旋翼控制裝置及旋翼飛行器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于旋翼飛行器技術領域，尤其涉及一種旋翼控制裝置以及具有該旋翼控制裝置的旋翼飛行器。
【背景技術】
[0002]當代小型無人旋翼機通常分為兩種類型:多旋翼飛行器和類似于直升機的單旋翼飛行器。
[0003]目前，最常見且應用最廣的是多旋翼飛行器，這類飛行器通常具有4個或4個以上的螺旋槳，以用于提供升力和控制飛行器的姿態(tài)。其中，這類飛行器中最常見的是四旋翼飛行器，四旋翼飛行器具有四個螺旋槳，通過調(diào)整四個螺旋槳的平均轉(zhuǎn)速來控制飛行器的飛行高度以及通過調(diào)節(jié)各個螺旋槳之間的轉(zhuǎn)速差來控制飛行器的姿態(tài)。然而，傳統(tǒng)的多旋翼飛行器需要至少4個電機才能實現(xiàn)對飛行器的控制，從空氣動力學的角度來看，其不如傳統(tǒng)的直升機或共軸雙槳直升機的氣動效率高，這直接導致相同數(shù)量級或動力配置的四旋翼飛行器的續(xù)航時間不如傳統(tǒng)的直升機。
[0004]單旋翼飛行器主要分為以下三種類型:
[0005]第一種單旋翼飛行器共有兩個主螺旋槳，兩個螺旋槳共軸旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)方向相反。這種單旋翼飛行器在螺旋槳下方設有傾斜盤結(jié)構(gòu)，該傾斜盤結(jié)構(gòu)由伺服裝置控制，通過該傾斜盤結(jié)構(gòu)周期性的控制一個或兩個螺旋槳的槳距來實現(xiàn)對飛行器俯仰和橫滾兩個自由度的控制，通過調(diào)節(jié)兩個螺旋槳的轉(zhuǎn)速差來控制飛行器的偏航，通過調(diào)節(jié)兩個螺旋槳的平均轉(zhuǎn)速或槳距來控制升力大小進而控制飛行器的飛行高度。這種飛行器雖然使用了共軸雙槳并提高了飛行效率，但是飛行器的俯仰和橫滾姿態(tài)控制需要依靠至少兩個伺服電機和傾斜盤結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，多數(shù)傾斜盤結(jié)構(gòu)使用連桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)較為復雜，而且用以驅(qū)動傾斜盤的伺服電機價格也較為昂貴。因此，這類飛行器的制造成本高，旋翼發(fā)生碰撞時容易損壞傾斜盤結(jié)構(gòu)和伺服電機，傾斜盤結(jié)構(gòu)損壞后比較難以修復；另外傾斜盤結(jié)構(gòu)和伺服電機占用了機身較大的空間，同時也增加了重量。
[0006]第二種單旋翼飛行器共有三個螺旋槳，其中兩個為主螺旋槳，主螺旋槳共軸旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)方向相反。在飛行器的尾部有一個小的螺旋槳，其旋轉(zhuǎn)軸與主螺旋槳是平行的。通過調(diào)節(jié)兩個螺旋槳的轉(zhuǎn)速差來控制飛行器的偏航，通過尾槳的螺旋槳正反轉(zhuǎn)和偏航自由度的配合來控制飛行器的俯仰和橫滾，通過調(diào)節(jié)兩個螺旋槳的平均轉(zhuǎn)速或槳距來控制升力大小進而控制飛行器的飛行高度。這種飛行器用一個尾部螺旋槳來代替傾斜盤的功能，但是由于其俯仰和滾轉(zhuǎn)控制需要偏航軸不斷調(diào)整尾部螺旋槳的位置，這導致了其俯仰和橫滾姿態(tài)控制速率極低；另外，由于尾部的螺旋槳既需要提供向上的推力又需要提供向下的推力，所以其槳葉設計為對稱的翼型，這導致其氣動效率很低，往往需要較大的葉片才能產(chǎn)生一定的控制力；此外，其尾部螺旋槳的支撐桿會暴露于螺旋槳的下洗氣流之下，這也使得其損失了一部分的升力。雖然這類飛行器沒有使用傾斜盤和伺服電機而節(jié)省了成本，但是其俯仰和橫滾姿態(tài)的控制速率很低，無論是飛行器的操控者亦或是自動飛行控制系統(tǒng)都很難達到對飛行器的精確操作，所以此類飛行器主要用于低端的直升機玩具。
