CN104590559A - 用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统 - Google Patents
用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，包括控制器、前舵机、左舵机、右舵机、上倾斜圆盘、下倾斜圆盘、前连杆、左连杆、右连杆、调心轴承、限位器以及与桨叶数量一致的拉杆；控制器分别控制前舵机、左舵机以及右舵机；前舵机、左舵机和右舵机分别通过前连杆、左连杆和右连杆驱动上倾斜圆盘、下倾斜圆盘到达指定螺距位置并产生所需倾斜角度。该控制系统结构简单，不仅降低了系统的负担和制造成本，而且提高了姿态控制的灵活度、精确度和稳定性，优化了直升机的操纵性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种直升机主旋翼控制系统，尤其是一种用于大型无人直升机或载人直升机主旋翼周期性变换螺距的控制系统。
背景技术
目前，大型无人直升机和载人直升机主旋翼使用传统的周期螺距控制方式，由升降舵控制直升机的前后倾斜，由副翼舵控制直升机的左右倾斜，由总距舵控制直升机总升力的大小，三者共同实现直升机姿态的控制。上述结构操纵较为直观，但的实现机械结构复杂。
传统直升机使用的周期螺距控制方式，而在无人直升机中则使用电传系统控制舵机代替驾驶员驱动操纵杆，各种不同的具体实施方式均大同小异，左右倾斜、前后倾斜、总距升降各需要一套舵机驱动系统来控制倾斜盘。对于左右倾斜、前后倾斜控制，仅使用一个舵机，则需要多个连杆来驱动倾斜盘以保证系统稳定，这样虽然舵机数量少，但结构复杂，每个舵机受力也较大。若使用两个舵机共同驱动，则结构简单，舵机受力也较小，但舵机数量过多同样带来控制复杂度和成本的增加。对于总距控制，传统的设计均使用一个舵机控制倾斜盘升降，而驱动倾斜盘升降所需的力最大，使总距舵机负担过大，精准度和寿命都会降低。综上，传统的周期螺距控制方式，一方面难以同时达到舵机数量少和结构简单，另一方面总距舵机负担过大，控制系统受力不均匀。
对于传统周期螺距控制系统，较为优化的实现方式需要4个舵机，即两个分布在倾斜盘左右的舵机一起控制倾斜盘左右倾斜，一个舵机通过连杆组控制倾斜盘前后倾斜，一个舵机控制总距套筒，使倾斜盘上下升降实现总距变化。然而，无法改变结构复杂、成本高、舵机负担不均匀、总距舵机负担过大等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有机械控制结构的部件较为复杂，且在长期较大负荷工作状态下易出现损坏。
为了解决上述技术问题，本发明提供了用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，包括控制器、前舵机、左舵机、右舵机、上倾斜圆盘、下倾斜圆盘、前连杆、左连杆、右连杆、调心轴承以及与桨叶数量相同的拉杆；调心轴承的内圈套设在直升机的主旋翼轴上，并可沿主旋翼轴上下滑动；上倾斜圆盘的中心孔固定套设在调心轴承的外圈上；下倾斜圆盘的中心孔通过滚动轴承转动式安装在调心轴承的外圈上；上倾斜圆盘和下倾斜圆盘上下同心且盘面相平行；前连杆、左连杆和右连杆的上端均通过球头轴承等弧度间距安装在下倾斜圆盘的圆周边缘上；前连杆的下端通过球头轴承安装在前舵机的驱动臂上；左连杆的下端通过球头轴承安装在左舵机的驱动臂上；右连杆的下端通过球头轴承安装在右舵机的驱动臂上；拉杆的下端通过球头轴承安装在上倾斜圆盘的圆周边缘的对应位置处，拉杆的上端通过球头轴承安装在对应位置处的桨叶上；控制器的控制信号输出端分别与前舵机、左舵机以及右舵机的信号输入端相连。
采用上倾斜圆盘和下倾斜圆盘的双倾斜盘结构，能够在下倾斜圆盘发生倾斜时上倾斜圆盘发生同角度倾斜，且上倾斜圆盘可相对下倾斜圆盘转动，从而间接实现上倾斜圆盘对桨叶螺距的调节；采用前舵机、左舵机和右舵机共同完成下倾斜圆盘到达指定螺距位置并产生所需倾斜角度，不仅结构较为简单，可靠性也较高，而且成本也较低。
作为本发明的进一步改进方案，还包括一个限制下倾斜圆盘跟随调心轴承的外圈一起转动的限位机构，限位机构安装在机身上。采用限位机构能够有效防止下倾斜圆盘转动，防止前舵机、左舵机和右舵机损坏。
