一种飞行器及其控制方法

1.本发明属于航空技术领域，尤其涉及一种飞行器及其控制方法。


背景技术：

2.现有的无人机系统具有成本低、起飞着陆灵活等优点，可以装载配套任务载荷实现多种飞行任务，应用范围广，尤其是其中的电驱动类旋翼无人机应用更为广泛。
3.但是现有的电驱动类旋翼无人机在应用过程中仍然存在许多问题，其中比较突出的便是机动性差，不能满足低空侦查、应急救援、物流配送、环境监测多种复杂环境的起降和飞行需求。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.本发明的目的是提供一种飞行器及其控制方法以解决上述问题。
6.(二)技术方案
7.为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种飞行器，包括：
8.机体；
9.多个一级涵道，分别与所述机体连接；
10.多个二级涵道，一一对应设置在所述一级涵道下方，所述二级涵道的直径小于所述一级涵道的直径；以及
11.多个第二连接装置，一一对应将所述二级涵道与所述机体连接，所述第二连接装置用于使所述二级涵道在上半球面内三维旋转；
12.其中，所述一级涵道与所述二级涵道共轴对转设置。
13.在一个可选的实施例中，所述第二连接装置包括第一连接臂、第二连接臂和底座，所述底座与所述机体固定，所述第二连接臂的一端与所述底座固定，所述第二连接臂的另一端与所述第一连接臂铰接，所述第一连接臂与所述二级涵道连接，
14.其中，所述第二连接臂沿着所述机体的横轴方向设置，并且所述第二连接臂的一端可相对其另一端围绕所述第二连接臂的轴向旋转，所述第一连接臂可围绕所述机体的纵轴摆动。
15.在一个可选的实施例中，所述第一连接臂和所述第二连接臂内分别安装有相应的第三驱动电机和齿轮传动机构，所述第二连接臂内的所述第三驱动电机用于驱动所述第二连接臂的一端相对其另一端围绕所述第二连接臂的轴向旋转，所述第一连接臂内的所述第三驱动电机用于驱动所述第一连接臂围绕所述机体的纵轴摆动。
16.在一个可选的实施例中，所述第一连接臂为镂空状结构。
17.在一个可选的实施例中，所述第一连接臂的一端与所述二级涵道连接，所述第一连接臂的另一端设置有连接耳结构，所述连接耳结构与所述第二连接臂的一端铰接。
18.在一个可选的实施例中，所述飞行器还包括第一连接装置，所述第一连接装置将
所述一级涵道与所述机体连接，所述第一连接装置适于使所述一级涵道朝向所述机体的前后方向倾转。
19.在一个可选的实施例中，所述一级涵道内设置有一级风扇；所述一级涵道为两个，所述第一连接装置为轴体结构，所述第一连接装置沿着横向穿过所述机体，两个所述一级涵道布置在所述第一连接装置的两端，
20.所述飞行器还包括：
21.第一驱动电机，与所述一级风扇连接，所述第一驱动电机用于驱动所述一级风扇旋转；
22.主轴座，设置在所述一级涵道内，所述第一驱动电机安装在所述主轴座处，所述主轴座与所述第一连接装置的轴端连接；以及
23.多个固定梁，围绕所述主轴座设置，所述固定梁将所述主轴座与所述一级涵道连接。
24.在一个可选的实施例中，所述的飞行器为无人飞行器，所述机体的机舱被地板分割为上下两层，所述地板下设置有电池，载荷舱设置于所述地板上的机头处，设备舱设置于所述地板上的机尾处，支撑结构布置在所述载荷舱与所述设备舱之间，所述支撑结构用于支撑所述第一连接装置，所述支撑结构附近布置有第四驱动电机，所述第四驱动电机与所述第一连接装置之间设置有齿轮传动装置，所述第四驱动电机、所述齿轮传动装置与所述第一连接装置依次连接。
25.根据本发明的另一个方面，提供一种飞行器控制方法，用于控制所述的飞行器，包括：
26.控制多个所述第二连接装置，使相应的多个所述二级涵道同时围绕所述机体的横轴朝向同一侧进行俯仰运动，使所述飞行器前进或后退；
27.控制相应的所述第二连接装置，使所述机体左右两侧的所述二级涵道围绕所述机体的横轴朝相反方向进行俯仰，使所述飞行器向左偏航或向右偏航；
28.增大所述机体左右两侧的所述二级风扇的转速差，使所述飞行器向左滚转或向右滚转。
29.在一个可选的实施例中，所述飞行器左右两侧的所述一级涵道对称布置并适于朝向所述机体的前后方向倾转，
