CN108275264A - 一种可折叠共轴双旋翼飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可折叠共轴双旋翼飞行器及其控制方法，包括机身，旋翼系统安装座，上旋翼作动电机，下旋翼作动电机，作动电机连接件，可折叠上旋翼部件，可折叠下旋翼部件，上旋翼变距机构，下旋翼变距机构，可折叠起落架和机载设备。机身为柱状体，其外侧面向机身内部开有沿母线方向的凹槽。可折叠上旋翼、可折叠下旋翼和可折叠起落架均可通过各自根部的铰链折叠至机身母线方向的凹槽内。上、下旋翼变距机构相互独立地进行变距操作。本发明方案采用折叠共轴双旋翼布局，通过可折叠双旋翼和可折叠起落架的打开与收纳，使飞行器在工作状态具有正常共轴旋翼状态进行飞行作业，在非工作状态时具有较小体积，便于制造、运输、携带和存储。

Description

一种可折叠共轴双旋翼飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及共轴双旋翼飞行器领域，特别涉及一种可折叠共轴双旋翼飞行器及其控制方法。

背景技术

共轴双旋翼飞行器由于不需要尾桨提供平衡扭矩，相比单旋翼直升机具有较小的体积，相比多旋翼飞行器，除了体积小之外，还具有较高的能量利用率，因此在航空拍摄、空中监视等多种应用领域中日益占据重要的地位。

虽然共轴双旋翼飞行器具有很多优点，但现有共轴飞行器由于采用以机身为中心向外辐状安装的固定旋翼，其体积较大，通常会给制造、运输、携带和储存等带来诸多问题。

现有共轴双旋翼飞行器通常采用全差动或半差动的旋翼变距机构且结构复杂，在变距过程中上、下旋翼变距机构之间会相互影响，在耦合作用下，其操纵效率较低，甚至会影响到飞行器的飞行效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题，提供一种折叠共轴双旋翼飞行器。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种可折叠共轴双旋翼飞行器，包括机身，旋翼系统安装座，上旋翼作动电机，下旋翼作动电机，作动电机连接件，可折叠上旋翼部件，可折叠下旋翼部件，上旋翼变距机构，下旋翼变距机构，可折叠起落架和机载设备。其特征在于：

所述的旋翼系统安装座固定安装于所述机身上方，所述的下旋翼作动电机固定安装于所述的旋翼系统安装座上方，所述的可折叠下旋翼部件与所述的下旋翼作动电机转子输出轴固定连接，安装于下旋翼作动电机和旋翼系统安装座之间。所述的上旋翼作动电机通过作动电机连接件固定安装于下旋翼作动电机上方。所述的可折叠上旋翼部件与所述的上旋翼作动电机转子输出轴固定连接，安装于上旋翼作动电机上方。

所述的可折叠下旋翼部件包括下桨毂，下桨距调节旋转件，下旋翼连接件，下旋翼。所述的下桨毂与所述的下旋翼作动电机转子输出轴固定连接，所述的下桨距调节旋转件与所述的下桨毂铰接，所述的下旋翼连接件与所述的下桨距调节旋转件铰接，所述的下旋翼与所述的下旋翼连接件固定连接。所述的可折叠上旋翼部件包括上桨毂，上桨距调节旋转件，上旋翼连接件，上旋翼。所述的上桨毂与所述的上旋翼作动电机转子输出轴固定连接，所述的上桨距调节旋转件与所述的上桨毂铰接，所述的上旋翼连接件与所述的上桨距调节旋转件铰接，所述的上旋翼与所述的上旋翼连接件固定连接。所述的下旋翼可通过下旋翼连接件与下旋翼桨距调节旋转件相连接的铰链折叠至所述机身的侧面，所述的上旋翼可通过上旋翼连接件与上旋翼桨距调节旋转件相连接的铰链折叠至所述机身的侧面。

