CN115367145A - 一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，涉及火星飞行器研发技术领域，包括总体框架模块，所述总体框架模块上下方向依次设有上旋翼模块和下旋翼模块，上旋翼模块和下旋翼模块的主轴采用同轴布置的形式，上旋翼模块包括上桨叶，下旋翼模块包括下桨叶，下桨叶与上桨叶旋转方向相反，使上下桨叶旋转时气动产生的反扭距方向相反，保证飞行器航向可控。
Description
技术领域
本发明涉及火星飞行器研发技术领域，具体的是一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器。
背景技术
火星受到紫外线与放射线侵袭，生物难以在其表面生存，但火星地表存在的垂直孔洞受宇宙射线、温度、尘土等外界影响较小，因此存在液态水与微生物的可能性较高。通过观察垂直孔洞的地层，可以帮助我们了解火星火山活动的历史与内部地质变化，探索行星地质结构，了解人类起源。目前火星探测主要依赖于漫游车，而火星表面的复杂地貌约束了漫游车的探测范围，同时卫星影像的大范围导航与漫游车较为局限的视野，无法实现特殊危险地形的勘测与避障，火星南半球比北半球海拔更高，地形更加崎岖，为了实现对火星的全面探索，亟需开展其他深空探测方案与技术研究。火星表面存在的稀薄大气为飞行器探测任务的实现提供了可能性，而共轴旋翼式飞行器的气动效率高，可以实现垂直起降与定点悬停等功能，能够完成多工况下的飞行探测任务，同时火星大气密度仅为地球的1/100，极大程度上降低了旋翼的升力，因此简化飞行器的姿态操纵方案以提高其可靠性并降低质量载荷对推动火星飞行器的发展意义重大。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，解决了现有火星漫游车无法探测洞穴、崖壁等复杂地形的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种共轴式飞行器，包括总体框架模块，所述总体框架模块上下方向依次设有上旋翼模块和下旋翼模块，上旋翼模块和下旋翼模块的主轴采用同轴布置的形式。
进一步地，所述上旋翼模块包括上桨叶，下旋翼模块包括下桨叶，下桨叶与上桨叶旋转方向相反。
进一步地，所述飞行器通过储能电池作为能量源。
进一步地，所述飞行器上设有给电池充电的太阳能板。
进一步地，所述太阳能板插装在总体框架模块上。
进一步地，所述总体框架模块包括多个着陆腿。
进一步地，旋翼模块包括桨叶、桨夹、深沟球轴承、桨毂、轴套、销轴、磁钢、桨毂两侧分别嵌入深沟球轴承，销轴嵌入桨夹上的轴孔与深沟球轴承内圈，桨夹内壁上加工有凸台，与深沟球轴承内环配合，联合轴套实现轴承预紧，桨叶通过螺栓固定安装在桨夹上，销轴的轴线与桨叶的变距轴线重合，桨毂底部固定安装在动力模块的顶端上。
进一步地，所述桨叶为一体式桨叶，中间加工凹槽嵌套在桨夹上。
进一步地，所述桨毂底部螺纹孔旋向与桨叶旋向相反。
进一步地，所述上旋翼模块和下旋翼模块的桨叶通过电机驱动，所述飞行器姿态操纵具体步骤如下：
步骤一：通过控制板调节驱动电压进行调整，并通过电机的三相霍尔信号进行转速采集；
步骤二：上绕组、下绕组通过控制板输入驱动信号，通过对电机的三相霍尔信号进行六倍频处理，对桨叶的方位角进行插值估计，确定关于方位角变化的绕组交变驱动信号；
步骤三：通过使桨叶绕主轴转动的同时绕其变距轴线周期转动，模拟自动倾斜盘机构的周期变距运动，实现飞行器姿态操纵。
本发明的有益效果：
1、本发明通过将共轴式火星飞行器设置为高度对称，重心位于主轴轴线上，简化了飞行器姿态控制算法，保证飞行器沿各方向自由飞行的稳定性；
2、本发明的飞行器电磁驱动调姿方案既可以应用于火星探测任务，也可应用于地球，适于普遍推广应用。
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，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是本发明整体结构示意图；
图2是本发明内部结构示意图；
