一种旋翼飞行器和控制方法与流程

1.本发明属于飞行器设计技术领域，具体涉及一种可折叠旋翼飞行器。


背景技术：

2.旋翼飞行器普遍具有飞行时间和距离短，作战半径小等缺点，采用炮射发射方式、助推运载方式或者载机挂载投放方式，可扩大无人机的任务使用半径。现有的可折叠旋翼飞行器，分为多轴旋翼和单轴旋翼，单轴旋翼较多轴旋翼在飞行效率、折叠空间上有较大优势。一般单轴旋翼飞行器采用旋翼倾转控制，结构复杂、控制难度大，
3.现有的可折叠单轴旋翼飞行器主要为可变桨距方式进行滚转、俯仰控制，结构复杂，成本较高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可折叠单轴旋翼飞行器。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
5.本发明的技术解决方案：
6.一种旋翼飞行器，包括旋翼、机身、姿态控制装置、动力舱和导航舱，所述的导航舱位于飞行器的最前部分，所述的动力舱与所述的导航舱连接，旋翼转盘分别位于所述的动力舱的上下两个端面，分别与所述的动力舱中的两个发动机转轴固连，每个旋翼转盘上固定一组旋翼，所述的旋翼通过旋翼转盘带动转动；所述的机身与所述的动力舱相连，其尾部布置有两组所述的姿态控制装置，控制飞行器的滚转姿态。
7.进一步的，所述的导航舱内部放置导航装置，所述的导航舱尺寸可以装入发射装置中。
8.进一步的，所述的机身外侧每个侧面根据旋翼和姿态控制装置折叠后的形状和位置设置放置旋翼和姿态控制装置的凹槽，旋翼和姿态控制装置折叠后与机身的外形随形。
9.进一步的，所述的飞行器的旋翼尺寸在满足飞行器的升力要求的基础上，根据机身能设计的凹槽的最大尺寸来设计旋翼尺寸，以达到提供更大升力的目的。
10.进一步的，所述的飞行器的旋翼与转盘连接的转轴连线的中点位于旋翼前缘30％位置，即桨叶的升力焦点位置，上下层旋翼尺寸完全相同。
11.进一步的，所述的姿态控制装置包括折叠臂、姿态控制电机和桨叶，所述的折叠臂与机身铰接，所述的姿态控制电机位于折叠臂的顶端，并通过电机转轴与桨叶固连，驱动桨叶的转动。
12.进一步的，所述的桨叶为双向驱动的对称桨，可根据姿态控制电机的转动产生顺时针和逆时针两种转动方向，从而产生两种方向的拉力。
13.进一步的，所述的姿态控制装置在飞行器存放时折叠于机身外侧，在飞行器工作时，折叠臂通过扭簧弹开，姿态控制电机带动桨叶转动，对飞行器提供姿态控制。
14.根据本发明的另一方面，提供上述一种旋翼飞行器的控制方法，步骤如下：
15.飞行器脱离外部约束，旋翼展开，动力电机工作带动旋翼转动，飞行器进入悬停状态，当上下旋翼同时转速增加时，升力大于无人机重力，无人机开始加速上升；当上下旋翼同时转速降低时，旋翼产生的升力小于无人机的重力，无人机开始加速下降；
16.同时，折叠臂失去外部约束弹出，姿态控制电机带动桨叶转动，和旋翼的转动配合，调整飞行器的姿态
17.进一步的，所述的飞行器的姿态调整方法为：当无人机在悬停状态时，上下层旋翼的旋转方向相反，上下旋翼的转速差提供偏航力矩。
18.上层旋翼转向为正，下层旋翼转向为负，当上层旋翼转速提高，下层旋翼转速降低时，无人机产生负向偏航力矩，当上层旋翼转速降低，下层旋翼转速提高时，无人机产生正向偏航力矩。
19.当无人机在悬停时，无人机的姿态控制装置中的姿态控制电机正向旋转时，带动桨叶机产生反向的力矩，无人机向左滚转，无人机的姿态控制装置中的姿态控制电机负向旋转时，带动桨叶机产生正向的力矩，无人机向右滚转。
20.本发明与现有技术相比的有益效果：
21.本发明通过双层旋翼和姿态控制装置的设计，通过双层旋翼的旋转方向和姿态控制装置桨叶的旋转方向对飞行器进行姿态控制，结构简单，成本低。
附图说明
22.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
23.图1示出了根据本发明实施例提供的旋翼飞行器展开状态结构示意图；
24.图2示出了根据本发明实施例提供的旋翼飞行器折叠状态结构示意图；
25.图3示出了根据本发明实施例提供的旋翼飞行器旋翼转盘结构示意图。
26.上述附图包含以下附图标记：
27.1-导航舱，2-旋翼转轴，3-上层旋翼，4-下层旋翼，5-机身，6-旋翼折叠槽，7-姿态电机折叠槽，8-姿态螺旋桨，9-俯仰电机，10-上层旋翼转盘，11-动力电机舱，12-姿态电机折叠臂，13-滚转电机，14-连接固定块，15-下层旋翼转盘驱动电机及齿轮，16-下层旋翼转盘，17-上层旋翼转盘驱动电机及齿轮，18-滚珠。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
