一种螺旋桨锁桨装置及飞行器的制作方法

1.本实用新型涉及飞行器领域，尤其涉及一种螺旋桨锁桨装置及飞行器。


背景技术：

2.复合翼飞行器是一种将固定翼和旋翼组合的飞行器，其同时设置有旋翼和固定翼，具备多旋翼飞行器的垂直起落功能和固定翼飞行器的高速飞行的能力，因此，受到业内人士的广泛关注。
3.复合翼飞行器的飞行过程通常包含起飞悬停(takeoff hover)、爬升 (climb)、巡航(cruise)、俯冲(descent)和降落悬停(landing hover) 等阶段。在爬升和巡航阶段，飞行器的旋翼无需工作，飞行器主要依靠固定翼转动产生的空气推力克服重力，在此过程中，如果飞行器旋翼的锁桨位置不恰当，将产生不必要的空气阻力，影响复合翼飞行器的续航能力。在俯冲阶段，旋翼同样无需工作，飞行器通常只依靠机翼的空气阻力进行减速，如果旋翼的锁桨位置不恰当，将会使其产生的空气阻力较小，导致飞行器的俯冲距离过长。
4.然而，根据现有技术，飞行器的旋翼锁止位置比较随机，因此比较容易出现爬升和巡航阶段，旋翼产生的空气阻力过大，而在俯冲阶段，旋翼产生的空气阻力则较小的情况，影响飞行器的续航能力，或使飞行器的俯冲距离过长。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了一种能够根据锁桨控制信号将螺旋桨锁止在需要的锁桨位置，以减少或增加飞行阻力的螺旋桨锁桨装置及飞行器。
6.本实用新型提供一种螺旋桨锁桨装置，包括锁桨机构和锁桨控制电路，所述锁桨机构设于螺旋桨的侧向，且所述锁桨机构的一部分能够朝向靠近或远离螺旋桨的方向运动，所述锁桨控制电路能够与一控制装置连接，以接收所述控制装置发送的桨锁控制信号，根据所述锁桨控制信号控制其通断，使所述锁桨机构的所述部分朝向靠近或远离所述螺旋桨的方向运动，将所述螺旋桨锁止于需要的锁桨位置或由锁桨位置解锁。
7.进一步地，还包括随转件，所述随转件与螺旋桨相连，且能够随螺旋桨一起转动，所述锁桨机构的所述部分能够相对所述随转件沿所述随转件的径向运动，当所述锁桨机构与所述随转件锁止时，所述螺旋桨锁止于需要的锁桨位置，当所述锁桨机构与所述随转件分离时，所述螺旋桨由锁桨位置解锁。
8.进一步地，所述螺旋桨锁桨装置设于与螺旋桨相连的电机上，所述电机包括电机定子和电机转子，所述随转件为位于所述电机转子底部的限位环，所述限位环具有沿其周向排列的多个限位孔，所述螺旋桨锁桨装置包括与所述限位孔对应的多个锁桨机构，所述锁桨机构设于所述限位环的周围，当所述螺旋桨需要锁止时，与需要的锁桨位置对应的锁桨机构的一部分沿所述限位环的径向运动，卡入对应的限位孔内，当所述螺旋桨需要解锁时，所述锁桨机构的所述部分由对应的限位孔内脱出。
9.进一步地，所述限位孔包括能够将螺旋桨锁止于横桨位置的横桨限位孔和能够将
螺旋桨锁止于顺桨位置的顺桨限位孔，当所述锁桨机构的所述部分卡入横桨限位孔内时，所述螺旋桨的延展方向与飞行方向相垂直，当所述锁桨机构的所述部分卡入顺桨限位孔内时，所述螺旋桨的延展方向与飞行方向相平行。
10.进一步地，所述锁桨机构包括限位销、永磁铁和电磁铁，所述永磁铁和所述电磁铁均位于所述限位销上，所述电磁铁通电后与所述永磁铁产生吸引和/或排斥力，以使所述限位销的一部分能够沿所述限位环的径向运动。
11.进一步地，所述锁桨机构还包括位于所述限位销和所述电机之间的弹性元件，所述弹性元件在所述锁桨控制电路断电时将所述限位销压入所述限位孔内。