30.控制所述飞行器左右两侧的所述一级涵道与所述二级涵道同时围绕所述机体的横轴朝向同一侧进行俯仰运动，使所述飞行器前进或后退。
31.(三)有益效果
32.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
33.二级涵道可以指向空间内上半球面的各个方向，使二级涵道可以实现三维矢量旋转，从而控制飞行器进行相应的悬停、前飞、偏航、横滚；而且，本发明中完全依靠上下同轴布置的一级涵道和二级涵道为飞行器提供推力和升力，并缩小二级涵道直径可降低二级涵道和二级风扇的整体结构重量，由此可降低第二连接装置控制二级涵道旋转的难度，从而使二级涵道更容易被操控旋转；另外，利用二级涵道直径小于一级涵道直径的优势，使二级涵道无论如何旋转，始终保持在一级风扇的尾流中，并利用一级风扇的尾流具有收缩加速的流场特征，通过合理的设计可以提高二级风扇的飞行效率，使二级风扇在一定的来流速
度下具有较高效率。
34.从而提高对二级涵道的控制精度，使飞行器操控性更强，使飞行器控制灵活性，提高飞行器的机动性。以满足低空侦查、应急救援、物流配送、环境监测等多种复杂环境下使用需求。
附图说明
35.图1是本发明具体实施方式的所述飞行器的一个结构示意图；
36.图2是本发明具体实施方式的所述飞行器的另一个结构示意图；
37.图3是本发明具体实施方式的所述二级涵道、所述二级风扇和所述第二连接装置相互连接的结构示意图；
38.图4是本发明具体实施方式的所述第二连接装置的结构示意图；
39.图5是本发明具体实施方式的所述二级涵道的结构示意图；
40.图6是本发明具体实施方式的所述机体的示意性侧视图；
41.图7是本发明具体实施方式的所述机体内的结构示意图。
42.附图标记：
43.100机体、110地板、120电池、130载荷舱、140设备舱、150支撑结构、210一级涵道、220一级风扇、310二级涵道、320二级风扇、400第二连接装置、410第一连接臂、420第二连接臂、430底座、440连接耳结构、500起落架、610第一连接装置、620主轴座、630多个固定梁。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
45.在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
46.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
47.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
48.以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
49.对于不涉及本发明改进点的已有部件，将简单介绍或者不介绍，而重点介绍相对于现有技术作出改进的组成部件。
50.另外，需要说明的是，附图标记的x轴可以用于表示飞行器的纵轴方向，也就是飞
行器的前后方向，附图标记的y轴可以用于表示飞行器的横轴方向，也就是飞行器的左右方向，附图标记的z轴可以用于表示飞行器的竖向，也就是飞行器的上下方向，而且附图标记的x、y、z轴仅用于辅助解释说明，不起任何的限定作用。
51.参见图1至图4，本发明旨在保护一种飞行器，包括：机体100、一级涵道210、二级涵道310以及第二连接装置400。
52.一级涵道210设置在机体100周围，一级涵道210内设置有一级风扇220，一级涵道210与机体100连接；二级涵道310设置在一级涵道210下方，二级涵道310的直径小于一级涵道210的直径，二级涵道310内设置有二级风扇320；第二连接装置400将二级涵道310与机体100连接，第二连接装置400可以使二级涵道310围绕机体100在上半球面内三维旋转；其中，一级涵道210与二级涵道310共轴对转设置。
53.需要说明的是，在本发明的实施例中，多个一级涵道210可以是偶数个或奇数个，这些一级涵道210即可以是围绕机体100均布设置，这些一级涵道210也可以是对称布置在机体100的左右两侧或者前后两侧，因此一级涵道210具体如何布置，要根据飞行器的设计需求而定。
