CN105835640B - 三自由度姿态控制装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置、系统及方法，包括涵道风扇、第一舵机、托架、第二舵机、底盘、集成尾桨式从动轮；其中，第一舵机驱动涵道风扇在第一轴线上摆动；第二舵机驱动涵道风扇在第二轴线上摆动；托架设置有第一镂空孔；涵道风扇设置在第一镂空孔中；第一舵机设置在托架的架体上；底盘设置有第二镂空孔，托架设置在第二镂空孔内；第二舵机设置在底盘上，底盘的一端部设置有集成尾桨式从动轮；集成尾桨式从动轮能够沿第三轴线转动。本发明中第一舵机控制涵道风扇的轴线在车身前进方向所在竖直平面内的摆动，第二舵机控制涵道风扇的轴线在垂直车身前进方向所在平面内的摆动，实现两个自由度的调整。

Description

三自由度姿态控制装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及陆空两用飞行器领域，具体地，涉及一种基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置、系统及方法。

背景技术

公开号为CN103600632A的专利公开了一种飞行汽车，其设计包括两个主涵道、两个辅涵道、及两块导流板。其利用两个主涵道控制车身前进方向所在的平面旋转，利用两个辅涵道调节垂直于前进方向所在平面内的旋转，并且使用两个导流板产生绕车身竖直轴线的转矩，进而控制车身的自旋。该飞行车的姿态调节在机械结构与控制系统上比较复杂，多个推动装置使复杂且笨重，同时也降低了涵道风扇的能量密度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置。

根据本发明提供的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，包括涵道风扇、第一舵机、托架、第二舵机、底盘、集成尾桨式从动轮；

其中，所述第一舵机驱动所述涵道风扇在第一轴线上摆动；所述第二舵机驱动所述涵道风扇在第二轴线上摆动；

所述托架设置有第一镂空孔；所述涵道风扇设置在所述第一镂空孔中；所述第一舵机设置在所述托架的架体上；

所述底盘设置有第二镂空孔，所述托架设置在所述第二镂空孔内；所述第二舵机设置在所述底盘上，所述底盘的一端部设置有集成尾桨式从动轮；所述集成尾桨式从动轮能够沿第三轴线转动。

优选地，所述第一轴线和所述第二轴线相互垂直；所述第一轴线和所述第二轴线均垂直于所述第三轴线。

优选地，所述第一舵机和第二舵机均包括步进电机、减速器、支撑轴承、花键、摆杆、安装轴以及轴承；

其中，所述步进电机与减速器串联；减速器的输出轴通过支撑轴承后依次连接花键、摆杆；所述摆杆通过螺栓或焊接连接涵道风扇一侧的涵道外壁面；

所述安装轴的一端连接所述轴承，另一端连接涵道风扇相对另一侧的涵道外壁面。

优选地，所述集成尾桨式从动轮包括从动轮、尾浆、外转子电机；

其中，所述外转子电机驱动所述尾浆转动；所述尾浆设置在所述从动轮的轮毂内；

所述集成尾桨式从动轮主轴的两端与所述底盘的另一端部连接；所述从动轮的轮体通过轴承连接所述主轴。

优选地，还包括离合器；

其中，外转子电机通过所述离合器连接所述从动轮或尾浆。

优选地，还包括从动轮还包括辐条和花鼓；

所述轮毂的两侧端通过辐条连接所述花鼓；

所述花鼓通过轴承与所述主轴相连。

优选地，所述轴承的内圈开3个通线孔，用于通过外转子电机的三相电源线。

本发明提供的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制系统，包括所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，还包括陀螺仪、电控模块；

其中，所述电控模块电连接所述陀螺仪、所述涵道风扇、所述第一舵机、第二舵机、集成尾桨式从动轮。

本发明提供的飞行车三自由度姿态控制方法，包括如下步骤：

当检测到车身沿前进方向倾斜时或主动使涵道风扇沿前进车身方向偏斜以获得前进的分力时，则由第一舵机带动涵道风扇摆动，实现一个自由度的控制；

当检测到车身在垂直车身前进方向的平面内倾斜时或主动使涵道风扇在垂直车身前进方向的平面内倾斜时，则由第二舵机带动托架摆动，涵道风扇随着托架的摆动而摆动，实现另一个自由度的控制；

当检测到车身在两个自由度内都发生了倾斜时，第一舵机、第二舵机能够同时工作，联动控制涵道风扇的角度，使用涵道风扇的推力的分力纠正车身倾斜；

当车身在陆地行驶时，尾浆不转动，从动轮通过轴承绕主轴转动；

当车身离开地面时，当检测到车身在水平面内旋转或希望主动在水平面内旋转车身已达到转向的目的，则外转子电机通电，带动尾浆旋转，产生绕车身竖直轴线的转矩，平衡车身的自旋或实现车身的转向。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中第一舵机控制涵道风扇的轴线在车身前进方向所在竖直平面内的摆动，第二舵机控制涵道风扇的轴线在垂直车身前进方向所在平面内的摆动，实现两个自由度的调整。

