CN112173099A

CN112173099A - 一种用于无人机的变距装置、变距控制方法及无人机

Info

Publication number: CN112173099A
Application number: CN202011352027.9A
Authority: CN
Inventors: 邵丹阳; 齐维维; 董振鹏; 佟庆; 张鹭; 黄博; 于化龙; 周晗
Original assignee: Shangliang Zhongyi Shenyang High Tech Technology Co ltd
Current assignee: Shangliang Zhongyi Shenyang High Tech Technology Co ltd
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-01-05

Abstract

本发明公开了一种用于无人机的变距装置、变距控制方法及无人机，包括驱动器、固定环、旋转环和变距拉杆；驱动器包括第一直线电机和第二直线电机；固定环套设在螺旋桨转轴上且与螺旋桨转轴球铰连接；固定环上设置有第一连接支座、第二连接支座和第三连接支座；第一直线电机连接于第一连接支座与机架之间；第二直线电机连接于第二连接支座与机架之间；第三连接支座与机架滑动配合；旋转环以定轴转动的方式套设在固定环上；变距拉杆用于连接桨毂和旋转环。该变距装置仅需控制两个直线电机的推杆伸缩即可实现周期性变距，驱动方式和控制逻辑得到大幅的简化，同时周期性变距能够降低环境风向的影响，大大提升变距的稳定性。

Description

一种用于无人机的变距装置、变距控制方法及无人机

技术领域

本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种用于无人机的变距装置、变距控制方法及无人机。

背景技术

无人驾驶飞机简称无人机，其是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。

对于旋翼飞行器而言，为了实现飞行器空中灵活多变，需要控制螺旋桨桨距的变化，使得螺旋桨旋转平面内各处升力不相等，产生相应的控制力矩。但目前的螺旋桨桨距变距的驱动方式和控制逻辑较复杂，且变距的稳定性较差。

综上所述，如何解决螺旋桨桨距变距的驱动方式和控制逻辑复杂，且变距的稳定性较差的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于无人机的变距装置、变距控制方法及无人机，以解决螺旋桨桨距变距的驱动方式和控制逻辑复杂，且变距的稳定性较差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于无人机的变距装置，包括驱动器、固定环、旋转环和变距拉杆；

所述驱动器包括竖直且并排布置的第一直线电机和第二直线电机；

所述固定环套设在螺旋桨转轴上且与所述螺旋桨转轴球铰连接；所述固定环上设置有沿所述固定环的周向边沿均匀分布的第一连接支座、第二连接支座和第三连接支座；所述第一直线电机连接于所述第一连接支座与机架之间，且用于驱动所述第一连接支座运动；所述第二直线电机连接于所述第二连接支座与机架之间，且用于驱动所述第二连接支座运动；所述第三连接支座上固定设置有滑块，无人机的机架上设置有竖直布置的滑槽，所述滑块与所述滑槽滑动配合，且所述滑块能够在所述滑槽内转动；

所述旋转环以定轴转动的方式套设在所述固定环上；

所述变距拉杆的数量为两个，且对称布置于所述旋转环的外侧，所述变距拉杆的一端与所述旋转环的外沿铰接，所述变距拉杆的另一端与螺旋桨的桨毂铰接，且两个所述变距拉杆分别位于所述桨毂的两侧。

优选地，所述第一连接支座与第一直线电机的推杆之间为球铰连接，所述第一直线电机的推杆座与机架之间为球铰连接；所述第二连接支座与所述第二直线电机的推杆之间为球铰连接，所述第二直线电机的推杆座与机架之间为球铰连接。