12.进一步地，所述限位销在靠近所述随转件的一端的外表面涂有耐磨材料。
13.进一步地，所述锁桨控制电路包括电源和开关元件，所述开关元件用于控制所述锁桨控制电路的导通和断开。
14.本实用新型还提供一种飞行器，包括上述的螺旋桨锁桨装置。
15.进一步地，所述飞行器为复合翼飞行器，其包括悬停螺旋桨和尾推螺旋桨，所述螺旋桨锁桨装置用于将所述悬停螺旋桨锁止在需要的锁桨位置或由锁桨位置解锁。
16.本实用新型能够根据锁桨控制信号将螺旋桨锁止在需要的锁桨位置，以在需要时减少或增加飞行阻力。
17.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
18.图1为利用本实用新型锁桨装置的螺旋桨位置控制系统的系统框图。
19.图2为本实用新型实施例中的螺旋桨在顺桨位置时的示意图。
20.图3为本实用新型实施例中的螺旋桨在横桨位置时的示意图。
21.图4为本实用新型中电机的爆炸图。
22.图5为本实用新型中锁桨装置的示意图。
23.图6为本实用新型中锁桨装置的部分结构的示意图。
24.图7为本实用新型中限位环的示意图。
25.图8为利用本实用新型锁桨装置的螺旋桨位置控制方法的示意图。
具体实施方式
26.为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型详细说明如下。
27.如图1所示，利用本实用新型锁桨装置的螺旋桨位置控制系统包括控制装置10、位置传感器30、电机20、以及锁桨装置60。
28.其中，电机20与飞行器的螺旋桨固定连接，能够驱动螺旋桨旋转，位置传感器30设于电机20上，且与控制装置10信号连接，用于感测螺旋桨的当前位置并将螺旋桨的当前位置反馈给控制装置10。控制装置 10与电机20信号连接，其用于获取飞行需求，并根据飞行需求发送电机控制需求，电机控制需求包括减速需求和加速需求，电机20用于根据电机控
制需求控制电机转速并向控制装置10实时反馈电机转速。控制装置10还与锁桨装置60信号连接，其能够根据飞行需求确定桨锁控制需求，桨锁控制需求包括螺旋桨释放需求、螺旋桨锁止需求和锁桨位置需求，当桨锁控制需求为螺旋桨锁止需求时其同时包括锁桨位置需求，控制装置10根据桨锁控制需求，并结合电机转速和螺旋桨的当前位置在合适的时机向锁桨装置60发送桨锁控制信号，桨锁控制信号包括螺旋桨锁止信号和螺旋桨释放信号。锁桨装置60用于根据桨锁控制信号将螺旋桨锁定在需要的锁桨位置或由锁桨位置解锁。
29.需要说明的是，本实用新型中的飞行需求为螺旋桨使用设备的飞行需求，例如飞行器或飞行汽车的飞行需求，其包括需要降低螺旋桨阻力的第一飞行需求和需要增加螺旋桨阻力的第二飞行需求，还包括停机需求和悬停需求，具体而言，第一飞行需求包括巡航需求和爬升需求，第二飞行需求包括俯冲需求，悬停需求包括起飞悬停需求和降落悬停需求，当控制装置10获取的飞行需求为第一飞行需求时，对应的桨锁控制需求为顺桨锁桨需求，如图2所示，当螺旋桨位于顺桨位置时，螺旋桨的延展方向(即螺旋桨的长度方向)与飞行方向平行，以减小飞行时产生的阻力、延长续航时间；当控制装置10获取的飞行需求为第二飞行需求时，对应的桨锁控制需求为横桨锁桨需求，如图3所示，当螺旋桨位于横桨位置时，螺旋桨的延展方向与飞行方向呈交叉态(例如垂直态)，以增大飞行时产生的阻力，使飞行器快速降落，缩短飞行器俯冲距离。当控制装置10获取的飞行需求为悬停需求时，对应的桨锁控制需求为螺旋桨释放需求，当控制装置10获取的飞行需求为停机需求时，对应的桨锁控制需求为横桨锁桨需求或顺桨锁桨需求，由于停机状态为飞行器的常规状态，因此停机需求对应的锁桨位置具体可根据需要进行设置。
