專利名稱：涵道共軸直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)涉及涵道飛行器、共軸直升機(jī)等旋翼飛行器的操縱機(jī)構(gòu)，尤其涉及涵道共軸直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近些年來無人機(jī)得到了迅猛的發(fā)展，特別是采用軸對稱布局的共軸式無人直升機(jī)。共軸雙旋翼直升機(jī)由于沒有尾槳，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力耦合小，飛控系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)其具有較高的懸停效率、結(jié)構(gòu)緊湊，因此無人直升機(jī)很多采用共軸式布局。而近期出現(xiàn)的共軸式無人直升機(jī)中，軸對稱外形的涵道式共軸無人直升機(jī)也得到較大發(fā)展。涵道式布局的特點(diǎn)為旋翼被包于涵道內(nèi)，可以對旋翼起很好的保護(hù)作用，而且涵道可以提供附加的升力，提高了氣動(dòng)效率。而且涵道式布局使得旋翼的噪聲小，安全性好，適合于復(fù)雜條件下起降。如美國西科斯基公司在結(jié)合ABC旋翼和涵道尾槳的基礎(chǔ)上，研制高性能涵道共軸無人直升機(jī) Cypher0國內(nèi)外的直升機(jī)包括涵道共軸直升機(jī)都采用四通道操縱方式。而通過四通道操縱飛行器的六個(gè)自由度必將引起耦合。目前的解決辦法是通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行解耦。由于直升機(jī)飛行原理復(fù)雜，飛行環(huán)境變化多樣，因此這種控制系統(tǒng)解耦的方法難度交大，效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題就是解決涵道共軸直升機(jī)的飛行耦合問題，實(shí)現(xiàn)通過單輸入得到單輸出的操縱效果。眾所周知，直升機(jī)的操縱存在較大耦合關(guān)系，比如當(dāng)提高旋翼總距時(shí)，由于反扭距的增加使得直升機(jī)的航向發(fā)生變化，形成了垂向速度和航向的耦合。飛行員需要采取措施調(diào)整航向。而調(diào)整航向的同時(shí)又會(huì)引起側(cè)向速度的變化。形成航向與側(cè)向速度的耦合。側(cè)向速度的調(diào)整又會(huì)引起總距的調(diào)整等。這些耦合關(guān)系增加了直升機(jī)的操縱復(fù)雜程度。若能有效的解決這些耦合關(guān)系將簡化操縱，提高飛行安全系數(shù)，增加飛行舒適感。本發(fā)明依據(jù)涵道共軸直升機(jī)的特殊構(gòu)型，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的六通道操縱機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從根本上解決直升機(jī)的耦合問題。使得飛行器的操縱更加簡單，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加容易。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為，一種涵道共軸直升機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)，包括上旋翼系統(tǒng)、 下旋翼系統(tǒng)、連接塊和撐桿，其中，所述上旋翼系統(tǒng)包括槳轂、槳葉、第一連桿、搖臂組件、自動(dòng)傾斜器、第二連桿、上支撐座、舵機(jī)座、舵機(jī)、滑道、電機(jī)、大齒盤、小齒輪、旋翼軸，所述小齒輪與所述電機(jī)相互嚙合，所述大齒盤與所述小齒輪連接，所述旋翼軸一端與所述大齒盤連接，另一端與所述槳轂連接，所述舵機(jī)通過所述舵機(jī)座固定在所述槳轂下方，所述上支撐座設(shè)置在所述舵機(jī)座上方，所述滑道設(shè)置在所述上支撐座之上，所述自動(dòng)傾斜器上有動(dòng)環(huán)和不動(dòng)環(huán)，所述不動(dòng)環(huán)上設(shè)有桿狀物，所述桿狀物伸入所述滑道中，所述舵機(jī)通過所述第二連桿與所述自動(dòng)傾斜器上的不動(dòng)環(huán)連接，所述槳轂通過所述第一連桿與自動(dòng)傾斜器上的動(dòng)環(huán)連接，所述搖臂組件一端與所述自動(dòng)傾斜器的動(dòng)環(huán)連接，另一端與所述槳轂連接，所述槳葉設(shè)置在所述槳轂上；所述下旋翼系統(tǒng)與所述上旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，槳葉旋轉(zhuǎn)方向相反；所述上旋翼系統(tǒng)與所述下旋翼系統(tǒng)通過所述連接塊相互連接，并通過所述撐桿與機(jī)身連接；所述上、下旋翼系統(tǒng)各有三個(gè)舵機(jī)、三個(gè)第二連桿、三個(gè)第一連桿、三個(gè)槳轂和三個(gè)槳葉，均勻分布，構(gòu)成六個(gè)操縱通道。本發(fā)明操縱機(jī)構(gòu)的操縱方法，包括上下旋翼總距同步操縱、上下旋翼差動(dòng)操縱、縱向周期變矩同步操縱、橫向周期變矩同步操縱、縱向周期變矩差動(dòng)操縱、橫向周期變矩差動(dòng)操縱，具體為
(1)上下旋翼總距同步操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)向上，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器同步向上，此時(shí)，上、下旋翼系統(tǒng)力矩相互抵消，產(chǎn)生合力變化量，直升機(jī)改變垂向速度；
(2)上下旋翼差動(dòng)操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)向上，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)反向向下，此時(shí)上下旋翼合力不變，產(chǎn)生力矩變化量，此時(shí)直升機(jī)只改變航向；
(3)縱向周期變矩同步操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)同步傾斜，上旋翼拉力與下旋翼拉力的合力方向發(fā)生變化，即前傾，上旋翼力矩與下旋翼力矩相互抵消，此時(shí)，直升機(jī)只改變前向速度；
(4)橫向周期變矩同步操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)同步傾斜，上旋翼拉力與下旋翼拉力的合力方向發(fā)生變化，即側(cè)傾，上旋翼力矩與下旋翼力矩相互抵消，此時(shí)，直升機(jī)只改變側(cè)向速度；
(5)縱向周期變矩差動(dòng)操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)反向傾斜，上旋翼拉力與下旋翼拉力的合力方向不改變，而上旋翼力矩與下旋翼力矩的合力矩發(fā)生變化，產(chǎn)生俯仰力矩，此時(shí)，直升機(jī)只改變俯仰姿態(tài)；
(6)橫向周期變矩差動(dòng)操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)反向傾斜，上旋翼拉力與下旋翼拉力的合力方向不改變，而上旋翼力矩與下旋翼力矩的合力矩發(fā)生變化，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩，因此此時(shí)，直升機(jī)只改變滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)本操縱機(jī)構(gòu)利用對稱性抵消操縱引起的耦合，實(shí)現(xiàn)解耦操縱，通過六自由度的操縱方式，實(shí)現(xiàn)完全解耦的操縱系統(tǒng)，解決了欠輸入多輸出的控制耦合問題，使得飛行器的操縱更加簡單，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加容易。(2)具有解耦操縱系統(tǒng)的飛行器具有普通飛行器無法實(shí)現(xiàn)的飛行能力，增強(qiáng)了飛行器的功能，使得其應(yīng)用范圍更加廣泛。(3)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得共軸涵道直升機(jī)結(jié)構(gòu)極其緊湊，有效縮小了上下旋翼間距，減少旋翼之間的氣動(dòng)干擾。



圖1為操縱機(jī)構(gòu)主視圖； 圖2為操縱機(jī)構(gòu)俯視圖3為操縱機(jī)構(gòu)軸式圖； 圖4為總距同步操縱原理圖； 圖5為總距差動(dòng)操縱原理圖； 圖6為縱、橫向周期變距同步操縱原理圖； 圖7為縱、橫向周期變距差動(dòng)操縱原理圖。其中1、槳轂，2、槳葉，3、第一連桿，4、搖臂組件，5、自動(dòng)傾斜器，6、第二連桿，7、 上支撐座，8、舵機(jī)座，9、舵機(jī)，10、滑道，11、電機(jī)，、12、大齒盤，13、小齒盤，14、連接塊，15、撐桿，16、旋翼軸；
F1、上旋翼拉力，F(xiàn)2、下旋翼拉力，AF、上旋翼拉力與下旋翼拉力合力變量，Ml、上旋翼力矩，M2、下旋翼力矩，ΔΜ、上旋翼力矩與下旋翼力矩合力矩變量。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式
如圖1至圖3所示，一種涵道共軸直升機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)，包括上旋翼系統(tǒng)、下旋翼系統(tǒng)、連接塊14和撐桿15，其中，所述上旋翼系統(tǒng)包括槳轂1、槳葉2、第一連桿3、搖臂組件4、自動(dòng)傾斜器5、第二連桿6、上支撐座7、舵機(jī)座8、舵機(jī)9、滑道10、電機(jī)11、大齒盤12、小齒輪13、 旋翼軸16，所述小齒輪13與所述電機(jī)11連接，所述大齒盤12與所述小齒輪13相互嚙合， 所述旋翼軸16 —端與所述大齒盤12連接，另一端與所述槳轂1連接，所述舵機(jī)9通過所述舵機(jī)座8固定在所述槳轂1下方，所述上支撐座7設(shè)置在所述舵機(jī)座8上方，所述滑道10 設(shè)置在所述上支撐座7之上，所述自動(dòng)傾斜器5上有動(dòng)環(huán)和不動(dòng)環(huán)，所述不動(dòng)環(huán)上設(shè)有桿狀物，所述桿狀物伸入所述滑道10中，所述舵機(jī)9通過所述第二連桿6與所述自動(dòng)傾斜器5 上的不動(dòng)環(huán)連接，所述槳轂1通過所述第一連桿3與自動(dòng)傾斜器5上的動(dòng)環(huán)連接，所述搖臂組件4 一端與所述自動(dòng)傾斜器5的動(dòng)環(huán)連接，另一端與所述槳轂1連接，所述槳葉2設(shè)置在所述槳轂1上，所述舵機(jī)9、第二連桿6、第一連桿3、槳轂1和槳葉2均有三個(gè)，構(gòu)成三個(gè)操縱通道；所述下旋翼系統(tǒng)與所述上旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，槳葉旋轉(zhuǎn)方向相反；所述上旋翼系統(tǒng)與所述下旋翼系統(tǒng)通過所述連接塊14相互連接，并通過所述撐桿15與機(jī)身連接。所述上下旋翼系統(tǒng)，對稱的分布在機(jī)身中部，整體重心位于上下旋翼中部，上旋翼為右旋旋翼，下旋翼為左旋旋翼。圖4至圖7所示，為涵道共軸旋翼操縱原理圖。如圖4中，當(dāng)上下旋翼總距同步操縱時(shí)操縱上旋翼3個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)向上，操縱下旋翼上3個(gè)舵機(jī)使自動(dòng)傾斜器同步向上，上下旋翼力矩相互抵消，合力變化量為AF。此時(shí)直升機(jī)改變垂向速度。如圖5中，當(dāng)上下旋翼差動(dòng)操縱時(shí)操縱上旋翼3個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)向上，操縱下旋翼上3個(gè)舵機(jī)使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)反響向下，此時(shí)上下旋翼合力不變，力矩變化量為ΔΜ，此時(shí)直升機(jī)只改變航向。如圖6中縱向周期變矩同步操縱時(shí)操縱上旋翼3個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼3個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)同步傾斜，上旋翼拉力Fl與下旋翼拉力F2 的合力方向發(fā)生變化(前傾)，上旋翼力矩Ml與下旋翼力矩M2相互抵消，因此只改變前向速度。同樣橫向周期變矩同步操縱時(shí)，上旋翼拉力Fl與下旋翼拉力F2的合力方向發(fā)生變化 (側(cè)傾)，上旋翼力矩Ml與下旋翼力矩M2相互抵消，因此只改變側(cè)向速度。如圖7中，當(dāng)縱向周期變矩差動(dòng)操縱時(shí)操縱上旋翼3個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼3個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)反向傾斜，上旋翼拉力Fl與下旋翼拉力 F2的合力方向不改變，而上旋翼力矩Ml與下旋翼力矩M2的合力矩發(fā)生變化(俯仰力矩)，因此只改變俯仰姿態(tài)。同樣橫向周期變矩差動(dòng)操縱時(shí)，上旋翼拉力Fl與下旋翼拉力F2的合力方向不改變，而上旋翼力矩Ml與下旋翼力矩M2的合力矩發(fā)生變化(滾轉(zhuǎn)力矩)，因此只改變滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種涵道共軸直升機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)，包括上旋翼系統(tǒng)、下旋翼系統(tǒng)、連接塊(14)和撐桿(15)，其中，所述上旋翼系統(tǒng)包括槳轂(1)、槳葉(2)、第一連桿(3)、搖臂組件(4)、自動(dòng)傾斜器(5)、第二連桿(6)、上支撐座(7)、舵機(jī)座(8)、舵機(jī)(9)、滑道(10)、電機(jī)(11)、大齒盤 (12)、小齒輪(13)、旋翼軸(16)，所述小齒輪(13)與所述電機(jī)(11)連接，所述大齒盤(12)與所述小齒輪(13)相互嚙合，所述旋翼軸(16)—端與所述大齒盤(12)連接，另一端與所述槳轂(1)連接，所述舵機(jī)(9 )通過所述舵機(jī)座(8 )固定在所述槳轂(1)下方，所述上支撐座(7 ) 設(shè)置在所述舵機(jī)座(8 )上方，所述滑道(10 )設(shè)置在所述上支撐座(7 )之上，所述自動(dòng)傾斜器 (5)上有動(dòng)環(huán)和不動(dòng)環(huán)，所述不動(dòng)環(huán)上設(shè)有桿狀物，所述桿狀物伸入所述滑道(10)中，所述舵機(jī)(9 )通過所述第二連桿(6 )與所述自動(dòng)傾斜器(5 )上的不動(dòng)環(huán)連接，所述槳轂(1)通過所述第一連桿(3 )與自動(dòng)傾斜器(5 )上的動(dòng)環(huán)連接，所述搖臂組件(4 ) 一端與所述自動(dòng)傾斜器(5 )的動(dòng)環(huán)連接，另一端與所述槳轂(1)連接，所述槳葉(2 )設(shè)置在所述槳轂(1)上；所述下旋翼系統(tǒng)與所述上旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，槳葉旋轉(zhuǎn)方向相反；所述上旋翼系統(tǒng)與所述下旋翼系統(tǒng)通過所述連接塊(14)相互連接，并通過所述撐桿(15)與機(jī)身連接；其特征在于所述上、下旋翼系統(tǒng)各有三個(gè)舵機(jī)(9 )、三個(gè)第二連桿(6 )、三個(gè)第一連桿(3 )、三個(gè)槳轂(1)和三個(gè)槳葉(2)，均勻分布，構(gòu)成六個(gè)操縱通道。
2.如權(quán)利要求1所述的涵道共軸直升機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)的操縱方法，包括上下旋翼總距同步操縱、上下旋翼差動(dòng)操縱、縱向周期變矩同步操縱、橫向周期變矩同步操縱、縱向周期變矩差動(dòng)操縱、橫向周期變矩差動(dòng)操縱，該方法的特征在于(1)上下旋翼總距同步操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)向上，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器同步向上，此時(shí)，上、下旋翼系統(tǒng)力矩相互抵消，產(chǎn)生合力變化量(AF)，直升機(jī)改變垂向速度；(2)上下旋翼差動(dòng)操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)向上，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)反向向下，此時(shí)上下旋翼合力不變，產(chǎn)生力矩變化量(ΔΜ)，此時(shí)直升機(jī)只改變航向；(3)縱向周期變矩同步操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)同步傾斜，上旋翼拉力(Fl)與下旋翼拉力(F2)的合力方向發(fā)生變化，即前傾，上旋翼力矩(Ml)與下旋翼力矩(M2)相互抵消， 此時(shí)，直升機(jī)只改變前向速度；(4)橫向周期變矩同步操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)同步傾斜，上旋翼拉力(Fl)與下旋翼拉力(F2)的合力方向發(fā)生變化，即側(cè)傾，上旋翼力矩(Ml)與下旋翼力矩(M2)相互抵消， 此時(shí)，直升機(jī)只改變側(cè)向速度；(5)縱向周期變矩差動(dòng)操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)反向傾斜，上旋翼拉力(Fl)與下旋翼拉力(F2)的合力方向不改變，而上旋翼力矩(Ml)與下旋翼力矩(M2)的合力矩發(fā)生變化， 產(chǎn)生俯仰力矩，此時(shí)，直升機(jī)只改變俯仰姿態(tài)；(6)橫向周期變矩差動(dòng)操縱操縱上旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)傾斜，操縱下旋翼系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)，使自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)反向傾斜，上旋翼拉力(Fl)與下旋翼拉力(F2)的合力方向不改變，而上旋翼力矩(Ml)與下旋翼力矩(M2)的合力矩發(fā)生變化，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩，因此此時(shí)，直升機(jī)只改變滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種涵道共軸直升機(jī)操縱機(jī)構(gòu)，旨在解決涵道共軸直升機(jī)的飛行耦合問題，實(shí)現(xiàn)通過單輸入得到單輸出的操縱效果。本操縱機(jī)構(gòu)采用上下旋翼系統(tǒng)分布在機(jī)身中部，上下旋翼各三個(gè)操縱通道，比普通涵道共軸直升機(jī)多兩個(gè)通道，該六個(gè)操縱通道分別是總距同步操縱、總距差動(dòng)操縱、縱向周期變矩同步操縱、縱向周期變矩差動(dòng)操縱、橫向周期變矩同步操縱、橫向周期變矩差動(dòng)操縱，可以單獨(dú)控制飛行器的前向速度、側(cè)向速度、垂向速度、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、和航向角。本操縱機(jī)構(gòu)利用對稱性抵消操縱引起的耦合，實(shí)現(xiàn)解耦操縱，具有該解耦操縱系統(tǒng)的飛行器，通過六自由度的操縱方式，解決了欠輸入多輸出的控制耦合問題，使得飛行器的操縱更加簡單。該操縱機(jī)構(gòu)在軍事和民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號B64C27/10GK102501968SQ20111045650
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉龑, 林志昆, 王興龍, 胡慶, 郭劍東 申請人:南京航空航天大學(xué)