CN115042959A - 一种电控变距螺旋桨、多轴飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电控变距螺旋桨，包括主轴、变距桨叶及制动模组，其中：所述主轴包括垂直设置的立杆与横杆；所述制动模组包括同轴设置的励磁线圈、制动涡流盘和制动齿轮，且所述制动涡流盘、制动齿轮安装在所述立杆上；所述变距桨叶包括变距锥齿轮及与所述变距锥齿轮相连的桨叶，所述变距锥齿轮与所述横杆相连且与所述制动齿轮相啮合。本发明还提供一种多轴飞行器,包括主体及至少两个上述的电控变距螺旋桨。本发明还提供一种多轴飞行器的控制方法。本发明在不采用舵机和拉杆等一系列的机械传动结构的情形下，通过制动模组的制动齿轮与变距桨叶的变距锥齿轮相啮合实现变距控制，进而满足姿态控制的需要。

Description

一种电控变距螺旋桨、多轴飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器，尤其涉及一种电控变距螺旋桨、多轴飞行器及其控制方法。

背景技术

目前，多轴飞行器广泛应用于民用、商用及军事领域，在民用领域，越来越多的极限运动爱好者使用多轴飞行器进行摄录，在商用领域，搭载摄像设备对各项体育赛事或各地风景进行跟踪航拍，可见，多轴飞行器有着广泛的应用范围及广阔的市场前景。

电动多轴飞行器起飞重量越来越大，为了获得更高的效率，桨的直径越来越大。在保证桨尖不产生激波损失的限制下，转速进一步降低，传统的多旋翼定距变速控制很难满足姿态控制的需要。这是因为桨叶直径大了以后，转动惯量加大，控制延时严重。

目前采用变距控制解决这个问题，现有的变距桨叶结构通常采用液压拉杆或是电动舵机拉杆等一系列的机械传动结构来驱动，但液压不适于快速调整桨距，而电动舵机拉杆传动结构在长时间使用过程中容易失效，可靠性差，很难做到免维护。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种电控变距螺旋桨，包括主轴、变距桨叶及制动模组，其中：

所述主轴包括垂直设置的立杆与横杆；

所述制动模组包括同轴设置的励磁线圈、制动涡流盘和制动齿轮，且所述制动涡流盘和制动齿轮安装在所述立杆上；

所述变距桨叶包括变距锥齿轮及与所述变距锥齿轮相连的桨叶，所述变距锥齿轮与所述横杆相连且与所述制动齿轮相啮合。

优选地，所述变距锥齿轮包括锥齿轮以及与所述锥齿轮相连的桨叶配重部。

优选地，所述桨叶配重部的中心线与所述锥齿轮的中心线相垂直。

优选地，所述桨叶配重部包括配重安装架及安装在所述配重安装架上的配重块。

优选地，所述配重安装架上设有配重安装孔。

优选地，所述配重块根据所述变距桨叶所需的偏转力矩和工作转速来确定。

本发明还提供一种多轴飞行器,包括主体及至少两个上述的电控变距螺旋桨；所述主体上设有控制模块、无线通讯模块及姿态测量模块，且所述电控变距螺旋桨与所述控制模块相连；其中：

所述无线通讯模块用于接收控制信号，并将所述控制信号发送给所述控制模块；

所述姿态测量模块用于实时监测飞行器飞行的实际姿态以产生实际姿态数据，并将所述将实际姿态数据发送给所述控制模块；

所述控制模块用于根据所述控制信号及所述实际姿态数据计算出控制量，并据此控制所述电控变距螺旋桨中主轴的转速及励磁线圈的电流强度。

优选地，所述控制模块包括主控制器、电机驱动器、功率驱动器。

优选地，所述姿态测量模块包括加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器。

本发明还提供一种多轴飞行器的控制方法，所述多轴飞行器包括至少两个上述的电控变距螺旋桨，包括步骤：

接收控制信号并据此计算目标姿态数据；

获取实际姿态数据，并结合所述目标姿态数据计算出控制量；

根据所述控制量控制所述电控变距螺旋桨中主轴的转速及励磁线圈的电流强度。

优选地，所述根据所述控制量控制所述电控变距螺旋桨中主轴的转速及励磁线圈的电流强度之后，进一步包括：

获取所述电控变距螺旋桨中变距桨叶的姿态信息并据此调整所述励磁线圈的电流强度。

本发明在不采用舵机和拉杆等一系列的机械传动结构的情形下，通过制动模组的制动齿轮与变距桨叶的变距锥齿轮相啮合实现变距控制，进而满足姿态控制的需要。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例的电控变距螺旋桨的结构示意图。

