CN110979660A - 一种三舵机直驱共轴旋翼系统及控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三舵机直驱共轴旋翼系统及控制策略，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，上倾转机构，驱动舵机群组件，下倾转机构，下旋翼组件，下旋翼动力模块，上固定主轴，下固定主轴。本发明通过三个舵机直接驱动上层倾转盘、下层倾转盘，对旋翼进行周期变距和加减总距控制。本发明的同步倾转机构针对旋翼周期变距相位角偏移量的特性，提供了一种灵活的设计方案。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，并降低了结构重量。

Description

一种三舵机直驱共轴旋翼系统及控制策略

技术领域

本发明涉及直升机领域，特别涉及一种三舵机直驱共轴旋翼系统及控制策略。

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。相比多旋翼飞行器，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，但已公开的采用单层周期变距的共轴飞行器，由于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的变距机构过于复杂。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题，提供一种三舵机直驱共轴旋翼系统及控制策略。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种三舵机直驱共轴旋翼系统，包括上旋翼动力模块，上旋翼组件，上倾转机构，驱动舵机群组件，下倾转机构，下旋翼组件，下旋翼动力模块，上固定主轴，下固定主轴。所述的上倾转机构包括上倾转盘，上旋转倾转盘，上同步连杆，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，上倾转盘定位器，下紧固件，下倾转盘定位器。所述的下倾转机构包括下倾转盘，下旋转倾转盘，下同步连杆，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，所述的上倾转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倾转机构下方，所述的下倾转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倾转机构下方，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个所述上同步连杆的一端和3个所述下同步连杆的一端分别与3个所述的摇臂的另一端铰接。3个所述的上同步连杆另一端与所述的上倾转盘的3个侧边伸出杆铰接。3个所述的下同步连杆另一端与所述的下倾转盘的3个侧边伸出杆铰接。所述的3个舵机组成的舵机组直接驱动所述上倾转盘、下倾转盘。所述的上倾转盘侧边伸出杆通过所述的上倾转盘定位器或同步器与中心座连接，限制上倾转盘的周向转动。所述的下倾转盘的侧边伸出杆通过所述的下倾转盘定位器或同步器与中心座连接，限制下倾转盘的周向转动。

作为本发明的一种优选，所述的上倾转盘上的连接点与相对应所述的摇臂连接点的位置在俯视视角上围绕旋转轴周向形成大于等于0°且小于90°的偏转角,所述的下倾转盘上的连接点与相对应所述的摇臂连接点位置在俯视视角上围绕旋转轴周向形成与所述的上倾转盘相应的大小相等且方向相反的偏转角,以适应上、下旋翼组件在进行周期变距时产生的90°或小于90°的任意相位角情况

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，所述的上旋转倾转盘与所述的上倾转盘中间通过轴承进行装配，所述的上倾转盘中心与所述的上固定主轴进行球铰连接并能在上固定主轴上进行滑动，所述的上旋转倾转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。所述的下旋转倾转盘与所述的下倾转盘中间通过轴承进行装配，所述的下倾转盘中心与所述的下固定主轴进行球铰连接并能在下固定主轴上进行滑动，所述的下旋转倾转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转盘与上旋翼组件、下旋转倾转盘与下旋翼组件做同步周向运动。

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、下周向同步器可以与上变距连杆、下变距连杆作为一体件，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、下桨毂与上旋转倾转盘、下旋转倾转盘分别进行连接。

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，另一端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，所述的上、下固定主轴可以是两根独立的轴，也可以是一根一体化的轴。

作为本发明的一种优选，所述的舵机组可以是由旋转输出形式的一种伺服装置组成，也可以是直线输出形式的一种伺服装置组成。

作为本发明的一种优选，所述的上、下旋翼动力模块可以是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

作为本发明的一种优选，所述的上旋翼、下旋翼不限定是否折叠以及以何种折叠方式，可以是横向单边折叠、横向Z型折叠、纵向折叠等方式中的任何一种形式。

本发明还提供了一种共轴双旋翼飞行器的飞行控制策略，包括如下方式：

通过3个舵机组成的舵机组直接驱动调节上下两层倾转盘倾转角度，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个舵机组成的舵机组直接驱动调节上下倾转盘的中心高度，对上、下旋翼进行总距调节来控制飞行器的升降运动；通过差动调节上、下旋翼转速来控制飞行器的偏航运动。

