CN110979653A - 一种三舵机共轴双旋翼系统及其控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三舵机共轴双旋翼系统及其控制策略，属于直升机的结构技术领域。包括上旋翼动力模块，上旋翼组件，上同步倾斜机构，驱动舵机群组件，下同步倾斜机构，下旋翼组件，下旋翼动力模块，上固定主轴，下固定主轴。本发明上下同步变距机构通过三个舵机驱动控制实现对上层倾斜盘调整进行周期变距和加减总距控制，并通过上层倾斜盘同步带动下层倾斜盘进行周期变距和加减总距控制。本发明变距机构及其控制策略实现了双层周期变距和加减总距控制，与已公开的单层周期变距的共轴飞行器相比，具有更加充足的操纵效率和更高的抗风性能，与已公开的双层周期变距的共轴飞行器相比，具有较少的舵机数量和更加简洁的结构，有效提升了系统可靠性。

Description

一种三舵机共轴双旋翼系统及其控制策略

技术领域

本发明涉及共轴双旋翼飞行器领域，特别涉及一种三舵机共轴双旋翼系统及其控制策略。

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，上下旋翼的反扭距相互平衡。相比单旋翼直升机和多旋翼飞行器具有较小的体积，并且具有更小的收纳体积。对于多旋翼飞行器，共轴多旋翼飞行器还具有较高的能量利用率，因此在航空拍摄、空中监视，载重运输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，但已公开的共轴飞行器由于采用简单的单层周期变距的机构，导致飞行的操纵力不充足，抗风性能较差。或者其它已公开的共轴飞行器为了得到充足的操控力设计过于复杂的变距机构。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题，提供一种三舵机共轴双旋翼系统及其控制策略。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：

一种三舵机共轴双旋翼系统，其特征在于：包括上旋翼动力模块，上旋翼组件，上同步倾斜机构，驱动舵机群组件，下同步倾斜机构，下旋翼组件，下旋翼动力模块，上固定主轴，下固定主轴。;所述的上同步倾斜机构包括上倾斜盘，上旋转倾斜盘，同步连杆，上变距连杆。；所述的驱动舵机群组件包括上紧固件，3个舵机组成的舵机组，摇臂，中心座，方位角定位器，下紧固件，驱动连杆。；所述的下同步倾斜机构包括下倾斜盘，下旋转倾斜盘，下变距连杆。；所述的上固定主轴和所述的下固定主轴分别安装在所述的驱动舵机群组中所述的上紧固件、下紧固件上，形成飞行器的基本的骨架和旋翼绕转的旋转轴。；所述的上旋翼动力模块，在所述的共轴双旋翼系统最上方。，所述的上旋翼组件安装在所述的上旋翼动力模块下方，所述的上同步倾斜机构安装在所述的上旋翼组件下方，所述的驱动舵机群组件安装在所述的上同步倾斜机构下方，所述的下同步倾斜机构安装在所述的驱动舵机群组件下方，所述的下旋翼组件安装在所述的下同步倾斜机构下方，所述的下旋翼动力模块安装在所述的下旋翼组件下方。；所述的3个舵机组成的舵机组固连在所述的中心座三个不同位置上，3个所述的摇臂一端固连在舵机的扭矩输出轴上，3个所述的驱动连杆一端和3个所述的摇臂的另一端铰接，3个所述的驱动连杆另一端与所述的上倾斜盘的3个侧边伸出杆铰接。；所述的上倾斜盘的侧边伸出杆与至少3根所述的同步连杆一端铰接，所述的同步连杆另一端与所述的下倾斜盘对应侧边伸出杆铰接。；所述的上倾斜盘、所述的下倾斜盘的侧边伸出杆中各有一个杆分别通过所述的方位角定位器或同步器与中心座连接，限制上倾斜盘、下倾斜盘的周向运动。

作为本发明的一种优选，所述的上旋翼组件包括上旋翼，上旋翼夹紧件，上旋翼变距件，上桨毂。；所述的下旋翼组件包括下旋翼，下旋翼夹紧件，下旋翼变距件，下桨毂。；所述的上旋翼组件为对称的两叶桨结构或多叶桨均布结构，所述的上旋翼的根部与所述的上旋翼夹紧件的一端铰接，所述的上旋翼夹紧件另一端与所述的上旋翼变距件铰接，所述的上旋翼变距件与所述的上桨毂铰接。；所述的上桨毂围绕上固定主轴周向旋转。；所述的上旋翼动力模块直接驱动或通过减速齿轮驱动所述的上桨毂并带动所述的上旋翼组件做旋转运动。；所述的下旋翼组件为对称的两叶桨结构或多叶桨均布结构，所述的下旋翼的根部与所述的下旋翼夹紧件的一端铰接，所述的下旋翼夹紧件的另一端与所述的下旋翼变距件铰接，所述的下旋翼变距件与所述的下桨毂铰接。；所述的下桨毂围绕下固定主轴周向旋转。，所述的下旋翼动力模块直接驱动或通过减速齿轮驱动所述的下桨毂并带动所述的下旋翼组件做旋转运动。；所述的上旋翼动力模块和所述的下旋翼动力模块分别固定安装在所述的上固定主轴上端和所述的下固定主轴下端。