图3是本发明总体框架模块的剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：结合图1–图3说明本实施方式，本实施方式所述是一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，它包括上旋翼模块1、动力模块2、总体框架模块3和下旋翼模块4，上旋翼模块、动力模块、下旋翼模块由上至下依次安装在总体框架模块上，上旋翼模块与下旋翼模块的主轴采用同轴布置的形式。
具体实施方式二：结合图1–图3说明本实施方式，本实施方式所述是一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，上旋翼模块1包括上桨叶11、上桨夹12、第一深沟球轴承13、上桨毂14、上轴套15、上销轴16、上磁钢17、第二深沟球轴承18、上防松垫圈19，上桨毂14两侧分别嵌入深沟球轴承13与18，将上销轴16嵌入桨夹12上的轴孔与深沟球轴承内圈，上桨夹12内壁上加工有凸台，与深沟球轴承内环配合，联合上轴套15实现轴承预紧，上桨叶11通过螺栓固定安装在上桨夹12上，上销轴16的轴线与上桨叶11的变距轴线重合，上桨毂14底部加工有螺纹孔并在底部布置上防松垫圈19，从而固定安装在动力模块2的顶端上。
本实施方式中上桨叶11为一体式桨叶，中间加工凹槽嵌套在上桨夹12上。
本实施方式中上桨毂14底部螺纹孔旋向与桨叶旋向相反，保证桨叶旋转时气动产生的反扭距使桨毂旋紧。
本实施方式中上桨叶11沿变距轴线的转动稳定性通过上桨夹12、上销轴16与第一深沟球轴承13、第二深沟球轴承18配合实现，利用上桨叶11内壁约束上销轴16，防止产生轴向窜动。
具体实施方式三：结合图1–图3说明本实施方式，本实施方式所述是一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，动力模块2包括上绕组21、上绕组安装座22、上电机23、上绕组支撑24、上电机安装座25、电池26、电池安装座27、太阳能板28、控制板29、下电机安装座210、下电机211、下绕组支撑212、下绕组安装座213、下绕组214、六角铜柱215，上绕组21缠绕在绕组安装座22上，并通过螺栓固定安装在周向布置的四个上绕组支撑24上，绕组支撑24与上电机23均通过螺栓与上电机安装座25固定，电池安装座27装夹电池26并与电机安装座25锁紧，下电机安装座210、下电机211、下绕组支撑212、下绕组安装座213、下绕组214的连接方式与上部相同，上电机安装座25与下电机安装座25镶嵌并与总体框架模块3固连，太阳能板28插装在总体框架模块3上，为电池26充电，控制板29通过六角铜柱215固定安装在总体框架模块3上。
本实施方式中上电机23、下电机211的生产厂家为瑞士maxonmotor集团公司，生产型号为EC90。
本实施方式中电池26的生产厂家为日本SONY集团公司，生产型号为18650VTC6。
本实施方式中太阳能板28采集太阳能为电池26充电，进而为控制板29、上电机23、下电机211等提供动力。
具体实施方式四：结合图1–图3说明本实施方式，本实施方式所述是一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，总体框架模块3包括上旋翼框架31、太阳能板支撑32、下旋翼框架33、连接杆套34、着陆腿连接杆35、着陆腿36、着陆腿垫37，上旋翼框架31、太阳能板支撑32、下旋翼框架33从上至下固定安装，连接杆套34与太阳能板支撑32转动副连接，可绕旋翼主轴方向旋转，着陆腿连接杆35插装在连接杆套34上，着陆腿36与着陆腿连接杆35转动副连接，着陆腿垫37安装在着陆腿36底部。
本实施方式中总体框架模块共包含四条着陆腿，周向布置于太阳能板支撑32四方。
具体实施方式五：结合图1–图3说明本实施方式，本实施方式所述是一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，下旋翼模块4包括下桨叶41、下桨夹42、第一深沟球轴承43、下桨毂44、下轴套45、下销轴46、下磁钢47、第二深沟球轴承48、下防松垫圈49，与具体实施方式二相同。
本实施方式中下桨叶41与上桨叶11旋转方向相反，使上下桨叶旋转时气动产生的反扭距方向相反，保证飞行器航向可控。
