CN107672793B - 旋翼装置、飞行器及其飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋翼装置。螺旋桨，具有桨轴、桨毂和桨叶；驱动装置，驱动螺旋桨旋转；桨叶通过挥舞铰安装在桨毂上；挥舞角控制机构，与桨叶活动连接，驱动桨叶绕挥舞铰的铰轴转动。提高旋翼装置拉力响应速度。

Description

旋翼装置、飞行器及其飞行控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器领域，特别是涉及一种旋翼装置，具有该旋翼装置的飞行器，以及该飞行器的飞行控制方法。

背景技术

螺旋桨分为定距和变距两大类。适合低速的桨叶安装角难以适应高速，反之，适合高速的安装角难以适应低速。所以定距螺旋桨只能在选定的速度范围内效率较高。为了解决这一矛盾，出现了变距螺旋桨，即通过控制装置改变螺旋桨的桨距。变矩螺旋桨是靠改变螺旋桨每个桨叶的倾斜角来改变输出扭矩，也就是在转速不变的情况下可以改变螺旋桨推力。使用变矩螺旋桨，大大改善了飞行器的适应性以使之具有较高的工作效率。现有的变距螺旋桨一般是通过舵机带动倾斜盘移动，再通过连杆、摇臂等带动桨叶倾转，以实现变距。这种桨距角控制机构较为复杂，且存在死点。旋翼可以在一定范围内上下挥动，转动时靠离心力扯直，通过挥舞铰解决机械疲劳问题，

现今旋翼飞行器起飞过程中，升力变大时，受飞行器机身所受重力影响，桨叶容易向上挥舞，挥舞角变大，同时桨叶重心靠近圆心使离心力减小，桨叶形成浅漏斗状，浅漏斗就会变深然后在某一角度重新平衡，如果升力超过平衡极限，旋翼椎体就会趋近圆柱体，飞行器就无法起飞。在正常飞行中，自由挥舞还会削弱飞行姿态调整响应速度。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种拉力响应速度高的旋翼装置。

本发明的第二目的是提供一种姿态响应速度高的飞行器。

本发明的第三目的提供一种飞行器的高姿态响应速度的控制方法。

为实现第一目的，本发明提供一种旋翼装置。螺旋桨具有桨轴、桨毂和桨叶；桨叶通过挥舞铰安装在桨毂上；挥舞角控制机构与桨叶活动连接，驱动桨叶绕挥舞铰的铰轴转动。

由以上方案可见，挥舞角控制机构能控制螺旋桨桨叶旋转时的挥舞角大小及方向，当需要获取较大加速度时可以通过控制挥舞角使桨叶下压，不但有利于集中下洗气流，还可以额外获取气流反推力，大大提高拉力的响应速度。

进一步方案为，挥舞铰的外侧成型有安装筒，桨叶可倾转地安装在安装筒上；桨距角控制机构，其动力输出端与桨叶活动连接，驱动桨叶倾转；挥舞角控制机构与安装筒铰接。由此可见，旋翼装置能同时控制桨叶的挥舞角和桨距角的大小，有利于进一步提高气流响应速度和拉力响应速度。

进一步方案为，桨距角控制机构，包括驱动舵机、推杆、推块和传动轴；舵机固定在旋翼装置的固定架上；推块通过轴承安装在推杆的靠近主桨毂的一端；推杆的远离主桨毂的另一端与固定在驱动舵机的机壳上的螺纹套筒螺纹连接，且与驱动舵机的输出轴能传递扭矩地滑动连接；推块设置有沿螺旋桨的旋转轴线的法面延伸的键槽，且键槽沿螺旋桨周向均匀分布，传动轴靠近推块的一侧设置有凸台，凸台能在键槽中滑动。由此可见，节约旋翼装置的外部结构空间，减少气阻，有利于增强旋翼装置的桨距控制机构的传动可靠性。

进一步方案为，挥舞角控制机构，包括推动部和支撑杆；支撑杆，一端与安装筒铰接，另一端与推动部铰接；推动部可旋转地安装在推杆上，且推动部在推杆的轴线方向上与推杆相对静止。由此可见，挥舞角控制机构与桨距控制机构可联动控制，简化并减小旋翼装置的结构，降低重量且减小气阻。