优选地，所述滑块为球头滑块。

相比于背景技术介绍内容，上述用于无人机的变距装置，包括驱动器、固定环、旋转环和变距拉杆；驱动器包括竖直且并排布置的第一直线电机和第二直线电机；固定环套设在螺旋桨转轴上且与螺旋桨转轴球铰连接；固定环上设置有沿固定环的周向边沿均匀分布的第一连接支座、第二连接支座和第三连接支座；第一直线电机连接于第一连接支座与机架之间，且用于驱动第一连接支座运动；第二直线电机连接于第二连接支座与机架之间，且用于驱动第二连接支座运动；第三连接支座上固定设置有滑块，无人机的机架上设置有竖直布置的滑槽，滑块与滑槽滑动配合，且所述滑块能够在所述滑槽内转动；旋转环以定轴转动的方式套设在固定环上；变距拉杆的数量为两个，且对称布置于旋转环的外侧，变距拉杆的一端与旋转环的外沿铰接，变距拉杆的另一端与螺旋桨的桨毂铰接，且两个变距拉杆分别位于桨毂的两侧。该变距装置在实际应用过程中，通过第一直线电机的推杆驱动第一连接支座和第二直线电机推杆驱动第二连接支座，且采用同步驱动的方式，由于固定环与螺旋桨转轴球铰，因此，固定环会绕垂直于螺旋桨转轴的方向翻转倾斜，同时在滑块与机架上滑槽的滑动配合下，且滑块能够在滑槽内转动，因此，，固定环在螺旋桨转轴的周向方向限转，由于旋转环以定轴转动的方式套设在固定环上，因此，螺旋桨转动时旋转环会在固定环的倾斜角度和倾斜方向下定轴转动，从而连接于旋转环与螺旋桨的桨毂之间的变距拉杆会随着螺旋桨的周期性转动而周期性的上下浮动，继而螺旋桨的桨叶会产生周期性的变距，从而实现无人机的空中动作的灵活控制，该变距装置仅需控制两个直线电机的推杆伸缩即可调节固定环的倾斜角度和倾斜方向，继而实现周期性变距，驱动方式和控制逻辑得到大幅的简化，同时周期性变距能够降低环境风向的影响，大大提升变距的稳定性。

另外，本发明还提供了一种用于无人机的变距控制方法，该变距控制方法采用了上述任一方案所描述的用于无人机的变距装置，具体包括步骤：

步骤S1：获取无人机的当前姿态和目标姿态，以确定固定环的当前倾斜角和目标倾斜角；

步骤S2：调节第一直线电机的推杆的执行位移量和第二直线电机的推杆的执行位移量，以使所述固定环由当前倾斜角调整至目标倾斜角。

该无人机的变距控制方法，在实际应用过程中，通过获取无人机的当前姿态和目标姿态，能够确定固定环的当前倾斜角和目标倾斜角；然后通过调节第一直线电机的推杆的执行位移量和第二直线电机的推杆的执行位移量，可以使固定环由当前倾斜角调整至目标倾斜角，从而完成无人机的变距过程。该变距控制方法仅需控制两个直线电机的推杆伸缩即可调节固定环的倾斜角度和倾斜方向，继而实现周期性变距，驱动方式和控制逻辑得到大幅的简化，同时周期性变距能够降低环境风向的影响，大大提升变距的稳定性。

优选地，所述步骤S2具体包括如下子步骤：

步骤S21：根据固定环的倾斜角与第一直线电机的长度的对应关系，分别计算得出第一直线电机的当前姿态长度和目标姿态长度；根据固定环的倾斜角与第二直线电机的长度的对应关系，计算得出第二直线电机的当前姿态长度和目标姿态长度，其中，第一/第二直线电机的长度与固定环的倾斜角的对应关系如下：

，式中， l₁为第一/第二直线电机的长度，l₂为固定环的半径，CM为固定环与螺旋桨转轴的球铰球心与第一/第二直线电机的推杆座的球铰球心之间的距离，θ为CM与水平面的夹角，β为固定环的倾斜角；

步骤S22：通过第一直线电机的目标姿态长度减去第一直线电机的当前姿态长度，得出第一直线电机的推杆的待执行位移量；通过第二直线电机的目标姿态长度减去第二直线电机的当前姿态长度，得出第二直线电机的推杆的待执行位移量；