31.如图1所示，根据本发明实施例提供一种旋翼飞行器，包括旋翼、机身、姿态控制装置、动力舱和导航舱，导航舱位于飞行器的最前部分，动力舱与导航舱连接，旋翼转盘分别位于动力舱的上下两个端面，与动力舱中的发动机转轴固连，每个旋翼转盘上固定一组旋翼，动力舱通过旋翼转盘带动旋翼转动；机身与动力舱相连，其尾部布置有两组姿态控制装置，分别控制飞行器的俯仰和滚转姿态。
32.在本实施例中，飞行器在折叠状态下的外形为类长方体，这样更方便旋翼桨叶的折叠后的放置，在其他实施例中也可采用类圆柱体、类六面体等其他形状。
33.在本实施例中，导航舱内部放置导航装置，导航舱采用透波材质制作，便于导航信号的发射和接收，其头部的形状不做限制，只要尺寸合适，能放置到发射装置中即可。
34.在本实施例中，旋翼分为上下两层，每层旋翼有两个翼片，通过旋翼转轴与旋翼转盘相连，旋翼在折叠状态下分布在机身不同两侧，本实施例中每层两个翼片的设计是为了方便在类长方体的机身上放置折叠的翼片，若机身为其他形状，翼片的数量可以改变，如机身为类六面体，每层就可以设有三个翼片；在本实施例中，为了减小飞行器在折叠状态下的占用空间，在机身外侧每个侧面根据旋翼和姿态控制装置折叠后的形状和位置设置放置旋翼和姿态控制装置的凹槽，旋翼和姿态控制装置折叠后与机身的外形随形。
35.本实施例中，飞行器的旋翼为矩形，方便进行折叠，其长度在可折叠空间内应尽可能加长，以便获得较高的悬停驱动效率，其宽度与机身的宽度相同，以获得较大升力。
36.当无人机展开时，上下两层旋翼均可自由旋转，通过调整两层旋翼的转速来达到调整飞行器速度和偏航姿态的目的。在本实施例中，当上下旋翼同时转速增加时，升力大于无人机重力，无人机开始加速上升；当上下旋翼同时转速降低时，旋翼产生的升力小于无人机的重力，无人机开始加速下降；上层旋翼转向为正，下层旋翼转向为负，当上层旋翼转速提高，下层旋翼转速降低时，无人机产生负向偏航力矩，当上层旋翼转速降低，下层旋翼转速提高时，无人机产生正向偏航力矩。
37.在本实施例中，如图2所示，为旋翼转盘与动力舱的安装示意图，其中的连接固定块将上下层的旋翼转盘外的部件连接并固定，在每层转盘布置四个连接固定块，保证固定的强度，在旋翼转盘的内侧安装齿轮，与动力舱内的发动机转轴上固定的齿轮啮合；在旋翼转盘的上下面与导航舱、动力舱和机体的接触面上，配合挖环形槽，并在其中放置滚珠，形成平面轴承，减小旋翼转盘旋转时的摩擦力。
38.在本实施例中，姿态控制装置包括折叠臂、姿态控制电机和桨叶，折叠臂与机身通过转轴铰接，位于机身截面对角线的两端，姿态控制电机位于折叠臂的顶端，并通过电机转轴与桨叶固连，驱动桨叶的转动；桨叶为双向驱动的对称桨，可根据电机的转动产生顺时针和逆时针两种转动方向，从而产生两种方向的拉力。在本实施例中，姿态控制电机包括俯仰电机和滚转电机，分别控制飞行器的俯仰姿态控制和滚转姿态控制。
39.在本实施例中，姿态控制装置有两个，位于飞行器的尾部，分别位于飞行器横截面的对角线的两端，在飞行器存放时折叠于机身外侧，在飞行器工作时，折叠臂通过扭簧弹开，电机带动桨叶转动，对飞行器提供俯仰和滚转两个姿态控制。
40.在一个实施例中，姿态电机驱动的桨叶的长度小于折叠臂长度，以便更好的折叠，由于无人机理想状态下，依靠上下层旋翼即可获得稳定的悬停能力，无人机的姿态电机位置与重心距离较大，只需要较小的力即可产生足够的驱动力矩，故桨叶的尺寸、折叠臂的长度和电机选型应根据控制的灵活性需要做进一步计算和选型，此为本领域的公知技术，在此不再赘述。
41.根据本发明的另一方面，提供上述一种旋翼飞行器的控制方法，步骤如下：
42.步骤一，飞行器脱离外部约束，旋翼展开，动力电机工作带动旋翼转动，飞行器进入悬停状态；
43.步骤二，同时，折叠臂弹出，姿态电机带动桨叶转动，调整飞行器的姿态。
44.进一步的，所述的飞行器的姿态调整方法为：
45.当无人机在悬停状态时，上下层旋翼的旋转方向相反，上下旋翼的转速差提供偏航力矩。
46.上层旋翼转向为正，下层旋翼转向为负，当上层旋翼转速提高，下层旋翼转速降低时，无人机产生负向偏航力矩，当上层旋翼转速降低，下层旋翼转速提高时，无人机产生正向偏航力矩。
47.当无人机在悬停时，无人机的姿态控制装置中的姿态电机正向旋转时，带动桨叶机产生反向的力矩，无人机向左滚转，无人机的姿态控制装置中的姿态电机负向旋转时，带动桨叶机产生正向的力矩，无人机向右滚转。
48.综上，本发明，相比于现有技术至少具有以下优势：本发明通过双层旋翼和姿态控制装置的设计，通过双层旋翼的旋转方向和姿态控制装置桨叶的旋转方向对飞行器进行姿态控制，结构简单，成本低。
49.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
50.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本
发明保护范围的限制。
51.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。