CN109383793A - 垂直起降飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直起降飞行器及其控制方法。垂直起降飞行器包括承载体，涵道风扇设置于通道内；无级变速装置与涵道风扇相连接；驱动装置驱动无级变速装置带动涵道风扇转动；无级变速装置包括：输入轴与驱动装置相连接；输出轴的第一端与涵道风扇相连接，输出轴的第二端通过传动带与输入轴的第二端相连接；无级变速控制***，无级变速控制***与输入轴和输出轴相连接，无级变速控制***用于控制输入轴的工作半径和输出轴的工作半径，能够实现对涵道风扇转速的直接控制，从而达到对承载体的飞行姿态的及时控制，有效地缩短了承载体的飞行姿态的响应时间。

Description

垂直起降飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及垂直起降飞行设备技术领域，具体而言，涉及一种垂直起降飞行器及其控制方法。

背景技术

现有的无人机、直升机、固定翼飞机等飞行器飞行姿态控制策略中，普遍采用的有：电压控速、变桨距、改变油机节气门大小以及改变尾气气流方向(包括增加尾气导流叶片、增加倾转机构)等多种控制方式。

现有的飞行汽车的控制策略，取决于所采用的升力装置类型。升力装置是大旋翼的，一般采用变桨矩方式，但是大旋翼飞机自身存在一些不可避免的缺陷，比如飞行时旋翼直径较大、在狭小空间容易碰到障碍物，在实际的汽车行驶车道中并不占优势。而升力装置是涵道风扇的，多采用倾转式、电压控速的方式进行控制。但是倾转式飞行汽车需要复杂的机械结构，电压控速方式只局限于直接动力源是电机的形式，并且机身整体较重(无论是油机加电方式还是油机发电方式)。

目前在使用油机为动力源的飞行器姿态控制策略中，主要是通过摇杆及升降踏板，向控制器发送相应的信号，控制器根据相应的姿态控制策略，向四个发动机输出不同的信号，来改变各个油机节气门开度大小，改变发动机转速，从而改变各个涵道风扇或旋翼的转速，来达到飞行姿态控制的目的。其控制方式存在一定的弊端，并且控制***的实现存在较大困难，比如：响应时间慢，从发动机燃油化学能转化为涵道风扇产生升力做功的过程相对于电压控速方式的时间要长，油机振动大等缺陷，由于空燃比受大气温度与湿度的影响，并且空燃比与输出功率之间呈非线性关系等，这些增加了对飞行汽车姿态的控制难度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种垂直起降飞行器及其控制方法，以解决现有技术中飞行汽车姿态控制响应时间慢的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种垂直起降飞行器，包括：承载体，具有沿竖直方向延伸的通道；涵道风扇，设置于通道内；无级变速装置，无级变速装置与涵道风扇相连接；驱动装置，与无级变速装置连接；其中，无级变速装置包括输入轴、输出轴、传动带其中，输入轴的第一端与驱动装置相连接，输出轴的第一端与涵道风扇相连接，传动带同时套设在输入轴的第二端和输出轴的第二端上，在驱动装置驱动下，无级变速装置带动涵道风扇转动；无级变速装置还包括：主动轮，主动轮具有第一锥面结构，主动轮同轴设置在输入轴上；第一锥面链轮，第一锥面链轮具有第二锥面结构，第一锥面链轮套设于输入轴上，第二锥面结构与第一锥面结构相对设置而形成用于容纳传动带的第一沟槽，传动带同时与第二锥面结构和第一锥面结构相接触，第一锥面链轮可沿输入轴相对于主动轮移动；从动轮，从动轮具有第三锥面结构，从动轮同轴设置在输出轴上；第二锥面链轮，第二锥面链轮具有第四锥面结构，第二锥面链轮套设于输出轴上，第四锥面结构与第三锥面结构相对设置而形成用于容纳传动带的第二沟槽，传动带同时与第二锥面结构和第一锥面结构相接触，第二锥面链轮可沿输出轴相对于从动轮移动；无级变速控制***，无级变速控制***用于控制第一锥面链轮与主动轮之间、第二锥面链轮与从动轮之间的宽度，以通过改变输入轴和输出轴的工作半径来调整承载体的飞行姿态。

进一步地，无级变速控制***包括：第一压力缸，与第一锥面链轮相连接，第一压力缸用于驱动第一锥面链轮沿输入轴的轴向方向移动；第一压力传感器，与第一压力缸相连接，第一压力传感器用于检测第一压力缸的压力，以使第一压力缸控制第一锥面链轮的工作位置。

进一步地，无级变速控制***包括：第二压力缸，与第二锥面链轮相连接，第二压力缸用于驱动第二锥面链轮沿输出轴的轴向方向移动；第二压力传感器，与第二压力缸相连接，第二压力传感器用于检测第二压力缸的压力，以使第二压力缸控制第二锥面链轮的工作位置。