进一步方案为，挥舞角控制机构，包括推动舵机、推动部和支撑杆；推动部可滑动地安装在桨轴上，推动部在桨轴的周向上与桨轴相对静止；支撑杆的一端与安装筒铰接，支撑杆的另一端与推动部铰接；推动舵机固定在旋翼装置的固定架上，通过轴承推动推动部沿桨轴的轴线方向滑动。由此可见，挥舞角控制机构与桨距控制机构独立控制，能根据实时的飞行环境的需求调整桨叶的气动特性，即可提高拉力响应速度，又可以使得桨叶运行在对应转速的桨距桨距角下保证较高的力效。

另一步方案为，挥舞铰的外侧固定在桨叶的桨根上，其内侧成型有套筒，套筒可旋转地安装在桨毂上；桨距角控制机构，控制转动套筒绕其轴线转动；套筒上设置有沿其轴线方向滑动的滑块，滑块在套筒的周向上与套筒相对静止；推臂，其外端与桨叶铰接，其内端与滑块铰接；挥舞角控制机构与滑块铰接。有利于提高传动的可靠性。

进一步方案为，挥舞角控制机构，包括推动舵机、推动部和支撑杆；推动部可滑动地安装在桨轴上，推动部在桨轴的周向上与桨轴相对静止；支撑杆的一端通过轴承与滑块活动连接，支撑杆的另一端与推动部铰接；推动舵机固定在旋翼装置的固定架上，通过轴承推动推动部沿桨轴的轴线方向滑动。位于挥舞铰外侧的质量较少，摆动惯量较小，桨叶摆动响应速度更高，可以获得更高的拉力响应速度。

为实现第二目的，本发明提供一种飞行器。飞行器，包括机身和旋翼装置，旋翼装置通过固定架安装在机身上，旋翼装置为上述的任一旋翼装置。有利于通过合理改变挥舞角和桨距角的大小，实现气流密度及升力的控制，增强拉力响应速度，可迅速调整飞行器的飞行姿态，提高飞行器的机动性。

为实现第三目的，本发明提供一种飞行器一种具有可控的挥舞角旋翼装置的飞行器的控制方法。飞行器的飞行控制方法包括以下步骤：

S1、增加油门。

S2、挥舞角控制机构控制桨叶下摆。

由此可见，不但有利于集中下洗气流，还可以额外获取气流反推力，大大提高拉力的响应速度。

进一步方案为，一种飞行器的控制方法，飞行器的旋翼装置同时具有挥舞角控制机构和桨距控制机构的旋翼装置, 其飞行器飞行的控制方法包括以下步骤：

S1、增加油门。

S2、所述桨距角控制装置增加所述桨叶的桨距角，所述挥舞角控制机构控制所述桨叶下摆。

由此可见，旋翼装置能同时控制桨叶的挥舞角和桨距角的大小，有利于进一步提高气流响应速度和拉力响应速度。

附图说明

图1 是旋翼装置第一实施例与驱动装置配合的示意图；

图2是图1的局部剖视图；

图3是旋翼装置第一实施例的未显示上桨毂的俯视图；

图4是旋翼装置第一实施例的内传动轴的立体图；

图5是旋翼装置第一实施例的外传动轴的立体图；

图6是旋翼装置第一实施例的推块的立体图；

图7是旋翼装置第二实施例与驱动装置配合的局部剖视图；

图8是旋翼装置第三实施例与驱动装置配合的结构示意图；

图9是飞行器实施例的示意图；

图10是飞行器的飞行控制方法实施例示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例并对照附图对本发明进行说明。

旋翼装置第一实施例

如图1所示，旋翼装置100包括螺旋桨11和驱动装置12。螺旋桨具有上桨毂111、下桨毂112、桨轴113和桨叶114。驱动装置包含驱动电机121、带轮组122。驱动电机121通过带轮组122带动螺旋桨11转动。

综合图2至图6分析，传动轴10包括外传动轴116、虎克铰117和内传动轴118。桨叶114夹装在外传动轴116的远离桨毂的一端，外传动轴116通过轴承可旋转地安装在安装筒115上。内传动轴118的旋转轴线沿螺旋桨11的周向均布，内传动轴118的旋转轴线与螺旋桨11的旋转轴线大致垂直。内传动轴118通过轴承可旋转地安装在上桨毂111和下桨毂112之间。内传动轴118与外传动轴116通过虎克铰117连接。其中，虎克铰117的一端成型于内传动轴118上，其另一端通过外花键1184与设置在外传动轴116上的内花键1161配合传动扭矩。同时，安装筒115与下桨毂112铰接，形成挥舞铰119，其铰轴沿桨叶114端部的旋转轨迹的切向方向布置。