54.另外，需要说明的是，这里的第二连接装置400可以使二级涵道310围绕机体100在上半球面内三维旋转，可以是第二连接装置400使二级涵道310围绕机体100的横轴，也就是y轴旋转，然后第二连接装置400使二级涵道310围绕机体100的纵轴，也就是x轴旋转，前述绕纵轴和横轴旋转的效果叠加可使得二级涵道310内的二级风扇320指向上半球面的各个方向。
55.因此这种旋转方式可以根据需要，既包括第二连接装置400使二级涵道310围绕机体100的横轴和纵轴“同时”旋转并保持在设定位置处，还包括第二连接装置400使二级涵道310围绕机体100的“横轴或纵轴”中的一个旋转并保持在设定位置处。
56.另外，需要说明的是，本发明中的一级涵道210的内径尺寸与一级风扇220的旋转直径相一致，使得一级风扇220安装在一级涵道210内时，一级风扇220与一级涵道210内壁呈间隙设置；同理，二级涵道310的内径尺寸与二级风扇320的旋转直径相一致，使得二级风扇320安装在二级涵道310内时，二级风扇320与二级涵道310内壁呈间隙设置。
57.另外，本实施例中的飞行器的底部设置有起落架500。
58.本实施例中，二级涵道310可以指向空间内上半球面的各个方向，使二级涵道可以实现三维矢量旋转，从而控制飞行器进行相应的悬停、前飞、偏航、横滚；利用二级涵道310直径小于一级涵道210直径，并且一级涵道210与二级涵道310共轴对转设置，使二级风扇320处于一级风扇220的尾流处，并且一级风扇220的尾流具有收缩加速的流场特征；因此，为了利用一级风扇220的尾流速度而缩小二级涵道310和二级风扇320的直径，使二级涵道310和二级风扇320直径小于一级涵道210，从而使一级风扇220的尾流可以将二级涵道310完全覆盖，提高二级风扇320的飞行效率。使二级风扇320在一定的来流速度下具有较高效率。
59.更为重要的是，缩小二级涵道310直径可降低二级涵道310和二级风扇320的整体结构重量，由此可降低第二连接装置400控制二级涵道310旋转的难度，从而使二级涵道310更容易被操控旋转，而且利用二级涵道310直径小于一级涵道210直径的优势，使二级涵道310可以指向空间内上半球面的各个方向，使二级涵道可以实现三维矢量旋转，而无论二级
涵道310如何旋转，始终保持在一级风扇220的尾流中，提高对二级涵道310的控制精度，因此使飞行器操控性更强，从而提高飞行器的控制灵活性，使飞行器的机动性更强。
60.另外，本发明的飞行器利用一级涵道210与二级涵道310共轴对转设置，使一级风扇220和二级风扇320形成对转螺旋桨布置形式，并与相应的一级涵道210、二级涵道310结合，从而形成稳定高效的共轴对转双涵道风扇结构，从而既可以发挥共轴螺旋桨大推力的性能，同时利用一级风扇220外布置的一级涵道210，以及二级风扇320外布置的二级涵道310，避免单纯使用对转螺旋桨动力单元在桨尖产生的桨尖涡而限制效率的提高，并影响飞行器起降过程中其周围安全性的问题发生，从而增大了飞行器动力单元的推力，并提高飞行器的飞行效率和总效率，并确保飞行器在起降过程中其周围安全性。
61.而第二连接装置400适于使二级涵道310围绕机体100的横轴和纵轴中的至少一个旋转并保持在设定位置处，使得二级涵道310可以同时围绕机体100的横轴和纵轴旋转，从而形成旋转效果叠加，使得二级涵道310内的二级风扇320可以指向空间内上半球面的各个方向，使二级涵道310可以实现三维矢量旋转，从而控制飞行器进行相应的悬停、前飞、偏航、横滚，具体如何操作控制，详见实施例后文，在此不再赘述。
62.而且，本实施例中完全依靠上下同轴布置的一级涵道210和二级涵道310为飞行器提供推力和升力，并未使用任何机翼结构，从而大幅度缩小飞行器占用的外部空间，因此使整个飞行器结构紧凑。
63.因此，与现有的无人机相比，该无人机利用共轴对转涵道风扇的结构特点，充分发挥了一级涵道与二级涵道的效率优势，以达到机身结构紧凑、运行效率高、推力大、机动性强、负载性能好等优点，以满足低空侦查、应急救援、物流配送、环境监测等多种复杂环境的起降和飞行需求。从而更好的满足复杂环境下使用需求。
