CN107200123B - 一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统及方法，属于复合式飞行器领域。所述的控制系统包括飞行控制系统、2个旋翼臂以及在每条旋翼臂的两端对称安装的光电传感器、直流无刷电机和直流无刷电调；且在每个直流无刷电机上方各固定安装一个旋翼螺旋桨；旋翼螺旋桨随直流无刷电机转动；光电传感器根据发射的光线是否反射判断旋翼螺旋桨是否处于顺桨位置，并输出高低电平信号给飞行控制系统进行检测以及逻辑计算处理，飞行控制系统输出相应的控制信号到直流无刷电调中，进一步控制直流无刷电机转速。通过本发明可以快速准确调整旋翼螺旋桨位置，减小因为桨叶位置不佳导致的动力损耗，减小飞行阻力，提升飞机飞行效率。

Description

一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统 及方法

技术领域

本发明涉及一种复合式飞行器，具体是一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统及方法。

背景技术

常规固定翼飞行器具备巡航时间长，飞行效率高和航程远等优点，但起飞需要助跑，空投或者依靠弹射起飞，降落时又必须滑行，撞网或是伞降等，这极大地影响了固定翼飞行器的使用。

因此，具备了垂直起降优点的复合式飞行器逐渐成为了国内外研究者的关注热点。复合式飞行器是在原有固定翼飞行器的结构基础上增加了多旋翼飞行器结构，这种复合式布局飞行器不仅具有固定翼飞行器续航时间长，载荷大的优点，而且还具备了多旋翼飞行器的垂直起降，纵向和横向机动等功能。

但是当复合式飞行器在进行高速固定翼模态飞行时，多旋翼结构中旋翼螺旋桨将会极大的影响飞行器的气动特性，降低了固定翼飞行器的有效载荷与巡航时间。

发明内容

本发明为了解决上述问题，针对复合式飞行器在以固定翼模态进行高速飞行时，旋翼螺旋桨将会对飞行器的气动特性造成极大影响的问题，提出了一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统及方法。

所述的复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统，包括安装在机身中的飞行控制系统以及安装在复合式飞行器两侧机翼下方的两条旋翼臂；且两条旋翼臂分别平行机身。

在每条旋翼臂的前后两端分别从外向内对称安装有光电传感器、直流无刷电机和直流无刷电调；且在每个直流无刷电机上方各固定安装一个旋翼螺旋桨；旋翼螺旋桨随直流无刷电机转动。

光电传感器的光源向上发射，根据光线是否反射判断旋翼螺旋桨是否处于与飞行方向一致的位置，并输出高低电平信号给飞行控制系统；飞行控制系统对高低电平信号进行检测，通过不同的逻辑计算处理，输出相应的控制信号到直流无刷电调中，进一步控制直流无刷电机转速。

一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制方法如下：

步骤一、当复合式飞行器需要进行旋翼螺旋桨顺桨时，飞行控制系统首先输出直流无刷电机停转信号给直流无刷电调；

步骤二、具备刹车功能的直流无刷电调将直流无刷电机锁定在固定位置；

步骤三、当直流无刷电机被锁定时，光电传感器根据光线是否反射，判断目前旋翼螺旋桨是否处于与飞行方向一致的位置；如果是，进入步骤五；否则，进入步骤四；

当旋翼螺旋桨处于与飞行方向一致的位置，此时光电传感器发射光将会反射回来，光电传感器接收到反射光后会输出低电平信号给飞行控制系统；反之，光电传感器无法接收到反射光，光电传感器输出高电平信号给飞行控制系统。

步骤四、飞行控制系统接收到高电平信号，首先输出直流无刷电机转动信号给直流无刷电调，控制直流无刷电机慢速转动，转动一定的时间后，再输出直流无刷电机停转信号给直流无刷电调，并返回步骤二；

步骤五、飞行控制系统持续输出直流无刷电机停转信号，控制旋翼螺旋桨锁定的位置处于顺桨位置。

本发明的优点及带来的有益效果在于：

(1)本发明复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制方法，通过检测光电传感器信号判断旋翼螺旋桨是否处于合适位置，并经过一定逻辑计算处理输出相应电机转动或停止信号，快速准确调整旋翼螺旋桨位置，减小因为桨叶位置不佳导致的动力损耗，提升飞机飞行效率。

(2)本发明复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统，利用光电传感器数据和刹车功能，对电机位置进行控制，使得电机可以锁定在目标位置，实现无论螺旋桨处于何种状态，都可在飞机完成模态切换后将螺旋桨位置调整至顺风方向，减小飞行阻力。