[0007]第三種單旋翼飛行器共有兩個螺旋槳，一個為主旋翼，一個為尾旋翼，尾旋翼的旋轉(zhuǎn)軸與主旋翼垂直，尾旋翼通過改變轉(zhuǎn)速或改變槳距來抵消主旋翼的扭矩并同時控制飛行器的偏航；在主旋翼下方設有由伺服裝置控制的傾斜盤結(jié)構(gòu)，通過該傾斜盤結(jié)構(gòu)來周期性的控制主旋翼的槳距來實現(xiàn)對飛行器俯仰和橫滾兩個自由度上的控制。然而，這種飛行器和第一種單旋翼飛行器一樣，都采用了傾斜盤結(jié)構(gòu)和至少兩個伺服電機來控制飛行器的俯仰和滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，但是其使用了一個和主旋翼軸垂直的尾螺旋槳來抵消主旋翼的扭矩和控制偏航，這使得這種飛行器同樣也具有第一種單旋翼飛行器的缺點，即傾斜盤和用于控制傾斜盤的伺服電機都容易損壞且較難維護；此外，其這種飛行器與第二種單旋翼飛行器一樣，都具有用于支撐尾部電機的支撐桿，尾螺旋槳支撐桿會暴露于螺旋槳的下洗氣流之下，這也使得其損失了一部分的升力。
[0008]對于上述各種傳統(tǒng)旋翼飛行器的控制方式，多旋翼飛行器至少需要四個電機才能實現(xiàn)對飛行器的控制，而其續(xù)航時間短且氣動效率低；單旋翼飛行器不但需要驅(qū)動其主旋翼轉(zhuǎn)動的電機，而且還需要傾斜盤和至少兩個伺服電機才能完成姿態(tài)控制，然而其結(jié)構(gòu)較為復雜。為此，為了使單旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單并能實現(xiàn)姿態(tài)控制，專利(公開號為W02014/150526)中公開了一種微型飛行器的被動旋翼控制機構(gòu)，具體公開了利用輪軸將驅(qū)動電機的動力傳遞至一對螺旋槳的葉片上，以實現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制，并在輪軸與螺旋槳之間分別安裝了一對鉸鏈。然而，這種結(jié)構(gòu)卻存在著如下缺陷:由于鉸鏈軸線不與動力主軸垂直，導致在螺旋槳圍繞鉸鏈擺動時，螺旋槳的重心與動力主軸之間的距離發(fā)生了變化，因此，螺旋槳所受的向心力會與螺旋槳受到的控制力相耦合，尤其在高轉(zhuǎn)速下該螺旋槳所受的向心力遠遠大于電機可以產(chǎn)生的最大控制力矩，這直接導致了在高轉(zhuǎn)速下螺旋槳葉片氣動攻角變化過小難以產(chǎn)生更大的控制力矩。而且，專利(公開號為W02014/150526)中所提供的測試參數(shù)曲線也證實了這一問題，即在其橫軸為轉(zhuǎn)速及縱軸為力矩的圖表曲線中可以看出，其控制力矩過早的到達力矩平臺期，同時耦合也給控制系統(tǒng)的精確控制帶來了不利的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種旋翼控制裝置，旨在解決現(xiàn)有技術中單旋翼飛行器的螺旋槳容易產(chǎn)生向心力耦合現(xiàn)象的技術問題。
[0010]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種旋翼控制裝置，包括:
