CN111605702A - 一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统及操作方法，包括上旋翼操纵系统、下旋翼操纵系统、综合舵机操纵系统、航向舵机操纵系统，其中上旋翼操纵系统包括上旋翼自动倾斜器、上旋翼自动倾斜器内环扭力臂，上旋翼自动倾斜器外环扭力臂；所述下旋翼操纵系统包括下旋翼自动倾斜器、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂、下旋翼自动倾斜器外环扭力臂；所述综合舵机操纵系统包括综合舵机和综合舵机操纵拉杆；航向舵机操纵系统包括航向舵机、航向舵机支座摇臂、航向舵机操纵摇臂。本发明实现了共轴双旋翼无人直升机的总距、纵向、横向和全差动航向操纵，简化了航向操纵结构，降低了操纵系统重量，同时减小了航向操纵时直升机升力的变化，并减小了航向舵机的负荷。

Description

一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统及操作方法

技术领域

本发明涉及航空器设计技术领域，尤其涉及一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统及操作方法。

背景技术

共轴双旋翼无人直升机是无人直升机的一种重要的气动布局形式，具有良好的气动效率和优异性能，在多个工农业领域和军事领域有着广泛的应用。

共轴双旋翼无人直升机的传统操纵系统主要有两种，一种是半差动形式，即航向操纵时仅控制一副旋翼桨叶总距变化，实现直升机航向偏转和稳定，优点是结构相对简单，缺点是航向操纵时造成了直升机航向运动和升降运动的耦合，而且航向操纵机构要通过与上旋翼或者下旋翼操纵系统混合，局部结构较为复杂，同时航向舵机需要承担一部分旋翼桨叶的铰链力矩，负荷较大；另一种是全差动结构，即航向操纵时同时控制两幅旋翼桨叶总距变化，实现航向偏转和稳定，包括全机械和纯电子两种形式，优点是操纵效率高，减小了直升机航向运动和升降运动的耦合，缺点是全机械式全差动结构过于复杂，重量较重，纯电子式需要飞控额外增加航向控制策略实现航向操纵全差动效果，增加了飞控算法难度和舵机负荷。

因此如何在现有共轴双旋翼无人直升机操纵系统结构基础上进行改进，实现无人直升机的四个方向操纵，降低整个操纵系统的复杂程度，减小航向操纵引起的直升机升力变化，同时减小无人机舵机尤其是航向舵机的负荷，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统及操作方法，可以有效解决背景技术中的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，包括：

包括上旋翼操纵系统、下旋翼操纵系统、综合舵机操纵系统、航向舵机操纵系统，其中：

所述上旋翼操纵系统包括上旋翼自动倾斜器、上旋翼自动倾斜器内环扭力臂、上旋翼自动倾斜器外环扭力臂、上旋翼桨距操纵连杆系统和上旋翼自动倾斜器操纵拉杆；所述上旋翼自动倾斜器包括上旋翼自动倾斜器内环和上旋翼自动倾斜器外环，内环和外环通过轴承连接；所述上旋翼自动倾斜器内环扭力臂一端与上旋翼自动倾斜器内环连接，另一端通过扭力臂固定卡箍固定于上旋翼轴的内轴；所述上旋翼自动倾斜器外环扭力臂一端与上旋翼自动倾斜器外环连接，另一端通过外环扭力臂固定卡箍固定于主减速器或机身上；所述上旋翼桨距操纵连杆系统包括上旋翼自动倾斜器操纵拉杆、上旋翼桨距操纵长拉杆、操纵摇臂及摇臂支座、上旋翼桨叶操纵拉杆，上旋翼桨距操纵长拉杆上端通过操纵摇臂支座与上旋翼桨叶操纵拉杆连接，上旋翼桨距操纵长拉杆上端下端通过操纵摇臂与自动倾斜器操纵拉杆连接。

所述下旋翼操纵系统包括下旋翼自动倾斜器、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂、下旋翼自动倾斜器外环扭力臂、下旋翼桨距操纵拉杆和下旋翼自动倾斜器操纵拉杆；所述下旋翼自动倾斜器包括下旋翼自动倾斜器内环和下旋翼自动倾斜器外环，内环和外环通过轴承连接；所述下旋翼自动倾斜器内环扭力臂一端与下旋翼自动倾斜器内环连接，另一端固定于下旋翼轴的外轴；所述下旋翼自动倾斜器外环扭力臂一端与下旋翼自动倾斜器外环连接，另一端固定于主减速器或机身；

