CN116424589A - 一种空间正交矢量式双轴飞行器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，包括飞行器结构本体，飞行器结构本体包括动力组件、俯仰组件、横滚组件、控制器、电源和固定扣板，动力组件包括涵道齿轮，且俯仰组件包括俯仰齿轮和俯仰座。本发明的有益效果是：采用矢量转子结构，具有双轴倾斜能力，可以在空间中任意自由度进行飞行，有效地解决了共面旋翼飞行器存在的问题；由于转子轴具有额外的倾斜能力，这种类型的设计可以避免部分无效的力相抵消，减少无效的损耗，提高飞行速度与载荷。

Description

一种空间正交矢量式双轴飞行器结构

技术领域

本发明涉及双轴飞行器的技术领域，特别是一种空间正交矢量式双轴飞行器结构。

背景技术

飞行器是由人类制造、能飞离地面、在大气层内或大气层外空间飞行的机械飞行物，它既可以通过驾驶员进行远程实时控制，也可以给定既定程序自主飞行。飞行器从诞生至今将近百年，在材料、电池、飞控等诸多方面有了巨大的突破和革新，并逐渐在社会各领域发挥着越来越重要的作用。飞行器按用途可划分为民用飞行器和军用飞行器，民用飞行器按行业又可划分为消费级飞行器和工业级飞行器。消费级飞行器主要用于航拍、竞技娱乐等方面，工业级飞行器应用的领域较为广泛，主要涉及农林、电力、测绘、安防、物流等行业。在军用领域，飞行器主要用于执行军事侦察、通讯中断和目标打击等多种重要任务。

近年来，旋翼飞行器在各个领域得到了积极的应用。在各种类型的飞行器中，旋翼飞行器由于其高姿态能力而被用于自主航空摄影和地貌勘测等领域。整个旋翼飞行器是一个欠驱动系统，即其控制输入小于其运动自由度。对于普通旋翼飞行器来说，他们只有相对于空间坐标系的笛卡尔位置和偏航角可以独立控制（4DoF），而剩下的滚转角和俯仰角（2DoF）的行为完全由为前4 DoF选择的轨迹决定，需要通过倾斜整个机身来实现相应的运动，从而达到产生推进的水平分量的目的。如果旋翼飞行器能够独立飞行到任意位置和姿态，它们将以更高的性能实现上述任务。

综上所述，带有倾斜矢量螺旋桨的旋翼飞行器可以有效解决普通旋翼飞行器飞行姿态调整的问题。倾斜矢量飞行器采用倾斜转子结构，即为每个转子引入一个或两个额外的伺服电机，使其具有单/双轴倾斜能力。由于这类飞行器螺旋桨转子轴具有额外的倾斜能力，在机体进行滚转和俯仰运动时，只需要调节转子两端的舵机使其倾斜，不需要调节电机功率来使机体倾斜，这类设计可以部分避免或抵消无效的力，克服了现有旋翼飞行器前后飞行和左右飞行需要调整机体姿态的固有缺陷。由此本文在理论上述基础上提出一种新型空间正交矢量式双旋翼飞行器，且具有如下特点：

（1）飞行器由两个旋翼驱动，使其体积可以做得更小。

（2）不需要在螺旋桨上进行联轴器制动，机械结构简单，减少维护成本。

（3）每个转子都只有一个自由度，通过控制转子的转速和舵机的倾斜角度来实现各种运动控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供采用矢量转子结构，具有双轴倾斜能力，可以在空间中任意自由度进行飞行，有效地解决了共面旋翼飞行器存在的问题；由于转子轴具有额外的倾斜能力，这种类型的设计可以避免部分无效的力相抵消，减少无效的损耗，提高飞行速度与载荷的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，包括飞行器结构本体，所述飞行器结构本体包括动力组件、俯仰组件、横滚组件、控制器、电源和固定扣板，所述动力组件包括涵道齿轮，且俯仰组件包括俯仰齿轮和俯仰座；