2、本发明中将尾桨与从动轮集成于一体，能够控制飞行车的在水平面内的转动；

3、本发明设置有三自由度的陀螺仪，检测车身姿态，形成闭环控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中涵道风扇的两自由度摆动控制结构示意俯视图；

图3为本发明中集成尾桨式从动轮的结构示意图。

图中：1、涵道；2、扇叶；3、风扇电机；4、风扇电机的保持架；5、涵道风扇；6、第二舵机；7、集成尾桨式从动轮；8、托架；9、第一舵机的电机和减速器；10、第一舵机的保持架；11、第一舵机的摆臂；12、紧固螺栓；13、第一舵机；14、底盘；15、第二舵机的从动架；16、第一舵机的从动架；17、轮毂；18、辐条；19、花鼓；20、轴承；21、主轴；22、扇叶；23、外转子电机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，包括涵道风扇5、第一舵机13、托架8、第二舵机6、底盘14、集成尾桨式从动轮7；

其中，所述第一舵机13驱动所述涵道风扇5在第一轴线上摆动；所述第二舵机6驱动所述涵道风扇5在第二轴线上摆动；

所述托架8设置有第一镂空孔；所述涵道风扇5设置在所述第一镂空孔中；所述第一舵机13设置在所述托架8的架体上；

所述底盘14设置有第二镂空孔，所述托架8设置在所述第二镂空孔内；所述第二舵机6设置在所述底盘14上，所述底盘14的一端部设置有集成尾桨式从动轮7；所述集成尾桨式从动轮7能够沿第三轴线转动。托架8的两个轴承与第二舵机固定在飞行车的地盘上。

所述第一轴线和所述第二轴线相互垂直；所述第一轴线和所述第二轴线均垂直于所述第三轴线。

所述第一舵机13和第二舵机6均包括步进电机、减速器、支撑轴承、花键、摆杆、安装轴以及轴承；

其中，所述步进电机与减速器串联；减速器的输出轴通过支撑轴承后依次连接花键、摆杆；所述摆杆通过螺栓或焊接连接涵道风扇5一侧的涵道外壁面；

所述安装轴的一端连接所述轴承，另一端连接涵道风扇5相对另一侧的涵道外壁面。

所述集成尾桨式从动轮7包括从动轮、尾浆、外转子电机23；

其中，所述外转子电机23驱动所述尾浆转动；所述尾浆设置在所述从动轮的轮毂内；

所述从动轮的主轴的两端与所述底盘14的另一端部连接；所述从动轮的轮体通过轴承20连接所述主轴。

本发明提供的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，还包括离合器；

其中，外转子电机23通过所述离合器连接所述从动轮或尾浆。

本发明提供的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，还包括从动轮还包括辐条和花鼓；

所述轮毂的两侧端通过辐条连接所述花鼓；

所述花鼓通过轴承20与所述主轴相连。车轮两侧对称采用较窄的辐条连接，确保尾浆进出风的流畅性。其中，花鼓与轴承外圈过盈连接，轴承内圈与从动轮的主轴过盈连接。从动轮的辐条18使用圆形或扁形，以减小尾浆的风阻。外转子电机23的壳体上装有扇叶22，外转子电机23绕主轴21转动。主轴21是一根通轴，两端与底盘固结，不参与电机的转动，也不参与轮毂的转动。

所述轴承20的内圈开3个通线孔，用于通过外转子电机23的三相电源线。外转子电机23的轴同时也是从动轮的主轴21，是固结不旋转，尾浆三片扇叶固定在外转子电机23的壳体上。靠近电机电源线入口的轴承的内圈的端面绕轴线均匀地开三个孔，用于通过电机的三相电源线。

本发明提供的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制系统，包括所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，还包括陀螺仪、电控模块；

其中，所述电控模块电连接所述陀螺仪、所述涵道风扇5、所述第一舵机13、第二舵机6、集成尾桨式从动轮7。

所述陀螺仪采用三自由度陀螺仪，用以检测车身在各个角度的偏移量。

本发明提供的飞行车三自由度姿态控制方法，包括如下步骤：

当检测到车身沿前进方向倾斜时或主动使涵道风扇5沿前进车身方向偏斜以获得前进的分力时，则由第一舵机13带动涵道风扇5摆动，实现一个自由度的控制；

当检测到车身在垂直车身前进方向的平面内倾斜时或主动使涵道风扇5在垂直车身前进方向的平面内倾斜时，则由第二舵机6带动托架摆动，涵道风扇5随着托架8的摆动而摆动，实现另一个自由度的控制；