64.优选地，二级风扇320的直径为大于等于一级风扇220直径的三分之一，并且二级风扇320的直径小于一级风扇220的直径，以使飞行器的机动性更强。
65.参见图1，在一可选实施例中，第二连接装置400包括第一连接臂410、第二连接臂420和底座430，底座430与机体100固定，第二连接臂420的一端与底座430固定，第二连接臂420的另一端与第一连接臂410铰接，第一连接臂410与二级涵道310连接，
66.其中，第二连接臂420沿着机体100的横轴方向设置，并且第二连接臂420的一端适于相对其另一端围绕第二连接臂420的轴向旋转，第一连接臂410适于围绕机体100的纵轴摆动。
67.通过“第二连接臂420的一端适于相对其另一端围绕第二连接臂420的轴向旋转”实现二级涵道310围绕机体100的横轴旋转并保持在设定位置处，并通过“第二连接臂420的另一端与第一连接臂410铰接”以及“第一连接臂410适于围绕机体100的纵轴摆动”实现二级涵道310围绕机体100的纵轴旋转并保持在设定位置处，从而实现三维矢量旋转。
68.附图未示出，在一可选实施例中，第一连接臂410和第二连接臂420内分别安装有相应的第三驱动电机和齿轮传动机构，第二连接臂420内的第三驱动电机用于驱动第二连接臂420的一端相对其另一端围绕第二连接臂420的轴向旋转，第一连接臂410内的第三驱动电机用于驱动第一连接臂410围绕机体的纵向摆动。
69.通过两个第三驱动电机、两个齿轮传动机构传动分别与相应的第一连接臂410和第二连接臂420配合，实现第一连接臂410围绕机体的纵轴摆动，以及第二连接臂420的一端
相对其另一端围绕第二连接臂420的轴向旋转。
70.参见图3和图4，在一可选实施例中，第一连接臂410为镂空状结构，第一连接臂410的一端与二级涵道连接，第一连接臂410的另一端设置有连接耳结构440，连接耳结构440与第二连接臂420的一端铰接。
71.通过镂空状结构可以降低第一连接臂410的重量，并且可以将两个第三驱动电机都集中设置在第二连接臂420处。这样既降低了第一连接臂410的重量，由便于第三驱动电机集约化设置。
72.需要说明的是，本实施例中的第三驱动电机与相应的控制器连接，控制器使相应的第三驱动电机旋转设定角度。
73.另外，可以在第一连接臂410和第二连接臂420处安装相应的旋转关节机构，通过旋转关节机构实现第二连接臂420的一端相对其另一端围绕第二连接臂420的轴向旋转，以及第一连接臂410围绕机体的纵向摆动。
74.参见图1，在一可选实施例中，一级涵道210为偶数个并分别设置在机体100的左右两侧。使飞行器整体布局合理。
75.参加图1，在一可选实施例中，飞行器还包括第一连接装置610，第一连接装置610将一级涵道210与机体100连接，第一连接装置610适于使一级涵道210朝向机体100的前后方向倾转。
76.通过第一连接装置610与一级涵道210配合，实现一级涵道210向机体100的前后方向倾转，使该飞行器既能够悬停起降，又能够实现高速巡航，尤其是一级风扇220设置在一级涵道210内，既能够保证飞行器在狭小有限的空间中悬停或起降的安全性，又能够利用一级涵道210消除一级风扇220的桨尖处产生的桨尖涡，从而提高效率，并且保证飞行器处于悬停或起降过程中的稳定性。
77.参见图7，在一可选实施例中，一级涵道210为两个，第一连接装置610为适于旋转的轴体结构，第一连接装置610沿着横向穿过机体100，两个一级涵道210布置在第一连接装置610的两端。
78.飞行器还包括：第一驱动电机、主轴座620和多个固定梁630。
79.第一驱动电机与一级风扇220连接，第一驱动电机用于驱动一级风扇220旋转；主轴座620设置在一级涵道210内，第一驱动电机安装在主轴座620处，主轴座620与第一连接装置610的轴端连接；多个固定梁630围绕主轴座620设置，固定梁630将主轴座620与一级涵道210连接。
80.通过“多个固定梁630围绕主轴座620设置，固定梁630将主轴座620与一级涵道210连接”，使一级涵道210与主轴座620固定牢固。另外，通过一根轴体结构的第一连接装置610同步控制两个一级涵道210的倾转，使一级涵道210实现倾转功能的结构简单并降低重量。