所述涵道齿轮与俯仰齿轮之间为相互啮合，所述控制器固定在俯仰座的上方，所述横滚组件包括横滚底座，且横滚底座与固定扣板之间为固定连接，所述动力组件包括涵道单元甲、涵道单元乙、涵道齿轮、涵道转轴、涵道短臂甲、涵道短臂乙、电调甲和电调乙，所述俯仰组件包括俯仰齿轮、俯仰舵机、转动耳、传动耳和俯仰座，所述横滚组件包括横滚主轴、横滚舵机、横滚主齿轮、横滚副齿轮、横滚耳和横滚底座，所述动力组件、俯仰组件、横滚组件、控制器、电源和固定扣板之间为可拆卸连接。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述动力组件通过涵道单元甲和涵道单元乙提供可控的升力，所述俯仰组件的俯仰舵机转动驱动俯仰齿轮转动，俯仰齿轮带动涵道齿轮转动，涵道齿轮带动涵道转轴转动，使得俯仰组件驱动动力组件进行俯仰运动。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述俯仰组件的转动耳与横滚组件的横滚主轴通过键和套筒进行固定连接，所述横滚组件的横滚舵机转动驱动横滚主齿轮转动，横滚主齿轮带动横滚副齿轮转动，横滚副齿轮带动横滚主轴转动，横滚主轴通过转动耳带动俯仰组件进行相应转动，俯仰组件转动带动动力组件转动，使得俯仰组件转动的同时带动动力组件的转动，并且通过横滚组件驱动动力组件进行横滚运动。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述电调甲固定在横滚底座的上方，所述电调乙固定在俯仰座的上方，并通过控制器控制电调甲和电调乙的输出信号，实时控制涵道单元甲和涵道单元乙升力的大小，所述涵道单元甲通过螺栓与涵道短臂甲固定连接，涵道转轴一端通过涵道短臂甲与涵道单元甲固定连接，所述涵道单元乙通过螺栓与涵道短臂乙固定连接，且涵道转轴另一端通过涵道短臂乙与涵道单元乙固定连接。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述涵道齿轮与涵道转轴通过键实现周向固定，以传递转矩和防止涵道齿轮与涵道转轴产生相对转动，所述涵道齿轮与涵道转轴通过弹性挡圈实现轴向固定，以保证涵道齿轮在涵道转轴上有确定的轴向位置，防止涵道齿轮作轴向移动，且通过涵道齿轮的转动带动涵道转轴旋转，从而通过涵道短臂甲和涵道短臂乙分别带动涵道单元甲和涵道单元乙进行相应的转动。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述传动耳固定于俯仰座上方，所述涵道转轴通过轴承与传动耳进行连接，可相对于传动耳进行自由转动，所述俯仰舵机通过螺栓固定在传动耳侧面，且俯仰舵机的输出轴与俯仰齿轮固定连接，从而带动俯仰齿轮转动，所述转动耳固定于俯仰座下方；通过控制器控制俯仰舵机的信号，实时控制俯仰齿轮的转动角度和方向。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述横滚耳固定于横滚底座上方，所述横滚主轴通过轴承与横滚耳进行连接，可相对于横滚耳进行自由转动，所述横滚主轴与轴承通过弹性挡圈实现轴向固定，以防止轴承脱落。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述横滚舵机通过螺栓固定在横滚耳侧面，所述横滚舵机的输出轴与横滚主齿轮固定连接，从而带动横滚主齿轮转动，所述横滚副齿轮与横滚主齿轮啮合。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述横滚副齿轮与横滚主轴通过键实现周向固定，以传递转矩和防止横滚副齿轮与横滚主轴产生相对转动，所述横滚副齿轮与横滚主轴通过弹性挡圈实现轴向固定，以保证横滚副齿轮在横滚主轴上有确定的轴向位置，防止横滚副齿轮作轴向移动。

在本发明的空间正交矢量式双轴飞行器结构中，所述横滚舵机通过输出轴旋转带动横滚主齿轮转动，所述横滚主齿轮带动横滚副齿轮转动，从而带动横滚主轴进行相应转动，并通过控制器控制横滚舵机的信号，实时控制横滚主齿轮的转动角度和方向。

本发明具有以下优点：

1、本发明的空间正交矢量式双轴飞行器采用矢量转子结构，具有双轴倾斜能力，可以在空间中任意自由度进行飞行，有效地解决了共面旋翼飞行器存在的问题。

2、本发明由于转子轴具有额外的倾斜能力，这种类型的设计可以避免部分无效的力相抵消，减少无效的损耗，提高飞行速度与载荷。空间正交矢量式双轴飞行器应用广泛，在未来飞行器的发展中有巨大的前景。

附图说明

图1 为本发明飞行器总体结构示意图；

图2 为本发明中动力组件结构示意图；

图3 为本发明中俯仰组件示意图；

图4 为本发明中横滚组件的结构示意图；

图5 为本发明中坐标系建立示意图；

图6 为沿ze轴的上下运动示意图；

图7 为沿ye轴的左右运动示意图；

图8 为沿xe轴的前后运动。

图中，1动力组件、2俯仰组件、3横滚组件、4控制器、5电源、6固定扣板、101涵道单元甲、102涵道单元乙、103涵道齿轮、104涵道转轴、105涵道短臂甲、106涵道短臂乙、107电调甲、108电调乙、201俯仰齿轮、202俯仰舵机、203转动耳、204传动耳、205俯仰座、301横滚主轴、302横滚舵机、303横滚主齿轮、304横滚副齿轮、305横滚耳、306横滚底座。

