CN111003167B - 一种两舵机共轴双旋翼系统及控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两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，包括上驱动模块，上旋翼组件，上斜盘组件，中心组件，下斜盘组件，下旋翼组件，下驱动模块。本发明技术方案相比普通的两个舵机只能调节单层周期变距的方案，在同样仅使用两个舵机的情况下，同时控制了上下层旋翼的变距，以最少的舵机数量发挥上下旋翼俯仰与横滚的操纵性能。并利用了旋翼可以变速的特点解决了两舵机方案下没有加减总距控制的问题。通过上、下旋翼转速的调节提供升降，航向的操纵力。并且较大比重的结构位于旋翼系统中间，系统重心更加靠近动力中心，更有利于载荷及能源等模块的结构布置。

Description

一种两舵机共轴双旋翼系统及控制策略

技术领域

本发明涉及直升机领域，特别涉及一种两舵机共轴双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，但现有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够，抗风性能较差。或者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，提供一种两舵机共轴双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：一种两舵机共轴双旋翼系统，包括上驱动模块，上旋翼组件，上斜盘组件，中心组件，下斜盘组件，下旋翼组件，下驱动模块。所述的上旋翼组件安装于所述的上驱动模块下方。所述的上斜盘组件位于所述的上旋翼组件下方，所述的中心组件处于所述的上斜盘组件下方。所述的下斜盘组件安装于所述的中心组件下方。所述的下旋翼组件安装于所述的下斜盘组件的下方。所述的下驱动模块安装于所述的下旋翼组件的下方。所述的中心组件的固定轴，向上穿过所述的上斜盘组件、上旋翼组件与所述的上驱动模块固连，向下穿过所述的下斜盘组件、下旋翼组件与所述的下驱动模块固连。所述的上斜盘组件包括上斜盘，上旋转斜盘，同步连杆，驱动杆，摇臂，一号舵机，二号舵机，上向心关节件，上同步器。所述的下斜盘组件包括下斜盘，下旋转斜盘，下向心关节件，下同步器。所述的一号舵机和所述的二号舵机固连在所述的中心组件的舵机底座上。所述的摇臂的一端与所述的1号、二号舵机的扭矩输出轴固连。2个所述的驱动杆一端与所述的摇臂另一端铰接，2个所述的驱动杆另一端与所述的上斜盘的侧边伸出杆铰接。所述的上斜盘与所述的上向心关节件铰接，所述的上向心关节件与所述的上固定轴固连。所述的上斜盘的至少两个侧边伸出杆与至少两个所述的同步连杆的一端铰接，至少两个所述的同步连杆的另外一端与所述的下斜盘的至少两个侧边伸出杆铰接。所述的下斜盘与所述的下向心关节件铰接，所述的下向心关节件与所述的下固定轴固连。

作为本发明的一种优选，所述的上斜盘的一边伸出杆与所述的上同步器的一端铰接。所述的上同步器的另一端与所述的舵机底座铰接。所述的下斜盘的一边伸出杆与所述的下同步器的一端铰接。所述的下同步器的另一端与所述的舵机底座铰接。

作为本发明的一种优选，所述的上旋翼组件包括上旋翼，上桨夹，上旋翼变距件，上旋翼毂，上变距杆。所述的下旋翼组件包括下旋翼，下桨夹，下旋翼变距件，下旋翼毂，下变距杆。所述的上旋翼的根部与所述的上桨夹的一端铰接。所述的上桨夹的另一端与所述的上旋翼变距件的一端铰接，所述的上旋翼变距件的另一端与所述的上旋翼毂的一端铰接。所述的上旋翼组件至少包含围绕中心主轴均布的两片上旋翼，所述上旋翼组件与上驱动模块的转子固连或通过齿轮连接。所述的下旋翼的根部与所述的下桨夹的一端铰接。所述的下桨夹的另一端与所述的下旋翼变距件的一端铰接，所述的下旋翼变距件的另一端与所述的下旋翼毂的一端铰接。所述的下旋翼组件至少包含围绕中心主轴均布的两片下旋翼，所述下旋翼组件与上驱动模块的转子固连或通过齿轮连接。所述的上旋转斜盘与所述的上斜盘铰接，所述的上变距杆的一端与所述的上旋翼变距件的侧边伸出杆铰接，所述的上变距杆的另一端与所述的上旋转斜盘的侧边铰接，组成变距驱动力臂。所述的下旋转斜盘与所述的下斜盘铰接，所述的下变距杆的一端与所述的下旋翼变距件的侧边伸出杆铰接，所述的下变距杆的另一端与所述的下旋转斜盘的侧边铰接，组成变距驱动力臂。