30.在本实用新型中，螺旋桨的延展方向与飞行方向平行不仅包括螺旋桨刚好与飞行方向平行的情况，也包括螺旋桨与飞行方向接近平行的情况。螺旋桨的延展方向与飞行方向交叉不仅包括螺旋桨刚好与飞行方向垂直，即二者之间形成90度夹角的情况，也包括螺旋桨与飞行方向的垂直方向之间形成一定夹角，例如
±
(3～5)度的夹角的情况。
31.进一步地，请继续参阅图1，本实用新型中的控制装置10包括飞行管理计算机(fcc)11和调速器12。
32.其中，飞行管理计算机11能够通过与操控装置(例如遥控器、飞行汽车方向盘或控制器)的交互获取飞行需求信号，并根据飞行需求信号发送电机控制需求，以期控制电机20减速或升速；飞行管理计算机11 还能够根据飞行需求信号确定桨锁控制需求，通过与电机20和位置传感器30的交互获取当前的电机转速和螺旋桨的当前位置信号，并根据桨锁控制需求，在需要时结合电机转速和螺旋桨的当前位置发送桨锁控制信号。调速器12与飞行管理计算机11、电机20、位置传感器30、以及锁桨装置60信号连接，用于将电机控制需求和桨锁控制信号处理后传给电机20和锁桨装置60，并将当前的电机转速和螺旋桨的当前位置信号反馈给飞行管理计算机11。
33.在本实施例中，调速器12为电子调速器esc，调速器12与飞行管理计算机11通过can总线或pwm连接，其能够接收飞行管理计算机 11发送的电机油门信号，将电机油门信号解析后转化为电机转速信号，并将其发送给电机20，电机20根据接收的电机转速信号调整转速并向调速器12实时反馈电机转速，同时，位置传感器30也向调速器12实时反馈螺旋桨的当前位置，调速器12再通过can总线或pwm将电机转速和螺旋桨的当前位置反馈给飞行管理计算机11。调速器12还接收飞行管理计算机11发送的桨锁控制信号，将桨锁控制信号解
析并转化后传给锁桨装置60，锁桨装置60根据桨锁控制信号锁止或解锁螺旋桨。
34.如图4所示，本实施例中的电机20为直流无刷电机，其包括电机定子22、电机转子21和电机底座23。电机定子22固定于电机底座23 上，其包括若干定子绕组。电机转子21插设于电机定子22中部的轴孔内，与电机定子22可转动连接，并能够带动螺旋桨同步旋转。
35.位置传感器30包括传感器转子31和传感器定子32，传感器转子 31与电机转子21固定连接，能够与电机转子21同步旋转，传感器定子 32与电机定子22均固定于电机20的固定部分，二者的位置相对固定，传感器定子32用于获取传感器转子31在转动过程中相对传感器定子32 所处的位置。
36.具体而言，传感器转子31包括若干磁极，这些磁极包括沿传感器转子31的周向均匀排布的若干n极磁钢和s极磁钢，n极磁钢和s极磁钢在传感器转子31的周向交替排列，本实施例中的n极磁钢和s极磁钢均为扇形，且n极磁钢和s极磁钢的宽度最好相等，可以理解的，在本实用新型的其它实施例中，n极磁钢和s极磁钢的宽度也可以不等。这些n极磁钢和s极磁钢可以通过粘贴等方式固定于电机转子21的内圈，也可以直接将电机转子21加工成具有周向交替排列的n极磁钢和s 极磁钢的转子，将电机转子21和传感器转子31合二为一。