进一步地，无级变速控制***还包括：速比控制阀，速比控制阀与第一压力缸或第二压力缸连接，速比控制阀用于调节第一压力缸或第二压力缸的压力，以改变输入轴或输出轴的工作半径

进一步地，无级变速控制***还包括：压力控制阀，压力控制阀分别与所述第一压力缸和油泵连接，或者压力控制阀分别与第二压力缸和油泵连接，压力控制阀通过调节油泵的主压力，来控制第一压力缸或第二压力缸以使输入轴或输出轴的工作半径改变

进一步地，传动带包括金属环及穿设在金属环上的多个摩擦片，在摩擦片与金属环之间设有多个金属片，多个摩擦片和多个金属片均沿金属环的周向依次排列。

进一步地，摩擦片的相对两侧分别设有第一倾斜面，第一倾斜面与主动轮的第一锥面结构及第二锥面链轮的第四锥面结构接触、第二倾斜面与第一锥面链轮的第二锥面结构及从动轮的第三锥面结构接触，以使传动带张紧传动。

进一步地，无级变速控制***还包括控制器，输入轴上设置有第一转速传感器，输出轴上设置有第二转速传感器，第一转速传感器和第二转速传感器分别与控制器电连接，第一转速传感器和第二转速传感器用于检测输入轴和输出轴的转速，控制器控制油泵给第一压力缸和第二压力缸提供油压。

进一步地，垂直起降飞行器还包括控制器，控制器与无级变速装置连接，控制器用于接收主动轮和从动轮的转速信号、第一压力缸和第二压力缸的压力信号，速比控制阀和压力控制阀的控制信号，控制器根据转速信号、压力信号、控制信号以及垂直起降飞行器的操纵摇杆发出的俯仰、横滚或偏航的信号控制输入轴和输出轴的工作半径。

进一步地，无级变速装置、通道和涵道风扇设置的数量分别为多个，多个涵道风扇分别对应设置在多个通道内，多个无级变速装置分别与多个涵道风扇对应连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种垂直起降飞行器的控制方法，控制方法用于控制上述的垂直起降飞行器，其特征在于，控制方法包括以下步骤：通过控制器控制第一锥面链轮与主动轮之间、第二锥面链轮与从动轮之间的宽度，以改变输入轴和输出轴的工作半径，以调整承载体的飞行姿态。

进一步地，控制方法包括减速状态控制方法和增速状态控制方法，减速状态控制方法包括：控制无级变速控制***的第一压力缸驱动第一锥面链轮沿第一方向运动，使第一锥面链轮与主动轮之间的宽度变宽，使输入轴的工作半径减小，控制无级变速控制***的第二压力缸驱动第二锥面链轮沿第一方向运动，使第二锥面链轮与从动轮之间的宽度变窄，使输出轴的工作半径增加；增速状态控制方法包括：控制无级变速控制***的第一压力缸驱动第一锥面链轮沿与第一方向相反的第二方向运动，使第一锥面链轮与主动轮之间的宽度变窄，使输入轴的工作半径增加，控制控制无级变速控制***的第二压力缸驱动第二锥面链轮沿第二方向运动，使第二锥面链轮与从动轮之间的宽度变宽，使输出轴的工作半径减小。

进一步地，承载体具有多个无级变速装置，控制方法包括姿态调整控制方法，姿态调整控制方法包括以下步骤：控制器根据承载体的速比控制阀和压力控制阀的控制信号控制各无级变速装置的输入轴和/或输出轴的工作半径达到预设工作半径，以使承载体达到预设飞行姿态。

进一步地，控制器根据电子节气门的开度信号，控制各无级变速装置的输入轴和/或输出轴的工作半径达到预设工作半径，同时，承载体的传动控制器根据开度信号控制各驱动装置的节气门开度，以使承载体达到预设飞行姿态。

应用本发明的技术方案，通过无级变速控制***直接控制无级变速装置的输入轴和输出轴的工作半径，能够实现对涵道风扇的转速的直接控制，从而达到对承载体的飞行姿态的及时控制，有效地缩短了承载体的飞行姿态控制的响应时间。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中飞行汽车的控制***框图；

图2示出了根据本发明的垂直起降飞行器的控制***框图；

图3示出了根据本发明的垂直起降飞行器的实施例的结构示意图；

图4示出了图3中涵道与涵道风扇、无级变速装置装配结构示意图；

图5示出了图3中垂直起降飞行器处于増速状态时无级变速装置的运动状态图；

图6示出了图3中垂直起降飞行器处于减速状态时无级变速装置的运动状态图；

图7示出了图3中垂直起降飞行器的实施例的另一视角的结构示意图；

图8示出了图3中垂直起降飞行器的实施例的传动控制器与无级变速控制***的结构示意图；

图9示出了图3中垂直起降飞行器的实施例的传动带结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、承载体；11、通道；

20、涵道风扇；

30、无级变速装置；31、输入轴；32、输出轴；33、主动轮；34、第一锥面链轮；35、第一压力缸；36、从动轮；37、第二锥面链轮；38、第二压力缸；

40、驱动装置；41、同步带轮；42、同步带轮；43、同步带；

50、传动带；51、金属片；52、摩擦片；521、第一倾斜面；53、金属环；

60、控制器；

71、转换模块；72、放大模块；73、速比控制阀；74、压力控制阀；75、回油箱；76、油泵；77、位移传感器信号；78、发动机节气门开度信号。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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申请的示例性实施方式。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。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

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。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

如图1所示，目前在使用油机为动力源的飞行器姿态控制策略中，主要是通过摇杆及升降踏板向控制器发送相应的信号，控制器根据相应的姿态控制策略，向四个发动机输出不同的信号来改变各个油机节气门开度大小，从而改变发动机转速，继而改变各个涵道风扇或旋翼的转速，来达到飞行姿态控制的目的。采用图1中的控制方式存在一定的弊端，并且控制***的实现存在较大困难，比如：响应时间慢，从发动机燃油将化学能转化为使涵道风叶产生升力做功的过程，相对于电压控速方式的时间要长。而且，采用目前的控制方式，存在油机振动较大等问题。进一步地，因空燃比受大气温度与湿度的影响，以及空燃比与输出功率之间呈非线性关系等原因，使得采用图1中的控制***增加了对飞行器(例如飞行汽车)的飞行姿态的控制难度。

为了解决上述存在的问题，结合图2至图9所示，根据本发明的实施例，提供了一种垂直起降飞行器。

具体地，如图2至图4所示，该直起降飞行器包括承载体10、涵道风扇20、无级变速装置30、驱动装置40。承载体10具有沿竖直方向延伸的通道11。涵道风扇20设置于通道11内。无级变速装置30与涵道风扇20相连接。其中，无级变速装置30包括输入轴31、输出轴32、传动带50。驱动装置40与无级变速装置30连接，输入轴31的第一端与驱动装置40相连接，输出轴32的第一端与涵道风扇20相连接，传动带50同时套设在输入轴31的第二端和输出轴32的第二端上，在驱动装置40驱动下，无级变速装置30带动涵道风扇20转动。无级变速装置30还包括主动轮33、第一锥面链轮34、从动轮36、第二锥面链轮37和无级变速控制***。主动轮33具有第一锥面结构，主动轮33同轴设置在输入轴31上。第一锥面链轮34具有第二锥面结构，第一锥面链轮34套设于输入轴31上，第二锥面结构与第一锥面结构相对设置而形成用于容纳传动带50的第一沟槽。传动带50同时与第二锥面结构和第一锥面结构相接触，第一锥面链轮34可沿输入轴31相对于主动轮33移动。从动轮36具有第三锥面结构，从动轮36同轴设置在输出轴32上。第二锥面链轮37具有第四锥面结构，第二锥面链轮37套设于输出轴32上，第四锥面结构与第三锥面结构相对设置而形成用于容纳传动带50的第二沟槽，传动带50同时与第二锥面结构和第一锥面结构相接触，第二锥面链轮37可沿输出轴32相对于从动轮36移动。无级变速控制***用于控制第一锥面链轮34与主动轮33之间、第二锥面链轮37与从动轮36之间的宽度，以改变输入轴31和输出轴32的工作半径，以调整承载体10的飞行姿态。

在本实施例中，通过无级变速控制***直接控制输入轴31和输出轴32的工作半径，能够实现对涵道风扇20的转速的直接控制，从而达到对承载体10的飞行姿态的及时控制，有效地缩短了承载体10的飞行姿态控制的响应时间。其中，本申请中的垂直起降飞行器可以是与飞行汽车类似的垂直起降飞行器，即该垂直起降飞行器可以是飞行汽车。该飞行汽车利用无级变速的原理，来实现涵道风叶转速的变化，达到控制飞行汽车的车体即承载体10的飞行姿态的目的，有效地解决了现有技术中飞行汽车实现飞行姿态改变的响应时间慢、控制困难的问题。其中，工作半径可以驱动装置40驱动输入轴31转动，输入轴31通过传动带50带动输出轴32转动，此时，传动带50套设于输入轴31和输出轴32处的轴体的半径即为工作半斤，也称为传动半径。当然，在保证传动带50一定的刚性条件下，即通过将传动带50的两侧卡设在从动轮36与第二锥面链轮37之间、主动轮33与第一锥面链轮34与同样能够实现传动不打滑的情况下，可以将传动带50的与从动轮36与第二锥面链轮37之间、主动轮33与第一锥面链轮34接触的内周面形成的内圆的半径记为输出轴或输入轴的工作半径。