作为本发明的一种优选，所述的上旋转倾斜盘与所述的上倾斜盘中间通过轴承进行装配，所述的上旋转倾斜盘与所述的上变距连杆一端铰接，所述的上变距连杆另一端与所述的上旋翼变距件侧边伸出杆铰接。；所述的下旋转倾斜盘与所述的下倾斜盘中间通过轴承进行装配，所述的下旋转倾斜盘与所述的下变距连杆一端铰接，所述的下变距连杆另一端与所述的下旋翼变距件侧边伸出杆铰接。；所述的上变距连杆、下变距连杆通过所述的上周向同步器、下周向同步器约束，分别带动所述的上旋转倾斜盘与上旋翼组件、下旋转倾斜盘与下旋翼组件做同步周向运动。。对于旋翼组件相位角的特殊性，所述的上变距连杆、下变距连杆适用于旋翼组件相位角视为90°的情况，所述上变距连杆、下变距连杆中的所述上周向同步器、下周向同步器也可从所述上变距连杆、下变距连杆中脱离出来，作为独立零部件对所述的上桨毂、下桨毂与上旋转倾斜盘、下旋转倾斜盘分别进行连接，以适应旋翼组件任意相位角的情况。

作为本发明的一种优选，所述的上紧固件一端与所述的上固定主轴固连，另一端固连在所述的中心座上。；所述的下紧固件一端与所述的下固定主轴固连，另一侧固连在所述的中心座上。；所述的上、下紧固件也可部分或全部与中心座作为一体件进行设计以简化结构零部件数量。

作为本发明的一种优选，所述共轴双旋翼系统的整体结构也可进行为倒置设计结构，即所述的驱动舵机群组件与所述的下层倾斜盘进行连接，由下层倾斜盘带动上层倾斜盘的同步运动。所述上、下旋翼位置维持正向装配，也为本发明的一种等效应用形式。

作为本发明的一种优选，所述的上旋翼、下旋翼不限定是否为折叠以及何种折叠方式或者不折叠的结构，折叠机构可以是横向单边折叠、横向Z型折叠、纵向折叠等方式，均为本发明的一种具体应用形式中的一种。

作为本发明的一种优选，所述上变距连杆、下变距连杆中的上周向同步器、下周向同步器从所述上变距连杆、下变距连杆中脱离出来，作为独立部件对所述的上桨毂、下桨毂与上旋转倾斜盘、下旋转倾斜盘分别进行连接，以适应旋翼组件任意相位角的情况。

本发明还提供了一种共轴双旋翼飞行器的控制策略，采用以下的方式进行控制：采用3个舵机驱动一层倾斜盘，并由一层倾斜盘带动另一层倾斜盘的同步运动实现双层周期变矩与总距的调节，并通过转速差动控制航向，即：具体为：

通过3个舵机驱动调节单层倾斜盘的倾斜角度，并通过双层倾斜盘的同步运动，对上、下旋翼进行周期变距调节来控制飞行器的横滚和俯仰运动。；

通过3个舵机驱动调节单层倾斜盘的中心高度，并通过双层倾斜盘的同步运动，对上、下旋翼进行总距调节来控制飞行器的升降运动；

通过上下旋翼转速差动调节来控制飞行器的航向运动。有益效果：

本发明技术方案相比传统的单层变距方案，采用双层周期变距，双层加减总距，上下旋翼差速，发挥飞行器旋翼系统的最大控制力。使飞行器具有更好的飞行机动性，抗风性能，双层变距控制让飞机在横滚，俯仰，偏航方向上控制效率更高。

本发明技术方案相比复杂的双层变距方案，实现了以较少的驱动舵机数量和更加简化的变距机构，提升了系统可靠性。保证了飞行器在横滚和俯仰运动上充分的飞行控制力的同时也降低了结构重量。

