CN115180139A - 一种旋翼安装总成、多旋翼飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋翼安装总成，包括旋转轴、变距控制模组以及对称安装旋转轴上的两个桨叶安装基座，其中：所述变距控制模块包括同轴安装在所述旋转轴上电磁涡流制动器及第一齿轮；所述桨叶安装基座包括桨叶安装夹、与所述旋转轴垂直的安装套以及设置在所述安装套外周壁上的第二齿轮；所述第二齿轮的旋转轴心线与所述第一齿轮的旋转轴心线互相垂直。本发明还提供一种多旋翼飞行器,包括主体及至少两个上述的旋翼安装总成及安装在所述旋翼安装总成上的桨叶。本发明还提供一种多旋翼飞行器的控制方法。本发明通过电磁涡流制动器、第一齿轮及与所述第一齿轮的旋转轴心线互相垂直合的第二齿轮实现变距控制。

Description

一种旋翼安装总成、多旋翼飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器，尤其涉及一种旋翼安装总成、多旋翼飞行器及其控制方法。

背景技术

多旋翼飞行器是指拥有三个或者更多旋翼的直升机类飞行器，能够垂直起降，属于直升机飞行器的一种，一般称之为多旋翼飞行器，多旋翼飞行器属于不稳定系统，其在飞行及悬停过程中无法实现自稳定。

多旋翼飞行器可分为定桨距飞行器和变桨距飞行器；所谓变桨距是指通过调节桨叶的角度来调整飞行器的飞行姿态，由于其能够更稳定地控制飞行器的飞行姿态，因而逐步成为研究的热点。

现有的变桨距飞行器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，本发明提供一种旋翼安装总成，包括旋转轴、变距控制模组以及对称安装旋转轴上的两个桨叶安装基座，其中：

所述变距控制模块包括同轴安装在所述旋转轴上电磁涡流制动器及第一齿轮；

所述桨叶安装基座包括桨叶安装夹、与所述旋转轴垂直的安装套、设置在所述安装套外周壁上的第二齿轮；所述第二齿轮的旋转轴心线与所述第一齿轮的旋转轴心线互相垂直。

优选地，所述第一齿轮和第二齿轮为伞齿轮。

优选地，所述第一齿轮为环形齿轮轨道。

优选地，所述电磁涡流制动器包括涡流制动盘及励磁线圈，所述第一齿轮与所述涡流制动盘固定连接。

优选地，所述桨叶安装基座还包括偏转件，所述偏转件固定在所述安装套上。

优选地，所述偏转件设置在所述第二齿轮与所述桨叶安装夹之间。

优选地，所述偏转件的中心线与所述安装套的中心线垂直。

本发明还提供一种多旋翼飞行器,包括主体、安装所述本体上至少两个上述的旋翼安装总成及安装在所述旋翼安装总成上的桨叶。

本发明还提供一种多旋翼飞行器的控制方法，所述多旋翼飞行器包括至少两个上述的旋翼安装总成及安装在所述旋翼安装总成上的桨叶，包括步骤：

根据飞行器飞行的目标姿态和实际姿态输出各个轴对应的推力；

根据所述推力获取推力变化量；

根据所述推力变化量改变所述电磁涡流制动器的励磁强度。

优选地，所述根据所述推力变化量改变所述电磁涡流制动器的励磁强度之后，进一步包括：

获取所述桨叶的姿态信息并据此调整所述电磁涡流制动器的励磁强度。

本发明通过垂直啮合传动的第一齿轮和第二齿轮实现变距控制，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为本发明实施例的旋翼安装总成的结构示意图。

图2为本发明实施例的桨叶示意图。

图3为本发明实施例的多旋翼飞行器的结构示意图。

图4为本发明实施例的多旋翼飞行器的控制方法的流程示意图。

附图标号：

11、旋转轴；12、横杆；20、桨叶安装基座；21、安装套；22、第二齿轮；23、桨叶安装夹；24、偏转件；25、桨叶；30、变距控制模组；31、励磁线圈；32、电磁涡流制动器；33、涡流制动盘；34、第一齿轮；41、姿态检测模块；42、无线通讯模块；43、飞行控制器；44、变距控制器。

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、图2所示，本发明提供一种旋翼安装总成，包括旋转轴11、变距控制模组30以及对称安装在旋转轴11上的两个桨叶安装基座20。