实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1~图5所示，一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，空间正交矢量式双轴飞行器主要由：1动力组件、2俯仰组件、3横滚组件、4控制器、5电源以及6固定扣板组成。1动力组件通过101涵道单元甲和102涵道单元乙提供可控的升力。1动力组件的103涵道齿轮与2俯仰组件的201俯仰齿轮进行啮合，2俯仰组件的202俯仰舵机转动驱动201俯仰齿轮转动，201俯仰齿轮带动103涵道齿轮转动，103涵道齿轮带动104涵道转轴转动，从而实现2俯仰组件驱动1动力组件进行俯仰运动。2俯仰组件的203转动耳与3横滚组件的301横滚主轴通过键和套筒进行固定连接，3横滚组件的302横滚舵机转动驱动303横滚主齿轮转动，303横滚主齿轮带动304横滚副齿轮转动，304横滚副齿轮带动301横滚主轴转动，301横滚主轴通过203转动耳带动2俯仰组件进行相应转动，2俯仰组件转动带动1动力组件转动，从而通过3横滚组件驱动1动力组件进行横滚运动。4控制器固定在2俯仰组件的205俯仰座上方，用于控制1动力组件的107电调甲与108电调乙的输出信号，以及控制2俯仰组件的202俯仰舵机与3横滚组件的302横滚舵机的旋转角度和方向。6固定扣板与3横滚组件的306横滚底座通过螺栓进行固定连接，用于放置5电源。5电源与6固定扣板固结在一起，为4控制器、107电调甲和108电调乙供电。

动力组件主要由101涵道单元甲、102涵道单元乙、103涵道齿轮、104涵道转轴、105涵道短臂甲、106涵道短臂乙、107电调甲及108电调乙构成，如图2所示。107电调甲固定在306横滚底座上方，108电调乙固定在205俯仰座上方，通过5控制器控制107电调甲和108电调乙的输出信号，实时控制101涵道单元甲和102涵道单元乙升力的大小；101涵道单元甲通过螺栓与105涵道短臂甲固定连接，104涵道转轴一端通过105涵道短臂甲与101涵道单元甲固定连接；102涵道单元乙通过螺栓与106涵道短臂乙固定连接，104涵道转轴另一端通过106涵道短臂乙与102涵道单元乙固定连接；103涵道齿轮与104涵道转轴通过键实现周向固定，以传递转矩和防止103涵道齿轮与104涵道转轴产生相对转动；103涵道齿轮与104涵道转轴通过弹性挡圈实现轴向固定，以保证103涵道齿轮在104涵道转轴上有确定的轴向位置，防止103涵道齿轮作轴向移动；通过103涵道齿轮的转动带动104涵道转轴旋转，从而通过105涵道短臂甲和106涵道短臂乙分别带动101涵道单元甲和102涵道单元乙进行相应的转动。

俯仰组件主要由201俯仰齿轮、202俯仰舵机、203转动耳、204传动耳以及205俯仰座构成，如图3所示。204传动耳固定于205俯仰座上方；104涵道转轴通过轴承与204传动耳进行连接，可以相对于204传动耳进行自由转动；202俯仰舵机通过螺栓固定在204传动耳侧面，202俯仰舵机的输出轴与201俯仰齿轮固定连接，从而带动201俯仰齿轮转动；203转动耳固定于205俯仰座下方；通过5控制器控制202俯仰舵机的信号，实时控制201俯仰齿轮的转动角度和方向。

横滚组件主要由301横滚主轴、302横滚舵机、303横滚主齿轮、304横滚副齿轮、305横滚耳以及306横滚底座构成，如图4所示。305横滚耳固定于306横滚底座上方；301横滚主轴通过轴承与305横滚耳进行连接，可以相对于305横滚耳进行自由转动；301横滚主轴与轴承通过弹性挡圈实现轴向固定，以防止轴承脱落；302横滚舵机通过螺栓固定在305横滚耳侧面，302横滚舵机的输出轴与303横滚主齿轮固定连接，从而带动303横滚主齿轮转动；304横滚副齿轮与303横滚主齿轮啮合；304横滚副齿轮与301横滚主轴通过键实现周向固定，以传递转矩和防止304横滚副齿轮与301横滚主轴产生相对转动；304横滚副齿轮与301横滚主轴通过弹性挡圈实现轴向固定，以保证304横滚副齿轮在301横滚主轴上有确定的轴向位置，防止304横滚副齿轮作轴向移动；302横滚舵机通过输出轴旋转带动303横滚主齿轮转动，303横滚主齿轮带动304横滚副齿轮转动，从而带动301横滚主轴进行相应转动；通过5控制器控制302横滚舵机的信号，实时控制303横滚主齿轮的转动角度和方向。