[0011]伺服裝置，設有動力主軸；
[0012]動力傳遞組件，包括動力輸入軸、第一輸出軸和第二輸出軸，所述第一輸出軸與所述第二輸出軸同軸固定連接，且與所述動力輸入軸相垂直，所述動力輸入軸與所述動力主軸固定連接；
[0013]固定架，與所述動力主軸同軸連接；
[0014]沿所述固定架的徑向同軸設置的第一螺旋槳和第二螺旋槳，所述第一螺旋槳固定于所述固定架上并與所述第一輸出軸固定連接，所述第二螺旋槳固定于所述固定架上并與所述第二輸出軸固定連接；其中，所述第一螺旋槳的徑向軸線與所述第一螺旋槳的轉(zhuǎn)動軸線平行，所述第一螺旋槳的轉(zhuǎn)動軸線與所述動力主軸垂直，所述第二螺旋槳的徑向軸線與所述第二螺旋槳的轉(zhuǎn)動軸線平行，所述第二螺旋槳的轉(zhuǎn)動軸線與所述動力主軸垂直；
[0015]其中，所述伺服裝置產(chǎn)生的周期性旋轉(zhuǎn)角加速度而導致了周期性的轉(zhuǎn)矩變化，該周期性的轉(zhuǎn)矩變化經(jīng)所述動力傳遞組件傳遞至所述第一螺旋槳和所述第二螺旋槳，通過控制所述第一螺旋槳和所述第二螺旋槳的槳距變化來實現(xiàn)對飛行器俯仰和橫滾自由度的控制。
[0016]進一步地，所述固定架包括固定安裝所述第一螺旋槳和所述第二螺旋槳的安裝圓環(huán)以及設置于所述安裝圓環(huán)內(nèi)并設有安裝孔的支架部，所述動力主軸穿過所述安裝孔與所述動力輸入軸固定連接。
[0017]進一步地，所述旋翼控制裝置還包括限制所述動力主軸與所述固定架相對位移且為環(huán)狀的柔性元件，所述柔性元件固定于所述動力主軸與所述安裝孔的孔壁之間。
[0018]進一步地，所述第一螺旋槳包括固定安裝于所述安裝圓環(huán)上并與所述第一輸出軸同軸固定連接的第一傳動軸以及與所述第一傳動軸固定連接的第一葉片；所述第二螺旋槳包括固定安裝于所述安裝圓環(huán)上并與所述第二輸出軸同軸固定連接的第二傳動軸以及與所述第二傳動軸固定連接的第二葉片。
[0019]進一步地，所述動力傳遞組件還包括具有動力輸入端和動力輸出端的萬向節(jié)機構(gòu)以及與所述萬向節(jié)機構(gòu)連接并設有所述第一輸出軸和所述第二輸出軸的安裝框，其中，所述動力輸入軸設置于所述萬向節(jié)機構(gòu)的動力輸入端，所述第一輸出軸設置于所述萬向節(jié)機構(gòu)的動力輸出端。
[0020]進一步地，所述萬向節(jié)機構(gòu)為普通萬向節(jié)、準等速萬向節(jié)、等速萬向節(jié)、十字軸式萬向節(jié)、雙聯(lián)式萬向節(jié)、三軸式萬向節(jié)、球籠式萬向節(jié)、球差式萬向節(jié)或者繞性萬向節(jié)。
[0021]進一步地，所述動力傳遞組件還包括與所述動力輸入軸同軸固定連接的第一齒輪、轉(zhuǎn)動安裝于所述第一輸出軸上的第二齒輪以及固定安裝于所述第二輸出軸上并與所述第二齒輪位于所述第一齒輪相對兩側(cè)的第三齒輪，所述第二齒輪和所述第三齒輪與所述第一齒輪嗤合。
[0022]進一步地，所述伺服裝置包括:
[0023]電機，具有所述動力主軸；
[0024]旋轉(zhuǎn)位置傳感器，固定連接于所述電機并用于檢測所述電機轉(zhuǎn)動的相對位置；
[0025]控制系統(tǒng)，接收所述旋轉(zhuǎn)位置傳感器的相對位置信號并控制所述電機，以使所述電機的角加速度產(chǎn)生周期性變化。
[0026]進一步地，所述控制系統(tǒng)包括姿態(tài)控制器和電機控制器；
[0027]所述姿態(tài)控制器接收飛行員的命令信號和來自慣性量測單元的飛行器姿態(tài)信號，根據(jù)預先設定的程序算法生成