旋转轴11与电机(图中未显示)相连，旋转轴11可以在电机的驱动下以预设转速旋转。

桨叶安装基座20安装在旋转轴11上。更具体地，桨叶安装基座20通过横杆12安装在旋转轴11上，横杆12与旋转轴11垂直，且固定安装在旋转轴11上。

变距控制模块30包括同轴安装在旋转轴11上电磁涡流制动器32及第一齿轮34。电磁涡流制动器32包括励磁线圈31、涡流制动盘33。涡流制动盘33与第一齿轮34刚性连联在一起。本发明采用的是电涡流电磁制动，旋转轴11是旋转的，励磁线圈31可以装在飞行器本体上。

本实施例中，桨叶安装基座20包括安装套21、第二齿轮22、桨叶安装夹23。安装套21与旋转轴11垂直，在具体实施时，安装套21的一个端面固定安装在横杆12上，另一个端面与桨叶安装夹23固定连接在一起。第二齿轮22设置在安装套21外周壁上，且第二齿轮22的旋转轴心线与第一齿轮34的旋转轴心线互相垂直，也就是说，第一齿轮34与第二齿轮22 是垂直啮合的。本实施例中，第一齿轮34、第二齿轮22为相互啮合的伞齿轮。在本发明的另一实施例中，第一齿轮34为环形齿轮轨道，第二齿轮22 为与该环形齿轮轨道相啮合的齿轮。

桨叶安装夹23用于安装桨叶25，桨叶25可以通过螺栓安装在桨叶安装夹23上。

当给励磁线圈31通电时，在励磁线圈31上产生的磁场与第一齿轮34 发生相对运行，产生涡流，这个涡流又产生一外阻止第一齿轮34旋转的制动力矩。这个制动力矩使桨叶25向螺距减小方向旋转。

本实施例中，桨叶安装基座20还包括偏转件24，固定在安装套21上，偏转件24用于给桨叶25一个偏转力矩。优选地，偏转件24的中心线与所述安装套的中心线垂直。本实施例中，偏转件24设置在第二齿轮22与桨叶安装夹23之间。当旋转轴11以一定速度旋转时，偏转件24由于向心力与结构拉力线的不重合，会给桨叶25一个偏转力矩。可见，偏转力矩的大小跟转速相关，当转速一定时，偏转力矩为定值，从而使桨叶25往螺距增大的方向旋转。偏转件24的重量是根据桨叶25所需的偏转力矩和工作转速来确定的。

可见，最终决定桨叶25运动方向的是偏转件24产生的偏转力矩和涡流制动盘33产生力矩的差值。当偏转件24的重量一致时，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25运动的目的。

如图3所示，本发明提供多旋翼飞行器,包括主体及至少两个本发明任一实施例提供的旋翼安装总成及安装在旋翼安装总成上的桨叶25；例如是 3个、4个、6个或8个。一般地，主体上可以安装4个旋翼安装总成，形成四旋翼飞行器，或者主体上可以安装8个旋翼安装总成，形成八旋翼飞行器，本发明对此不做限制。

主体上设有姿态检测模块41、无线通讯模块42、飞行控制器43、变距控制器44，其中变距控制器44用于控制励磁线圈31的电流强度。虽然图中未显示，飞行控制器43还与多个电机相连，电机与旋转轴11相连，通过飞行控制器可以控制旋转轴11的转速。

所谓姿态，是用来描述一个刚体的自身刚体坐标系和参考坐标系之间的角度、位置关系，常见的描述方式有欧拉角，也就是Pitch，roll，yaw 三个转角，另外还有四元数、方向余弦矩阵等描述方式。

常见的姿态测量器件有陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计、超声波传感器、GPS、摄像头、红外传感器、光流传感器等等。本实施例中，姿态检测模块41由陀螺仪、加速度计、气压计和GPS组成。

陀螺仪是一个间接的测量角度的仪器，输出的是载体运动的角速度，需要对角速度在时间域进行积分才能得到角度。加速度传感器是测量运载体线加速度的器件，通过测量重力引起的加速度，可以计算出载体相对于水平面的倾斜角度。用加速度计对陀螺仪进行不断的校正，融合两者的姿态数据可以更准确地解算出当前飞行器的姿态。

在具体实施时，可以将陀螺仪和加速度计测量的数据作为输入；输出的是相对于地球坐标系的倾角和角速度，算法具体介绍如下:

Low-Pass Fllter:加速度计的原始角速度数据经过低通滤波，目的是过滤短期内加速度数据的波动，滤除毛刺，平滑数据，实现中可以将新的测量位与之前的计算值进行加权，比如：

angle＝(0.98)*angle+(0.02)*x-acc，

其中，x-acc为当前测出的角度，而angle为每次计算的角度值。

Numeric Integration:陀螺仪的输出为物体旋转的角速度，通过积分，可以得到平滑的角度。

High-PassFilter:由于陀螺仪测量的是瞬时值，对于积分得到的角度变化量，需要过滤掉高频分量。

最后，将陀螺仪和加速度计的数据处理后得到的角度数据，通过一定比例的求和运算，最终得到期望的姿态角度。

在本发明的一个实施例中，姿态监测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，飞行控制器根据桨叶的角度位置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。