附图说明

图1是本发明复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统的结构示意图；

图2是本发明复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统的局部结构示意图；

图3是本发明复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制方法的逻辑框图；

图4是本发明复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制方法流程示意图；

图5是本发明复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制方法具体步骤示意图。

图中：

1-飞行控制系统；2-光电传感器；3-直流无刷电调；4-直流无刷电机；5-旋翼臂；6-旋翼螺旋桨；

具体实施例

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

常规固定翼飞行器包括：机身、机翼、副翼、推力发动机以及水平安定面、水平尾翼、垂直安定面、垂直尾翼等，机身内部安装有飞行控制系统，动力装置及任务设备等。其中，飞行控制系统对飞行器的飞行进行控制，动力装置为整个飞行器提供动力。

本发明所述的复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统，整体结构如图1所示，除了包括常规固定翼飞行器各部件与飞行控制系统1外，还包括光电传感器2、直流无刷电调3，直流无刷电机4、旋翼臂5和旋翼螺旋桨6；

在常规固定翼飞行器的结构基础上，将两条旋翼臂5分别通过螺钉安装在飞行器两侧机翼下方，其安装位置根据机翼尺寸合理选择，与机翼上副翼位置错开，避免干涉副翼舵面运动；且两条旋翼臂5分别平行机身，两条旋翼臂5的长度与机身相同；

如图2所示，在每条旋翼臂5的前后两端分别从外向内对称安装有光电传感器2、直流无刷电机4和直流无刷电调3；

直流无刷电机4通过螺钉安装在旋翼臂5两端，且在每个直流无刷电机4上方各固定安装一个旋翼螺旋桨6；旋翼螺旋桨6与直流无刷电机4上的转子固连，随直流无刷电机4的转子一同转动；旋翼螺旋桨6的尺寸及形状根据机身与机翼的尺寸结合实际需要合理选择。

直流无刷电机4的位置以及旋翼臂5的安装位置需要根据机翼尺寸和桨叶合理选择，避免旋翼螺旋桨6与机身或机翼干涉；

直流无刷电调3通过电线连接直流无刷电机4，直流无刷电调3发出控制信号调节直流无刷电机4的转速，且直流无刷电调3具备刹车功能；直流无刷电调3位于旋翼螺旋桨6的末端。

光电传感器2共四路，分别安装在两条旋翼臂5前后两端，位于直流无刷电机4外侧，光电传感器2与直流无刷电机4之间的距离根据具体所采用的旋翼螺旋桨6的大小决定，避免与旋翼螺旋桨6干涉。光电传感器2安装位置需要靠近直流无刷电机4，这有利于光电传感器2检测的准确性。

光电传感器2的光源向上发射，根据光线是否反射判断旋翼螺旋桨6是否处于与飞行方向一致的位置。当旋翼螺旋桨6处于与飞行方向一致，即旋翼螺旋桨6处于如图2所示位置，此时光电传感器2发射光将会反射回来，光电传感器2接收到反射光后会输出低电平信号给飞行控制系统1；当旋翼螺旋桨6不处于如图2所示位置时，此时光电传感器2无法接收到反射光，光电传感器2输出高电平信号给飞行控制系统1。飞行控制系统1对高低电平信号进行检测，通过不同的逻辑计算处理，对应高电平信号输出直流无刷电机4转动信号给直流无刷电调3，对应低电平信号输出直流无刷电机4停转信号给直流无刷电调3，直流无刷电调3进一步控制直流无刷电机4转速。

一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统的实现过程如图3所示，飞行控制系统1安装在机身中，飞行控制系统1可以检测四路光电传感器2输出信号，并且根据一定的逻辑计算处理输出相应控制信号到四路对应的直流无刷电调3中，直流无刷电调3接收到飞行控制系统1给出的控制信号后，会向直流无刷电机4中输出相应的直流电控制其动力装置转动，从而带动旋翼螺旋桨6的转动；旋翼螺旋桨6的转动，导致光电传感器2接收到不同的反射光给飞行控制系统1。

一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制方法，如图4所示，复合式飞行器起飞时，飞行器以多旋翼模态进行起飞悬停，飞行控制系统1通过输出控制信号到直流无刷电调3控制飞行器起飞，飞行器上升到一定高度后，启动固定翼飞行器的推力电机，控制飞行器向前飞行。

当前飞达到一定速度后，在飞行控制系统1中，当飞行器以固定翼模态进行高速飞行时，需要旋翼螺旋桨6停转并锁定在与飞行方向一致的位置(即顺桨)，此时飞行控制系统1首先向四路直流无刷电调输出电机停转信号，延迟一段时间后，直流无刷电调3会将直流无刷电机4锁定在固定位置，然后通过检测光电传感器2输出信号判断四只旋翼螺旋桨6是否处于与飞行方向一致的位置，若处于该位置，则飞行控制系统1持续输出电机停转信号；若未处于该位置，则飞行控制系统1首先输出电机转动信号，使直流无刷电机4慢速转动，再输出电机停转信号并保持一段时间，然后检测光电传感器2输出信号，判断旋翼螺旋桨6是否处于与飞行方向一致的位置，飞行控制系统1重复此过程直至旋翼螺旋桨6处于与飞行方向一致的位置，在此过程中四路光电传感器2以及四路直流无刷电调3、直流无刷电机4和旋翼螺旋桨6独立工作，互不干涉。