37.传感器定子32包括若干组相互对应的铁芯321、线圈322和位置感测元件323。其中，线圈322绕设于铁芯321上，位置感测元件323和铁芯321一一对应，每个铁芯321的旁边均设有一个位置感测元件323，且铁芯321和位置感测元件323按一定的间隔、等距均匀地沿电机底座 23的周向安装于电机底座23上，绕电机定子22的周向排列于电机定子 22的外围。位置感测元件323与线圈322通过线路连接，在传感器转子 31的转动过程中，位置感测元件323可以感测到转动过程中的磁场变化，并在线圈322内体现为电流或电压的变化，从而使位置传感器30的处理芯片可以根据线圈322内电流或电压的变化得知传感器转子31的位置变化。
38.需要说明的是，本实施例中的位置传感器30为磁敏式位置传感器，例如霍尔传感器，对应的位置感测元件323为霍尔元件，可以理解的，在本实用新型中，也可以采用其它类型的位置传感器30，例如光电式位置传感器、电磁式位置传感器等。
39.还需要说明的是，在本实施例中，控制装置10根据桨锁控制需求，并在需要时结合电机转速和位置传感器30感测的螺旋桨的当前位置发送桨锁控制信号，可以理解的，在本实用新型的其它实施例中，也可以不设置位置传感器30，而直接利用电机20的定子绕组内产生的反感生电动势来感测螺旋桨的当前位置，并利用电机20与调速器12和飞行管理计算机11的交互将螺旋桨的当前位置信号反馈给飞行管理计算机11。
40.如图5和图6所示，锁桨装置60包括随转件61、锁桨机构62及锁桨控制电路63。其中，随转件61与螺旋桨相连，且能够随螺旋桨一起转动。本实施例中，随转件61为设于电机转子21底部的限位环，该限位环包括沿其周向排列的多个限位孔61a。如图7所示，限位环上设有四个限位孔61a，这些限位孔61a分别与顺桨状态f和横桨状态h的锁桨位置对应，本实施例中的限位孔61a沿限位环的径向延伸，其截面形状为圆形，且限位孔61a外端的孔径大于限位孔61a内端的孔径，以便于锁桨机构62卡入限位环的对应限位孔61a内。
41.请继续参阅图5和图6，锁桨装置60包括与限位孔61a对应的多个锁桨机构62，在本实施例中可以设置四个锁桨机构62，也可以仅设置两个锁桨机构62，这两个锁桨机构62分别为顺桨位置的锁桨机构和横桨位置的锁桨机构，当然，在要求更多个锁桨位置的实施例
中，锁桨机构的数量也要相应调整。这些锁桨机构62位于螺旋桨的侧向，固定于电机20的固定部分上。本实施例中，锁桨机构62可以设于电机定子22 的内侧，也可以设于电机底座23上，位于电机定子22的下方。当锁桨装置60收到桨锁控制信号时，与需要的锁桨位置对应的锁桨机构62的一部分沿随转件61的径向运动，与随转件61锁止或分离，将螺旋桨锁止于需要的锁桨位置或由锁桨位置解锁。
42.具体地，锁桨机构62包括限位销62a、永磁铁62b、电磁铁62c、以及弹性元件62d。其中，限位销62a的靠近限位环的一端的直径逐渐减小，以与对应的限位孔61a相对应。为了增加限位销62a的耐磨性，限位销62a靠近限位环一端的表面上还涂有石墨等耐磨材料。永磁铁62b 呈环状，固定于限位销62a的外侧，能够和限位销62a一起运动。电磁铁62c套设于限位销62a外并与电机20的固定部分连接。电磁铁62c 包括铁芯和缠绕于铁芯上的线圈，在本实施例中，当电磁铁62c通电时，其靠近永磁铁62b的一端产生的磁场的极性与永磁铁62b的靠近电磁铁62c的一端的极性相反，使二者可以相互吸引，使限位销62a从图6的a 位置运动到b位置，而从限位孔61a中脱出。弹性元件62d位于限位销 62a和电机20的固定部分之间，用于为限位销62a提供弹性推力，将限位销62a压入限位孔61a中。