其飞控原理为；

空间正交矢量式双轴飞行器飞控原理涉及到两个坐标系，分别为世界坐标系oe-xeyeze与机体坐标系ob-xbybzb，世界坐标系oe-xeyeze与大地表面固结，机体坐标系ob-xbybzb的原点ob位于空间正交矢量式双轴飞行器的6固定扣板的上表面中心，xbyb分别平行于6固定扣板的侧边，根据右手准则确定zb轴垂直于6固定扣板表面，指向向上，如图5所示。

空间正交矢量式双轴飞行器飞行有3个独立运动自由度，分别为沿xe、ye、ze直角坐标轴方向的3个移动自由度。假设空间正交矢量式双轴飞行器的总体质量为M，地表的重力加速度为g。

沿ze轴的上下运动：为便于描述，假设世界坐标系oe-xeyeze与机体坐标系ob-xbybzb平行，如图6所示。涵道单元甲与涵道单元乙是关于zb轴对称的结构，当涵道单元甲提供的升力F1和涵道单元乙提供的升力F2大小相等，方向与ze轴正向相同时，升力F1与升力F2的合力，方向与ze轴正向相同，且与zb轴重合。因此，当时，空间正交矢量式双轴飞行器受到沿ze轴方向向上的力，从而实现飞行器沿ze轴向上运动；当时，空间正交矢量式双轴飞行器受到沿ze轴方向向下的力，从而实现飞行器沿ze轴向下运动；当时，空间正交矢量式双轴飞行器受到的力与自身重力相抵消，从而实现飞行器在空中悬停。

沿ye轴的左右运动：为便于描述，假设世界坐标系oe-xeyeze与机体坐标系ob-xbybzb平行，通过3横滚组件驱动2俯仰组件转动角度，从而实现2俯仰组件带动1动力组件转动角度，如图7所示。涵道单元甲提供的升力F1和涵道单元乙提供的升力F2大小相等、方向相同，升力F1与升力F2的合力，方向位于ybzb平面，且与zb轴方向呈角度。合力F合可正交分解为分力Fyb和Fzb，其中Fyb平行于yb轴，且；Fzb平行于zb轴，且。假设，即，忽略空间正交矢量式双轴飞行器沿ze轴的上下运动，在此基础上讨论空间正交矢量式双轴飞行器沿ye轴的左右运动。

当，并且为沿xb轴方向顺时针转动时，分力的方向为yb轴正方向，空间正交矢量式双轴飞行器受到沿ye轴方向向右的力，从而实现飞行器沿ye轴向右运动；当，并且为沿xb轴逆时针转动时，分力的方向为yb轴负方向，空间正交矢量式双轴飞行器受到沿ye轴方向向左的力，从而实现飞行器沿ye轴向左运动。

沿xe轴的前后运动：为便于描述，假设世界坐标系oe-xeyeze与机体坐标系ob-xbybzb平行，2俯仰组件带动1动力组件转动角度，如图8所示。涵道单元甲提供的升力F1和涵道单元乙提供的升力F2大小相等、方向相同，升力F1与升力F2的合力，方向位于xbzb平面，且与zb轴方向呈角度。合力F合可正交分解为分力Fxb和Fzb，其中Fxb平行于xb轴，且；Fzb平行于zb轴，且。假设，即，忽略空间正交矢量式双轴飞行器沿ze轴的上下运动，在此基础上讨论空间正交矢量式双轴飞行器沿xe轴的前后运动。

当，并且为沿yb轴方向逆时针转动时，分力的方向为xb轴正方向，空间正交矢量式双轴飞行器受到沿xe轴方向向前的力，从而实现飞行器沿xe轴向前运动；当，并且为沿yb轴顺时针转动时，分力的方向为xb轴负方向，空间正交矢量式双轴飞行器受到沿xe轴方向向后的力，从而实现飞行器沿xe轴向后运动。

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 (10)