作为本发明的一种优选，所述的下旋翼变距机构包括下旋翼变距舵机，下舵机摇臂，倾转盘连接杆，倾转盘，旋转倾转盘，下推杆，下桨夹。所述的下旋翼变距舵机包括左舵机、右舵机和后舵机，均固定安装在所述的旋翼系统安装座上。所述的下舵机摇臂一端与所述的下旋翼变距舵机输出轴铰接，另一端与所述的倾转盘连接杆一端铰接，所述的倾转盘连接杆的另一端与所述的倾转盘侧边伸出杆铰接，所述的倾转盘上设有旋转倾转盘，所述的旋转倾转盘侧边与下推杆的一端铰接，所述的下推杆的另一端与所述的下桨夹铰接，所述的下桨夹与所述的下桨距调节旋转件固接。

所述的上旋翼变距机构包括上舵机安装座，上旋翼变距舵机，上舵机摇臂，过渡连接杆，上旋转盘连接杆，连接杆支撑摇臂，上旋转盘，上旋转盘推杆，上推杆，上桨夹。所述的上舵机安装座与所述的上旋翼作动电机定子固定连接，所述的上旋翼变距舵机固定安装于所述的上舵机安装座上，所述的上舵机摇臂一端与所述的上旋翼变距舵机输出轴固定连接，另一端与所述的过渡连接杆一端铰接，所述的过渡连接杆另一端与所述的上旋转盘连接杆一端铰接，所述的上旋转盘连接杆另一端与所述的上旋转盘侧边铰接，其中部与所述的连接杆支撑摇臂一端铰接，所述的连接杆支撑摇臂另一端与所述的上舵机安装座铰接，所述的上旋转盘下部与所述的上旋转盘推杆一端固定连接，所述的上旋转盘推杆另一端与所述的上推杆一端铰接，所述的上推杆另一端与所述的上桨夹铰接，所述的上桨夹与所述的上桨距调节旋转件固接。

所述的可折叠起落架与所述的机身铰接，可折叠至所述机身的侧面。

所述的机载设备安装在机身下部。

作为本发明的一种优选，所述的机身为柱状体，其外壳侧面向机身内部开有沿母线方向的凹槽，用于收纳所述的上旋翼、下旋翼和可折叠起落架。所述的上旋翼和下旋翼可折叠至所述机身外壳母线方向的凹槽内。所述的可折叠起落架安装在所述机身外侧面的中下部，可通过铰链折叠至所述机身外壳母线方向的凹槽内。

作为本发明的一种优选，所述的上旋翼作动电机和下旋翼作动电机均为单向旋转电机。

作为本发明的一种优选，所述的上旋翼和下旋翼在飞行时展开至与所述机身轴线垂直的方向；在非工作状态，所述的上旋翼和下旋翼折叠至所述机身母线方向的凹槽内。所述的可折叠起落架在非工作状态和飞行时折叠至所述机身母线方向的凹槽内，在降落阶段处于展开状态以便飞行器着陆。

作为本发明的一种优选，本发明方案中，GPS和气压计安装于飞行器上方。

本发明还公开了一种可折叠共轴双旋翼飞行器的控制方法，包括以下步骤：

采用混合协同控制策略。通过单倾转盘层周期变距来控制飞行器的横滚和俯仰。通过双层同动来控制飞行器的升降，其扭矩偏差通过偏航进行微调。通过双层差动，对有倾转盘层加减总距来控制飞行器偏航，其升力偏差通过升降进行微调。

有益效果：

本发明技术方案相比传统方案，采用可折叠共轴双旋翼布局，通过可折叠双旋翼和可折叠起落架的打开与收纳，使共轴双旋翼飞行器在工作状态具有正常外形进行飞行作业，在非工作状态时具有较小体积，便于制造、运输、携带和存储。此外，本方案采用相互独立解耦的上、下旋翼变距机构，结构简单紧凑，具有较高的飞行和操纵效率，电机位置有利于重心位置，减小整体高度。本发明方案中的飞行器可采用定速控制，可同时对飞行器的航向和升降进行准确控制。GPS和气压计安装于上方，GPS信号更稳定，气压计测得气压更稳定，不受气流干扰。