作为本发明的一种优选，所述的中心组件包括舵机底座，上紧固件，下紧固件，上固定轴，下固定轴。所述的上紧固件的一端与所述的舵机底座固连，所述的下紧固件的一端与所述的舵机底座固连。所述的上紧固件的另一端与所述的上固定轴的一端固连，所述的下紧固件的另一端与所述的下固定轴的一端固连。所述的上驱动模块固连在所述的上固定轴的另一端上，所述的下驱动模块固连在所述的下固定轴的另一端上。上、下固定轴组成旋翼系统的中轴线，所述的上驱动模块对上旋翼毂输出动力，带动上旋翼组件旋转，所述的下驱动模块对下旋翼毂输出动力，带动下旋翼组件旋转，所述的上、下旋翼组件围绕中轴线彼此反方向旋转。

作为本发明的一种优选，所述的上、下固定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，所述的舵机可以是旋转输出形式的一种舵机，也可以是直线输出形式的一种舵机。

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倒置设计，即：所述的舵机与所述的下斜盘进行铰接，由下斜盘带动上斜盘的同步倾转运动，所述上、下旋翼维持正向装配。

作为本发明的一种优选，所述的上、下旋翼收纳方式可以是横向折叠、纵向折叠或非折叠中的任意一种方式。

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

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：

通过所述的一号舵机、二号舵机调节上斜盘并由上斜盘带动下斜盘同步倾转联动，控制上、下旋翼的周期变距，实现飞行器的俯仰和横滚运动；通过调节上、下旋翼的转速同步增减，实现飞行器的升降运动：通过调节上、下旋翼的转速差动，实现飞行器的偏航运动。

有益效果：

本发明技术方案相比普通的两个舵机只能调节单层周期变距的方案，在同样仅使用两个舵机的情况下，同时控制了上下层旋翼的变距，以最少的舵机数量发挥上下旋翼俯仰与横滚的操纵性能。并利用了旋翼可以变速的特点解决了两舵机方案下没有加减总距控制的问题。通过上、下旋翼转速的调节提供升降，航向的操纵力。并且较大比重的结构位于旋翼系统中间，系统重心更加靠近动力中心，更有利于载荷及能源等模块的结构布置。

附图说明

图1为一种两舵机共轴双旋翼系统的结构示意图；

图2为一种两舵机共轴双旋翼系统的变距机构示意图；

图中各部件为：，1、上驱动模块，2、上旋翼组件，3、上斜盘组件，4、中心组件，5、下斜盘组件，6、下旋翼组件，7、下驱动模块。3a、上斜盘，3b、上旋转斜盘，3c、同步连杆，3d、驱动杆，3e、摇臂，3f、一号舵机，3g、二号舵机，3h、上向心关节件, 3i、上同步器，5a、下斜盘，5b、下旋转斜盘，5c、下向心关节件，5d、下同步器，4a、底座，4b、上紧固件，4c、下紧固件，4d、上固定轴，4e、下固定轴，2a、上旋翼，2b、上桨夹，2c、上旋翼变距件，2d、上旋翼毂，2e、上变距杆，6a、6a、下旋翼，6b、下桨夹，6c、下旋翼变距件，6d、下旋翼毂，6e、下变距杆。