作为本发明的进一步限定方案，限位机构包括限位器以及圆柱形的限位杆；限位器竖直安装在机身上，且在限位器上竖直设有限位滑槽；限位杆固定在下倾斜圆盘的圆周边缘上，且沿下倾斜圆盘的径向伸出；限位杆的伸出端插于限位滑槽内，并可沿限位滑槽上下滑动。采用圆柱形的限位杆插于限位滑槽内既能够方便下倾斜圆盘上下位移，也不会对下倾斜圆盘摆动造成影响。
作为本发明的另一限定方案，限位机构包括下限位摆杆和上限位摆杆；下限位摆杆的下端摆动式安装机身上，下限位摆杆的上端与上限位摆杆的下端摆动式对接，上限位摆杆的上端通过球头轴承安装在下倾斜圆盘的圆周边缘上；下限位摆杆和上限位摆杆可在竖直面内上下摆动。采用下限位摆杆和上限位摆杆能够方便下倾斜圆盘上下位移，同时球头轴承不会对下倾斜圆盘的摆动造成影响。
作为本发明的进一步改进方案，还包括一个驱动上倾斜圆盘跟随主旋翼轴一起转动的同步机构。采用同步机构能够使上倾斜圆盘跟随主旋翼轴一起转动，防止拉杆在主旋翼轴转动时受损。
作为本发明的进一步限定方案，同步机构包括下同步摆杆和上同步摆杆；下同步摆杆的下端通过球头轴承安装在上倾斜圆盘的圆周边缘上，下同步摆杆的上端与上同步摆杆的下端摆动式对接，上同步摆杆的上端摆动式安装在主旋翼轴上；下同步摆杆和上同步摆杆可在竖直面内上下摆动。采用下同步摆杆和上同步摆杆能够方便上倾斜圆盘上下位移，同时球头轴承不会对上倾斜圆盘的摆动造成影响。
作为本发明的进一步限定方案，前舵机、左舵机以及右舵机为摆动式舵机，前连杆的下端通过球头轴承安装在前舵机的摆臂上；左连杆的下端通过球头轴承安装在左舵机的摆臂上；右连杆的下端通过球头轴承安装在右舵机的摆臂上。
作为本发明的进一步限定方案，前舵机、左舵机以及右舵机为直线式舵机，前连杆的下端通过球头轴承安装在前舵机的拉臂上；左连杆的下端通过球头轴承安装在左舵机的拉臂上；右连杆的下端通过球头轴承安装在右舵机的拉臂上。
本发明的有益效果在于：(1)采用上倾斜圆盘和下倾斜圆盘的双倾斜盘结构，能够在下倾斜圆盘发生倾斜时上倾斜圆盘发生同角度倾斜，且上倾斜圆盘可相对下倾斜圆盘转动，从而间接实现上倾斜圆盘对桨叶周期性螺距的调节；(2)采用前舵机、左舵机和右舵机共同完成下倾斜圆盘到达指定螺距位置并产生所需倾斜角度，不仅结构较为简单，可靠性也较高，而且成本也较低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电路结构示意图；
图3为本发明的带有下限位器结构示意图；
图4为本发明的带有上下限位器结构示意图；
图5为本发明的摆动式舵机安装结构示意图；
图6为本发明的直线式舵机安装结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，本发明的用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统包括控制器、前舵机4、左舵机5、右舵机6、上倾斜圆盘2、下倾斜圆盘3、前连杆7、左连杆8、右连杆9、调心轴承10以及与桨叶数量相同的拉杆18；调心轴承10的内圈套设在直升机的主旋翼轴1上，并可沿主旋翼轴1上下滑动；上倾斜圆盘2的中心孔固定套设在调心轴承10的外圈上；下倾斜圆盘3的中心孔通过滚动轴承转动式安装在调心轴承10的外圈上；上倾斜圆盘2和下倾斜圆盘3上下同心且盘面相平行；前连杆7、左连杆8和右连杆9的上端均通过球头轴承等弧度间距安装在下倾斜圆盘3的圆周边缘上，即相隔120°安装在下倾斜圆盘3的圆周边缘上；前连杆7的下端通过球头轴承安装在前舵机4的驱动臂上；左连杆8的下端通过球头轴承安装在左舵机5的驱动臂上；右连杆9的下端通过球头轴承安装在右舵机6的驱动臂上；拉杆18的下端通过球头轴承安装在上倾斜圆盘2的圆周边缘的对应位置处，拉杆18的上端通过球头轴承安装在对应位置处的桨叶上；控制器的控制信号输出端分别与前舵机4、左舵机5以及右舵机6的信号输入端相连。
如图3和4所示，为了防止下倾斜圆盘3跟随调心轴承10的外圈一起转动，同时对前舵机4、左舵机5和右舵机6进行有效保护，本发明还包括一个限制下倾斜圆盘3跟随调心轴承10的外圈一起转动的限位机构，该限位机构安装在机身上。