有益效果：

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，具有较少的驱动舵机数量和更加简洁的结构。

本发明以较少的舵机数量和简化的结构达到双层的周期变距、双层的加减总距，为飞行操纵性提供了充足的操纵力，高效发挥了飞行器的机动性能和抗风能力。

本发明还为旋翼相位角小于90度的情况提供了更简化的实现方法，使得结构更加可靠和轻便。

附图说明

图1为一种三舵机直驱共轴旋翼系统总体示意图；

图2为三舵机直驱共轴旋翼系统第一种构型的细节示意图；

图3为三舵机直驱共轴旋翼系统第二种构型的细节示意图。

图中各部件为：1、上旋翼动力模块，2、上旋翼组件，3、上倾转机构，4、驱动舵机群组件，5、下倾转机构，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，2a、上旋翼，2b、上旋翼夹紧件，2c、上旋翼变距件，2d、上桨毂，3a、上倾转盘，3b、上旋转倾转盘，3d、上同步连杆，3c、上变距连杆， 4a、包括上紧固件，4b、舵机组，4e、摇臂，4f中心座，4g、上倾转盘定位器，4i、下倾转盘定位器，4h、下紧固件，5a、下倾转盘，5b、下旋转倾转盘，5c、下变距连杆，5d、下同步连杆，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：一种三舵机直驱共轴旋翼系统，包括上旋翼动力模块1，上旋翼组件2，上倾转机构3，驱动舵机群组件4，下倾转机构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。上倾转机构3包括上倾转盘3a，上旋转倾转盘3b，上同步连杆3d，上变距连杆3c。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，上倾转盘3a定位器，下紧固件4h。下倾转机构5包括下倾转盘5a，下旋转倾转盘5b，下同步连杆5d，下变距连杆5c。上固定主轴8和下固定主轴9分别安装在驱动舵机群组件4中上紧固件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。上旋翼动力模块1，在共轴双旋翼系统最上方。上旋翼组件2安装在上旋翼动力模块1下方，上倾转机构3安装在上旋翼组件2下方，驱动舵机群组件4安装在上倾转机构3下方，下倾转机构5安装在驱动舵机群组件4下方，下旋翼组件6安装在下倾转机构5下方，下旋翼动力模块7安装在下旋翼组件6下方。

如图2、图3所示：3个舵机组成的舵机组4b固连在中心座4f三个不同位置上，3个摇臂4e一端固连在舵机的扭矩输出轴上，3个上同步连杆3d的一端和3个下同步连杆5d的一端分别与3个摇臂4e的另一端铰接。3个上同步连杆3d另一端与上倾转盘3a的3个侧边伸出杆铰接。3个下同步连杆5d另一端与下倾转盘5a的3个侧边伸出杆铰接。3个舵机组成的舵机组4b直接驱动上倾转盘3a、下倾转盘5a。上倾转盘3a侧边伸出杆通过上倾转盘定位器4g或同步器与中心座4f连接，限制上倾转盘3a的周向运动。下倾转盘5a的侧边伸出杆通过下倾转盘定位器4i或同步器与中心座4f连接，限制下倾转盘5a的周向运动。

如图2、图3所示：上倾转盘3a上的连接点与相对应所述的摇臂4e连接点的位置在俯视视角上围绕旋转轴周向形成大于等于0°且小于90°的偏转角。所述的下倾转盘5a上的连接点与相对应所述的摇臂4e连接点位置在俯视视角上围绕旋转轴周向形成与所述的上倾转盘3a相应的大小相等且方向相反的偏转角,以适应上、下旋翼组件2、6在进行周期变距时产生的90°或小于90°的任意相位角情况。