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所示为本发明公开的一种两舵机共轴双旋翼系统，包括上驱动模块1，上旋翼组件2，上斜盘组件3，中心组件4，下斜盘组件5，下旋翼组件6，下驱动模块7。所述的上旋翼组件2安装于所述的上驱动模块1下方。所述的上斜盘组件3位于所述的上旋翼组件2下方，所述的中心组件4处于所述的上斜盘组件3下方。所述的下斜盘组件5安装于所述的中心组件4下方。所述的下旋翼组件6安装于所述的下斜盘组件5的下方。所述的下驱动模块7安装于所述的下旋翼组件6的下方。所述的中心组件4的固定轴，向上穿过所述的上斜盘组件3、上旋翼组件2与所述的上驱动模块1固连，向下穿过所述的下斜盘组件5、下旋翼组件6与所述的下驱动模块7固连。

如图2所示，所述的上斜盘组件3包括上斜盘3a，上旋转斜盘3b，同步连杆3c，驱动杆3d，摇臂3e，一号舵机3f，二号舵机3g，上向心关节件3h，上同步器3i。所述的下斜盘组件5包括下斜盘5a，下旋转斜盘5b，下向心关节件5c，下同步器5d。所述的一号舵机3f和所述的二号舵机3g固连在所述的中心组件4的舵机底座4a上。所述的摇臂3e的一端与所述的1号、二号舵机3f、3g的扭矩输出轴固连。2个所述的驱动杆3d一端与所述的摇臂3e另一端铰接，2个所述的驱动杆3d另一端与所述的上斜盘3a的侧边伸出杆铰接。所述的上斜盘3a与所述的上向心关节件3h铰接，所述的上向心关节件3h与所述的上固定轴4d固连。所述的上斜盘3a的两个侧边伸出杆与两个所述的同步连杆3c的一端铰接，两个所述的同步连杆3c的另外一端与所述的下斜盘5a的两个侧边伸出杆铰接。所述的下斜盘5a与所述的下向心关节件5c铰接，所述的下向心关节件5c与所述的下固定轴4e固连。

如图2所示，上斜盘3a的一边伸出杆与所述的上同步器3i的一端铰接。所述的上同步器3i的另一端与所述的舵机底座4a铰接。所述的下斜盘5a的一边伸出杆与所述的下同步器5d的一端铰接。所述的下同步器5d的另一端与所述的舵机底座4a铰接。

如图2所示，上旋翼组件2包括上旋翼2a，上桨夹2b，上旋翼变距件2c，上旋翼毂2d，上变距杆2e。所述的下旋翼组件6包括下旋翼6a，下桨夹6b，下旋翼变距件6c，下旋翼毂6d，下变距杆6e。所述的上旋翼2a的根部与所述的上桨夹2b的一端铰接。所述的上桨夹2b的另一端与所述的上旋翼变距件2c的一端铰接，所述的上旋翼变距件2c的另一端与所述的上旋翼毂2d的一端铰接。所述的上旋翼组件2至少包含围绕中心主轴均布的两片上旋翼2a，所述上旋翼组件2与上驱动模块1的转子固连或通过齿轮连接。所述的下旋翼6a的根部与所述的下桨夹6b的一端铰接。所述的下桨夹6b的另一端与所述的下旋翼变距件6c的一端铰接，所述的下旋翼变距件6c的另一端与所述的下旋翼毂6d的一端铰接。

所述的下旋翼组件6至少包含围绕中心主轴均布的两片下旋翼6a，所述下旋翼组件6与下驱动模块7的转子固连或通过齿轮连接。所述的上旋转斜盘3b与所述的上斜盘3a铰接，所述的上变距杆2e的一端与所述的上旋翼变距件2c的侧边伸出杆铰接，所述的上变距杆2e的另一端与所述的上旋转斜盘3b的侧边铰接，组成变距驱动力臂。所述的下旋转斜盘5b与所述的下斜盘5a铰接，所述的下变距杆6e的一端与所述的下旋翼变距件6c的侧边伸出杆铰接，所述的下变距杆6e的另一端与所述的下旋转斜盘5b的侧边铰接，组成变距驱动力臂。