图2为本发明实施例的主轴的结构示意图。

图3为本发明实施例的图1中A处的局部放大图。

图4为本发明实施例的多轴飞行器的结构示意图。

图5为本发明实施例的多轴飞行器的控制方法的流程示意图。

附图标号：

10、主轴；11、立杆；12、横杆；20、变距桨叶；21、变距锥齿轮；22、桨叶配重部；23、桨叶；30、制动模组；31、励磁线圈；32、制动涡流盘；33、制动齿轮；40、姿态测量模块；41、加速度传感器；42、陀螺仪；43、地磁传感器；50、无线通讯模块；60、控制模块；61、电机驱动器；62、功率驱动器；63、主控制器。

具体实施方式

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶部”、“底部”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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明提供一种电控变距螺旋桨，包括主轴10、变距桨叶20、制动模组30。

主轴10由立杆11以及安装在立杆11顶部上的横杆12组成，且立杆11与横杆12相互垂直。横杆12用于与变距桨叶20相连。

变距桨叶20由桨叶23、变距锥齿轮21组成。其中，变距锥齿轮21一个端面通过轴套或轴承安装在横杆12上，桨叶23通过螺栓固定在变距锥齿轮21的另一个端面上。变距锥齿轮21由锥齿轮以及与锥齿轮相连的桨叶配重部22组成，桨叶配重部22的中心线与锥齿轮的中心线相垂直，且桨叶配重部22的中心线与立杆平行。桨叶配重部22的重量是根据所述变距桨叶所需的偏转力矩和工作转速来确定的。在本发明的一个实施例中，桨叶配重部22与锥齿轮一体成型，如要更换桨叶配重部22的重量，就需要将整个变距锥齿轮21进行更换。

当主轴10以一定速度旋转时，桨叶配重部22由于向心力与结构拉力线的不重合，会给桨叶23一个偏转力矩。可见，偏转力距的大小跟转速相关，当转速一定时，偏转力距为定值，从而使桨叶23往螺距增大的方向旋转。

本实施例中，变距桨叶20为2个，对称安装在主轴10上。当然变距桨叶还可以是3叶或4叶，根据飞行器的设计来选用。

制动模组30由励磁线圈31、制动涡流盘32以及制动齿轮33组成。制动涡流盘32与制动齿轮33刚性连联在一起，制动涡流盘32与制动齿轮33同轴通过轴承安装在立杆11上。本发明采用的是电涡流电磁制动，主轴10是旋转的，励磁线圈31是装在飞行器本体上。

当给励磁线圈31通电时，在线圈上产生的磁场与制动齿轮33发生相对运行，产生涡流，这个涡流又产生一外阻止制动齿轮33旋转的制动力矩。这个制动力距使桨叶向螺距减小方向旋转。最终决定桨叶运动方向的是配重块产生的偏转力矩和涡流制动盘33产生力矩的差值。桨叶配重部是根据桨叶所需的偏转力矩和工作转速来确定的。当配重块一致时，改变励磁电流强度，就能改变涡流制动盘33的制动力矩，达到控桨叶运动的目的。

在本发明的另一实施例中，为了更方便地更换配重块的重量，桨叶配重部22由配重安装架及安装在配重安装架上的配重块组成。此时，配重安装架的一端与锥齿轮固定连接，另一端则设有配重安装孔。配重块可以根据所述变距桨叶所需的偏转力矩和工作转速来确定。配重块包括通过螺纹或卡扣连接的第一配重、第二配重，且第一配重和/或第二配重上设有用于穿过配重安装孔的安装柱，上述螺纹或卡扣可以设置在该安装柱上。

