见附图。装置共由三大部分组成，包括推进装置、矢量转动机构及其连接机构。其中，推进装置提供平面内推力，矢量转动机构提供平面内转向力矩。两者之间连接部分为工业级传动装置。机载控制系统分别向推进装置和矢量转动机构发送控制信号，两者根据信号分别进行转速和矢量角调整，进而可以实现平流层浮空器的矢量推进功能。

Description

一种平流层浮空器矢量推进装置

技术领域

本发明提供一种平流层浮空器矢量推进装置，它为平流层浮空器提供一种易于实现的矢量推进方案，属于平流层浮空器设计技术领域。

背景技术

平流层浮空器是开发临近空间的重要工具之一，其低成本、低机动性、长工作周期、恶劣工作环境等特点要求其动力系统简单可靠。而常规飞艇的多操纵面、多控制输入的动力系统增加了系统复杂度，降低了其长时间工作的可靠性。因此，设计一种简单、有效、可靠的低速驱动系统成为平流层浮空器动力系统的主要技术难题。

平流层浮空器为典型的非线性系统，其控制器设计过程较为复杂。控制器设计初步完成后，需要进行控制试验，以验证其可控性，并设计相应控制参数，达到相应的控制目标。如果进行平流层浮空器低空实验来验证方案可行性，需要大量的科研经费，并且需要较长的实验周期。如果对平流层浮空器方案进行等比例缩放，制作一架可以在地面进行试飞实验的平流层浮空器缩比验证样机。使用缩比验证样机进行控制器地面验证试验，则可以解决上述难题。

地面验证试验可以降低研制风险，缩短研制周期。因此，平流层浮空器的地面验证样机的制备也是平流层浮空器设计过程中所涉及的技术难题之一。但是，由于地面空气密度较大，地面验证样机可以提供的有效载荷有限，难以将总体方案中矢量驱动方案直接进行缩比应用。因此，提供一种既保证与总体控制方案的高度吻合，又满足地面验证样机低有效载荷限制的缩比矢量控制方案也是在矢量推进装置研制过程中需要考虑的技术难题。

发明内容

本发明从工程实际出发，利用现有推进技术，结合平流层浮空器工作环境，提出了一种可应用于各种布局平流层浮空器的简单、有效、可靠的全尺寸矢量推进装置。并利用现有无刷电机与数字舵机技术，结合平流层浮空器地面试验要求，提出了一种低成本、低结构载荷的平流层浮空器地面样机缩比矢量推进装置。

本发明的基本原理为：

矢量推进装置共由三大部分组成，包括推进装置、矢量转动机构及其连接机构。其中，推进装置提供平面内推力，矢量转动机构提供平面内转向力矩。两者之间连接部分为工业级传动装置。机载控制系统分别向推进装置和矢量转动机构发送控制信号，两者根据信号分别进行转速和矢量角调整，进而可以实现平流层浮空器的矢量推进功能。

本发明一种平流层浮空器矢量推进装置由以下部分组成：

一、平流层浮空器全尺寸矢量推进装置

平流层浮空器全尺寸矢量推进装置由以下部分组成：矢量电机、联轴器、装置固定盘、行星减速器、推进电机固定板、推进电机输出轴支架、推进电机连接架、推进电机输出轴、减速器、推进电机、螺旋桨，它们之间的装配关系为：螺旋桨由推进电机驱动，推进电机固定于电机连接架，推进电机输出轴通过工业用轴承与固定于推进电机固定板，固定板通过行星齿轮减速器、联轴器与矢量电机相连。

二、平流层浮空器地面样机缩比矢量推进装置

平流层浮空器地面样机缩比矢量推进装置由以下部分组成：无刷电机、螺旋桨、电机连接架、矢量转轴、传动齿轮、轴承、轴承座、杆箍、舵机、舵机连接板，它们之间的装配关系为：螺旋桨由无刷电机驱动，无刷电机固连于电机连接架，电机连接架与矢量转轴相连，矢量转轴、轴承与轴承座配合形成转动系统，转动系统与杆箍连接并固连于机体，舵机固定在舵机连接板上，其输出轴通过传动齿轮与矢量转轴相连。

本发明的优点是：

1)全尺寸矢量推进装置结构简单可靠，无需复杂传动装置即可实现矢量推进功能，可满足平流层浮空器较为恶劣的工作环境需求；

2)全尺寸矢量推进装置可近似实现360°推力矢量变换，因而大幅度提升了平流层浮空器的机动性能，也为其控制率留下了更多的设计空间；

3)缩比矢量推进装置采用无刷电机与数字舵机技术，使用机载自驾仪直接对电调和舵机进行驱动控制，无需额外设计电机驱动器，降低了矢量装置复杂度与成本；

4)缩比矢量推进装置采用无刷电机与数字舵机技术，在保证对平流层浮空器矢量方案的精确缩比的基础上，降低了矢量装置结构重量，解决了低空环境下氦气球有效载荷不足的问题；

附图说明

图1 平流层浮空器矢量推进装置控制流程图

图2 平流层浮空器地面验证样机矢量推进装置控制流程图

图3 平流层浮空器矢量推进装置装配示意图

图4(左) 平流层浮空器地面验证样机矢量推进装置装配示意图

图4(右) 平流层浮空器地面验证样机矢量推进装置剖面示意图

图中标号含义如下：

1.矢量电机；2.联轴器；3.装置固定盘；4.行星减速器；5.推进装置固定板；

6.推进电机输出轴支架；7.推进电机连接架；8.推进电机输出轴；9.减速器；

10.推进电机；

11.螺旋桨；12.无刷电机；13.电机连接架；14.矢量转轴；15.轴承；

16.轴承座；17.杆箍；18.舵机连接板；19.传动齿轮；20.数字舵机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。图1、2和图3、4分别从控制流程与装配结构两方面对本发明进行详细说明。

本发明中全尺寸矢量推进装置控制流程如图1所示。机载传感器采集的机身姿态与位置信号传输至机载计算机后，由机载计算机解算出矢量转角期望值与电机转速期望值，并将其传输至电机控制器，电机控制器将控制信号分别作用于矢量电机和推进电机，进而产生具有矢量角的推力。

本发明中缩比矢量推进装置控制流程如图2所示。机载传感器采集的机身姿态与位置信号传输至自驾仪后，由自驾仪解算出矢量转角期望值与电机转速期望值，并将其转换成PWM波信号，分别作用于数字舵机与电子调速器。数字舵机接收到PWM信号后转动期望角度，因而输出转动力矩，经传动齿轮后作用于矢量转轴，最终改变螺旋桨所产生的推力方向。电子调速器(电调)由锂电池直接驱动，其接收到来自于自驾仪关于电机期望转速的PWM信号后，调整输出至无刷电机的三相交流电大小，进而使其达到期望转速。另外电调的信号接口可输出5V恒定直流电压，该电压可用于向数字舵机直接供电。电机转速的改变引起螺旋桨产生推力改变，结合矢量转轴引起的螺旋桨桨面转动，可产生矢量推力，达到矢量推进的设计目标。

本发明中全尺寸矢量推进装置装配方式如图3所示。[1]矢量电机通过[2]联轴器、[4]行星齿轮减速器与[5]推进装置固定板相连；[4]行星齿轮减速器通过[3]装置固定盘与平流层浮空器机身相连；[10]推进电机经[9]减速机与[8]推进电机输出轴相连；[10]推进电机通过[7]推进电机连接架固定于[5]推进装置固定板；[8]推进电机输出轴通过轴承、[6]输出轴支架固定于[5]推进装置固定板，并与螺旋桨相连。

该推进电机选用工业级推进电机，选型时应满足平流层浮空器工作环境要求，且需根据具体平流层浮空器所需推进参数进行选配或定制。推进电机由推进电机驱动器提供控制信号，由机载太阳能电池板或蓄电池提供驱动能源。

该矢量电机选用工业级大扭矩电机，选型时应满足平流层浮空器工作环境要求，且需根据具体平流层浮空器所需转动参数进行选配或定制。矢量电机除满足上述要求外，应内置传感器，可测量并返回电机转速及位置信息。矢量电机控制器应满足一定的精度要求、转角范围要求、转动速率要求及电机输出力矩要求等。

该装置固定盘上应安装转角位置传感器，该传感器可测量推进装置所转过的转角，并传输至机载采集计算机。

本发明中缩比矢量推进装置装配方式如图4所示。[11]螺旋桨通过固定装置固连于[12]无刷电机的输出轴；无刷电机通过螺栓固连于[13]电机连接架；电机连接架通过螺栓固连于[14]矢量转轴；矢量转轴通过过盈配合与[15]轴承装配；轴承通过过度配合与[16]轴承座装配；轴承座通过螺钉固连于[17]杆箍；杆箍则通过一定方式与机身桁架连接；[20]数字舵机通过螺栓固连于[18]舵机连接板，并通过[19]传动齿轮向矢量转轴传递转动力矩。由于矢量推进装置处于长期震动工作环境，因而所有螺钉须加装防松垫片，所有螺母须使用防松螺母。

该无刷电机选取航模用无刷电机，由航模用锂电池通过无刷电子调速器驱动。无刷电机带动螺旋桨转动，提供平流层浮空器所需动力。该动力系统可根据自身系统参数选取适当功率的无刷电机、螺旋桨和电调。电调由锂电池输入直流电，输出三相交流，直接与电机的三相输入端相连。如果想要实现电机反转，只需将三根线中任意两根对换位置即可。此外，电调由三根信号线与机载自动驾驶仪连接，控制电机的运转。

该矢量转轴上端与连接有无刷电机的电机连接架固连，下端配有传动齿轮，中部与轴承内侧通过过盈配合装配。轴承外侧通过过度配合与轴承座连接，轴承座固连于杆箍。其中，电机连接架、轴承座、矢量转轴与杆箍均为自主设计，由数控机床加工完成。轴承则选用工业通用轴承。

该数字舵机选取航模用通用舵机，由电调提供电压驱动，机载自动驾驶仪控制。数字舵机转矩输出轴通过减速齿轮与矢量转轴下端相连接，减速齿轮的传动比可以根据实际需求进行设计。当然，也可以直接将数字舵机转矩输出轴与矢量转轴固连，此时传动比为1。但是直接将两者固连需要保证两者之间有较好的同轴度，这样就增加了装置加工成本。加入减速齿轮则可以很好地解决同轴度问题。

该数字舵机的控制信号由自驾仪进入舵机内部信号调制芯片，获得直流偏置电压。其内部的基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。因此，我们可以方便而精确地实现对矢量转角的控制。

Claims (4)

1.一种平流层浮空器全尺寸矢量推进装置，其特征在于：

平流层浮空器全尺寸矢量推进装置共由三大部分组成，包括推进装置、矢量转动机构及其连接机构，其中，推进装置提供平面内推力，矢量转动机构提供平面内转向力矩，两者之间连接部分为工业级传动装置，机载控制系统分别向推进装置和矢量转动机构发送控制信号，两者根据信号分别进行转速和矢量角调整，进而可以实现平流层浮空器的矢量推进功能；

所述平流层浮空器全尺寸矢量推进装置由以下部分组成：矢量电机、联轴器、装置固定盘、行星减速器、推进电机固定板、推进电机输出轴支架、推进电机连接架、推进电机输出轴、减速器、推进电机、螺旋桨，它们之间的装配关系为：所述螺旋桨由所述推进电机驱动，所述推进电机固定于所述电机连接架，所述推进电机输出轴通过工业用轴承固定于所述推进电机固定板，所述推进电机固定板通过行星齿轮减速器、联轴器与矢量电机相连；所述平流层浮空器全尺寸矢量推进装置可近似实现360°推力矢量转换；