81.需要说明的是，二级涵道310和二级风扇320的支撑连接方式与前述的一级涵道210和一级风扇220相同，在此不再赘述。
82.参见图6和图7，在一可选实施例中，本实施例中的飞行器为无人飞行器，机体100的机舱被地板110分割为上下两层，地板110下设置有电池120，载荷舱130设置于地板110上的机头处，设备舱140设置于地板110上的机尾处，支撑结构150布置在载荷舱130与设备舱140之间，支撑结构150用于支撑第一连接装置610，支撑结构150附近布置有第四驱动电机，
第四驱动电机与第一连接装置610之间设置有齿轮传动装置，第四驱动电机、齿轮传动装置与第一连接装置610依次传动连接。
83.需要说明的是，这里的设备舱140可以是指用于飞机上安装电子等设备并提供其正常工作环境的专门舱段。
84.另外，这里的电池120既可以是指用于为整个无人飞行器供电的总电池120，也可以是为该飞行器内部分设备供电的，主要是针对体积大的电池120将其设置在机舱的地板110下层。而将载荷舱130、支撑结构150和设备舱140从机头向机尾依次布置，使机舱内部结构布置合理，尤其是将载荷舱130布置在机头处，可以起到对机头的配重效果。
85.附图未示出，另外，本发明还提供了一种飞行器控制方法，用于控制前述的飞行器，包括：
86.控制左右两侧的一级涵道210，同步提高或降低两级涵道转速实现总推力的增大或减小从而实现上升、下降或加速、减速。
87.控制多个第二连接装置400，使相应的多个二级涵道310同时围绕机体100的横轴朝向同一侧进行俯仰运动，使飞行器前进或后退；
88.控制相应的第二连接装置400，使机体100左右两侧的二级涵道310围绕机体100的横轴朝相反方向进行俯仰，使飞行器向左偏航或向右偏航；
89.例如，使机体100左侧的二级涵道310向前摆动，而使机体100右侧的二级涵道310向后摆动，从而使飞行器向左偏航。
90.增大机体100左右两侧的二级风扇320的转速差，使飞行器向左滚转或向右滚转。
91.例如，使机体100左侧的二级风扇320处于高速旋转，而同时使机体100右侧的二级风扇320处于低速旋转，使机体100向右滚转。
92.利用本实施例中的飞行器，并配合上述控制方法，仅仅通过对二级涵道310的转向进行控制，以及对二级风扇320转速进行控制，便实现对整个飞行器各种飞行状态的控制，从而降低了该飞行器的控制难度。
93.附图未示出，在一可选实施例中，飞行器左右两侧的一级涵道210对称布置并适于朝向机体100的前后方向倾转，
94.控制飞行器左右两侧的一级涵道210与二级涵道310同时围绕机体100的横轴朝向同一侧进行俯仰运动，使飞行器前进或后退。
95.另外，为了保证动力单元整体具有较高的效率，需要调整一级风扇220和二级风扇320的转速。一般情况下，一级风扇220和二级风扇320的转速比根据桨叶形状、直径、推力、两级桨叶间距和来流条件确定，但本发明中的转速匹配原则是调整转速使得一级风扇220和二级风扇320扭矩接近或相同，使得动力单元整体具有较高的效率；避免需要根据桨叶形状、直径、推力、两级桨叶间距和来流条件等多种参数确定一级风扇220和二级风扇320的转速比，而造成计算复杂、困难并容易出错的问题发生，从而大幅度简化一级风扇220和二级风扇320的转速比的调节方法，近而简化获得动力单元高效率的方法。具体的，利用cfd(computational fluid dynamics，即计算流体动力学)进行模拟试验验证了此结论，经过计算，具体的一级风扇220和二级风扇320转速比例约为5:8。
96.另外，利用第一连接臂410可围绕机体100的纵轴摆动的特点，可以使二级涵道310围绕机体100的纵轴向下摆动，从而增大一级涵道210和二级涵道310之间距离，以避免一级
涵道210和二级涵道310之间产生强干扰，提高二级涵道310的操纵效率和稳定性。
97.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。