CN104960666B - 一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统，两个推力涵道系统分别纵列安装于飞行主体的前部和后部；推力涵道系统包括第一驱动电机以及被其驱动连接的推力涵道螺旋桨，两个推力涵道螺旋桨为正反桨，旋转方向相反；左倾转系统和右倾转系统结构相同、对称分布于飞行主体的左右两侧，倾转涵道系统包括第二驱动电机、以及第二驱动电机驱动的倾转涵道螺旋桨；舵机通过倾转机构与倾转涵道系统连接并控制其倾转。本发明的有益效果是，通过倾转涵道速差、倾转角度变化来实现低频指令下偏航、低速低频指令下滚转姿态控制，通过舵面倾转来实现高频指令下滚转、偏航及高速低频指令下滚转姿态控制，响应迅速，控制精度高。
Description
技术领域
本发明属于飞行设备技术领域，涉及一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统。
背景技术
纵列双涵道飞行车辆作为一种新型多栖运输工具，其整体尺寸远小于旋翼式飞行车辆，亦无须滑跑起飞，可于复杂地形处垂直起落，适用性强。
中国发明专利申请200910302078.8(公开日：2009年10月21日)提出了一种纵列式双涵道垂直起降陆空交通工具和两种具有四涵道的飞行汽车，其推进力由前后两纵列涵道提供，利用自动倾斜器实现周期变距，实现滚转、偏航姿态控制。
中国发明专利申请201210505171.0(公开日：2013年2月27日)和201310604057.8(公开日：2014年2月26日)提出了一种四涵道式飞行车辆，由前后两纵列涵道提供推进力，由其速差实现俯仰控制，利用两侧涵道速差实现滚转控制，利用纵向延伸的矢量导风板进行偏航及辅助滚转控制。
上述三个现有技术均可在一定程度上实现对飞行姿态的控制，但实验证明，其共同缺陷在于：为达到所需控制力矩，相应机构(变距机构、矢量导风板)尺寸过大，不适于复杂工况起落；飞行的稳定性和控制性较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统，利用双边倾转涵道增加操纵指令下的滚转、偏航控制力矩，利用可倾转舵面进行姿态稳定性的实时调节，极大地缩小了结构尺寸，增加了飞行稳定性、灵敏性，且通过涵道的倾转调节、功率流的合理分配，倾转涵道可辅助提供部分推进力，飞行机动性也大大增加。
本发明所采用的技术方案是，一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统，两个推力涵道系统分别纵列安装于飞行主体的前部和后部；推力涵道系统包括第一驱动电机以及被其驱动连接的推力涵道螺旋桨，两个推力涵道螺旋桨为正反桨，旋转方向相反；左倾转系统和右倾转系统结构相同、对称分布于飞行主体的左右两侧，左倾转系统和右倾转系统均包括一倾转涵道系统、舵机、倾转机构、伺服电机及由该伺服电机驱动的可倾转舵面；倾转涵道系统包括第二驱动电机、以及第二驱动电机驱动的倾转涵道螺旋桨；舵机通过倾转机构与倾转涵道系统连接并控制其倾转。
优选的，可倾转舵面无干涉地设置在倾转涵道螺旋桨下方。
优选的，倾转机构为连杆机构，舵机上的舵机摇臂与连杆连接，连杆与倾转涵道系统固连。
优选的，第一驱动电机、第二驱动电机均为电动直驱式电机。
本发明的有益效果是，通过倾转涵道速差、倾转角度变化来实现低频指令下偏航、低速低频指令下滚转姿态控制，通过舵面倾转来实现高频指令下滚转、偏航及高速低频指令下滚转姿态控制，响应迅速，控制精度高。此外，通过功率流的实时分配，倾转涵道提供一部分辅助推进力，进一步提高飞行动力性。
附图说明
图1为飞行系统结构示意图。
图2为倾转机构与可倾转舵面部分局部立体示意图。
图3为倾转机构与可倾转舵面部分局部侧面示意图。
图4为倾转机构结构示意图。
图5为滚转偏航姿态控制策略流程图。
图中，1.飞行主体、2.第一驱动电机、3.推力涵道螺旋桨、4.舵机、5.倾转机构、6.第二驱动电机、7.倾转涵道螺旋桨、8.伺服电机、9.可倾转舵面，10.舵机摇臂，11.连杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统，结构如图1-4所示，
两个推力涵道系统分别纵列安装于飞行主体1的前部和后部；推力涵道系统包括第一驱动电机2以及被其驱动连接的推力涵道螺旋桨3，两个推力涵道螺旋桨3为正反桨，旋转方向相反，以平衡整车扭转力矩；
左倾转系统和右倾转系统结构相同、对称分布于飞行主体1的左右两侧，左、右倾转系统均包括一倾转涵道系统、舵机4、倾转机构5、伺服电机8及由该伺服电机8驱动的可倾转舵面9；倾转涵道系统包括第二驱动电机6、以及第二驱动电机6驱动的倾转涵道螺旋桨7；舵机4通过倾转机构5与倾转涵道系统连接并控制其倾转。
可倾转舵面9无干涉地设置在倾转涵道螺旋桨7下方。
倾转机构5为连杆机构，具体结构如图4所示。舵机4上的舵机摇臂10与连杆11连接，连杆11与倾转涵道系统固连。
第一驱动电机2、第二驱动电机6均为电动直驱式电机。
两个倾转涵道螺旋桨7旋转方向相同；两个可倾转舵面9受伺服电机8驱动偏转。