步骤S23：控制第一/第二直线电机执行各自对应的待执行位移量。

优选地，所述步骤S2具体包括如下子步骤：

步骤S21：根据固定环的倾斜角与第一直线电机的长度所对应的预存map，调取第一直线电机的当前姿态长度和目标姿态长度；根据固定环的倾斜角与第二直线电机的长度所对应的预存map，调取第二直线电机的当前姿态长度和目标姿态长度：

此外，本发明还提供了一种无人机，包括变距装置和用于驱动螺旋桨转动的动力机构，且该变距装置为上述任一方案所描述的用于无人机的变距装置。由于该用于无人机的变距装置具有上述技术效果，因此具有上述变距装置的无人机也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

优选地，所述螺旋桨包括可变距螺旋桨和固定距螺旋桨，且所述可变距螺旋桨与所述固定距螺旋桨为共轴反转螺旋桨；所述动力机构包括用于驱动所述可变距螺旋桨绕所述螺旋桨的螺旋桨转轴的轴心转动的第一驱动电机和用于驱动所述固定距螺旋桨绕所述螺旋桨转轴的轴心转动的第二驱动电机，所述变距拉杆铰接于所述可变距螺旋桨的桨毂上。

优选地，所述固定距螺旋桨的桨毂与所述可变距螺旋桨的桨毂之间设置有与所述螺旋桨转轴固定连接的固定支架，所述第一驱动电机和所述第二驱动电机并列排布置于所述固定支架上；所述第一驱动电机通过第一减速机构与所述可变距螺旋桨的桨毂传动连接，所述第二驱动电机通过第二减速机构与所述固定距螺旋桨的桨毂传动连接。

优选地，所述第一驱动电机为空心轴电机，所述第二驱动电机的驱动轴同轴穿过所述空心轴电机，且所述第一驱动电机和所述第二驱动电机通过固定支座与所述机架固定连接；所述螺旋桨转轴包括用于驱动所述可变距螺旋桨转动的第一转轴和用于驱动所述固定距螺旋桨转动的第二转轴，且所述第一转轴为空心轴，所述第二转轴同轴穿设所述第一转轴的内侧；所述第一驱动电机的空心轴与所述第一转轴同轴连接或为同一个轴，所述固定环套设在所述第一转轴上且与所述第一转轴为球铰连接；所述第二驱动电机的驱动轴与所述第二转轴同轴连接或为同一个轴。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的变距装置的结构原理示意图；

图2为图1的纵向剖视结构示意图（未示出直线电机）；

图3为本发明实施例提供的变距装置中固定环倾斜时的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的变距装置进行方向控制时倾斜盘的示意图；

图5为本发明实施例提供的变距装置进行方向控制时桨距角的示意图；

图6为本发明实施例提供的几何参数在变距装置上对应的示意图；

图7为本发明实施例提供的螺旋桨的桨毂外观结构示意图；

图8为本发明实施例提供的螺旋桨的桨毂剖视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的螺旋桨的横向轴线与X轴平行时的变距原理示意图；

图10为本发明实施例提供的螺旋桨的横向轴线与Y轴平行时的变距原理示意图；

图11为本发明实施例提供的顶层底板的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的动力机构采用第一/第二驱动电机并排布置的三维结构示意图（未示出变距装置）；