如图1所示，本发明的限位机构的一种实施例是包括限位器11以及圆柱形的限位杆13；限位器11竖直安装在机身上，且在限位器11上竖直设有限位滑槽12；限位杆13固定在下倾斜圆盘3的圆周边缘上，且沿下倾斜圆盘3的径向伸出；限位杆13的伸出端插于限位滑槽12内，并可沿限位滑槽12上下滑动。
如图2所示，本发明的限位机构的另一种实施例是包括下限位摆杆14和上限位摆杆15；下限位摆杆14的下端摆动式安装在机身上，下限位摆杆14的上端与上限位摆杆15的下端摆动式对接，上限位摆杆15的上端通过球头轴承安装在下倾斜圆盘3的圆周边缘上；下限位摆杆14和上限位摆杆15可在竖直面内上下摆动。
如图4所示，为了驱动倾斜圆盘2跟随主旋翼轴1一起转动，对拉杆18进行有效保护，本发明还包括一个驱动上倾斜圆盘2跟随主旋翼轴1一起转动的同步机构；该同步机构包括下同步摆杆16和上同步摆杆17；下同步摆杆16的下端通过球头轴承安装在上倾斜圆盘2的圆周边缘上，下同步摆杆16的上端与上同步摆杆17的下端摆动式对接，上同步摆杆17的上端摆动式安装在主旋翼轴1上；下同步摆杆16和上同步摆杆17可在竖直面内上下摆动。
如图5所示，以前舵机4为例，本发明的一种实施例是将前舵机4、左舵机5以及右舵机6设置为摆动式舵机，前连杆7的下端通过球头轴承安装在前舵机4的摆臂上；左连杆8的下端通过球头轴承安装在左舵机5的摆臂上；右连杆9的下端通过球头轴承安装在右舵机6的摆臂上。
如图6所示，以前舵机4为例，本发明的另一种实施例是将前舵机4、左舵机5以及右舵机6设置为直线式舵机，前连杆7的下端通过球头轴承安装在前舵机4的拉臂上；左连杆8的下端通过球头轴承安装在左舵机5的拉臂上；右连杆9的下端通过球头轴承安装在右舵机6的拉臂上。
本发明的用于直升机主旋翼周期性变距的控制系统在工作时，相应的控制原理如下：
(1)升力控制：由前舵机4、左舵机5和右舵机6同时运作，使上倾斜圆盘2和下倾斜圆盘3延主轴方向平移，通过拉杆18使主旋翼的桨叶总螺距发生变化，从而改变直升机总体升力的大小。
(2)姿态控制：由前舵机4、左舵机5和右舵机6分别运动到不同的位置，使上倾斜圆盘2和下倾斜圆盘3处于特定的倾斜角度，通过拉杆18使主旋翼的桨叶的周期性螺距按照上倾斜圆盘2和下倾斜圆盘3的圆周角度和位置发生周期性的变化，使主旋翼圆周的各个位置可以产生不同大小的升力，产生使直升机发生滚转的力矩，从而改变升力的方向，控制直升机飞行的运动和姿态。
具体来说：当确定前舵机4方向为机头方向时；
前舵机4向下驱动前连杆7，左舵机5和右舵机6向上驱动左连杆8和右连杆9，从而使上倾斜圆盘2和下倾斜圆盘3向前倾斜，主旋翼前半部分升力减小，后半部分升力增大，产生向前滚转的力矩，直升机向前倾斜，从而产生前向的升力分量，直升机向前飞行；反之前舵机4向上驱动前连杆7，左舵机5和右舵机6向下驱动左连杆8和右连杆9，从而使上倾斜圆盘2和下倾斜圆盘3向后倾斜，主旋翼前半部分升力增大，后半部分升力减小，产生向后滚转的力矩，直升机向后倾斜，从而产生后向的升力分量，直升机向后飞行。
前舵机4保持前连杆7位置不动，左舵机5向下驱动左连杆8，右舵机6向上驱动右连杆9，在保持左舵机5和右舵机6驱动左连杆8和右连杆9位移相同情况下，使上倾斜圆盘2和下倾斜圆盘3向左倾斜，主旋翼左半部分升力减小，右半部分升力增大，产生向左滚转的力矩，直升机向左倾斜，从而产生左向的升力分量，直升机向左飞行；反之前舵机4保持前连杆7位置不动，左舵机5向上驱动左连杆8，右舵机6向下驱动右连杆9，在保持左舵机5和右舵机6驱动左连杆8和右连杆9位移相同情况下，使上倾斜圆盘2和下倾斜圆盘3向右倾斜，主旋翼右半部分升力减小，左半部分升力增大，产生向右滚转的力矩，直升机向右倾斜，从而产生右向的升力分量，直升机向右飞行。
Claims (8)