当飞行器在空中悬停或需要降落时，同起飞一致，飞行控制系统1通过输出控制信号到直流无刷电调3控制飞行器以多旋翼模态进行飞行。

具体步骤如图5所示，具体描述如下：

步骤一、当复合式飞行器需要进行旋翼螺旋桨顺桨时，飞行控制系统首先输出直流无刷电机停转信号给直流无刷电调；

步骤二、具备刹车功能的直流无刷电调将直流无刷电机锁定在固定位置；

步骤三、当直流无刷电机被锁定时，光电传感器根据光线是否反射，判断目前旋翼螺旋桨是否处于与飞行方向一致的位置；如果是，进入步骤五；否则，进入步骤四；

当旋翼螺旋桨6处于与飞行方向一致，此时光电传感器2发射光将会反射回来，光电传感器2接收到反射光后会输出低电平信号给飞行控制系统1；反之，光电传感器2无法接收到反射光，光电传感器2输出高电平信号给飞行控制系统1。

步骤四、飞行控制系统接收到高电平信号，首先输出直流无刷电机转动信号给直流无刷电调，控制直流无刷电机慢速转动，转动一定的时间后，再输出直流无刷电机停转信号给直流无刷电调，并返回步骤二；

步骤五、飞行控制系统持续输出直流无刷电机停转信号，控制旋翼螺旋桨锁定的位置处于顺桨位置。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统，包括飞行控制系统，其特征在于，还包括光电传感器、直流无刷电机、直流无刷电调、旋翼臂和旋翼螺旋桨；

两条旋翼臂分别安装在复合式飞行器两侧机翼下方；

在每条旋翼臂的前后两端分别从外向内对称安装有光电传感器、直流无刷电机和直流无刷电调；且在每个直流无刷电机上方各固定安装一个旋翼螺旋桨；旋翼螺旋桨随直流无刷电机转动；

所述的直流无刷电调具备刹车功能；

所述的光电传感器与直流无刷电机之间的距离根据具体所采用的旋翼螺旋桨的大小决定，避免与旋翼螺旋桨干涉；光电传感器的安装位置靠近直流无刷电机；

光电传感器的光源向上发射，根据光线是否反射判断旋翼螺旋桨是否处于与飞行方向一致的位置，并输出高低电平信号给飞行控制系统；飞行控制系统对高低电平信号进行检测，通过不同的逻辑计算处理，输出相应的控制信号到直流无刷电调中，进一步控制直流无刷电机转速。

2.根据权利要求1所述的一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统，其特征在于，所述的两条旋翼臂的安装位置根据机翼尺寸合理选择，与机翼上副翼位置错开，避免干涉副翼舵面运动；且两条旋翼臂分别平行机身，两条旋翼臂的长度与机身相同。

3.根据权利要求1所述的一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统，其特征在于，所述的旋翼螺旋桨与直流无刷电机上的转子固连，随直流无刷电机的转子一同转动；旋翼螺旋桨的尺寸及形状根据机身与机翼的尺寸结合实际需要合理选择。

4.应用如权利要求1所述的一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统的控制方法，其特征在于，

步骤一、当复合式飞行器需要进行旋翼螺旋桨顺桨时，飞行控制系统首先输出直流无刷电机停转信号给直流无刷电调；

步骤二、具备刹车功能的直流无刷电调将直流无刷电机锁定在固定位置；

步骤三、当直流无刷电机被锁定时，光电传感器根据光线是否反射，判断目前旋翼螺旋桨是否处于与飞行方向一致的位置；如果是，进入步骤五；否则，进入步骤四；

步骤四、飞行控制系统首先输出直流无刷电机转动信号给直流无刷电调，控制直流无刷电机慢速转动，转动一定的时间后，再输出直流无刷电机停转信号给直流无刷电调，并返回步骤二；

步骤五、飞行控制系统持续输出直流无刷电机停转信号，控制旋翼螺旋桨锁定的位置处于顺桨位置。

5.根据权利要求4所述的应用如权利要求1所述的一种复合式飞行器中多旋翼电动螺旋桨顺桨方式的控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤三中，当旋翼螺旋桨处于与飞行方向一致的位置，此时光电传感器发射光将会反射回来，光电传感器接收到反射光后输出低电平信号给飞行控制系统；反之，光电传感器无法接收到反射光，光电传感器输出高电平信号给飞行控制系统。