图13为本发明实施例提供的动力机构采用第一/第二驱动电机并排布置的剖视结构示意图（未示出变距装置）；

图14为本发明实施例提供的动力机构采用第一/第二驱动电机同轴串列布置的三维结构示意图（未示出固定支座和变距装置）；

图15为本发明实施例提供的动力机构采用第一/第二驱动电机同轴串列布置的剖视结构示意图（示出了固定支座但未示出变距装置）。

上图1-图15中，

驱动器1、第一直线电机1a、第二直线电机1b、固定环2、第一连接支座2a、第二连接支座2b、第三连接支座2c、球头滑块2d、旋转环3、变距拉杆4、螺旋桨转轴5、滑槽70、底层基座71、支撑构件72、顶层基座73、缺口73a、螺旋桨8、可变距螺旋桨8a、固定距螺旋桨8b、桨毂80、桨毂主框80a、套筒80b、转动关节80c、轴套80c1、销柱80c2、桨叶84、球面轴承9、第一驱动电机11、第二驱动电机12、第一减速机构13、第二减速机构14、固定支架15、固定支座16。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于无人机的变距装置、变距控制方法及无人机，以解决螺旋桨桨距变距的驱动方式和控制逻辑复杂，且变距的稳定性较差的问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，如若涉及术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”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位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，如若涉及术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-图15所示，本发明实施例提供的一种用于无人机的变距装置，包括驱动器1、固定环2、旋转环3和变距拉杆4；驱动器1包括竖直且并排布置的第一直线电机1a和第二直线电机1b；固定环2套设在螺旋桨转轴5上且与螺旋桨转轴5球铰连接；固定环2上设置有沿固定环2的周向边沿均匀分布的第一连接支座2a、第二连接支座2b和第三连接支座2c；第一直线电机1a连接于第一连接支座2a与机架之间，且用于驱动第一连接支座2a运动；第二直线电机1b连接于第二连接支座2b与机架之间，且用于驱动第二连接支座2b运动；第三连接支座2c上固定设置有滑块2d，无人机的机架上设置有竖直布置的滑槽70，滑块2d与滑槽70滑动配合，且滑块2d能够在滑槽70内转动；旋转环3以定轴转动的方式套设在固定环2上；变距拉杆4的数量为两个，且对称布置于旋转环3的外侧，变距拉杆4的一端与旋转环3的外沿铰接，变距拉杆4的另一端与螺旋桨8的桨毂80铰接，且两个变距拉杆4分别位于桨毂80的两侧。

该变距装置在实际应用过程中，通过第一直线电机的推杆驱动第一连接支座和第二直线电机推杆驱动第二连接支座，且采用同步驱动的方式，由于固定环与螺旋桨转轴球铰，因此，固定环会绕垂直于螺旋桨转轴的方向翻转倾斜，同时在滑块与机架上滑槽的滑动配合下，且滑块能够在滑槽内转动，因此，固定环在螺旋桨转轴的周向方向限转，由于旋转环以定轴转动的方式套设在固定环上，因此，螺旋桨转动时旋转环会在固定环的倾斜角度和倾斜方向下定轴转动，从而连接于旋转环与螺旋桨的桨毂之间的变距拉杆会随着螺旋桨的周期性转动而周期性的上下浮动，继而螺旋桨的桨叶会产生周期性的变距，从而实现无人机的空中动作的灵活控制，该变距装置仅需控制两个直线电机的推杆伸缩即可调节固定环的倾斜角度和倾斜方向，继而实现周期性变距，驱动方式和控制逻辑得到大幅的简化，同时周期性变距能够降低环境风向的影响，大大提升变距的稳定性。

这里需要说明的是，本领域技术人员都应该能够理解的是，螺旋桨的横向轴线是指桨毂两端对应安装桨叶的安装位的连线所在的直线；本领域技术人员还应该只晓得是，一般来说，直线电机包括推杆座和设置在推杆座上的推杆，且推杆能够相对推杆座做伸缩运动。

在一些具体的实施方案中，上述第一连接支座2a与第一直线电机1a的推杆之间为球铰连接，第一直线电机1a的推杆座与机架之间为球铰连接；第二连接支座2b与第二直线电机1b的推杆之间为球铰连接，第二直线电机1b的推杆座与机架之间为球铰连接。通过将直线电机的推杆座和推杆均设计成球铰的方式，能够保证直线电机驱动过程中避免卡死的问题。当然可以理解的是，实际应用过程中，还可以采用本领域技术人员常用的其他避免卡死的方式，比如连杆机构等，在此不做更具体的限定。

为了本领域技术人员更好的理解本发明技术方案，下面结合具体的周期性变距过程进行简要说明：

参照图4和图5，当无人机要向方位角φ进行倾斜时，飞控系统控制直线电机进行动作，使得固定环及旋转环运行至方位角φ提前90°时达到最高点，通过方位角φ之后90°达到最低点；从而使得螺旋桨桨叶在方位角φ的位置时桨距角最大、升力最大，在方位角φ位置之后180°时桨距角最小、升力最小，实现无人机向方位角φ倾斜。