1.用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，其特征在于：包括控制器、前舵机(4)、左舵机(5)、右舵机(6)、上倾斜圆盘(2)、下倾斜圆盘(3)、前连杆(7)、左连杆(8)、右连杆(9)、调心轴承(10)以及与桨叶数量相同的拉杆(18)；所述调心轴承(10)的内圈套设在直升机的主旋翼轴(1)上，并可沿主旋翼轴(1)上下滑动；所述上倾斜圆盘(2)的中心孔固定套设在调心轴承(10)的外圈上；所述下倾斜圆盘(3)的中心孔通过滚动轴承转动式安装在调心轴承(10)的外圈上；所述上倾斜圆盘(2)和下倾斜圆盘(3)上下同心且盘面相平行；所述前连杆(7)、左连杆(8)和右连杆(9)的上端均通过球头轴承等弧度间距安装在下倾斜圆盘(3)的圆周边缘上；所述前连杆(7)的下端通过球头轴承安装在前舵机(4)的驱动臂上；所述左连杆(8)的下端通过球头轴承安装在左舵机(5)的驱动臂上；所述右连杆(9)的下端通过球头轴承安装在右舵机(6)的驱动臂上；所述拉杆(18)的下端通过球头轴承安装在上倾斜圆盘(2)的圆周边缘的对应位置处，所述拉杆(18)的上端通过球头轴承安装在对应位置处的桨叶上；所述控制器的控制信号输出端分别与前舵机(4)、左舵机(5)以及右舵机(6)的信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，其特征在于：还包括一个限制下倾斜圆盘(3)跟随调心轴承(10)的外圈一起转动的限位机构，所述限位机构安装在机身上。
3.根据权利要求2所述的用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，其特征在于：所述限位机构包括限位器(11)以及圆柱形的限位杆(13)；所述限位器(11)竖直安装在机身上，且在限位器(11)上竖直设有限位滑槽(12)；所述限位杆(13)固定在下倾斜圆盘(3)的圆周边缘上，且沿下倾斜圆盘(3)的径向伸出；所述限位杆(13)的伸出端插于限位滑槽(12)内，并可沿限位滑槽(12)上下滑动。
4.根据权利要求2所述的用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，其特征在于：所述限位机构包括下限位摆杆(14)和上限位摆杆(15)；所述下限位摆杆(14)的下端摆动式安装在机身上，所述下限位摆杆(14)的上端与上限位摆杆(15)的下端摆动式对接，所述上限位摆杆(15)的上端通过球头轴承安装在下倾斜圆盘(3)的圆周边缘上；所述下限位摆杆(14)和上限位摆杆(15)可在竖直面内上下摆动。
5.根据权利要求1或2所述的用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，其特征在于：还包括一个驱动上倾斜圆盘(2)跟随主旋翼轴(1)一起转动的同步机构。
6.根据权利要求5所述的用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，其特征在于：所述同步机构包括下同步摆杆(16)和上同步摆杆(17)；所述下同步摆杆(16)的下端通过球头轴承安装在上倾斜圆盘(2)的圆周边缘上，所述下同步摆杆(16)的上端与上同步摆杆(17)的下端摆动式对接，所述上同步摆杆(17)的上端摆动式安装在主旋翼轴(1)上；所述下同步摆杆(16)和上同步摆杆(17)可在竖直面内上下摆动。
7.根据权利要求1或2所述的用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，其特征在于：所述前舵机(4)、左舵机(5)以及右舵机(6)为摆动式舵机，所述前连杆(7)的下端通过球头轴承安装在前舵机(4)的摆臂上；所述左连杆(8)的下端通过球头轴承安装在左舵机(5)的摆臂上；所述右连杆(9)的下端通过球头轴承安装在右舵机(6)的摆臂上。
8.根据权利要求1或2所述的用于大型无人直升机或载人直升机的周期螺距混控系统，其特征在于：所述前舵机(4)、左舵机(5)以及右舵机(6)为直线式舵机，所述前连杆(7)的下端通过球头轴承安装在前舵机(4)的拉臂上；所述左连杆(8)的下端通过球头轴承安装在左舵机(5)的拉臂上；所述右连杆(9)的下端通过球头轴承安装在右舵机(6)的拉臂上。
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