在一些公开在，所述一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，桨叶直径为0.5m，旋翼间距为0.1m，桨叶转速为0～2000r/min。
在一些公开在，所述一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，桨叶直径为1m，旋翼间距为0.2m，桨叶转速为0～3000r/min；通过如此设计，桨叶直径为1m，旋翼间距为0.2m，能够有效削弱入流损耗导致的升力降低；桨叶转速为0～3000r/min，火星大气环境下，旋翼的桨尖马赫数最大为0.65，降低了桨尖激波阻力，保证桨叶的气动效率。
在一些公开在，所述一种电磁驱动调姿共轴式火星飞行器，桨叶直径为1.5m，旋翼间距为0.3m，桨叶转速为0～4000r/min。
工作原理：上电机23、下电机211的转速通过控制板29调节驱动电压进行调整，并通过电机的三相霍尔信号进行转速采集。上绕组21、下绕组214通过控制板29输入驱动信号，通过对电机的三相霍尔信号进行六倍频处理，对桨叶的方位角进行插值估计，进而确定关于方位角变化的绕组交变驱动信号，使桨叶绕主轴转动的同时绕其变距轴线周期转动，模拟自动倾斜盘机构的周期变距运动，实现飞行器姿态操纵。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种共轴式飞行器，包括总体框架模块(3)，其特征在于，所述总体框架模块(3)上下方向依次设有上旋翼模块(1)和下旋翼模块(4)，上旋翼模块(1)和下旋翼模块(4)的主轴采用同轴布置的形式。
2.根据权利要求1所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，所述上旋翼模块(1)包括上桨叶(11)，下旋翼模块(4)包括下桨叶(41)，下桨叶(41)与上桨叶(11)旋转方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，所述飞行器通过储能电池作为能量源。
4.根据权利要求3所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，所述飞行器上设有给电池(26)充电的太阳能板(28)。
5.根据权利要求1所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，桨叶直径为0.5-1.5m，旋翼间距为0.1-0.3m。
6.根据权利要求1所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，桨叶转速为0～3000r/min。
7.根据权利要求1所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，所述总体框架模块(3)包括多个着陆腿(36)。
8.根据权利要求1所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，旋翼模块包括桨叶、桨夹、深沟球轴承、桨毂、轴套、销轴、磁钢、桨毂两侧分别嵌入深沟球轴承，销轴嵌入桨夹上的轴孔与深沟球轴承内圈，桨夹内壁上加工有凸台，与深沟球轴承内环配合，联合轴套实现轴承预紧，桨叶通过螺栓固定安装在桨夹上，销轴的轴线与桨叶的变距轴线重合，桨毂底部固定安装在动力模块的顶端上。
9.根据权利要求8所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，所述桨毂底部螺纹孔旋向与桨叶旋向相反。
10.根据权利要求1所述的一种共轴式飞行器，其特征在于，所述上旋翼模块(1)和下旋翼模块(4)的桨叶通过电机驱动，所述飞行器姿态操纵具体步骤如下：
步骤一：通过控制板(29)调节驱动电压进行调整，并通过电机的三相霍尔信号进行转速采集；
步骤二：上绕组(21)、下绕组(214)通过控制板(29)输入驱动信号，通过对电机的三相霍尔信号进行六倍频处理，对桨叶的方位角进行插值估计，确定关于方位角变化的绕组交变驱动信号；
步骤三：通过使桨叶绕主轴转动的同时绕其变距轴线周期转动，模拟自动倾斜盘机构的周期变距运动，实现飞行器姿态操纵。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |