CN117163339A - 辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助控制倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构及其工作方法。由于采用飞翼布局在利用升阻特性和装载空大等优势的同时，存在布局本身航向阻尼较低的问题，基于此，设计一款可以使三旋翼中的电机和尾旋翼沿机身中轴线旋转的机构。当无人机发生偏航时，借助飞行控制系统，自动调节电机的倾斜角度，使尾旋翼产生同方向拉力，修正航向；同时也可以替代方向舵的作用，通过操纵调整无人机航向。本发明在不增加安定面的基础上解决了传统飞翼布局的倾转三旋翼机的航向不稳定性问题，使无人机平飞阶段飞行性能更稳定，安全，操纵性能更优异。

Description

辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构及其工作 方法

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，尤其涉及一种辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构及其工作方法。

背景技术

小型无人机设计的一个新趋势是将固定翼和多旋翼的优点集于一体，使无人机在更大的工作范围内运作且具有更广泛的应用。当旋翼倾转系统处于垂直的时候，飞行器可类似于直升机一样悬停，而当旋翼倾转系统处于水平位置时，倾转旋翼飞行器类似于固定翼飞机，能高速和长航时飞行。倾转旋翼具有垂直起降、悬停、高速前飞及长航时的特点，能实现不同飞行模式下，即旋翼模式、过渡模式和固定翼模式的自由切换，这种飞行器的特点就是不受场地限制，速度快，安全，运营效率高，可根据不同的需求进行不同形式的飞行任务。

倾转三旋翼相对于倾转双旋翼可以更好地进行重心的配平，而且双旋翼无人机由于旋翼机翼翼尖，垂起起降模式下，旋翼产生较大的下载荷会导致飞行器有效载荷减少，而倾转三旋翼无人机起飞重量更大，有效载荷更大，重心范围更广，同等重量情况下，占地面积更小，更适合舰载使用。倾转三旋翼的抗风性能均优于倾转双旋翼，巡航状态下可以以单发的形式前飞可有效提高无人机的升阻比，增大无人机的续航时间。与倾转四旋翼相比，在同等起飞重量的情况下，由于减少了一个倾转旋翼，减少了设备的冗余，倾转三旋翼结构更加紧凑，综合能耗相对更低，飞行速度快，续航时间也更加长。

倾转三旋翼无人机目前主要采用两种气动布局，一种是较为常见的常规机身布局的倾转三旋翼，另一种是飞翼布局的倾转三旋翼。飞翼布局主要优势如下：

1、从升阻比的角度看：首先，翼身融合设计避免了翼身干扰，并取消了垂直尾翼和水平尾翼，减小了全机摩阻：其次，对于常规布局飞机，水平尾翼往往产生负升力，该结构的取消显然能够提高无人机的升力，因此飞翼布局升阻比高于常规布局。

2、从结构角度：翼身融合设计扩大了机身内可利用空间，且由于取消了尾翼设计，使得全机重量能够更在合理地沿展向分布，有利于增强结构强度并减少结构重量。

然而，飞翼布局的设计特点也为其操稳特性带来了一系列不利影响：

1、在稳定性方面：由于取消了垂直安定面，使航向中立稳定甚至静不定，航向阻尼也低于常规布局。

2、在操纵性方面：开裂式阻力方向舵因其特殊的作用原理还造成了舵效强非线性、附加力与强操纵耦合的问题。

所以，为了充分发挥飞翼布局的优势同时避免其在平飞阶段稳定性和操纵性上的不足，现有方案集中在对前两个旋翼的控制优化上，辅助无人机的横向和纵向的稳定性，对于航向稳定性多采用增加垂直安定面来解决，但这样会破坏飞翼布局的气动特性也会增加结构重量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述飞翼布局倾转三旋翼无人机在平飞阶段稳定性和操纵性的不足，提出改进方案。在传统倾转三旋翼尾电机不动的基础上，本发明对尾电机座结构进行优化设计，使其可以根据航向的改变进行旋转修正，进而保证无人机的稳定性能和操纵性能；并给出对应控制方案，在不增加安定面结构的情况下解决了传统飞翼布局的倾转三旋翼机的航向不稳定性问题，能够达到无人机平飞阶段更稳定安全的目的。

一种辅助控制倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构，设于无人机机身后，具体位置根据整体重心来调整。所述尾电机座机构包括尾旋翼、电机、电机座、轴承、轴承座、舵机、舵机舵盘、舵机舱和固定板。尾旋翼连接电机，电机安装在电机座上。电机座的一端以及舵机舵盘与轴承内环连接，轴承的外环与轴承座连接，固定轴承的平动位置。电机座和舵机舵盘位于轴承两侧并与轴承内环固定，通过轴承的内外环相对运动实现电机座根据舵机舵盘旋转而旋转。为与轴承内环结合，需要选择圆型的舵机舵盘，同时，圆型的舵盘受力均匀，连接牢固。电机座，电机和尾旋翼主要依靠轴承支撑，依靠舵机舵盘实现转动。舵机舵盘固定在舵机上，舵机位于舵机舱内，固定舵机的位置。轴承座和舵机舱均连接在固定板的一端，固定板另一端与无人机机身尾部进行连接，固定板的长度确定尾旋翼动力装置整体结构的位置，这需要同无人机整体重心和前两个前旋翼动力装置的位置进行计算，确保从垂起阶段过渡到平飞阶段无人机不存在配平的问题。电机和尾旋翼转轴的轴线与机身中轴线在同一垂直面内，且与其平行，确保尾旋翼旋转和工作后不存在结构设计上的不对称，进而影响无人机的稳定性。电机和旋翼的旋转角度通过飞行控制系统对舵机角度的控制实现，旋翼拉力大小通过调节电机的转速实现。

所述尾电机座机构对应的具体工作方法是：电机和尾旋翼可以借助电机座围绕转轴旋转，电机座的旋转方向和角度由舵机根据飞行控制系统的指令旋转舵盘角度决定。

当无人机发生偏航时，舵机接受飞行控制系统的航向调节信号，带动电机座旋转对应角度，电机座上的电机和尾旋翼随之进行旋转，同时，电子调速器接受飞行控制系统的转速信号，使电机转动，带动尾旋翼旋转产生拉力，使无人机回归原本航向。

当无人机需要改变飞行方向时，电机可充当方向舵，通过操纵舵机旋转对应的角度，电机座上的电机和尾旋翼随之进行旋转，同时，电子调速器接受转速信号，使电机转动，带动旋翼产生拉力，使无人机改变方向。

其中，当保持姿态稳定时，无人机需要修正航向，电机座旋转的方向应与偏航的方向一致。当无人机需要改变飞行方向时，电机座旋转的方向应与目标方向相反，因为改变方向时无人机的机尾与机头方向相反，要想使机头转向一个方向，需要机尾部位受到相反方向的拉力。这类似于常规布局的方向舵作用，但在操纵略有差别，常规方向舵的操纵情况是，方向舵偏方向与目标方向一致，因此可能存在习惯上的不同，但可以通过修改飞行控制系统上的操纵方向来更改，只是在无人机起飞前调试时需要特别注意。