桨距角控制机构包括驱动舵机131、推杆133、推块134，和传动轴10。驱动舵机131固定在旋翼装置100的固定架（未示出）上。推块134通过轴承安装在推杆133的靠近下桨毂112的一端。推杆133的远离下桨毂112的另一端与固定在驱动舵机131的机壳上的螺纹套筒132螺纹连接，且与驱动舵机131的输出轴能传递扭矩地滑动连接。推块134设置有键槽1341。键槽1341沿螺旋桨11的旋转轴线的法面延伸，且键槽1341沿螺旋桨11周向均匀分布。内传动轴118靠近推块134的一侧设置有凸台1181，凸台1181能在键槽1341中滑动。当驱动舵机131驱动推杆133旋转时，推杆133受螺纹套筒132作用沿桨轴113轴向移动，推杆133带动推块134向下移动；推块134向下移动，通过键槽1341与凸台1181配合滑动，带动内传动轴118转动；内传动轴118通过虎克铰117向外传动轴115传递扭矩，外传动轴115带动桨叶114倾转，实现螺旋桨11的桨叶114桨距角的增大。

挥舞角控制机构包括推动部141和支撑杆142。支撑杆142的一端与安装筒115铰接，另一端与推动部141铰接。推动部141通过轴承可旋转地安装在推杆133上，且推动部141在推杆133的轴线方向上与推杆133相对静止。当推杆133向下移动时，带动推动部141下移，同时牵引支撑杆142通过安装筒115带动桨叶114绕挥舞角119的铰轴下摆，实现控制螺旋桨的挥舞角的目的。

旋翼装置第二实施例

本实施例与第一实施例基本相同，其区别在于挥舞角控制机构。

如图7所示，旋翼装置200的挥舞角控制机构包括支撑杆201、推动部202、轴承203和推动舵机204。轴承203的外圈固定有套筒2031，轴承203的内圈固定在推动部202上。推动部202可滑动地安装在桨轴206外侧上，推动部202在桨轴206的周向上与桨轴206相对静止。支撑杆201的一端与安装筒205铰接，支撑杆201的另一端与推动部202铰接。推动舵机204固定在旋翼装置200的固定架（未显示）上，推动舵机204的输出轴与套筒2031连接。推动舵机204通过轴承203驱动推动部202滑动；推动部202通过支撑杆201带动安装筒的摆动，从而驱使安装在安装筒上的桨叶208摆动，实现挥舞角大小的独立控制。

旋翼装置第三实施例

本实施例与第一实施例基本相同，其区别在于桨距控制机构和挥舞角控制机构。

如图8所示，挥舞铰301的外侧固定在桨叶302的桨根上，其内侧成型有套筒303。套筒303可旋转地安装在桨毂304上。桨距角控制机构包括变距舵机305和驱动杆306。驱动杆306的一端与变距舵机305输出轴连接，另一端与套筒303铰接，变距舵机305通过驱动杆306控制套筒绕其轴线转动。套筒303上设置有沿其轴线方向滑动的滑块307，滑块307在套筒303的周向上与套筒303相对静止。

挥舞角控制机构包括推动舵机308、推动部3091、轴承3092、支撑杆310、轴承320和推臂311。轴承3092的外圈固定有套筒3093, 轴承3092的内圈固定在推动部3091上；轴承320的外圈固定有套筒321，轴承320的内圈固定在滑块307上。推动部3091可滑动地安装在桨轴312上，推动部3091在桨轴312的周向上与桨轴312相对静止。支撑杆310的一端与推动部3091铰接，支撑杆310的另一端与轴套321铰接。推臂311的外端与桨叶302铰接，推臂311的内端与滑块307铰接。推动舵机308固定在旋翼装置300的固定架（未显示）上，通过轴承推动推动部3091沿桨轴312的轴线方向滑动。推动部3091带动支撑杆310推动滑块307滑动；滑块307通过推臂311带动桨叶302绕挥舞铰301的铰轴摆动，实现改变挥舞较大小的目的。

飞行器实施例

如图9所示，飞行器400为多轴飞行器，其包括旋翼装置401和机身402，旋翼装置401通过固定架安装在所述机身的四周。有利于通过合理改变挥舞角和桨距角的大小，实现气流密度及升力的控制，增强拉力响应速度，可迅速调整飞行器的飞行姿态，提高飞行器的机动性。