43.锁桨控制电路63设于电机20的电路板上，与电磁铁62c的线圈相连，其包括电源63a和开关元件63b，本实施例中的开关元件63b可以为继电器、二极管等，其能够根据桨锁控制信号导通或断开锁桨控制电路63，使电磁铁62c能够产生吸力，将限位销62a从限位孔61a中拉出，或使电磁铁62c的吸力消失，使限位销62a能够在弹性力的作用下卡入限位孔61a中。
44.在本实施例中，限位销62a在常态下卡于限位孔61a中，将螺旋桨锁定在锁桨位置，当控制装置10接收到飞行需求信号，飞行模式从需要锁桨的模式切换为需要释放螺旋桨的模式，例如从停机模式切换为起飞悬停模式、从俯冲模式切换为降落悬停模式时，控制装置10向锁桨装置60和电机20发送螺旋桨释放信号和电机控制需求，开关元件63b 根据螺旋桨释放信号导通锁桨控制电路63，使电磁铁62c对限位销62a 产生吸力，将限位销62a从限位孔61a中拉出，同时电机20根据电机控制需求启动电机。
45.当控制装置10根据飞行需求信号判断飞行器从需要释放螺旋桨的模式切换为需要锁桨的模式，例如从起飞悬停模式切换为爬升/巡航模式、从降落悬停模式切换为爬升/巡航模式或停机模式时，控制装置10 根据飞行需求向锁桨装置60和电机20发送锁桨位置需求和减速需求，电机20在减速需求的控制下开始减速并向控制装置10实时反馈电机转速，当电机转速降至设定转速(该设定转速根据试验预先设定好)时，控制装置10则根据锁桨位置需求、电机转速、以及位置传感器30反馈的螺旋桨当前位置在合适的时机发送螺旋桨锁止信号，开关元件63b根据螺旋桨锁止信号切断锁桨控制电路63，使限位销62a在弹性力的作用下向外弹出，卡入对应的限位孔61a中，将螺旋桨锁定在需要的锁桨位置。
46.当控制装置10根据飞行需求信号判断飞行器需要从一种锁桨模式切换为另一种锁桨模式，例如需要从爬升模式、巡航模式等顺桨模式切换为俯冲模式等横桨模式时，控制装置10同时向锁桨装置60和电机20 发送螺旋桨释放信号和加速需求，开关元件63b根据螺旋桨释放信号导通锁桨控制电路63，使电磁铁62c对限位销62a产生吸力，将限位销62a 从限位孔61a中拉出，同时电机20在加速需求的控制下开始旋转，接着，控制装置10根据锁桨位置需求、螺旋桨的当前位置信号和电机转速在合适的时机发送螺旋桨锁止信号，控制开
关元件63b根据螺旋桨锁止信号切断锁桨控制电路63，使限位销62a在弹性力的作用下向外弹出，将螺旋桨锁定在横桨位置，使锁桨位置的切换能够跟随飞行模式的切换。
47.需要说明的是，在本实施例中，限位销62a在常态下卡于限位孔61a 中，将螺旋桨锁定在横桨位置或顺桨位置，而在需要时才从限位孔61a 中脱出，可以理解地，在本实用新型的其它实施例中，限位销62a在常态下也可以处于从限位孔61a中脱出的状态，而在需要时才卡入对应的限位孔61a中，将螺旋桨锁止于需要的锁桨位置。
48.另外，本实施例中是利用弹性元件62d的弹性力将限位销62a推入限位孔61a中，可以理解地，本实用新型也可以不使用弹性元件62d，而采用在电磁铁62c中通入不同方向电流的方式，在不同的需求状态下在电磁铁62c和永磁铁62b之间产生吸引力或排斥力，将限位销62a推入限位孔61a中或由限位孔61a中拉出。