所述综合舵机操纵系统包括综合舵机和综合舵机操纵拉杆，综合舵机通过舵机安装支座固定于主减速器或机身上；综合舵机操纵拉杆连接综合舵机操纵摇臂和航向舵机支座摇臂，综合舵机通过舵机操纵摇臂操纵航向舵机支座摇臂旋转。

所述航向舵机操纵系统包括航向舵机、航向舵机支座摇臂、航向舵机操纵摇臂，航向舵机固定在航向舵机支座摇臂上并铰支于主减速器，航向舵机驱动航向舵机操纵摇臂产生上下旋翼自动倾斜器的反向运动，实现全差动航向操纵；

所述上旋翼自动倾斜器操纵连杆和下旋翼自动倾斜器操纵连杆，分别将上旋翼自动倾斜器外环、下旋翼自动倾斜器外环与航向舵机支座摇臂连接，使上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器产生的总距、纵向和横向操纵同步一致；

通过采用上述技术方案，本发明在共轴双旋翼无人直升机上形成了一种新的操纵系统，使该飞行器实现了总距、纵向、横向和航向操纵，相对独立的航向舵机操纵系统混合在上下旋翼自动倾斜器之间，既连接了上下旋翼自动倾斜器，保证了上下旋翼挥舞操纵的一致性，又在物理上产生了上下旋翼自动倾斜器的反向运动，实现了共轴式直升机的航向全差动效果，并不与上下旋翼操纵系统发生干涉或机械上的混合，简化了自动倾斜器的结构；同时航向舵机仅负责在航向操作和稳定时驱动航向操纵摇臂旋转，在直升机稳定飞行时上下旋翼产生的铰链力矩通过航向操纵摇臂实现平衡，并由综合舵机承载拉压力，因此减小了航向舵机的负荷。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，所述的航向操纵时，可根据实验和理论分析，采用综合舵机总距补偿策略，以达到更好的航向操纵效果和更小的升力变化；

优选的，所述航向舵机操纵摇臂两端连接点到轴承支撑点的长度比例可根据实际飞行测试和气动理论计算调整，达到更小的升力变化；

优选的，所述综合舵机的布置形式可改进为绕轴45°分布，以便获得更好的结构和纵横向操纵效果；

优选的，所述航向舵机布置，需根据综合舵机布置形式改进为绕轴45°分布以实现航向操纵。

第二方面，一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的操作方法，包括如下步骤：

综合舵机操纵系统的舵机同时驱动摇臂带动拉杆上下运动，驱动航向舵机支座摇臂上下旋转，并通过航向舵机操纵摇臂两端连接的上旋翼自动倾斜器操纵连杆和下旋翼自动倾斜器操纵连杆驱动上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器同时上下运动；

通过上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统控制上、下旋翼桨叶总距同时增加或减少，实现了共轴双旋翼直升机的总距操纵，产生了直升机的升降运动；

综合舵机操纵系统的前后舵机或左右舵机协调差动操纵，驱动了上、下旋翼自动倾斜器的纵向或横向操纵，可控制上、下旋翼桨叶周期变距，引起上下旋翼旋转平面的纵向和横向偏转，实现共轴双旋翼直升机的纵向或横向操纵，产生了直升机的纵向和横向运动。

第二方面的优点与第一方面的优点相同，故在此不再赘述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的轴测图；

图2为本发明一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的主视图；

图3为本发明一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的侧视图；

图4为本发明一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的俯视图；

图5为本发明一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的航向操纵系统的结构剖视图。

其中，图中：

1-上旋翼操纵系统；

110-上旋翼自动倾斜器内环，120-上旋翼自动倾斜器外环，130-上旋翼自动倾斜器内环扭力臂，140-上旋翼自动倾斜器外环扭力臂，150-上旋翼桨叶变距拉杆，160-上旋翼桨叶变距摇臂，170-上旋翼桨叶变距摇臂支座，180-上旋翼桨叶变距操纵拉杆，190-上旋翼自动倾斜器操纵连杆；

2-下旋翼操纵系统；

210-下旋翼自动倾斜器内环，220-下旋翼自动倾斜器外环，230-下旋翼自动倾斜器内环扭力臂，240-下旋翼自动倾斜器外环扭力臂，250-下旋翼桨叶变距拉杆、260-下旋翼自动倾斜器操纵连杆；

3-综合舵机操纵系统；

310-综合舵机，320-综合舵机操纵摇臂、330-综合舵机操纵拉杆；

4-航向舵机操纵系统；

410-航向舵机，420-航向舵机支座摇臂，430-航向舵机操纵摇臂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、 “第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中， “多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例：

第一方面，如图1-5所示，本发明实施例公开了一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，包括上旋翼操纵系统1、下旋翼操纵系统2、综合舵机操纵系统3、航向舵机操纵系统4，其中：

所述上旋翼操纵系统1包括上旋翼自动倾斜器内环110、上旋翼自动倾斜器外环120，上旋翼自动倾斜器内环扭力臂130、上旋翼自动倾斜器外环扭力臂140、上旋翼桨叶变距拉杆150，上旋翼桨叶变距摇臂160，上旋翼桨叶变距摇臂支座170，上旋翼桨叶变距操纵拉杆180，上旋翼自动倾斜器操纵连杆190；所述上旋翼自动倾斜器内环110和上旋翼自动倾斜器外环120，通过轴承连接；所述上旋翼自动倾斜器内环扭力臂130一端与上旋翼自动倾斜器内环110连接，另一端固定于上旋翼轴的内轴；所述上旋翼自动倾斜器外环扭力臂140一端与上旋翼自动倾斜器外环120连接，另一端固定于主减速器；所述上旋翼桨叶变距拉杆150连接上旋翼变距摇臂160，并连接通过安装于上旋翼轴内孔的上旋翼桨叶变距操纵拉杆180与上旋翼自动倾斜器内环110连接，其中上旋翼桨叶变距摇臂160通过轴承铰支于上旋翼桨叶变距摇臂支座170，上旋翼桨叶变距摇臂支座170（两件）分别固定于上旋翼轴上端和下端，随上旋翼轴一同旋转；所述上旋翼自动倾斜器操纵连杆190一端连接上旋翼自动倾斜器外环120，一端连接航向舵机操纵摇臂430；

所述下旋翼操纵系统2包括下旋翼自动倾斜器内环210、下自动倾斜器外环220、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂230、下旋翼自动倾斜器外环扭力臂240、下旋翼桨叶变距拉杆250、下旋翼自动倾斜器操纵拉杆260；所述下旋翼自动倾斜器内环210和下旋翼自动倾斜器外环220通过轴承连接；所述下旋翼自动倾斜器内环扭力臂230一端与下旋翼自动倾斜器内环210连接，另一端固定于下旋翼轴；所述下旋翼自动倾斜器外环扭力臂240一端与下旋翼自动倾斜器外环220连接，另一端固定于主减速器；所述下旋翼桨叶变距拉杆250一端连接下旋翼自动倾斜器内环210，另一端连接下旋翼桨叶控制桨叶变距；所述下旋翼自动倾斜器操纵拉杆260一端连接下旋翼自动倾斜器外环220，另一端连接航向舵机操纵摇臂430；

所述综合舵机操纵系统3包括综合舵机310、综合舵机操纵摇臂320、综合舵机操纵拉杆330；所述综合舵机310安装于主减速器上；所述综合舵机操纵拉杆330一端连接综合舵机操纵摇臂320，另一端连接航向舵机支座摇臂420；

所述航向舵机操纵系统4包括航向舵机410、航向舵机支座摇臂420、航向舵机操纵摇臂430；所述航向舵机410固定于航向舵机支座摇臂420上，并通过花键与航向舵机操纵摇臂430连接并驱动其旋转；所述航向舵机支座摇臂420一端通过铰链铰支于主减速器；所述航向舵机操纵摇臂430通过轴承固定于航向舵机支座摇臂420上，可绕轴承轴旋转。

本发明一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的具体工作过程为：

综合舵机操纵系统3的舵机同时驱动摇臂带动拉杆上下运动，驱动航向舵机支座摇臂420上下旋转，并通过航向舵机操纵摇臂430两端连接的上旋翼自动倾斜器操纵连杆190和下旋翼自动倾斜器操纵连杆260，驱动上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器同时上下运动，通过上旋翼操纵系统1和下旋翼操纵系统2控制上、下旋翼桨叶总距同时增加或减少，实现了共轴双旋翼直升机的总距操纵，产生了直升机的升降运动；

综合舵机操纵系统3的前后舵机或左右舵机协调差动操纵，驱动了上、下旋翼自动倾斜器的纵向或横向操纵，可控制上、下旋翼桨叶周期变距，引起上下旋翼旋转平面的纵向和横向偏转，实现共轴式直升机的纵向或横向操纵，产生直升机的纵向和横向运动；

需要说明的是以上综合舵机操纵系统运动时，航向舵机处于锁定状态，上下旋翼桨叶产生的铰链力矩通过上下旋翼操纵系统传递到航向舵机操纵摇臂的拉压力在绕航向舵机操纵摇臂支撑轴承处平衡，航向舵机输出扭矩为零或较小；

航向舵机操纵系统4由航向舵机同时驱动航向舵机操纵摇臂430同向旋转，通过上旋翼自动倾斜器操纵连杆190和下旋翼自动倾斜器操纵连杆260，操纵上下旋翼自动倾斜器相反方向运动，产生了上下旋翼桨叶总距的差动，改变旋翼轴的扭矩，从而实现直升机的航向操纵；上下旋翼的桨叶总距角在航向操纵时一增一减，避免了直升机升力的较大变化，减小了航向操纵引起的偏航运动和升降运动的耦合；可根据需要通过飞控系统程序设计，采用总距补偿策略，由综合舵机产生总距补偿动作，以减小航向操纵时共轴式直升机升力的变化；同样也可在设计时调整航向舵机操纵摇臂两端连接点到轴承支撑点的比例，实现优化的航向操纵效果和最小升力变化。

第二方面，如图1-5所示，一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的操作方法，其特征在于：包括如下步骤：

综合舵机操纵系统3的舵机同时驱动摇臂带动拉杆上下运动，驱动航向舵机支座摇臂420上下旋转，并通过航向舵机操纵摇臂320两端连接的上旋翼自动倾斜器操纵连杆190和下旋翼自动倾斜器操纵连杆260驱动上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器同时上下运动；

通过上旋翼操纵系统1和下旋翼操纵系统2控制上、下旋翼桨叶总距同时增加或减少，实现了共轴双旋翼直升机的总距操纵，产生了直升机的升降运动；

综合舵机操纵系统3的前后舵机或左右舵机协调差动操纵，驱动了上、下旋翼自动倾斜器的纵向或横向操纵，可控制上、下旋翼桨叶周期变距，引起上下旋翼旋转平面的纵向和横向偏转，实现共轴双旋翼直升机的纵向或横向操纵，产生直升机的纵向和横向运动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，包括：上旋翼操纵系统、下旋翼操纵系统、综合舵机操纵系统、航向舵机操纵系统，其特征在于：

所述上旋翼操纵系统包括上旋翼自动倾斜器、上旋翼自动倾斜器内环扭力臂、上旋翼自动倾斜器外环扭力臂、上旋翼桨距操纵连杆系统和上旋翼自动倾斜器操纵连杆；

所述上旋翼自动倾斜器包括上旋翼自动倾斜器内环和上旋翼自动倾斜器外环，内环和外环通过轴承连接；

所述上旋翼自动倾斜器内环扭力臂一端与上旋翼自动倾斜器内环连接，另一端通过扭力臂固定卡箍固定于上旋翼轴；

所述上旋翼自动倾斜器外环扭力臂一端与上旋翼自动倾斜器外环连接，另一端通过外环扭力臂固定卡箍固定于主减速器或机身上；

所述上旋翼桨距操纵连杆系统包括上旋翼自动倾斜器操纵拉杆、上旋翼桨距操纵长拉杆、操纵摇臂及摇臂支座、上旋翼桨叶操纵拉杆，上旋翼桨距操纵长拉杆上端通过操纵摇臂支座与上旋翼桨叶操纵拉杆连接，上旋翼桨距操纵长拉杆上端下端通过操纵摇臂与自动倾斜器操纵拉杆连接；