附图说明

图1为一种可折叠共轴双旋翼飞行器内部结构示意图；

图2为一种可折叠共轴双旋翼飞行器外部结构示意图；

图3为一种可折叠共轴双旋翼飞行器的下旋翼变距机构示意图；

图4为一种可折叠共轴双旋翼飞行器的上旋翼变距机构示意图；

图5为一种可折叠共轴双旋翼飞行器非工作状态外部结构示意图。

图1至图5中所示， 1、机身，2、旋翼系统安装座，3、上旋翼作动电机，4、下旋翼作动电机，5、作动电机连接件，6、可折叠上旋翼部件，7、可折叠下旋翼部件，8、上旋翼变距机构，9、下旋翼变距机构，10、可折叠起落架，11、机载设备，6a、上桨毂，6b、上桨距调节旋转件，6c、上旋翼连接件，6d、上旋翼，7a、下桨毂，7b、下桨距调节旋转件，7c、下旋翼连接件，7d、下旋翼，8a、上舵机安装座，8b、上旋翼变距舵机，8c、上舵机摇臂，8d、过渡连接杆，8e、上旋转盘连接杆，8f、连接杆支撑摇臂，8g、上旋转盘，8h、上旋转盘推杆，8i、上推杆，8j、上桨夹，9a、下旋翼变距舵机，9b、下舵机摇臂，9c、倾转盘连接杆，9d、倾转盘，9e、旋转倾转盘，9f、下推杆，9g、下桨夹，9a1、左舵机，9a2、右舵机，9a3、后舵机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

如图1和图2所示分别为一种可折叠共轴双旋翼飞行器内部和外部结构示意图，包括机身1，旋翼系统安装座2，上旋翼作动电机3，下旋翼作动电机4，作动电机连接件5，可折叠上旋翼部件6，可折叠下旋翼部件7，上旋翼变距机构8，下旋翼变距机构9，可折叠起落架10和机载设备11。

如图1所示，旋翼系统安装座2固定安装于机身1上方，下旋翼作动电机4固定安装于旋翼系统安装座2上方，可折叠下旋翼部件7与下旋翼作动电机4转子输出轴固定连接，安装于下旋翼作动电机4和旋翼系统安装座2之间。上旋翼作动电机3通过作动电机连接件5固定安装于下旋翼作动电机3上方。可折叠上旋翼部件6与上旋翼作动电机3转子输出轴固定连接，安装于上旋翼作动电机3上方。

如图3所示为一种可折叠共轴双旋翼飞行器的下旋翼变距机构示意图，其中，可折叠下旋翼部件7包括下桨毂7a，下桨距调节旋转件7b，下旋翼连接件7c，下旋翼7d。下桨毂7a与下旋翼作动电机4转子输出轴固定连接，下桨距调节旋转件7b与下桨毂7a铰接，下旋翼连接件7c与下桨距调节旋转件7b铰接，下旋翼7d与下旋翼连接件7c固定连接。如图4所示为一种可折叠共轴双旋翼飞行器的上旋翼变距机构示意图，其中，可折叠上旋翼部件6包括上桨毂6a，上桨距调节旋转件6b，上旋翼连接件6c，上旋翼6d。上桨毂6a与上旋翼作动电机3转子输出轴固定连接，上桨距调节旋转件6b与上桨毂6a铰接，上旋翼连接件6c与上桨距调节旋转件6b铰接，上旋翼6d与上旋翼连接件6c固定连接。下旋翼7d可通过下旋翼连接件7c与下旋翼桨距调节旋转件7b相连接的铰链折叠至机身1的侧面，上旋翼6d可通过上旋翼连接件6c与上旋翼桨距调节旋转件6b相连接的铰链折叠至机身1的侧面。

如图3所示，下旋翼变距机构9包括下旋翼变距舵机9a，下舵机摇臂9b，倾转盘连接杆9c，倾转盘9d，旋转倾转盘9e，下推杆9f，下桨夹9g。下旋翼变距舵机9a包括左舵机9a1、右舵机9a2和后舵机9a3，均固定安装在旋翼系统安装座2上。下舵机摇臂9b一端与下旋翼变距舵机9a输出轴铰接，另一端与倾转盘连接杆9c一端铰接，倾转盘连接杆9c的另一端与倾转盘9d侧边伸出杆铰接，倾转盘9d上设有旋转倾转盘9e，旋转倾转盘9e侧边与下推杆9f的一端铰接，下推杆9f的另一端与下桨夹9g铰接，下桨夹9g与下桨距调节旋转件7b固接。

