斜積矢量兩軸飛行器控制結構制造技術

本發明專利技術屬于飛行技術領域，公開了一種斜積矢量兩軸飛行器控制結構。主要發明專利技術內容是改變了傳統兩軸飛行器的對稱式控制結構，通過獨特的矢量軸前略角設計，引入了兩槳反扭力疊加力矩這一新的俯仰控制力矩，通過對數學模型和實驗數據的分析，得出了此種獨特控制結構中前略角和重心位置之間的配合關系，有效地解決了兩軸飛行器俯仰控制穩定性問題。消除了傳統兩軸飛行器上容易出現的俯仰震蕩現象，其作為一種可靠、實用的新型兩軸飛行器控制結構，是替代傳統傾轉旋翼飛行器兩槳斜盤變距控制結構的理想方案。其前景在于，在滿足垂直起降飛行器穩定性要求的前提下，大幅簡化系統結構，提高飛行可靠性和效率。

【技術實現步驟摘要】
斜積矢量兩軸飛行器控制結構
本專利技術涉及飛行
，主要涉及一種飛行器，尤其涉及飛行模式轉換的雙旋翼垂直起降飛行器。
技術介紹
現有的航空飛行器主要包括以下幾類：多軸飛行器，直升機和固定翼飛機。多軸飛行器一般采用多個動力裝置對稱安裝組成，并由動力裝置直接驅動固定距螺旋槳產生升力飛行。多軸飛行器有結構簡單，維護方便的特點，但是過多的槳葉和動力裝置降低了飛行效率。而傳統直升機的主、尾槳由動力裝置經過傳動機構驅動旋轉，再通過變距機構控制主、尾槳葉的螺距集體及周期性變化，進而產生升力、反扭力及繞主軸一周的升力差來控制飛行姿態飛行。雖然直升機的槳葉和動力裝置較少，但是傳動及變距機構復雜，加上傳動損耗，效率比多軸飛行器略高。多軸飛行器和直升機都能垂直起降，且能懸停在空中和低速飛行，對于起降場地的要求不高，但是留空時間短，航速低，航程小是這兩種飛行器的主要問題。固定翼飛機具有大航程、長航時的特點，但是其不能懸停留空，且需要跑道滑跑起降，這都限制了固定翼飛機的使用范圍。盡管現有的尾座式垂直起降固定翼飛機也能實現垂直起降，但在機翼垂直于地面的起降方式下，依靠機翼上的氣動舵面保持懸停姿態控制的方法，在氣流擾動較大時效果不甚理想，能耗也非常大。但是現實中經常會遇到需要一種既對起降場地要求不要高，又能實現大航程、長航時，且節能、飛行效率高的飛行器，以適應諸如災害救援、地形線路查勘，甚至特殊情況下的長距離運輸等。目前能較好解決以上矛盾的是傾轉旋翼飛行器，它是一種可以垂直起降、空中懸停、低速前飛，并通過旋翼傾轉像固定翼飛機一樣做高速巡航飛行的獨特構型飛行器。傾轉旋翼飛機采用的是兩槳變距控制方式，可以看作是將兩架傳統直升機水平橫列固定在一起，由于兩槳對轉反扭矩抵消，所以不需要尾槳加以平衡。通過傾轉機構同步傾斜兩槳從水平于機身到垂直于機身，進而利用機翼在固定翼模式產生足夠升力，就完成了垂直起降模式到固定翼模式的轉換。這種兩槳變距控制方式本質上和傳統直升機是一樣的，其結構復雜、傳動損耗大、效率低下，在飛行器，尤其是無人機上采用這種結構是得不償失的，除非是特殊需求，一般情況下也不采用這種方式。采用定距螺旋槳并帶有固定式機翼的的傾轉多軸飛行器也是一種新型的垂直起降飛行器，可以看作是在多軸飛行器上安裝了固定式機翼，這種飛行器同時具備多軸飛行器和固定翼飛行器優點，結構簡單適合小型飛行器采用。但是，因為采用多套動力裝置及螺旋槳也存在效率低下的問題。通常來講，螺旋槳葉越大，動力裝置和槳葉越少效率越高，所以兩軸飛行器在效率和機械復雜性上做到了較好的折中。這種飛行器主要由以下幾個部分組成，動力裝置和安裝在其上的螺旋槳構成了動力總成，左右動力總成水平對稱布置在機身兩側，并安裝在左右矢量機構的矢量座上，矢量機構的底座與機架剛性鏈接。在伺服器驅動下，使安裝在矢量座上的動力總成繞矢量機構輸出軸旋轉。飛行過程中通過動力輸出方向同方向旋轉控制俯仰姿態，反方向旋轉控制偏航姿態，左右兩動力裝置差動加減速控制橫滾姿態，同步加減速控制動力大小，兩槳反扭力由槳葉相對旋轉而抵消。