1.一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：包括飞行器结构本体，所述飞行器结构本体包括动力组件、俯仰组件、横滚组件、控制器、电源和固定扣板，所述动力组件包括涵道齿轮，且俯仰组件包括俯仰齿轮和俯仰座；

所述涵道齿轮与俯仰齿轮之间为相互啮合，所述控制器固定在俯仰座的上方，所述横滚组件包括横滚底座，且横滚底座与固定扣板之间为固定连接，所述动力组件包括涵道单元甲、涵道单元乙、涵道齿轮、涵道转轴、涵道短臂甲、涵道短臂乙、电调甲和电调乙，所述俯仰组件包括俯仰齿轮、俯仰舵机、转动耳、传动耳和俯仰座，所述横滚组件包括横滚主轴、横滚舵机、横滚主齿轮、横滚副齿轮、横滚耳和横滚底座，所述动力组件、俯仰组件、横滚组件、控制器、电源和固定扣板之间为可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述动力组件通过涵道单元甲和涵道单元乙提供可控的升力，所述俯仰组件的俯仰舵机转动驱动俯仰齿轮转动，俯仰齿轮带动涵道齿轮转动，涵道齿轮带动涵道转轴转动，使得俯仰组件驱动动力组件进行俯仰运动。

3.根据权利要求2所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述俯仰组件的转动耳与横滚组件的横滚主轴通过键和套筒进行固定连接，所述横滚组件的横滚舵机转动驱动横滚主齿轮转动，横滚主齿轮带动横滚副齿轮转动，横滚副齿轮带动横滚主轴转动，横滚主轴通过转动耳带动俯仰组件进行相应转动，俯仰组件转动带动动力组件转动，使得俯仰组件转动的同时带动动力组件的转动，并且通过横滚组件驱动动力组件进行横滚运动。

4.根据权利要求3所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述电调甲固定在横滚底座的上方，所述电调乙固定在俯仰座的上方，并通过控制器控制电调甲和电调乙的输出信号，实时控制涵道单元甲和涵道单元乙升力的大小，所述涵道单元甲通过螺栓与涵道短臂甲固定连接，涵道转轴一端通过涵道短臂甲与涵道单元甲固定连接，所述涵道单元乙通过螺栓与涵道短臂乙固定连接，且涵道转轴另一端通过涵道短臂乙与涵道单元乙固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述涵道齿轮与涵道转轴通过键实现周向固定，以传递转矩和防止涵道齿轮与涵道转轴产生相对转动，所述涵道齿轮与涵道转轴通过弹性挡圈实现轴向固定，以保证涵道齿轮在涵道转轴上有确定的轴向位置，防止涵道齿轮作轴向移动，且通过涵道齿轮的转动带动涵道转轴旋转，从而通过涵道短臂甲和涵道短臂乙分别带动涵道单元甲和涵道单元乙进行相应的转动。

6.根据权利要求5所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述传动耳固定于俯仰座上方，所述涵道转轴通过轴承与传动耳进行连接，可相对于传动耳进行自由转动，所述俯仰舵机通过螺栓固定在传动耳侧面，且俯仰舵机的输出轴与俯仰齿轮固定连接，从而带动俯仰齿轮转动，所述转动耳固定于俯仰座下方；通过控制器控制俯仰舵机的信号，实时控制俯仰齿轮的转动角度和方向。

7.根据权利要求6所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述横滚耳固定于横滚底座上方，所述横滚主轴通过轴承与横滚耳进行连接，可相对于横滚耳进行自由转动，所述横滚主轴与轴承通过弹性挡圈实现轴向固定，以防止轴承脱落。

8.根据权利要求7所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述横滚舵机通过螺栓固定在横滚耳侧面，所述横滚舵机的输出轴与横滚主齿轮固定连接，从而带动横滚主齿轮转动，所述横滚副齿轮与横滚主齿轮啮合。

9.根据权利要求8所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述横滚副齿轮与横滚主轴通过键实现周向固定，以传递转矩和防止横滚副齿轮与横滚主轴产生相对转动，所述横滚副齿轮与横滚主轴通过弹性挡圈实现轴向固定，以保证横滚副齿轮在横滚主轴上有确定的轴向位置，防止横滚副齿轮作轴向移动。

10.根据权利要求9所述的一种空间正交矢量式双轴飞行器结构，其特征在于：所述横滚舵机通过输出轴旋转带动横滚主齿轮转动，所述横滚主齿轮带动横滚副齿轮转动，从而带动横滚主轴进行相应转动，并通过控制器控制横滚舵机的信号，实时控制横滚主齿轮的转动角度和方向。

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