如图2、图3所示：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。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)。上旋翼组件2为对称的两叶桨结构或多叶桨均布结构，上旋翼2a的根部与上旋翼夹紧件2b的一端铰接，上旋翼夹紧件2b另一端与上旋翼变距件2c铰接，上旋翼变距件2c与上桨毂2d铰接。上桨毂2d围绕上固定主轴8周向旋转。上旋翼动力模块1直接驱动或通过减速齿轮驱动上桨毂2d并带动上旋翼组件2做旋转运动。下旋翼组件6为对称的两叶桨结构，下旋翼6a的根部与下旋翼夹紧件6b的一端铰接，下旋翼夹紧件6b的另一端与下旋翼变距件6c铰接，下旋翼变距件6c与下桨毂6d铰接。下桨毂6d围绕下固定主轴9周向旋转。下旋翼动力模块7直接驱动或通过减速齿轮驱动下桨毂6d并带动下旋翼组件6做旋转运动。上旋翼动力模块1和下旋翼动力模块7分别固定安装在上固定主轴8上端和下固定主轴9下端。

如图2、图3所示：上旋转倾转盘3b与上倾转盘3a中间通过轴承进行装配，上倾转盘3a中心与上固定主轴8进行球铰连接并能在上固定主轴8上进行滑动，上旋转倾转盘3b与上变距连杆3c一端铰接，上变距连杆3c另一端与上旋翼变距件2c侧边伸出杆铰接。下旋转倾转盘5b与下倾转盘5a中间通过轴承进行装配，下倾转盘5a中心与下固定主轴9进行球铰连接并能在下固定主轴9上进行滑动,下旋转倾转盘5b与下变距连杆5c一端铰接，下变距连杆5c另一端与下旋翼变距件6c侧边伸出杆铰接。上变距连杆3c、下变距连杆5c通过上周向同步器、下周向同步器约束，分别带动上旋转倾转盘3b与上旋翼组件2、下旋转倾转盘5b与下旋翼组件6做同步周向运动。

本实施例中，所述的上变距连杆3c、下变距连杆5c中的上周向同步器3c1、下周向同步器5c1也可从上变距连杆3c、下变距连杆5c中脱离出来，作为独立零部件对上桨毂2d与上旋转倾转盘3b、下桨毂6d与下旋转倾转盘5b分别进行连接。

本实施例中，所述的上紧固件4a一端与上固定主轴8固连，另一端固连在中心座4f上。下紧固件4h一端与下固定主轴9固连，另一端固连在中心座4f上。上紧固件4a、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简化结构零部件数量。

本实施例中，所述的上、下固定主轴8、9可以是两根独立的轴，也可以是一根一体化的轴。

本实施例中，所述的舵机组4b可以是由旋转输出形式的一种伺服装置组成，也可以是直线输出形式的一种伺服装置组成。

本实施例中，所述的上、下旋翼动力模块1、7可以是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

本实施例中，所述的2a、下旋翼6a不限定是否折叠以及以何种折叠方式，可以是横向单边折叠、横向Z型折叠、纵向折叠等方式中的任何一种形式。

本实施例中，对共轴双旋翼系统的控制可采用一种控制策略，包括如下方式：

通过3个舵机组成的舵机组4b直接驱动调节上下两层倾转盘倾转角度，对上、下旋翼2a、6a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个舵机组成的舵机组4b直接驱动调节上下倾转盘的中心高度，对上、下旋翼2a、6a进行总距调节来控制飞行器的升降运动；通过差动调节上、下旋翼2a、6a转速来控制飞行器的偏航运动。

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 (11)

1.一种三舵机直驱共轴旋翼系统，其特征在于：包括上旋翼动力模块，上旋翼组件，上倾转机构，驱动舵机群组件，下倾转机构，下旋翼组件，下旋翼动力模块，上固定主轴，下固定主轴；所述的上倾转机构包括上倾转盘，上旋转倾转盘，上同步连杆，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，上倾转盘定位器，下紧固件，下倾转盘定位器；所述的下倾转机构包括下倾转盘，下旋转倾转盘，下同步连杆，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，所述的上倾转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倾转机构下方，所述的下倾转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倾转机构下方，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个所述上同步连杆的一端和3个所述下同步连杆的一端分别与3个所述的摇臂的另一端铰接；3个所述的上同步连杆另一端与所述的上倾转盘的3个侧边伸出杆铰接；3个所述的下同步连杆另一端与所述的下倾转盘的3个侧边伸出杆铰接；所述的3个舵机组成的舵机组直接驱动所述上倾转盘、下倾转盘；所述的上倾转盘侧边伸出杆通过所述的上倾转盘定位器或同步器与中心座连接，限制上倾转盘的周向转动；所述的下倾转盘的侧边伸出杆通过所述的下倾转盘定位器或同步器与中心座连接，限制下倾转盘的周向转动。

2.根据权利要求1所述的一种三舵机直驱共轴旋翼系统，其特征在于：所述的上倾转盘上的连接点与相对应所述的摇臂连接点的位置在俯视视角上围绕旋转轴周向形成大于等于0°且小于90°的偏转角，所述的下倾转盘上的连接点与相对应所述的摇臂连接点位置在俯视视角上围绕旋转轴周向形成与所述的上倾转盘相应的大小相等且方向相反的偏转角，以适应上、下旋翼组件在进行周期变距时产生的90°或小于90°的任意相位角情况。

3.根据权利要求1所述的一种三舵机直驱共轴旋翼系统，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。

4.根据权利要求1所述的一种三舵机直驱共轴旋翼系统，其特征在于：所述的上旋转倾转盘与所述的上倾转盘中间通过轴承进行装配，所述的上倾转盘中心与所述的上固定主轴进行球铰连接并能在上固定主轴上进行滑动，所述的上旋转倾转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；所述的下旋转倾转盘与所述的下倾转盘中间通过轴承进行装配，所述的下倾转盘中心与所述的下固定主轴进行球铰连接并能在下固定主轴上进行滑动，所述的下旋转倾转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转盘与上旋翼组件、下旋转倾转盘与下旋翼组件做同步周向运动。

5.根据权利要求4所述的一种共轴旋翼系统，其特征还在于：所述上变距连杆、下变距连杆中的上周向同步器、下周向同步器可以与上变距连杆、下变距连杆作为一体件，或者所述上变距连杆、下变距连杆中脱离出来，作为独立零部件对所述的上桨毂、下桨毂与上旋转倾转盘、下旋转倾转盘分别进行连接。

6.根据权利要求1所述的一种三舵机直驱共轴旋翼系统，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，另一端固连在所述的中心座上；或者所述的上、下紧固件与中心座作为一体件结构。

7.根据权利要求1所述的一种三舵机直驱共轴旋翼系统，其特征在于，所述的上、下固定主轴是两根独立的轴，或者是一根一体化的轴。

8.根据权利要求1所述的一种三舵机直驱共轴旋翼系统，其特征在于，所述的舵机组是由旋转输出形式的一种伺服装置组成，或者是直线输出形式的一种伺服装置组成。

9.根据权利要求1所述的一种三舵机直驱共轴旋翼系统，其特征在于，所述的上、下旋翼动力模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的一种三舵机直驱共轴旋翼系统，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，如果是折叠的结构，其包括横向单边折叠、横向Z型折叠、纵向折叠中的任何一种形式。

11.一种共轴双旋翼飞行器的飞行控制策略，其特征在于，通过以下方式进行控制：

通过3个舵机组成的舵机组直接驱动调节上下两层倾转盘倾转角度，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个舵机组成的舵机组直接驱动调节上下倾转盘的中心高度，对上、下旋翼进行总距调节来控制飞行器的升降运动；通过差动调节上、下旋翼转速来控制飞行器的偏航运动。

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