当检测到车身在两个自由度内都发生了倾斜时，第一舵机13、第二舵机6能够同时工作，联动控制涵道风扇5的角度，使用涵道风扇5的推力的分力纠正车身倾斜；

当车身在陆地行驶时，尾浆不转动，从动轮通过轴承绕主轴转动；

当车身离开地面时，当检测到车身在水平面内旋转或希望主动在水平面内旋转车身已达到转向的目的，则外转子电机通电，带动尾浆旋转，产生绕车身竖直轴线的转矩，平衡车身的自旋或实现车身的转向。

在本实施例中，本发明中第一舵机控制涵道风扇的轴线在车身前进方向所在竖直平面内的摆动，第二舵机控制涵道风扇的轴线在垂直车身前进方向所在平面内的摆动，实现两个自由度的调整。本发明中将尾桨与从动轮集成于一体，能够控制飞行车的在水平面内的转动；本发明设置有三自由度的陀螺仪，检测车身姿态，形成闭环控制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，其特征在于，包括涵道风扇(5)、第一舵机(13)、托架(8)、第二舵机(6)、底盘(14)、集成尾桨式从动轮(7)；

其中，所述第一舵机(13)驱动所述涵道风扇(5)在第一轴线上摆动；所述第二舵机(6)驱动所述涵道风扇(5)在第二轴线上摆动；

所述托架(8)设置有第一镂空孔；所述涵道风扇(5)设置在所述第一镂空孔中；所述第一舵机(13)设置在所述托架(8)的架体上；

所述底盘(14)设置有第二镂空孔，所述托架(8)设置在所述第二镂空孔内；所述第二舵机(6)设置在所述底盘(14)上，所述底盘(14)的一端部设置有集成尾桨式从动轮(7)；所述集成尾桨式从动轮(7)能够沿第三轴线转动。

2.根据权利要求1所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，其特征在于，所述第一轴线和所述第二轴线相互垂直；所述第一轴线和所述第二轴线均垂直于所述第三轴线。

3.根据权利要求1所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，其特征在于，所述第一舵机(13)和第二舵机(6)均包括步进电机、减速器、支撑轴承、花键、摆杆、安装轴以及轴承；

其中，所述步进电机与减速器串联；减速器的输出轴通过支撑轴承后依次连接花键、摆杆；所述摆杆通过螺栓或焊接连接涵道风扇(5)的涵道外壁面的一侧；

所述安装轴的一端连接所述轴承，另一端连接涵道风扇(5)的涵道外壁面的相对另一侧。

4.根据权利要求1所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，其特征在于，所述集成尾桨式从动轮(7)包括从动轮、尾浆、外转子电机(23)；

其中，所述外转子电机(23)驱动所述尾浆转动；所述尾浆设置在所述从动轮的轮毂内；

所述集成尾桨式从动轮(7)主轴的两端与所述底盘(14)的另一端部连接；所述从动轮的轮体通过轴承(20)连接所述主轴。

5.根据权利要求4所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，其特征在于，还包括离合器；

其中，外转子电机(23)通过所述离合器连接所述从动轮或尾浆。

6.根据权利要求4所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，其特征在于，所述从动轮还包括辐条和花鼓；

所述轮毂的两侧端通过辐条连接所述花鼓；

所述花鼓通过轴承(20)与所述主轴相连。

7.根据权利要求4所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，其特征在于，轴承(20)的内圈开3个通线孔，用于通过外转子电机的三相电源线。

8.一种基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制系统，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的基于涵道风扇的飞行车的三自由度姿态控制装置，还包括陀螺仪、电控模块；

其中，所述电控模块电连接所述陀螺仪、所述涵道风扇(5)、所述第一舵机(13)、第二舵机(6)、集成尾桨式从动轮。

9.一种飞行车三自由度姿态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

当检测到车身沿前进方向倾斜时或主动使涵道风扇(5)沿前进车身方向偏斜以获得前进的分力时，则由第一舵机(13)带动涵道风扇(5)摆动，实现一个自由度的控制；

当检测到车身在垂直车身前进方向的平面内倾斜时或主动使涵道风扇(5)在垂直车身前进方向的平面内倾斜时，则由第二舵机(6)带动托架摆动，涵道风扇(5)随着托架(8)的摆动而摆动，实现另一个自由度的控制；

当检测到车身在两个自由度内都发生了倾斜时，第一舵机(13)、第二舵机(6)能够同时工作，联动控制涵道风扇(5)的角度，使用涵道风扇(5)的推力的分力纠正车身倾斜；

当车身在陆地行驶时，尾浆不转动，从动轮通过轴承绕主轴转动；

当车身离开地面时，当检测到车身在水平面内旋转或希望主动在水平面内旋转车身已达到转向的目的，则外转子电机通电，带动尾浆旋转，产生绕车身竖直轴线的转矩，平衡车身的自旋或实现车身的转向。