当无人机准备进行改变飞行姿态时，飞控系统结算固定环2所需到达的目标倾斜角和姿态角，并计算固定环2此时所处的平面方程ax+by+cz=0（取固定环与螺旋桨转轴的铰接球心为坐标原点），a、b、c为相应系数，目标姿态角及倾斜角确定后即可确定。并与方程x²+y²=R²联立，即可得此时两直线电机（第一直线电机/第二直线电机）的推杆与固定环2各自的连接点P1、P2所在的z坐标，上式中R为固定环2的半径。

当计算出各个直线电机所需提供的线位移后，需要对各个电机的行程进行计算。每个电机各自行程与该侧固定环竖直方向位移的关系满足下述关系。

参照图6所示，C为固定环与螺旋桨转轴的铰接球心、P为固定环2与直线电机连接点。L₂为固定环半径，l₁为直线电机长度，由飞控系统控制。M为直线电机在机架上的铰接点，O为点C向机架安装直线电机所在平面上的投影点。C、M、O各点位置固定且已知，l₂、CM、θ（∠COM）均已知。且明确l₁、l₂、CM三者所成三角形三边已知，则有

。

进一步的实施方案中，上述滑块具体可以采用球头滑块的结构形式，通过设计成球头滑块的结构形式，能够使得滑块相对滑槽的各个方向的转动都十分顺畅，能够更有效地避免了因为第一直线电机和第二直线电机的伸长量误差导致的卡死问题。当然可以理解的是，上述采用球头滑块的方式仅仅是本发明实施例的优选举例而已，实际应用过程中，还可以采用其他可转动的滑块结构，在此不做更具体的限定。

在一些具体的实施方案中，上述螺旋桨8的桨毂80的具体结构，可以包括桨毂主框80a和位于桨毂主框80a内侧的套筒80b；桨毂主框80a与套筒80b之间通过转动关节80c连接，且转动关节80c沿螺旋桨8的横向轴线布置，以使桨毂主框80a能够相对套筒80b沿螺旋桨8的横向轴线转动，且变距拉杆4铰接于桨毂主框80上。其中，该转动关节80c的具体结构形式可以包括分别固定设置在套筒80b两侧的轴套80c1和设置在桨毂主框80a内侧的两个销柱80c2，轴套80c1的轴心沿螺旋桨8的横向轴线布置，销柱80c2插设在轴套80c1内且能够绕轴套80c1的轴心转动。通过转动关节的布置，能够在保证螺旋桨转轴不倾斜的情况下，使得螺旋桨倾斜调节实现变距，并且在变距过程中，螺旋桨的倾斜变距的转动中心会始终保持与螺旋桨的横向轴线一致。当然可以理解的是，上述采用轴套和销柱的方式，仅仅是本发明实施例对于转动关节的优选举例而已，实际应用过程中，还可以将桨毂与螺旋桨转轴之间设计成绕垂直于螺旋桨的横向轴线方向可转动，且二者周向方向限转的其他结构形式，比如，螺旋桨转轴上设计有带限位切口的球头，桨毂上设置有与带限位切口的球头相适配的带限位切口的球窝，且限位切口位于螺旋桨的横向轴线方向。

进一步的实施方案中，上述螺旋桨8的桨叶84可以采用分别以铰接的方式安装在桨毂80的两端。通过铰接连接的结构形式，当螺旋桨转动时，桨叶会在离心力的作用下而被拉直至横向轴线方向；当不飞行时，可以通过折叠桨叶实现螺旋桨的折叠，从而能够缩小飞行器整体的占用空间，收纳更加方便。