无线通讯模块42用于接收遥控器发出的控制指令，进而获取目标姿态。飞行控制器43接收到姿态监测模块41和无线通讯模块42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，并最终输出各个轴对应的推力。变距控制器44用于根据所述推力获取推力变化量并据此改变电磁涡流制动器的励磁强度，即励磁线圈31的电流强度。推力变化量是指相较于现有的推力，目标姿态对应的推力是需要增加、需要减少，还是需要保持。

如图4所示，本发明还提供一种多旋翼飞行器的控制方法，该多旋翼飞行器包括上述任一所述的旋翼安装总成及安装在旋翼安装总成上的桨叶 25，该控制方法包括步骤：

110、根据飞行器飞行的目标姿态和实际姿态输出各个轴对应的推力；

在具体实施时，可以采用陀螺仪、加速度计和GPS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，捷联惯导算法等输出各个轴对应的推力，本发明对此不作限制。

111、根据所述推力获取推力变化量；

推力变化量是指相较于现有的推力，目标姿态对应的推力是需要增加、需要减少，还是需要保持。

112、根据所述推力变化量改变所述电磁涡流制动器的励磁强度。

将该推力变化量转化为相应的PWM信号经驱动电路后可以控制励磁线圈的电流强度，从而保持多旋翼飞行器稳定飞行。

本实施例中并不需要制动实际桨矩是多少，而是根据飞行控制器输出的推力需要增加和减少，和推力保持来控制励磁线圈的PWM脉冲的宽度，进而来改变劢磁强度，改变制动力矩，达到改变桨推力的目的。

优选地，在步骤112之后，进一步包括：

获取桨叶的姿态信息并据此调整所述电磁涡流制动器的励磁强度。

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推力变化量，根据调整的推力变化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。

本发明提供的旋翼安装总成、多旋翼飞行器及其控制方法，通过电磁涡流制动器、第一齿轮及与所述第一齿轮的旋转轴心线互相垂直合的第二齿轮实现变距控制，可靠性，维护简单。

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)

1.一种旋翼安装总成，其特征在于，包括旋转轴、变距控制模组以及对称安装旋转轴上的两个桨叶安装基座，其中：

所述变距控制模块包括同轴安装在所述旋转轴上电磁涡流制动器及第一齿轮；

所述桨叶安装基座包括桨叶安装夹、与所述旋转轴垂直的安装套以及设置在所述安装套外周壁上的第二齿轮；所述第二齿轮的旋转轴心线与所述第一齿轮的旋转轴心线互相垂直。

2.根据权利要求1所述的旋翼安装总成，其特征在于，所述第一齿轮和第二齿轮为伞齿轮。

3.根据权利要求1所述的旋翼安装总成，其特征在于，所述第一齿轮为环形齿轮轨道。

4.根据权利要求1所述的旋翼安装总成，其特征在于，所述电磁涡流制动器包括涡流制动盘及励磁线圈，所述第一齿轮与所述涡流制动盘固定连接。

5.根据权利要求1所述的旋翼安装总成，其特征在于，所述桨叶安装基座还包括偏转件，所述偏转件固定在所述安装套上。

6.根据权利要求5所述的旋翼安装总成，其特征在于，所述偏转件设置在所述第二齿轮与所述桨叶安装夹之间。

7.根据权利要求5所述的旋翼安装总成，其特征在于，所述偏转件的中心线与所述安装套的中心线垂直。

8.一种多旋翼飞行器，其特征在于，包括本体、安装所述本体上至少两个如权利要求1至7任一所述的旋翼安装总成及安装在所述旋翼安装总成上的桨叶。

9.一种多旋翼飞行器的控制方法，所述多旋翼飞行器包括至少两个如权利要求1至7任一所述的旋翼安装总成及安装在所述旋翼安装总成上的桨叶，其特征在于，包括步骤：

根据飞行器飞行的目标姿态和实际姿态输出各个轴对应的推力；

根据所述推力获取推力变化量；

根据所述推力变化量改变所述电磁涡流制动器的励磁强度。

10.根据权利要求9所述的多旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，所述根据所述推力变化量改变所述电磁涡流制动器的励磁强度之后，进一步包括：

获取所述桨叶的姿态信息并据此调整所述电磁涡流制动器的励磁强度。

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