如图4所示，上旋翼变距机构8包括上舵机安装座8a，上旋翼变距舵机8b，上舵机摇臂8c，过渡连接杆8d，上旋转盘连接杆8e，连接杆支撑摇臂8f，上旋转盘8g，上旋转盘推杆8h，上推杆8i，上桨夹8j。上舵机安装座8a与上旋翼作动电机3定子固定连接，上旋翼变距舵机8b固定安装于上舵机安装座8a上，上舵机摇臂8c一端与上旋翼变距舵机8b输出轴固定连接，另一端与过渡连接杆8d一端铰接，过渡连接杆8d另一端与上旋转盘连接杆8e一端铰接，上旋转盘连接杆8e另一端与上旋转盘8g侧边铰接，其中部与连接杆支撑摇臂8f一端铰接，连接杆支撑摇臂8f另一端与上舵机安装座8a铰接，上旋转盘8g下部与上旋转盘推杆8h一端固定连接，上旋转盘推杆8h另一端与上推杆8i一端铰接，上推杆8i另一端与上桨夹8j铰接，上桨夹8j与上桨距调节旋转件6b固接。

如图5所示为一种可折叠共轴双旋翼飞行器非工作状态外部结构示意图，其中，可折叠起落架10与机身1铰接，可折叠至机身1的侧面。

本实施例中，机载设备11安装在机身1下部。

如图5所示，机身1为柱状体，其外壳侧面向机身1内部开有沿母线方向的凹槽，用于收纳所述的上旋翼6d、下旋翼7d和可折叠起落架10。上旋翼6d和下旋翼7d可折叠至机身1外壳母线方向的凹槽内。可折叠起落架10安装在机身1外侧面的中下部，可通过铰链折叠至机身1外壳母线方向的凹槽内。

本实施例中，上旋翼作动电机3和下旋翼作动电机4可均为单向旋转电机。

本实施例中，上旋翼6d和下旋翼7d在飞行时展开至与机身1轴线垂直的方向（亦为机身1外壳母线的垂直方向）；在非工作状态，上旋翼6d和下旋翼7d折叠至机身1母线方向的凹槽内，如图5所示。可折叠起落架10在非工作状态和飞行时折叠至机身1母线方向的凹槽内，在降落阶段处于展开状态以便飞行器着陆。

本实施例中，GPS和气压计安装于飞行器上方。

本实施例中，对可折叠共轴双旋翼飞行器采用混合协同控制策略。通过单倾转盘层周期变距来控制飞行器的横滚和俯仰。通过双层同动来控制飞行器的升降，其扭矩偏差通过偏航进行微调。通过双层差动，对有倾转盘层加减总距来控制飞行器偏航，其升力偏差通过升降进行微调。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可折叠共轴双旋翼飞行器，包括机身，旋翼系统安装座，上旋翼作动电机，下旋翼作动电机，作动电机连接件，可折叠上旋翼部件，可折叠下旋翼部件，上旋翼变距机构，下旋翼变距机构，其特征在于：

所述的旋翼系统安装座固定安装于机身上方，所述的下旋翼作动电机固定安装于所述的旋翼系统安装座上方，所述的可折叠下旋翼部件与所述的下旋翼作动电机转子输出轴固定连接，安装于下旋翼作动电机和旋翼系统安装座之间，所述的上旋翼作动电机通过作动电机连接件固定安装于下旋翼作动电机上方；所述的可折叠上旋翼部件与所述的上旋翼作动电机转子输出轴固定连接，安装于上旋翼作动电机上方；

所述的可折叠下旋翼部件包括下桨毂，下桨距调节旋转件，下旋翼连接件，下旋翼，所述的下桨毂与下旋翼作动电机转子输出轴固定连接，所述的下桨距调节旋转件与所述的下桨毂铰接，所述的下旋翼连接件与所述的下桨距调节旋转件铰接，所述的下旋翼与所述的下旋翼连接件固定连接；

所述的可折叠上旋翼部件包括上桨毂，上桨距调节旋转件，上旋翼连接件，上旋翼，所述的上桨毂与上旋翼作动电机转子输出轴固定连接，所述的上桨距调节旋转件与所述的上桨毂铰接，所述的上旋翼连接件与所述的上桨距调节旋转件铰接，所述的上旋翼与所述的上旋翼连接件固定连接；