附图说明

图1为一种三舵机共轴双旋翼系统总体示意图；

图2为一种三舵机共轴双旋翼系统细节示意图。

图1至图2中1、上旋翼动力模块，2、上旋翼组件，3、上同步倾斜机构，4、驱动舵机群组件，5、下同步倾斜机构，6、下旋翼组件，7、下旋翼动力模块,8、上固定主轴，9、下固定主轴。

3a、上倾斜盘，3b、上旋转倾斜盘，3c、同步连杆，3d上变距连杆，4a上紧固件，4b、舵机组，4e、摇臂，4f、中心座，4g、方位角定位器，4h、下紧固件，4i、驱动连杆，5a、下倾斜盘，5b、下旋转倾斜盘，5c、下变距连杆，2a、上旋翼，2b、上旋翼夹紧件，2c、上旋翼变距件，2d、上桨毂，6a、下旋翼，6b、下旋翼夹紧件，6c、下旋翼变距件，6d、下桨毂。

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所示：本发明公开了一种三舵机共轴双旋翼系统，包括上旋翼动力模块1，上旋翼组件2，上同步倾斜机构3，驱动舵机群组件4，下同步倾斜机构5，下旋翼组件6，下旋翼动力模块7，上固定主轴8，下固定主轴9。

所述的上同步倾斜机构3包括上倾斜盘3a，上旋转倾斜盘3b，同步连杆3c，上变距连杆3d。所述的驱动舵机群组件4包括上紧固件4a，3个舵机组成的舵机组4b，摇臂4e，中心座4f，方位角定位器4g，下紧固件4h，驱动连杆4i。所述的下同步倾斜机构5包括下倾斜盘5a，下旋转倾斜盘5b，下变距连杆5c。所述的上固定主轴8和所述的下固定主轴9安装在所述的驱动舵机群组中所述的上紧固件4a、下紧固件4h上，形成飞行器的基本的骨架和旋翼绕转的旋转轴。所述的上旋翼动力模块1，在所述的共轴双旋翼系统最上方。所述的上旋翼组件2安装在所述的上旋翼动力模块1下方，所述的上同步倾斜机构3安装在所述的上旋翼组件2下方。所述的驱动舵机群组件4安装在所述的上同步倾斜机构3下方，所述的下同步倾斜机构5安装在所述的驱动舵机群组件4下方。所述的下旋翼组件6安装在所述的下同步倾斜机构5下方。所述的下旋翼动力模块7安装在所述的下旋翼组件6下方。

如图2所示，所述的3个舵机组成的舵机组4b固连在所述的中心座4f三个不同位置上。3个所述的摇臂4e一端固连在舵机的扭矩输出轴上。3个所述的驱动连杆4i一端和3个所述的摇臂4e的另一端铰接。3个所述的驱动连杆4i另一端与所述的上倾斜盘3a的3个侧边伸出杆铰接。所述的上倾斜盘3a的侧边伸出杆与3根所述的同步连杆3c一端铰接，所述的同步连杆3c另一端与所述的下倾斜盘5a对应侧边伸出杆铰接。所述的上倾斜盘3a、所述的下倾斜盘5a的侧边伸出杆中的一个杆分别通过所述的方位角定位器4g或周向同步器与中心座4f连接，限制上倾斜盘3a、下倾斜盘5a的周向运动。

所述的上旋翼组件2包括上旋翼2a，上旋翼夹紧件2b，上旋翼变距件2c，上桨毂2d。所述的下旋翼组件6包括下旋翼6a，下旋翼夹紧件6b，下旋翼变距件6c，下桨毂6d。所述的上旋翼组件2为对称的两叶桨结构或多叶桨均布结构，所述的上旋翼2a的根部与所述的上旋翼夹紧件2b的一端铰接。所述的上旋翼夹紧件2b另一端与所述的上旋翼变距件2c铰接，所述的上旋翼变距件2c与所述的上桨毂2d铰接。所述的上桨毂2d围绕上固定主轴8周向旋转。所述的上旋翼动力模块1直接驱动或通过减速齿轮驱动所述的上桨毂2d并带动所述的上旋翼组件2做旋转运动。所述的下旋翼组件6为对称的两叶桨结构均布结构，所述的下旋翼的根部与所述的下旋翼夹紧件6b的一端铰接。所述的下旋翼夹紧件6b的另一端与所述的下旋翼变距件6c铰接，所述的下旋翼变距件6c与所述的下桨毂6d铰接。所述的下桨毂6d围绕下固定主轴9周向旋转。所述的下旋翼动力模块7直接驱动或通过减速齿轮驱动所述的下桨毂6d并带动所述的上旋翼组件2做旋转运动。所述的上旋翼动力模块1和所述的下旋翼动力模块7分别固定安装在所述的上固定主轴8和所述的下固定主轴9一端。