由此可見，兩軸飛行器的動力可矢量變化，所以其俯仰及偏航響應速度更快，而機械結構比采用斜盤變距機構的傾轉旋翼飛行器要簡單。但這種兩軸飛行器一直未能得到廣泛應用，最主要的原因是俯仰控制穩定性差。具體分析：兩軸飛行器改變俯仰姿態控制是依靠動力與重心間的距離產生俯仰力矩使機身姿態發生變化，這一控制力矩是以動力作用點到重心距離為半徑的圓周函數，而且其半徑會隨著機身姿態的變化而改變，因此該俯仰控制力矩的變化是非線性的。同時，因為槳葉的陀螺效應，矢量機構在改變動力輸出方向的過程中，會對機身主體產生反向扭矩，大小可近似為常量，這一反向扭矩與動力對重心的俯仰控制力矩方向相反，所以兩軸飛行器在俯仰控制過程中會產生震蕩。通常采用的辦法是降低重心高度，重心與動力作用點距離越大，俯仰控制力矩近似線性范圍也就越大。然而，重心偏離動力作用點的距離增大會同時增加俯仰和橫滾軸上的運動慣量，使飛行器控制變的遲鈍。這也是目前的傾轉旋翼飛行器采用兩槳斜盤變距機構的原因。槳葉螺距繞回轉軸周期變化的升力差，對回轉軸產生直接的扭矩作用，而回轉軸方向保持不變，則槳葉陀螺效應的法線方向不變，較不容易產生俯仰震蕩。
技術實現思路
本專利技術通過對幾種矢量動力的新型飛行器進行分析，并著重研究了采用直驅定距螺旋槳的兩軸飛行器俯仰震蕩產生的機理和原因，提出了新的控制理論和改進方案。設計出了一種全新類型的斜積矢量兩軸飛行器控制結構，通過不斷實驗證明其縱向穩定性大幅提高，消除了傳統兩軸飛行器上容易出現的俯仰震蕩現象，其作為一種可靠、實用的新型兩軸飛行器控制結構，是替代傳統傾轉旋翼飛行器兩槳斜盤變距控制結構的理想方案。其前景在于，在滿足垂直起降飛行器穩定性要求的前提下，大幅簡化系統結構，提高飛行可靠性和效率。為了便于描述和理解，本文定義兩軸飛行器控制結構的內坐標參考系為：α、β、γ三軸坐標系(圖1所示)；外坐標系，即大地坐標系為：X、Y、Z三軸坐標系；兩軸飛行器控制結構在兩軸飛行器中使用時，繞α軸旋轉為滾轉，繞β軸旋轉為俯仰，繞γ軸旋轉為偏航；控制動力輸出方向變化的裝置為矢量機構，矢量機構的輸出軸向為矢量軸δ和ε(圖1所示)，矢量機構輸出軸旋轉的角度為矢量角，動力總成繞矢量軸轉動，進而實現動力方向改變的過程為動力矢量過程；槳葉旋轉輸出的動力中垂直于地面控制飛行器上升、下降的分量為升力，水平于地面控制飛行器前進、后退、左、右側飛的分量為推力，在具體實施案例采用本控制結構的垂直起降方案中，其兩軸控制結構整體（內坐標系）相對翼身整體（外坐標系）發生的旋轉為傾轉，這一旋轉過程稱為旋翼傾轉過程。以上為本文中一些特定描述的定義。下面來具體分析斜積矢量兩軸飛行器控制結構與傳統兩軸飛行器控制結構在俯仰控制機理方面的異同。兩軸飛行器的姿態控制過程主要受五種力效的影響，分別是：1、槳葉旋轉沿旋轉軸方向輸出的動力。2、槳葉旋轉繞旋轉軸產生的反扭力。3、槳葉及動力裝置轉子旋轉產生的陀螺效應。4、自身重力。5、空氣阻力。其中俯仰控制過程是主要是以下兩種力的合成力矩：其一是：當矢量機構驅動兩動力總成做同方向同步偏轉時，因動力方向和重心不在同一條直線上，會產生力矩，從而使飛行器發生俯仰運動。其二是：當矢量機構驅動兩動力總成做同方向同步偏轉時，槳葉產生的反扭力方向同時發生改變。如果兩矢量機構的矢量軸相對α軸存在夾角（為便于理解，本結構在兩軸飛行器中使用時這一夾角可以理解為前略角或后略角），則動力總成會沿各自的矢量軸偏轉，進而使兩槳回轉面會呈一定夾角，此時兩槳的反扭力因回轉面夾角的存在而不能完全抵消。其結果是：兩槳的反扭力在平行于兩動力總成中心連線（β軸）上的分量因為旋轉方向相反互相抵消，而在垂直于兩動力總成中心連線（α軸）上的分量因為旋轉方向相同而相互疊加。