本发明的优点至少有：

1、在不增加安定面只优化尾电机座结构的基础上弥补了飞翼布局的不足，没有破坏翼身融合的整体性，结构重量轻；

2、现有尾旋翼固定的倾转三旋翼无人机平飞阶段尾旋翼会成为无人机的无效带载，而本发明的尾旋翼可以在平飞状态时发挥维持无人机稳定性的作用；

3、有尾旋翼对航向的辅助控制，增加航向阻力，无人机平飞状态稳定性和操纵性更好。

附图说明

图1为本发明的尾电机座机构示意图；

图2为向右偏航时尾电机座机构的运动情况示意图；

图3为向左偏航时尾电机座机构的运动情况示意图；

图4为操纵无人机向右转向时尾电机座机构的运动情况示意图；

图5为操纵无人机向左转向时尾电机座机构的运动情况示意图；

图中，1-尾旋翼，2-电机，3-电机座，4-轴承，5-舵机舵盘，6-舵机，7-舵机舱，8-轴承座，9-固定板。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种辅助控制倾转三旋翼飞翼无人机稳定性的尾电机座机构，包括尾旋翼1、电机2、电机座3、轴承4、舵机舵盘5、舵机6、舵机舱7、轴承座8、固定板9。尾旋翼1连接电机2，电机2安装在电机座3上。电机座3的一端与舵机舵盘5和轴承4内环连接，轴承4外环与轴承座8连接，固定轴承4的位置。电机座3和舵机舵盘5位于轴承4两侧并与轴承4内环固定，通过轴承4的内外环相对运动实现电机座3根据舵机舵盘5旋转而旋转。为与轴承4内环结合，需要选择圆型的舵机舵盘5，同时，圆型舵机舵盘5受力均匀，连接牢固。电机座3，电机2和尾旋翼1主要依靠轴承4支撑，依靠舵机舵盘5实现转动。舵机舵盘5固定在舵机6上，舵机6位于舵机舱7内，固定舵机6的位置。轴承座8和舵机舱7均连接在固定板9的一端，固定板9的另一端与无人机机身尾部进行连接，固定板9的长度确定尾旋翼动力装置整体结构的位置，这需要同无人机整体重心和前两个前旋翼动力装置的位置进行计算，确保从垂起阶段过渡到平飞阶段无人机不存在重心偏移的问题。电机座3转轴的轴线与机身中轴线在同一垂直面内，且与其平行，确保尾旋翼1旋转和工作后不存在结构设计上的不对称，进而保证无人机的稳定性。电机2和尾旋翼1的旋转角度通过飞行控制系统对舵机6角度的控制实现，尾旋翼1拉力大小通过调节电机2的转速实现。

当无人机发生向右偏航时，如图2所示。舵机6接受飞行控制系统的航向调节信号，带动电机座3向右旋转对应角度，电机座3上的电机2和尾旋翼1随之进行旋转，同时，电子调速器接受飞行控制系统的转速信号，使电机2转动，带动尾旋翼1旋转产生拉力，使无人机回归原本航向。

当无人机发生向左偏航时，如图3所示。舵机6接受飞行控制系统的航向调节信号，带动电机座3向左旋转对应角度，电机座3上的电机2和尾旋翼1随之进行旋转，同时，电子调速器接受飞行控制系统的转速信号，使电机2转动，带动尾旋翼1旋转产生拉力，使无人机回归原本航向。

当无人机需要改变飞行方向，向右转向时，如图4所示。通过操纵舵机6向左旋转对应的角度，电机座3上的电机2和尾旋翼1随之进行旋转，同时，电子调速器接受转速信号，使电机2转动，带动尾旋翼1产生拉力，使无人机改变方向。

当无人机需要改变飞行方向，向左转向时，如图5所示。通过操纵舵机6向右旋转对应的角度，电机座3上的电机2和尾旋翼1随之进行旋转，同时，电子调速器接受转速信号，使电机2转动，带动尾旋翼1产生拉力，使无人机改变方向。

Claims (6)

1.一种辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构，其特征在于，所述尾电机座机构包括尾旋翼、电机、电机座、轴承、轴承座、舵机、舵机舵盘、舵机舱和固定板；所述尾旋翼连接电机，所述电机安装在所述电机座上，所述电机座的一端以及所述舵机舵盘与轴承的内环连接，轴承的外环与所述轴承座连接，固定轴承的平动位置；所述电机座和舵机舵盘位于轴承两侧，通过所述轴承的内外环相对运动实现电机座根据舵机舵盘旋转而旋转；所述舵机舵盘固定在所述舵机上，所述舵机位于所述舵机舱内，固定舵机的位置；所述轴承座和所述舵机舱均连接在所述固定板的一端，所述固定板的另一端与无人机机身尾部进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构，其特征在于，所述舵机舵盘为圆形，用于与轴承的内环结合。

3.根据权利要求1所述的一种辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构，其特征在于，所述电机和尾旋翼的旋转角度通过对舵机角度的控制实现，尾旋翼的拉力大小通过调节电机的转速实现。

4.根据权利要求1所述的一种辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构，其特征在于，所述电机和尾旋翼转轴的轴线与机身中轴线在同一垂直面内，且与其平行。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构的工作方法，其特征在于，电机和尾旋翼围绕转轴旋转，当无人机偏航时，电机和尾旋翼通过飞行控制系统自动向修正航向的方向旋转，尾旋翼产生拉力使无人机航向回归。

6.根据权利要求5所述的一种辅助倾转三旋翼飞翼无人机稳定的尾电机座机构的工作方法，其特征在于，当无人机需要改变飞行方向时，电机充当方向舵，通过操纵舵机旋转对应的角度，尾旋翼产生拉力，使无人机改变方向。