工作原理为：车辆进入飞行状态时，两纵列式推力涵道螺旋桨3由相应第一驱动电机2旋转，直至其升力足以克服整车重力，完成垂直起飞。前飞过程中，两纵列式推力涵道处于俯仰姿态，其推力分为升力和推进力两部分，利用倾转涵道功率流分配以及可倾转舵面偏转，进一步辅助提供动力。低速工况下，可倾转舵面9与倾转涵道分别实现高、低频指令下滚转和偏航姿态控制；高速工况下，倾转涵道拉力矢量指向前进方向，辅助推进，负责低频指令下的偏航控制，可倾转舵面负责低频滚转和高频滚转、高频偏航控制。
具体来说，切入飞行状态时，两纵列式推力涵道螺旋桨3由直驱电机第一驱动电机2驱动旋转，速度持续增加，直至其升力足以克服整车重力时，车体离地升空；攻角可倾转舵面9与倾转涵道螺旋桨7联动，进行姿态调整时两者一同倾转，保证舵面始终处于倾转涵道螺旋桨7的下洗气流中，以提高舵面的调整力和力矩。
整车飞行姿态控制如图5控制流程所示：整车ECU将低于一定调控频率w*(为飞行带宽的一半，约3Hz)的控制指令视为低频指令，反之，则为高频指令。倾转涵道系统操纵力矩大、但响应速度较慢，故而适用于低频信号，由于倾转动作中带有滚转与偏航的耦合，高频动作信号影响系统稳定性，因此在实时控制的高频信号中使用耦合较小、调节频率较高的舵面控制，利用伺服电机8控制可倾转舵面9偏转，改变总距，实现偏航和滚转姿态的高频微调，以保证飞行稳定性。
本发明设计了不同的执行机构协同工作，分别进行整车飞行状态下的低频姿态控制与高频稳定性控制。在进行姿态调整时，驾驶员通过操纵元件输入整车姿态的参考调整指令，同时通过整车配备的陀螺仪、传感器、GPS等测量元件采集车辆飞行时的实时姿态、速度等参数。整车控制器将驾驶员意图与测量参数进行比较分析，判断得出低频或高频的控制指令并传输到执行机构。
低频姿态控制时，通过倾转涵道螺旋桨7的转速差动协同控制进行整车的滚转姿态控制；通过推力涵道螺旋桨3的转速差动协调控制，进行整车的俯仰姿态控制；通过驱动倾转涵道系统使得两侧倾转涵道螺旋桨7的拉力矢量反向倾转(调整范围约为±20°)，以此进行整车偏航姿态控制。
高频稳定性控制时，伺服电机8驱动可倾转舵面9使得舵面攻角微调，以此来高频率地调整整车飞行姿态，保证整车飞行时的稳定性。特殊工况下，两侧倾转涵道系统的拉力矢量指向整车前进方向，此时倾转涵道系统成为推力涵道，可倾转舵面9成为升力辅翼，旨在使整车获得较大的飞行速度提高的整车的机动性。该机动工况下，通过升力辅翼的总距调整进行整车的滚转姿态控制；通过两侧推力涵道系统的转速差动协调控制进行整车偏航姿态控制。悬停工况下，两倾倾转涵道系统位置趋于平衡，两倾转涵道螺旋桨7转速相等，辅助提供升力，前后两纵列式推力涵道螺旋桨3提供主要升力，共同平衡负载。
倾转涵道系统通过对功率流的分配控制，协同推力涵道系统提供一定驱动力；两可倾转舵面9与倾转涵道系统无干涉联动，始终位于倾转涵道系统的下洗流范围内，利用吹气增升原理，增加两侧翼面压力差，提升控制效果、增大飞行升力。此外，为了减少额外负载，系统大部分部件采用了复合材料轻量化结构。
本发明通过一种可倾转矢量控制辅助系统对纵列双涵道飞行车辆进行飞行姿态控制，对纵列双涵道飞行车辆进行升级改进，其结构尺寸小，灵敏性高、稳定性好，控制精度可满足诸多复杂姿态要求。适于各种复杂地形起落，可应用于抗震救灾、城市突发事故处理等多种特殊工作环境。
Claims (4)
1.一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统，其特征在于，两个推力涵道系统分别纵列安装于飞行主体(1)的前部和后部；推力涵道系统包括第一驱动电机(2)以及被其驱动连接的推力涵道螺旋桨(3)，两个推力涵道螺旋桨(3)为正反桨，旋转方向相反；左倾转系统和右倾转系统结构相同、对称分布于飞行主体(1)的左右两侧，左倾转系统和右倾转系统均包括一倾转涵道系统、舵机(4)、倾转机构(5)、伺服电机(8)及由该伺服电机(8)驱动的可倾转舵面(9)；倾转涵道系统包括第二驱动电机(6)、以及第二驱动电机(6)驱动的倾转涵道螺旋桨(7)；舵机(4)通过倾转机构(5)与倾转涵道系统连接并控制其倾转；可倾转舵面(9)与倾转涵道螺旋桨(7)联动，进行姿态调整时两者一同倾转。
2.根据权利要求1所述的一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统，其特征在于，所述可倾转舵面(9)无干涉地设置在倾转涵道螺旋桨(7)下方。
3.根据权利要求1所述的一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统，其特征在于，所述倾转机构(5)为连杆机构，所述舵机(4)上的舵机摇臂(10)与连杆(11)连接，连杆(11)与倾转涵道系统固连。
4.根据权利要求1所述的一种纵列双涵道飞行车辆的可倾转矢量控制辅助系统，其特征在于，所述第一驱动电机(2)、第二驱动电机(6)均为电动直驱式电机。
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