所述的上旋转倾斜盘3b与所述的上倾斜盘3a中间通过轴承进行装配，所述的上旋转倾斜盘3b与所述的上变距连杆3d一端铰接，所述的上变距连杆3d另一端与所述的上旋翼变距件2c侧边伸出杆铰接。所述的下旋转倾斜盘5b与所述的下倾斜盘5a中间通过轴承进行装配，所述的下旋转倾斜盘5b与所述的下变距连杆5c一端铰接，所述的下变距连杆5c另一端与所述的下旋翼变距件6c侧边伸出杆铰接。所述的上变距连杆3d、下变距连杆5c通过所述的上周向同步器3d(1)、下周向同步器5c(1)约束，分别带动所述的上旋转倾斜盘3b与上旋翼组件2、下旋转倾斜盘5b与下旋翼组件6做同步周向运动。

所述的上紧固件一端与所述的上固定主轴8固连，另一端固连在所述的中心座4f上。所述的下紧固件4h一端与所述的下固定主轴9固连，另一侧固连在所述的中心座4f的另一侧。所述的上、下紧固件4h也可部分或全部与中心座4f作为一体件进行设计以进一步简化结构零部件数量。

所述共轴双旋翼系统的整体结构也可进行倒置设计，即所述的驱动舵机群组件4与所述的下层倾斜盘进行驱动连接，由下层倾斜盘带动上层倾斜盘的同步运动。所述上旋翼2a、下旋翼6a位置维持正向装配。也视为本发明的一种等效应用形式。

所述的上旋翼2a、下旋翼6a可以折叠至主轴轴线方向上。但本发明上旋翼、下旋翼组件不限定是否折叠以及以何种方式折叠。可以是横向单边折叠、横向Z型折叠、纵向折叠等方式，均视为本发明的一种具体应用形式。

本发明还公开了上述三舵机共轴双旋翼系统的控制策略，包括以下步骤实现控制：，采用3个舵机驱动一层倾斜盘，并由一层倾斜盘带动另一层倾斜盘的同步运动实现双层周期变矩与总距的调节，并通过转速差动协同控制航向，本实施例中可采用如下控制方式：

通过3个舵机4b驱动调节倾斜盘3a的倾斜角度，并通过倾斜盘3a带动另一层倾斜盘5a的同步运动，对上、下旋翼进行周期变距调节来控制飞行器的横滚和俯仰运动。通过3个舵机4b驱动调节单层倾斜盘3a的中心高度，并通过3a带动另一层倾斜盘5a的同步运动，对上、下旋翼进行总距调节来控制飞行器的升降运动；通过上旋翼动力模块1和下旋翼动力模块7的转速调节来控制上、下旋翼转速差动来控制飞行器的航向运动。

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 (8)

1.一种三舵机共轴双旋翼系统，其特征在于：包括上旋翼动力模块，上旋翼组件，上同步倾斜机构，驱动舵机群组件，下同步倾斜机构，下旋翼组件，下旋翼动力模块，上固定主轴，下固定主轴;所述的上同步倾斜机构包括上倾斜盘，上旋转倾斜盘，同步连杆，上变距连杆；所述的驱动舵机群组件包括上紧固件，3个舵机组成的舵机组，摇臂，中心座，方位角定位器，下紧固件，驱动连杆；所述的下同步倾斜机构包括下倾斜盘，下旋转倾斜盘，下变距连杆；所述的上固定主轴和所述的下固定主轴分别安装在所述的驱动舵机群组中所述的上紧固件、下紧固件上，形成飞行器的基本的骨架和旋翼绕转的旋转轴；所述的上旋翼动力模块，在所述的共轴双旋翼系统最上方，所述的上旋翼组件安装在所述的上旋翼动力模块下方，所述的上同步倾斜机构安装在所述的上旋翼组件下方，所述的驱动舵机群组件安装在所述的上同步倾斜机构下方，所述的下同步倾斜机构安装在所述的驱动舵机群组件下方，所述的下旋翼组件安装在所述的下同步倾斜机构下方，所述的下旋翼动力模块安装在所述的下旋翼组件下方；所述的3个舵机组成的舵机组固连在所述的中心座三个不同位置上，3个所述的摇臂一端固连在舵机的扭矩输出轴上，3个所述的驱动连杆一端和3个所述的摇臂的另一端铰接，3个所述的驱动连杆另一端与所述的上倾斜盘的3个侧边伸出杆铰接；所述的上倾斜盘的侧边伸出杆与至少3根所述的同步连杆一端铰接，所述的同步连杆另一端与所述的下倾斜盘对应侧边伸出杆铰接；所述的上倾斜盘、所述的下倾斜盘的侧边伸出杆中各有一个杆分别通过所述的方位角定位器或同步器与中心座连接，限制上倾斜盘、下倾斜盘的周向运动。