在一些更具体的实施方案中，上述机架的具体结构可以包括自下而上依次布置的底层基座71、支撑构件72和顶层基座73，支撑构件72的底部与底层基座71固定连接，支撑构件72的顶部与顶层基座73固定连接；第一直线电机1a和第二直线电机1b的推杆座均球铰于底层基座71上；滑槽70设置在顶层基座73上，且顶层基座73上设置有用于避让推杆的避空位。需要说明的是，一般来说，支撑构件72采用镂空的支架结构，这样有助于减轻整机的重量，此外，还有助于直线电机的散热；另外，通过顶层基座上设置竖直布置的滑槽，能够更加贴近第三连接支架布置，继而使得与滑块配合更加方便和稳定。

进一步的实施方案中，顶层基座上设计的避空位优选设计为形成于顶层基座73的边沿的缺口73a。通过将避空位设计成缺口的结构形式，使得变距拉杆的安装更加方便，并且加工更加简单易于实现匹配。

需要说明的是，上述固定环2与螺旋桨转轴5的球铰方式，具体可以通过球面轴承9实现，也可以是在螺旋桨转轴上直接加工形成球头结构，在固定环的内侧设置于该球头结构相匹配的球窝结构。实际应用过程中，可以根据实际需求进行选择。

此外，上述旋转环3与固定环2之间的定轴转动的实现方式，具体可以通过轴承连接来实现，具体为：轴承的内圈与固定环上对应的空心凸轴固定连接，轴承的外圈与旋转环的内侧固定连接，固定连接方式可以采用过盈配合又或者是键配合等方式。通过轴承连接方式能够减少二者的摩擦阻力，使得二者的相互转动互不干扰，同时二者又可以实现同步倾斜。

另外，本发明还提供了一种用于无人机的变距控制方法，该变距控制方法采用了上述任一方案所描述的用于无人机的变距装置，其包括步骤：

上述无人机的变距控制方法，在实际应用过程中，通过获取无人机的当前姿态和目标姿态，能够确定固定环的当前倾斜角和目标倾斜角；然后通过调节第一直线电机的推杆的执行位移量和第二直线电机的推杆的执行位移量，可以使固定环由当前倾斜角调整至目标倾斜角，从而完成无人机的变距过程。该变距控制方法仅需控制两个直线电机的推杆伸缩即可调节固定环的倾斜角度和倾斜方向，继而实现周期性变距，驱动方式和控制逻辑得到大幅的简化，同时周期性变距能够降低环境风向的影响，大大提升变距的稳定性。

在一些具体的实施方案中，上述步骤S2具体可以包括如下子步骤：

需要说明的是，实际应用过程中，上述步骤S2具体还可以是包括如下子步骤：

步骤S21：根据固定环的倾斜角与第一直线电机的长度所对应的预存对应关系表，调取第一直线电机的当前姿态长度和目标姿态长度；根据固定环的倾斜角与第二直线电机的长度所对应的预存对应关系表，调取第二直线电机的当前姿态长度和目标姿态长度：

其中，预存对应关系表具体可以预存的固定环的倾斜角与第一/第二直线电机的长度对应关系map表，也可以是固定环的倾斜角与第一/第二直线电机的长度对应关系的map曲线，该预存map表和map曲线均可以通过仿真实验测试得出，在此不在赘述。实际应用过程中，可以根据实际需求选择。

进一步的实施方案中，上述螺旋桨8的具体结构可以包括可变距螺旋桨8a和固定距螺旋桨8b，且可变距螺旋桨8a与固定距螺旋桨8b为共轴反转螺旋桨；动力机构包括用于驱动可变距螺旋桨8a绕螺旋桨转轴5的轴心转动的第一驱动电机11和用于驱动固定距螺旋桨8b绕螺旋桨转轴5的轴心转动的第二驱动电机12，变距拉杆4铰接于可变距螺旋桨8a的桨毂上。通过将螺旋桨设计成共轴反转的双螺旋浆的结构，使得无人机的升力控制更加灵活多变。

下面结合无人机采用共轴反转的双螺旋桨的结构形式的工作原理进行简要说明：

当无人机需要控制机身绕垂直轴（即螺旋桨转轴所在轴心）转动时，控制系统对第一驱动电机11和第二驱动电机12的转速分别进行控制，使两者的气动力矩不相等，产生控制机身绕垂直轴转动的力矩。