所述下旋翼操纵系统包括下旋翼自动倾斜器、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂、下旋翼自动倾斜器外环扭力臂、下旋翼桨距操纵拉杆、下旋翼自动倾斜器操纵连杆；

所述下旋翼自动倾斜器包括下旋翼自动倾斜器内环和下旋翼自动倾斜器外环，内环和外环通过轴承连接；所述下旋翼自动倾斜器内环扭力臂一端与下旋翼自动倾斜器内环连接，另一端固定于下旋翼轴；

所述下旋翼自动倾斜器外环扭力臂一端与下旋翼自动倾斜器外环连接，另一端固定于主减速器或机身；

所述综合舵机操纵系统包括综合舵机和综合舵机操纵拉杆，综合舵机通过舵机安装支座固定于主减速器或机身上；

所述航向舵机操纵系统包括航向舵机、航向舵机支座摇臂、航向舵机操纵摇臂，航向舵机固定在航向舵机支座摇臂上并铰支于主减速器，航向舵机驱动航向舵机操纵摇臂产生上下自动倾斜器的反向运动，实现全差动航向操纵；

所述上旋翼自动倾斜器操纵连杆、下旋翼自动倾斜器操纵连杆分别将上旋翼自动倾斜器外环、下旋翼自动倾斜器外环与航向舵机支座摇臂连接，由综合舵机通过综合舵机操纵拉杆驱动，使上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器共同产生一致的总距、纵向和横向操纵。

2.根据权利要求1所述的用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，其特征在于：所述上旋翼轴的内轴和下旋翼轴的外轴之间通过主减速器内部齿轮差动进行同轴反向的等速旋转。

3.根据权利要求1所述的用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，其特征在于：所述的上旋翼操纵系统中的上旋翼自动倾斜器安装于主减速器的下方，通过穿过上旋翼轴的内轴内孔的上旋翼桨叶操纵拉杆操纵上旋翼桨叶的变距。

4.根据权利要求1所述的用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，其特征在于：所述的下旋翼操纵系统中的下旋翼自动倾斜器安装于主减速器的上方，通过下旋翼桨叶操纵拉杆操纵下旋翼桨叶的变距。

5.根据权利要求4所述的用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，其特征在于：所述的综合舵机包含三个舵机，舵机布置形式为绕轴120°均布。

6.根据权利要求5所述的用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，其特征在于：所述的航向舵机包含三个舵机，舵机布置形式为绕轴120°均布，与综合舵机的布置方位一致。

7.根据权利要求6所述的用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，其特征在于：所述三个航向舵机接收同一通道航向操纵信号，同时驱动航向操纵摇臂的运动。

8.根据权利要求1所述的用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统，其特征在于：所述的航向舵机操纵系统的航向舵机通过操纵上下旋翼自动倾斜器的反向运动，实现上下旋翼桨距的全差动，所述航向舵机操纵摇臂两端连接点到轴承支撑点的长度比例为1:1。

9.一种用于共轴双旋翼无人直升机的操纵系统的操作方法，其特征在于：包括如下步骤：

综合舵机操纵系统的舵机同时上下运动，驱动航向舵机支座摇臂上下旋转，并通过航向舵机操纵摇臂两端连接的上旋翼自动倾斜器操纵连杆和下旋翼自动倾斜器操纵连杆驱动上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器同时上下运动；

通过上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统控制上、下旋翼桨叶总距同时增加或减少，实现共轴双旋翼直升机的总距操纵，产生了直升机的升降运动；

综合舵机操纵系统的前后舵机或左右舵机协调差动操纵，驱动了上、下旋翼自动倾斜器的纵向或横向操纵，可控制上、下旋翼桨叶周期变距，引起上下旋翼旋转平面的纵向和横向偏转，实现共轴双旋翼直升机的纵向或横向操纵，产生直升机的纵向和横向运动。

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