所述矢量电机为工业级大扭矩电机。

2.根据权利要求1所述的平流层浮空器全尺寸矢量推进装置，其特征在于：

该推进电机选用工业级推进电机，选型时满足平流层浮空器工作环境要求，且需根据具体平流层浮空器所需推进参数进行选配或定制，推进电机由推进电机驱动器提供控制信号，由机载太阳能电池板或蓄电池提供驱动能源，该矢量电机选型时满足平流层浮空器工作环境要求，且需根据具体平流层浮空器所需转动参数进行选配或定制，矢量电机除满足上述要求外，内置传感器，可测量并返回电机转速及位置信息，矢量电机控制器满足一定的精度要求、转角范围要求、转动速率要求及电机输出力矩要求，该装置固定盘上安装转角位置传感器，该传感器可测量推进装置所转过的转角，并传输至机载采集计算机。

3.根据权利要求1所述的一种平流层浮空器全尺寸矢量推进装置进行等比例缩放制作一种平流层浮空器缩比验证样机，其特征在于：

平流层浮空器缩比验证样机由以下部分组成：无刷电机、螺旋桨、电机连接架、矢量转轴、传动齿轮、轴承、轴承座、杆箍、舵机、舵机连接板，它们之间的装配关系为：螺旋桨由无刷电机驱动，无刷电机固连于电机连接架，电机连接架与矢量转轴相连，矢量转轴、轴承与轴承座配合形成转动系统，转动系统与杆箍连接并固连于机体，舵机固定在舵机连接板上，其输出轴通过传动齿轮与矢量转轴相连；

平流层浮空器缩比验证样机控制流程：机载传感器采集的机身姿态与位置信号传输至自驾仪后，由自驾仪解算出矢量转角期望值与电机转速期望值，并将其转换成PWM波信号，分别作用于数字舵机与电子调速器，数字舵机接收到PWM波信号后转动期望角度，因而输出转动力矩，经传动齿轮后作用于矢量转轴，最终改变螺旋桨所产生的推力方向，电子调速器(电调)由锂电池直接驱动，其接收到来自于自驾仪关于电机期望转速的PWM波信号后，调整输出至无刷电机的三相交流电大小，进而使其达到期望转速，另外电调的信号接口可输出5V恒定直流电压，该电压可用于向数字舵机直接供电，电机转速的改变引起螺旋桨产生推力改变，结合矢量转轴引起的螺旋桨桨面转动，可产生矢量推力，达到矢量推进的设计目标。

4.根据权利要求3所述的平流层浮空器缩比验证样机，其特征在于：

该无刷电机选取航模用无刷电机，由航模用锂电池通过无刷电子调速器驱动，无刷电机带动螺旋桨转动，提供平流层浮空器所需动力，该动力系统可根据自身系统参数选取适当功率的无刷电机、螺旋桨和电调，电调由锂电池输入直流电，输出三相交流，直接与电机的三相输入端相连，如果想要实现电机反转，只需将三根线中任意两根对换位置即可，此外，电调由三根信号线与机载自动驾驶仪连接，控制电机的运转；

该矢量转轴上端与连接有无刷电机的电机连接架固连，下端配有传动齿轮，中部与轴承内侧通过过盈配合装配，轴承外侧通过过度配合与轴承座连接，轴承座固连于杆箍，其中，电机连接架、轴承座、矢量转轴与杆箍均为自主设计，由数控机床加工完成，轴承则选用工业通用轴承；

该数字舵机选取航模用通用舵机，由电调提供电压驱动，机载自动驾驶仪控制，数字舵机转矩输出轴通过减速齿轮与矢量转轴下端相连接，减速齿轮的传动比可以根据实际需求进行设计，也可以直接将数字舵机转矩输出轴与矢量转轴固连，此时传动比为1。