2.根据权利要求1一种三舵机共轴双旋翼系统，其特征在于：所述的上旋翼组件包括上旋翼，上旋翼夹紧件，上旋翼变距件，上桨毂；所述的下旋翼组件包括下旋翼，下旋翼夹紧件，下旋翼变距件，下桨毂；所述的上旋翼组件为对称的两叶桨结构或多叶桨均布结构，所述的上旋翼的根部与所述的上旋翼夹紧件的一端铰接，所述的上旋翼夹紧件另一端与所述的上旋翼变距件铰接，所述的上旋翼变距件与所述的上桨毂铰接；所述的上桨毂围绕上固定主轴周向旋转；所述的上旋翼动力模块直接驱动或通过减速齿轮驱动所述的上桨毂并带动所述的上旋翼组件做旋转运动；所述的下旋翼组件为对称的两叶桨结构或多叶桨均布结构，所述的下旋翼的根部与所述的下旋翼夹紧件的一端铰接，所述的下旋翼夹紧件的另一端与所述的下旋翼变距件铰接，所述的下旋翼变距件与所述的下桨毂铰接；所述的下桨毂围绕下固定主轴周向旋转，所述的下旋翼动力模块直接驱动或通过减速齿轮驱动所述的下桨毂并带动所述的下旋翼组件做旋转运动；所述的上旋翼动力模块和所述的下旋翼动力模块分别固定安装在所述的上固定主轴上端和所述的下固定主轴下端。

3.根据权利要求1或2所述的一种三舵机共轴双旋翼系统，其特征在于：所述的上旋转倾斜盘与所述的上倾斜盘中间通过轴承进行装配，所述的上旋转倾斜盘与所述的上变距连杆一端铰接，所述的上变距连杆另一端与所述的上旋翼变距件侧边伸出杆铰接；所述的下旋转倾斜盘与所述的下倾斜盘中间通过轴承进行装配，所述的下旋转倾斜盘与所述的下变距连杆一端铰接，所述的下变距连杆另一端与所述的下旋翼变距件侧边伸出杆铰接；所述的上变距连杆、下变距连杆通过所述的上周向同步器、下周向同步器约束，分别带动所述的上旋转倾斜盘与上旋翼组件、下旋转倾斜盘与下旋翼组件做同步周向运动。

4.根据权利要求1所述的一种三舵机共轴双旋翼系统，其特征在于：所述的上紧固件一端与所述的上固定主轴固连，另一端固连在所述的中心座上；所述的下紧固件一端与所述的下固定主轴固连，另一侧固连在所述的中心座上；所述的上、下紧固件也可部分或全部与中心座作为一体件进行设计以简化结构零部件数量。

5.根据权利要求1所述的一种三舵机共轴双旋翼系统，其特征在于：所述共轴双旋翼系统的整体结构为倒置结构，即所述的驱动舵机群组件与所述的下层倾斜盘进行连接，由下层倾斜盘带动上层倾斜盘的同步运动；所述上、下旋翼位置维持正向装配。

6.根据权利要求2所述的一种三舵机共轴双旋翼系统，其特征在于：所述的上旋翼、下旋翼为折叠或者不折叠的结构，折叠机构是横向单边折叠、横向Z型折叠、纵向折叠中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种三舵机共轴双旋翼系统，其特征在于：所述上变距连杆、下变距连杆中的上周向同步器、下周向同步器从所述上变距连杆、下变距连杆中脱离出来，作为独立部件对所述的上桨毂、下桨毂与上旋转倾斜盘、下旋转倾斜盘分别进行连接，以适应旋翼组件任意相位角的情况。

8.一种共轴双旋翼飞行器的控制策略，其特征在于：采用以下的方式进行控制：采用3个舵机驱动一层倾斜盘，并由一层倾斜盘带动另一层倾斜盘的同步运动实现双层周期变矩与总距的调节，并通过转速差动控制航向，具体为：

通过3个舵机驱动调节单层倾斜盘的倾斜角度，并通过双层倾斜盘的同步运动，对上、下旋翼进行周期变距调节来控制飞行器的横滚和俯仰运动；

通过3个舵机驱动调节单层倾斜盘的中心高度，并通过双层倾斜盘的同步运动，对上、下旋翼进行总距调节来控制飞行器的升降运动；

通过上下旋翼转速差动调节来控制飞行器的航向运动。

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