如图4所示，本发明提供多轴飞行器,包括主体及至少两个本发明任一实施例提供的电控变距螺旋桨；例如是3个、4个、6个或8个。一般地，主体上可以安装4个电控变距螺旋桨，形成4轴飞行器，或者主体上可以安装8个电控变距螺旋桨，形成8轴飞行器，本发明对此不做限制。

主体上设有控制模块60、无线通讯模块50及姿态测量模块40，且电控变距螺旋桨与控制模块60相连；更具体地，控制模块60包括多个电机、主控制器63以及与主控器器63相连的电机驱动器61、功率驱动器62，电机驱动器61与该多个电机相连，用于控制电机的转速，每个电机均与一个电控变距螺旋桨的主轴相连。功率驱动器62与励磁线圈电联，用于控制励磁线圈的电流强度。此外，还包括电源模块(图中未显示)，电源模块用于为控制模块60、无线通讯模块50及姿态测量模块40等提供电源。

多轴飞行器飞行器在某个时刻的状态由6个物理量来描述，包括在三维坐标中的3个位置最和沿3个轴的姿态量(即称为六自由度)。传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。因此姿态测量模块40是为多轴飞行器的飞行控制提供各种飞行参数的装置，包括测量机身三轴角速率的测量机身三轴线加速度的加速度传感器41、陀螺仪42、测量机身航向及姿态信息的地磁传感器43等。在测量过程中由于陀螺仪42存在温漂和地磁传感器43受周围磁场的影响，导致测得的姿态信息并不准确，因此将加速度传感器41、陀螺仪42和地磁传感器43结合起来获取准确的偏航角、滚转角、俯仰角信息。

其中，加速度传感器41用于测量机身相对于水平面的倾斜角度，利用了地球万有引力，把重力加速度投影到X，Y，Z轴上，测量出物体的姿势。陀螺仪42利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。地磁传感器43是用来确定方向的，它利用地磁场来定北极。三维地磁传感器通过给出在X轴，Y轴和Z轴上的地磁力投影，可以提供活动物体的航向角、俯仰角和横滚角，从而可以确定物体的姿态，实际上就是确定了物体坐标系与地理坐标系之间的方位关系。

无线通讯模块50接受遥控器传来的控制信号，然后将控制信号传送给控制模块60。姿态测量模块40采用三轴加速度传感器41、陀螺仪42、地磁传感器43实时监测飞行器飞行的实际姿态以产生实际姿态数据，并将飞行器的实际姿态数据传送给控制模块60。控制模块60中的主控制器63接收到姿态测量模块40和无线通讯模块50传来的目标姿态数据和实际姿态数据后，完成一系列复杂的算法，该算法可以为卡尔曼滤波算法，飞行控制PID算法，捷联惯导算法等，本发明对此不作限制。主控制器63根据得到飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，控制量包括转速控制量及变距控制量，电机驱动器61将转速控制量转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动多个电机工作，控制所述电控变距螺旋桨中主轴的转速；功率驱动器62将该变距控制量转化为相应的PWM信号经驱动电路后控制励磁线圈的电流强度，从而保持多轴飞行器稳定飞行。其中，PWM脉冲控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

在具体实施时，电机驱动器61根据主控制器63的指令驱动各个电机到达指定转速，并将电机的速度通过测速反馈装置反馈给主控制器63，主控制器63据此调整转速控制量，利用闭环控制来控制电机的转速为预期值，从而实现多轴飞行器不同的飞行状态。

在本发明的一个实施例中，姿态测量模块进一步包括桨距编码器，桨距编码器能实时传输桨叶的角度位置，主控制器63根据桨叶的角度位置调整变距控制量，并将变距控制量传送给功率驱动器62，功率驱动器62根据调整的变距控制量调整励磁线圈的电流强度，利用闭环控制来控制桨叶的角度位置为预期值。

如图5所示，本发明还提供一种多轴飞行器的控制方法，该多轴飞行器为上述任一实施例的多轴飞行器，本发明提供的多轴飞行器的控制方法应用对像为定转速多轴飞行器。为了描述方便只对其中一轴的变距控制过程进行描述。该控制方法包括步骤：