這一疊加的反扭力也會使兩軸飛行器發生俯仰運動。需要特別指出的是如果兩個矢量機構的輸出軸共軸，即矢量軸δ和ε夾角為180°的情況，就是本文前述的傳統兩軸飛行器控制結構，其兩槳產生的反扭力始終沿矢量軸對稱抵消。所以傳統兩軸飛行器只有上述第一種俯仰控制力矩，在其他條件相同的情況下，傳統兩軸飛行器矢量軸垂直于α軸所以動力對重心產生的俯仰力矩最本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種飛行器控制結構，其特征在于：所述飛行器控制結構包括：（1）兩個動力總成；（2）兩個矢量框架；（3）兩個斜積架；（4）連接件。

【技術特征摘要】
1.一種飛行器控制結構，其特征在于：所述飛行器控制結構包括：（1）兩個動力總成；（2）兩個矢量框架；（3）兩個斜積架；（4）連接件。2.根據權利要求書2所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的各動力總成包括：動力裝置（101）；矢量座（102）；螺旋槳（103）。3.根據權利要求書3所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的動力裝置（101）是輸出軸可沿軸向旋轉運動的發動機或電動機。4.根據權利要求書3所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的螺旋槳（103）固定連接在所述的動力裝置（101）輸出軸的徑向上，并可沿所述的動力裝置（101）輸出軸做周向旋轉運動。5.根據權利要求書3所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的動力裝置（101）底座沿所述的動力裝置（101）輸出軸對稱固定連接在所述的矢量座（102）上。6.根據權利要求書2所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的各矢量框架包括：伺服基座（201）；伺服裝置（202）；伺服法蘭（203）。7.根據權利要求書7所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的伺服裝置（202）固定連接在所述的伺服基座（201）上。8.根據權利要求書3、7所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的矢量座（102）通過所述的伺服法蘭（203）沿矢量軸δ和ε連接在所述的伺服裝置（202）的輸出軸上。9.根據權利要求書1、7所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的伺服裝置（202）的輸出軸平行于所述的平面（α-β）。10.根據權利要求書3、7所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的動力總成隨所述的伺服裝置（202）輸出軸的轉動而偏轉。11.根據權利要求書2所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的各斜積架包括：斜積樑（301）；漿框（302）。12.根據權利要求書12所述的飛行器控制結構，其特征在于：所述的斜積樑（301）通過所述的漿框（302）直徑固定連接在所述的漿框（302）上。13.根據權利要求書...

【專利技術屬性】
技術研發人員：秦鵬飛，
申請(專利權)人：陜西捷恒新材料有限責任公司，秦鵬飛，
類型：發明
國別省市：陜西,61