根据相关经验及文献可知，上部螺旋桨（固定距螺旋桨8b）与下部螺旋桨（可变距螺旋桨8a）旋转时，产生的升力F1、F2及阻力矩T1、T2分别为：

；

；

；

。

上式中，N₁、N₂分别为第二驱动电机12和第一驱动电机11的转速，k₁₁、k₁₂、k₂₁、k₂₂均为相关系数，由试验测得。

当无人机准备进行上升或下降时，第二驱动电机12和第一驱动电机11同时增大或减小转速，使得总升力增大或减小，同时上部螺旋桨（固定距螺旋桨8b）与下部螺旋桨（可变距螺旋桨8a）产生的力矩相等。

当无人机准备进行绕轴线的转动时，飞控系统计算如下方程：

上式中，F₁₀、F₂₀分别为开始转动上部螺旋桨（固定距螺旋桨8b）与下部螺旋桨（可变距螺旋桨8a）的升力，T_A为进行控制所需产生的力矩，由飞控系统给出。

在一些更具体的实施方案中，上述第一驱动电机和第二驱动电机的布置方式，可以采用如图12和图13所示的并列排布的方式进行驱动，图中省略了变距装置，此时，固定距螺旋桨8b的桨毂与可变距螺旋桨8a的桨毂之间设置有与螺旋桨转轴5固定连接的固定支架15，第一驱动电机11和第二驱动电机12并列排布置于固定支架15上；第一驱动电机11通过第一减速机构13与可变距螺旋桨8a的桨毂传动连接，第二驱动电机12通过第二减速机构14与固定距螺旋桨8b的桨毂传动连接。通过并列排布的电机布置形式，能够使得动力机构的布置更加紧凑，减小占用空间，同时采用分别驱动固定距螺旋桨8b的桨毂和可变距螺旋桨8a的桨毂，使得螺旋桨转轴可以设计成固定不动的方式，同时固定距螺旋桨8b的桨毂和可变距螺旋桨8a的桨毂的同轴转动性更高。需要说明的是，上述第一减速器和第二减速器一般优选采用齿轮的结构形式，不仅可以减小占用空间，而且有助于提高传动精度和转速改变时的响应速度。

当然可以理解的是，实际应用过程中，上述第一驱动电机和第二驱动电机的布置方式仅仅是本发明实施例的举例而已，也可以设计成如图14和图15所示的同轴串列布置的结构形式，图中省略了变距装置及其对应的布置空间，此时，第一驱动电机11为空心轴电机，第二驱动电机12的驱动轴同轴穿过空心轴电机，且第一驱动电机11和第二驱动电机12通过固定支座16与机架固定连接；螺旋桨转轴5包括用于驱动可变距螺旋桨8a转动的第一转轴和用于驱动固定距螺旋桨8b转动的第二转轴，且第一转轴为空心轴，第二转轴同轴穿设第一转轴的内侧；第一驱动电机11的空心轴与第一转轴同轴连接或为同一个轴，固定环2套设在第一转轴上且与第一转轴为球铰连接；第二驱动电机12的驱动轴与第二转轴同轴连接或为同一个轴。通过同轴布置的电机形式，能够使得动力机构整体布置在机架的下部，更加方便动力机构的布置。

实际应用过程中，第一驱动电机和第二驱动电机具体采用并列排布的方式，还是采用同轴串列的排布方式，可以根据实际布置需求进行选择，在此不做更具体的限定。

以上对本发明所提供的用于无人机的变距装置、变距控制方法及无人机进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种用于无人机的变距装置，其特征在于，包括驱动器（1）、固定环（2）、旋转环（3）和变距拉杆（4）；