飞行控制方法实施例

如图10所示，一种飞行器的控制方法，飞行器的旋翼装置501具有挥舞角控制机构的旋翼装置, 其飞行器飞行的控制方法包括以下步骤：

S1、增加油门。

S2、挥舞角控制机构控制桨叶下摆。

优选的，飞行器的旋翼装置同时具有挥舞角控制机构和桨距角控制机构。当增大油门时，飞行器的旋翼装置的挥舞角控制机构驱动桨叶下摆，增大挥舞角；同时，桨距角控制机构增大桨叶的桨距角。

以上是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.旋翼装置，用于飞行器，包括

螺旋桨，具有桨轴、桨毂和桨叶；

其特征在于：

所述桨叶通过挥舞铰安装在所述桨毂上；

挥舞角控制机构，包括推动部和支撑杆；

所述推动部可滑动地安装在所述桨轴上，所述推动部在所述桨轴的周向上与所述桨轴相对静止；

所述支撑杆的一端与所述桨叶活动连接，另一端与所述推动部铰接；

所述挥舞角控制机构，通过所述推动部驱动所述桨叶绕所述挥舞铰的铰轴转动；

所述挥舞角控制机构，能控制所述螺旋桨的所述桨叶旋转时的挥舞角大小及方向。

2.根据权利要求1所述旋翼装置，其特征在于：

所述挥舞铰的外侧成型有安装筒，所述桨叶可倾转地安装在所述安装筒上；

桨距角控制机构，其动力输出端与所述桨叶活动连接，驱动所述桨叶倾转；

所述挥舞角控制机构与所述安装筒铰接。

3.根据权利要求2所述旋翼装置，其特征在于：

所述桨距角控制机构，包括驱动舵机、推杆、推块和传动轴；

所述驱动舵机固定在所述旋翼装置的固定架上；

所述推块通过轴承安装在所述推杆的靠近所述桨毂的一端；

所述推杆的远离所述桨毂的另一端与固定在所述驱动舵机的机壳上的螺纹套筒螺纹连接，且与所述驱动舵机的输出轴能传递扭矩地滑动连接；

所述推块设置有沿所述螺旋桨的旋转轴线的法面延伸的键槽，且所述键槽沿所述螺旋桨周向均匀分布，所述传动轴靠近所述推块的一侧设置有凸台，所述凸台能在所述键槽中滑动。

4.根据权利要求3所述旋翼装置，其特征在于：

所述支撑杆的一端与所述安装筒铰接；

所述推动部可旋转地安装在所述推杆上，且所述推动部在所述推杆的轴线方向上与所述推杆相对静止。

5.根据权利要求3所述旋翼装置，其特征在于：

所述挥舞角控制机构，包括推动舵机；

所述支撑杆的一端与所述安装筒铰接；

所述推动舵机固定在所述旋翼装置的固定架上，通过轴承推动所述推动部沿所述桨轴的轴线方向滑动。

6.根据权利要求1所述旋翼装置，其特征在于：

所述挥舞铰的外侧固定在所述桨叶的桨根上，其内侧成型有套筒，所述套筒可旋转地安装在所述桨毂上；

桨距角控制机构，控制所述套筒绕其轴线转动；

所述套筒上设置有沿其轴线方向滑动的滑块，所述滑块在所述套筒的周向上与所述套筒相对静止；

推臂，其外端与所述桨叶铰接，其内端与所述滑块铰接；

所述挥舞角控制机构与所述滑块铰接。

7.根据权利要求6所述旋翼装置，其特征在于：

所述挥舞角控制机构，包括推动舵机；所述支撑杆的一端通过轴承与所述滑块活动连接；

所述推动舵机固定在所述旋翼装置的固定架上，通过轴承推动所述推动部沿所述桨轴的轴线方向滑动。

8.飞行器，包括机身和旋翼装置，所述旋翼装置通过固定架安装在所述机身上，其特征在于：

所述旋翼装置为权利要求1至7中任一所述旋翼装置。

9.一种飞行器的控制方法，所述飞行器为权利要求8所述的飞行器,其特征在于，包括以下步骤：

S1、增加油门；

S2、所述挥舞角控制机构控制所述桨叶下摆。

10.一种飞行器的控制方法，所述飞行器的旋翼装置为权利要求2至7任一所述的旋翼装置,其特征在于，包括以下步骤：

S1、增加油门；

S2、所述桨距角控制装置增加所述桨叶的桨距角，所述挥舞角控制机构控制所述桨叶下摆。

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