所述的下旋翼可通过下旋翼连接件与下旋翼桨距调节旋转件相连接的铰链折叠至所述机身的侧面，所述的上旋翼可通过上旋翼连接件与上旋翼桨距调节旋转件相连接的铰链折叠至所述机身的侧面。

2.根据权利要求1所述的一种可折叠共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述的下旋翼变距机构包括下旋翼变距舵机，下舵机摇臂，倾转盘连接杆，倾转盘，旋转倾转盘，下推杆，下桨夹；所述的下旋翼变距舵机包括左舵机、右舵机和后舵机，均固定安装在所述的旋翼系统安装座上，所述的下舵机摇臂一端与所述的下旋翼变距舵机输出轴铰接，另一端与所述的倾转盘连接杆一端铰接，所述的倾转盘连接杆的另一端与所述的倾转盘侧边伸出杆铰接，所述的倾转盘上设有旋转倾转盘，所述的旋转倾转盘侧边与下推杆的一端铰接，所述的下推杆的另一端与所述的下桨夹铰接，所述的下桨夹与所述的下桨距调节旋转件固接。

3.根据权利要求1所述的一种可折叠共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述的上旋翼变距机构包括上舵机安装座，上旋翼变距舵机，上舵机摇臂，过渡连接杆，上旋转盘连接杆，连接杆支撑摇臂，上旋转盘，上旋转盘推杆，上推杆，上桨夹；所述的上舵机安装座与所述的上旋翼作动电机定子固定连接，所述的上旋翼变距舵机固定安装于所述的上舵机安装座上，所述的上舵机摇臂一端与所述的上旋翼变距舵机输出轴固定连接，另一端与所述的过渡连接杆一端铰接，所述的过渡连接杆另一端与所述的上旋转盘连接杆一端铰接，所述的上旋转盘连接杆另一端与所述的上旋转盘侧边铰接，其中部与所述的连接杆支撑摇臂一端铰接，所述的连接杆支撑摇臂另一端与所述的上舵机安装座铰接，所述的上旋转盘下部与所述的上旋转盘推杆一端固定连接，所述的上旋转盘推杆另一端与所述的上推杆一端铰接，所述的上推杆另一端与所述的上桨夹铰接，所述的上桨夹与所述的上桨距调节旋转件固接。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种可折叠共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述的机身为柱状体，其外壳侧面向机身内部开有沿母线方向的凹槽，用于收纳所述的上旋翼、下旋翼和可折叠起落架；所述的上旋翼和下旋翼可折叠至所述机身外壳母线方向的凹槽内；所述的可折叠起落架安装在所述机身外侧面的中下部，可通过铰链折叠至所述机身外壳母线方向的凹槽内。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种可折叠共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述的上旋翼作动电机和下旋翼作动电机均为单向旋转电机。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种可折叠共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述的上旋翼和下旋翼在飞行时展开至与所述机身轴线垂直的方向；在非工作状态，所述的上旋翼和下旋翼折叠至所述机身母线方向的凹槽内。

7.根据权利要求4所述的一种可折叠共轴双旋翼飞行器，其特征在于：在所述的机身上还设置有可折叠起落架，所述的可折叠起落架与所述的机身铰接，可折叠至所述机身的侧面。

8.根据权利要求7所述的一种可折叠共轴双旋翼飞行器，其特征在于：所述的可折叠起落架在非工作状态和飞行时折叠至所述机身母线方向的凹槽内，在降落阶段处于展开状态以便飞行器着陆。

9.根据权利要求1至3中任意所述的一种可折叠共轴双旋翼飞行器，其特征在于：GPS和气压计安装于飞行器上方；机载设备安装在机身下部。

10.一种可折叠共轴双旋翼飞行器的控制方法，其特征在于：包括如下的步骤：采用混合协同控制方式，通过单倾转盘层周期变距来控制飞行器的横滚和俯仰；通过双层同动来控制飞行器的升降，其扭矩偏差通过偏航进行微调；通过双层差动，对有倾转盘层加减总距来控制飞行器偏航，其升力偏差通过升降进行微调。