所述驱动器（1）包括竖直且并排布置的第一直线电机（1a）和第二直线电机（1b）；

所述固定环（2）套设在螺旋桨转轴（5）上且与所述螺旋桨转轴（5）球铰连接；所述固定环（2）上设置有沿所述固定环（2）的周向边沿均匀分布的第一连接支座（2a）、第二连接支座（2b）和第三连接支座（2c）；所述第一直线电机（1a）连接于所述第一连接支座（2a）与机架之间，且用于驱动所述第一连接支座（2a）运动；所述第二直线电机（1b）连接于所述第二连接支座（2b）与机架之间，且用于驱动所述第二连接支座（2b）运动；所述第三连接支座（2c）上固定设置有滑块（2d），无人机的机架上设置有竖直布置的滑槽（70），所述滑块（2d）与所述滑槽（70）滑动配合，且所述滑块（2d）能够在所述滑槽（70）内转动；

所述旋转环（3）以定轴转动的方式套设在所述固定环（2）上；

所述变距拉杆（4）的数量为两个，且对称布置于所述旋转环（3）的外侧，所述变距拉杆（4）的一端与所述旋转环（3）的外沿铰接，所述变距拉杆（4）的另一端与螺旋桨（8）的桨毂（80）铰接，且两个所述变距拉杆（4）分别位于所述桨毂（80）的两侧。

2.如权利要求1所述的用于无人机的变距装置，其特征在于，所述第一连接支座（2a）与第一直线电机（1a）的推杆之间为球铰连接，所述第一直线电机（1a）的推杆座与机架之间为球铰连接；所述第二连接支座（2b）与所述第二直线电机（1b）的推杆之间为球铰连接，所述第二直线电机（1b）的推杆座与机架之间为球铰连接。

3.如权利要求1所述的用于无人机的变距装置，其特征在于，所述滑块（2d）为球头滑块。

4.一种用于无人机的变距控制方法，其特征在于，该变距控制方法采用了如权利要求1-3中任一项所述的用于无人机的变距装置，包括步骤：

5.如权利要求4所述的变距控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下子步骤：

6.如权利要求4所述的变距控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下子步骤：

7.一种无人机，包括变距装置和用于驱动螺旋桨转动的动力机构，其特征在于，所述变距装置为如权利要求1-3中任一项所述的用于无人机的变距装置。

8.如权利要求7所述的无人机，其特征在于，所述螺旋桨（8）包括可变距螺旋桨（8a）和固定距螺旋桨（8b），且所述可变距螺旋桨（8a）与所述固定距螺旋桨（8b）为共轴反转螺旋桨；所述动力机构包括用于驱动所述可变距螺旋桨（8a）绕所述螺旋桨（8）的螺旋桨转轴（5）的轴心转动的第一驱动电机（11）和用于驱动所述固定距螺旋桨（8b）绕所述螺旋桨转轴（5）的轴心转动的第二驱动电机（12），所述变距拉杆（4）铰接于所述可变距螺旋桨（8a）的桨毂上。

9.如权利要求8所述的无人机，其特征在于，所述固定距螺旋桨（8b）的桨毂与所述可变距螺旋桨（8a）的桨毂之间设置有与所述螺旋桨转轴（5）固定连接的固定支架（15），所述第一驱动电机（11）和所述第二驱动电机（12）并列排布置于所述固定支架（15）上；所述第一驱动电机（11）通过第一减速机构（13）与所述可变距螺旋桨（8a）的桨毂传动连接，所述第二驱动电机（12）通过第二减速机构（14）与所述固定距螺旋桨（8b）的桨毂传动连接。

10.如权利要求8所述的无人机，其特征在于，所述第一驱动电机（11）为空心轴电机，所述第二驱动电机（12）的驱动轴同轴穿过所述空心轴电机，且所述第一驱动电机（11）和所述第二驱动电机（12）通过固定支座（16）与所述机架固定连接；所述螺旋桨转轴（5）包括用于驱动所述可变距螺旋桨（8a）转动的第一转轴和用于驱动所述固定距螺旋桨（8b）转动的第二转轴，且所述第一转轴为空心轴，所述第二转轴同轴穿设所述第一转轴的内侧；所述第一驱动电机（11）的空心轴与所述第一转轴同轴连接或为同一个轴，所述固定环（2）套设在所述第一转轴上且与所述第一转轴为球铰连接；所述第二驱动电机（12）的驱动轴与所述第二转轴同轴连接或为同一个轴。