如图2所示，中心组件4包括舵机底座4a，上紧固件4b，下紧固件4c，上固定轴4d，下固定轴4e。所述的上紧固件4b的一端与所述的舵机底座4a固连，所述的下紧固件4c的一端与所述的舵机底座4a固连。所述的上紧固件4b的另一端与所述的上固定轴4d的一端固连，所述的下紧固件4c的另一端与所述的下固定轴4e的一端固连。所述的上驱动模块1固连在所述的上固定轴4d的另一端上，所述的下驱动模块7固连在所述的下固定轴4e的另一端上。上固定轴4d和下固定轴4e组成旋翼系统的中轴线，所述的上驱动模块1对上旋翼毂2d输出动力，带动上旋翼组件2旋转，所述的下驱动模块7对下旋翼毂6d输出动力，带动下旋翼组件6旋转，所述的上、下旋翼组件6围绕中轴线彼此反方向旋转。

本实施例中，所述的上、下固定轴4d、4e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3f、3g可以是旋转输出形式的一种舵机，也可以是直线输出形式的一种舵机。

本实施例中，所述的共轴双旋翼系统的整体结构也可进行倒置设计，即：所述的舵机3f、3g与所述的下斜盘5a进行铰接，由下斜盘5a带动上斜盘3a的同步倾转运动，所述上、下旋翼2a、6a维持正向装配。

本实施例中，所述的上、下旋翼2a、6a收纳方式可以是横向折叠、纵向折叠或非折叠中的任意一种方式。

本实施例中，所述的上、下驱动模块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，对共轴双旋翼系统可采用一种控制策略，包括如下方式：

通过所述的一号舵机3f、二号舵机3g调节上斜盘3a并由上斜盘3a带动下斜盘5a同步倾转联动，控制上、下旋翼2a、6a的周期变距，实现飞行器的俯仰和横滚运动；通过调节上、下旋翼2a、6a的转速同步增减，实现飞行器的升降运动：通过调节上、下旋翼2a、6a的转速差动，实现飞行器的偏航运动。

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 (9)

1.一种两舵机共轴双旋翼系统，包括上驱动模块，上旋翼组件，上斜盘组件，中心组件，下斜盘组件，下旋翼组件，下驱动模块，其特征在于，所述的上旋翼组件安装于所述的上驱动模块下方；所述的上斜盘组件位于所述的上旋翼组件下方，所述的中心组件处于所述的上斜盘组件下方，所述的下斜盘组件安装于所述的中心组件下方，所述的下旋翼组件安装于所述的下斜盘组件的下方；所述的下驱动模块安装于所述的下旋翼组件的下方，所述的中心组件的固定轴，向上穿过所述的上斜盘组件、上旋翼组件与所述的上驱动模块固连，向下穿过所述的下斜盘组件、下旋翼组件与所述的下驱动模块固连；所述的上斜盘组件包括上斜盘，上旋转斜盘，同步连杆，驱动杆，摇臂，一号舵机，二号舵机，上向心关节件，上同步器；所述的下斜盘组件包括下斜盘，下旋转斜盘，下向心关节件，下同步器；所述的一号舵机和所述的二号舵机固连在所述的中心组件的舵机底座上； 2个所述的摇臂的一端分别与所述的一号、二号舵机的扭矩输出轴固连；2个所述的驱动杆一端分别与2个所述的摇臂另一端铰接，2个所述的驱动杆另一端分别与所述的上斜盘的2个侧边伸出杆铰接；所述的上斜盘与所述的上向心关节件铰接，所述的上向心关节件与上固定轴固连；所述的上斜盘的至少两个侧边伸出杆与至少两个所述的同步连杆的一端铰接，至少两个所述的同步连杆的另外一端与所述的下斜盘的至少两个侧边伸出杆铰接；所述的下斜盘与所述的下向心关节件铰接，所述的下向心关节件与下固定轴固连。