49.进一步地，本实用新型还提供一种飞行器，其包括前述的螺旋桨位置控制系统。
50.具体地，如图2及图3所示，该飞行器为复合翼飞行器，其包括四个悬停螺旋桨40和一个尾推螺旋桨50，本实用新型的螺旋桨位置控制系统用于根据飞行需求控制悬停螺旋桨40在所需的锁桨位置停止或由锁桨位置解锁。可以理解的，本实用新型的螺旋桨位置控制系统也可以用于控制尾推螺旋桨50在锁桨位置停止或由锁桨位置解锁。并且，本实用新型不限制悬停螺旋桨40和尾推螺旋桨50的数量。
51.请一并参阅图8，进一步地，本实用新型还提供一种螺旋桨位置控制方法，其包括：
52.步骤s1：获取飞行需求；
53.步骤s2：根据飞行需求确定电机控制需求和桨锁控制需求；
54.步骤s3：根据电机控制需求控制电机并反馈电机转速；
55.步骤s4：根据桨锁控制需求和电机转速至少其中之一发送桨锁控制信号；
56.步骤s5：根据桨锁控制信号控制螺旋桨在需要的锁桨位置停止或由锁桨位置解锁。
57.其中，步骤s1中的飞行需求包括停机需求、起飞悬停需求、爬升需求、巡航需求、俯冲需求、降落悬停需求，步骤s2中的电机控制需求包括加速需求和减速需求，桨锁控制需求包括螺旋桨释放需求、螺旋桨锁止需求和锁桨位置需求，当桨锁控制需求为螺旋桨锁止需求时其同时包括锁桨位置需求，本实用新型中的锁桨位置需求包括顺桨锁桨需求和横桨锁桨需求。
58.当飞行需求由停机需求切换为起飞悬停需求时，电机由停止状态开始工作，对应的电机控制需求为加速需求，对应的桨锁控制需求为螺旋桨释放需求；当飞行需求由起飞悬停需求切换为爬升/巡航需求时，电机需要由工作状态切换为锁桨状态，对应的电机控制需求为减速需求，对应的桨锁控制需求为顺桨锁桨需求；当飞行需求由爬升/巡航需求切换为俯冲需求或由俯冲需求切换为爬升/巡航需求时，电机需要由一种锁桨状态切换为另一种锁桨状态，对应的电机控制需求先后为加速需求和减速需求，对应的桨锁控制需求为横桨锁桨需求或顺桨锁桨需求；当飞行需求由俯冲需求切换为降落悬停需求时，电机需要由锁桨状态切换为工作状态，对应的电机控制需求为加速需求，对应的桨锁控制需求为螺旋桨释放需求；当飞行需求由起飞悬停需求切换为降落悬停需求，或者由降落悬停需求切换为起飞悬停需求时，电机维持工作状态不变，对应的桨锁控制需求维持不变，但由于电机转速可能会发生变化，因此，对应的电机控制需求可能为加速需求也可能为减速需求。
59.进一步的，本实用新型的螺旋桨位置控制方法还包括：
60.步骤s6：获取螺旋桨的当前位置；
61.在此情况下，步骤s4(根据桨锁控制需求和电机转速至少其中之一发送桨锁控制信号)包括：
62.根据桨锁控制需求、螺旋桨的当前位置和电机转速发送桨锁控制信号。
63.需要说明的是，本实用新型的螺旋桨位置控制方法中，各步骤的顺序并不限于上面所述的顺序，其还可以根据需要进行合理的调整。
64.综上，本实用新型能够根据飞行需求确定桨锁控制需求，并根据桨锁控制需求和电机转速至少其中之一控制锁桨装置将螺旋桨锁定在需要的锁桨位置或由锁桨位置解锁，实现了在不增加额外飞行器部件的前提下控制悬停螺旋桨的位置，对飞行器螺旋桨的位置控制精准有效，且以较小的成本增加了飞行器的续航时间，减少降落所需时间。
65.以上，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。