100、接收控制信号并据此计算目标姿态数据；

101、获取实际姿态数据，并结合目标姿态数据计算出控制量；

在具体实施时，可以采用三轴加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器43实时监测飞行器飞行的实际姿态，获取实际姿态数据。在结合目标姿态数据计算出控制量时，可以采用卡尔曼滤波算法，飞行控制PID算法，捷联惯导算法等，本发明对此不作限制。

102、根据控制量控制所述电控变距螺旋桨中主轴的转速及励磁线圈的电流强度。

本发明中，控制量包括转速控制量及变距控制量，将转速控制量转化为相应的PWM信号经驱动电路后可以驱动多个电机工作，控制电控变距螺旋桨中主轴的转速；将该变距控制量转化为相应的PWM信号经驱动电路后可以控制励磁线圈的电流强度，从而保持多轴飞行器稳定飞行。

优选地，在步骤102之后，进一步包括：

获取电控变距螺旋桨中变距桨叶的姿态信息并据此调整励磁线圈的电流强度。

在具体实施时，可以采用桨距编码器实时传输桨叶的角度位置，根据桨叶的角度位置调整变距控制量，根据调整的变距控制量调整励磁线圈的电流强度，从而利用闭环控制来控制桨叶的角度位置为预期值。

本发明提供的电控变距螺旋桨、多轴飞行器及其控制方法，通过制动模组的制动齿轮与变距桨叶的变距锥齿轮相啮合实现变距控制，进而满足姿态控制的需要，且防护性好，可以做到免维护。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种电控变距螺旋桨，其特征在于，包括主轴、变距桨叶及制动模组，其中：

所述主轴包括垂直设置的立杆与横杆；

所述制动模组包括同轴设置的励磁线圈、制动涡流盘和制动齿轮，且所述制动涡流盘和制动齿轮安装在所述立杆上；

所述变距桨叶包括变距锥齿轮及与所述变距锥齿轮相连的桨叶，所述变距锥齿轮与所述横杆相连且与所述制动齿轮相啮合。

2.根据权利要求1所述的电控变距螺旋桨，其特征在于，所述变距锥齿轮包括锥齿轮以及与所述锥齿轮相连的桨叶配重部。

3.根据权利要求2所述的电控变距螺旋桨，其特征在于，所述桨叶配重部的中心线与所述锥齿轮的中心线相垂直。

4.根据权利要求2或3所述的电控变距螺旋桨，其特征在于，所述桨叶配重部包括配重安装架及安装在所述配重安装架上的配重块。

5.根据权利要求4所述的电控变距螺旋桨，其特征在于，所述配重安装架上设有配重安装孔。

6.根据权利要求4所述的电控变距螺旋桨，其特征在于，所述配重块根据所述变距桨叶所需的偏转力矩和工作转速来确定。

7.一种多轴飞行器,其特征在于，包括主体及至少两个如权利要求1至6任一所述的电控变距螺旋桨；所述主体上设有控制模块、无线通讯模块及姿态测量模块，且所述电控变距螺旋桨与所述控制模块相连；其中：

所述无线通讯模块用于接收控制信号，并将所述控制信号发送给所述控制模块；

所述姿态测量模块用于实时监测飞行器飞行的实际姿态以产生实际姿态数据，并将所述实际姿态数据发送给所述控制模块；

所述控制模块用于根据所述控制信号及所述实际姿态数据计算出控制量，并据此控制所述电控变距螺旋桨中主轴的转速及励磁线圈的电流强度。

8.根据权利要求7所述的多轴飞行器，其特征在于，所述控制模块包括主控制器、电机驱动器、功率驱动器。

9.一种多轴飞行器的控制方法，所述多轴飞行器包括至少两个如权利要求1至6任一所述的电控变距螺旋桨，其特征在于，包括步骤：

接收控制信号并据此计算目标姿态数据；

获取实际姿态数据，并结合所述目标姿态数据计算出控制量；

根据所述控制量控制所述电控变距螺旋桨中主轴的转速及励磁线圈的电流强度。

10.根据权利要求9所述的多轴飞行器的控制方法，其特征在于，所述根据所述控制量控制所述电控变距螺旋桨中主轴的转速及励磁线圈的电流强度之后，进一步包括：

获取所述电控变距螺旋桨中变距桨叶的姿态信息并据此调整所述励磁线圈的电流强度。

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