2.根据权利要求1所述的一种两舵机共轴双旋翼系统，其特征在于，所述的上斜盘的一边伸出杆与所述的上同步器的一端铰接；所述的上同步器的另一端与所述的舵机底座铰接；所述的下斜盘的一边伸出杆与所述的下同步器的一端铰接；所述的下同步器的另一端与所述的舵机底座铰接。

3.根据权利要求1所述的一种两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，上桨夹，上旋翼变距件，上旋翼毂，上变距杆；所述的下旋翼组件包括下旋翼，下桨夹，下旋翼变距件，下旋翼毂，下变距杆；所述的上旋翼的根部与所述的上桨夹的一端铰接；所述的上桨夹的另一端与所述的上旋翼变距件的一端铰接，所述的上旋翼变距件的另一端与所述的上旋翼毂的一端铰接；所述的上旋翼组件至少包含围绕中心主轴均布的两片上旋翼，所述上旋翼组件与上驱动模块的转子固连或通过齿轮连接；所述的下旋翼的根部与所述的下桨夹的一端铰接；所述的下桨夹的另一端与所述的下旋翼变距件的一端铰接，所述的下旋翼变距件的另一端与所述的下旋翼毂的一端铰接；所述的下旋翼组件至少包含围绕中心主轴均布的两片下旋翼，所述下旋翼组件与上驱动模块的转子固连或通过齿轮连接；所述的上旋转斜盘与所述的上斜盘铰接，所述的上变距杆的一端与所述的上旋翼变距件的侧边伸出杆铰接，所述的上变距杆的另一端与所述的上旋转斜盘的侧边铰接，组成变距驱动力臂；所述的下旋转斜盘与所述的下斜盘铰接，所述的下变距杆的一端与所述的下旋翼变距件的侧边伸出杆铰接，所述的下变距杆的另一端与所述的下旋转斜盘的侧边铰接，组成变距驱动力臂。

4.根据权利要求1所述的一种两舵机共轴双旋翼系统，其特征在于，所述的中心组件包括舵机底座，上紧固件，下紧固件，上固定轴，下固定轴；所述的上紧固件的一端与所述的舵机底座固连，所述的下紧固件的一端与所述的舵机底座固连；所述的上紧固件的另一端与所述的上固定轴的一端固连，所述的下紧固件的另一端与所述的下固定轴的一端固连；所述的上驱动模块固连在所述的上固定轴的另一端上，所述的下驱动模块固连在所述的下固定轴的另一端上；上、下固定轴组成旋翼系统的中轴线，所述的上驱动模块对上旋翼毂输出动力，带动上旋翼组件旋转，所述的下驱动模块对下旋翼毂输出动力，带动下旋翼组件旋转，所述的上、下旋翼组件围绕中轴线彼此反方向旋转。

5.根据权利要求1所述的一种两舵机共轴双旋翼系统，其特征在于，所述的上、下固定轴是两根独立的轴，或者是一根一体化的轴。

6.根据权利要求1所述的一种两舵机共轴双旋翼系统，其特征在于，所述的舵机是旋转输出形式的一种舵机，或者是直线输出形式的一种舵机。

7.根据权利要求1所述的一种两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：所述的舵机与所述的下斜盘进行铰接，由下斜盘带动上斜盘的同步倾转运动，所述上、下旋翼组件维持正向装配。

8.根据权利要求1所述的一种两舵机共轴双旋翼系统，其特征在于，所述的上、下旋翼组件收纳方式是横向折叠、纵向折叠或非折叠中的任意一种方式。

9.根据权利要求1所述的一种两舵机共轴双旋翼系统，其特征在于，所述的上、下驱动模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力驱动模块中的任意一种。

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