具体地，如图5和图6所示，输入轴31包括主动轮33和第一锥面链轮34。主动轮33具有第一锥面结构，主动轮33与输入轴31的输入轴体相连接并同轴设置。第一锥面链轮具有第二锥面结构，第一锥面链轮34套设于输入轴体上，第二锥面结构与第一锥面结构之间形成用于容纳传动带50的V形槽，传动带50与第二锥面结构与第一锥面结构相接触，第一锥面链轮34相对主动轮33可移动地设置。从动轮36具有第三锥面结构，从动轮36与输出轴32的输出轴体相连接并同轴设置。第二锥面链轮37具有第四锥面结构，第二锥面链轮37套设于输出轴体上，第四锥面结构与第三锥面结构之间形成用于容纳传动带50的V形槽，传动带50与第二锥面结构和第一锥面结构相接触，第二锥面链轮37相对从动轮36可移动地设置。其中，第一锥面链轮34与主动轮33的锥面形成V形槽，V形槽与传动带50接触，这样设置使得V形槽的宽度可调，即通过改变V形槽的槽宽实现输入轴与输出轴之间的无级变速传动。这样设置能够将无级变速装置30的构成的零部件的个数最小，极大的简化了无级变速装置30的结构，有效降低了无级变速装置30重量，提高了该垂直起降飞行器的可靠性，同时达到节约燃料的目的。

其中，无级变速控制***还包括油泵76。油泵76用于提供压力缸压力。通过无级变速控制***直接控制输入轴31和输出轴32的转速，以达到控制设置在涵道内风叶叶片的转速的目的，从而通过风叶叶片转速的变化控制承载体的飞行姿态。

无级变速控制***还包括第一压力缸35、第一压力传感器和速比控制阀73。第一压力缸35与第一锥面链轮34相连接，第一压力缸35用于驱动第一锥面链轮34移动。第一压力传感器与第一压力缸35相连接，第一压力传感器用于检测第一压力缸35的压力，以使第一压力缸35控制第一锥面链轮34的工作位置。速比控制阀73与第一压力缸35或第二压力缸38连接，速比控制阀73用于调节第一压力缸35或第二压力缸38的压力，以改变输入轴31的工作半径。无级变速控制***还包括第二压力缸38、第二压力传感器以及压力控制阀74。第二压力缸38与第二锥面链轮37相连接，第二压力缸38用于驱动第二锥面链轮37移动。第二压力传感器与第二压力缸38相连接，第二压力传感器用于检测第二压力缸38的压力，以使第二压力缸38控制第二锥面链轮37的工作位置。第一压力传感器和第二压力传感器实时感应并测出压力，并将实时压力数据传递给控制器60，以保证力矩的顺利传递。在本实施例中，速比控制阀有两个连接口，压力控制阀与速比控制阀的连接关系为：速比控制阀有两个口，压力控制阀有三个连接口，速比控制阀有两个连接口中的一个与压力控制阀的三个连接口中的一个相连通，两个连接口其中的另一个连接口与第一压力缸相连接。压力控制阀通过其余两个连接口中的一个连接口与油泵相连通，压力控制阀通过其余两个中连接口的另一个连接口与第二压力缸38(或第一压力缸35)相连通，压力控制阀74用于通过调节油泵76的主压力，以控制第二压力缸38(或第一压力缸35)使输出轴32或输入轴31的工作半径改变。

优选地，无级变速装置30还包括传动带50，输入轴31的第一端通过传动带50与输出轴32的第二端相连接。其中，传动带50包括金属环53及穿设在金属环53上的多个摩擦片52，在摩擦片52与金属环之间设有多个金属片51，多个摩擦片52沿金属环53的周向依次竖直排列，多个金属片51沿金属环53的周向依次搭叠排列，搭叠排列的多个金属片51可以使传动带50的柔性更好，更容易在转弯的地方顺利弯曲。摩擦片52上的相对两侧分别设有第一倾斜面521和第二倾斜面，第一倾斜面521与主动轮33的第一锥面结构及第二锥面链轮37的第四锥面结构接触，第二倾斜面与第一锥面链轮34的第二锥面结构及从动轮36的第三锥面结构接触，以使传动带50张紧传动。

如图9所示，金属片51与摩擦片52沿a方向阵列排布，摩擦片52通过倾斜面521可以与第一锥面链轮34、主动轮33、第二锥面链轮37、从动轮36相互接触，传动带50的第一端与第一锥面链轮34、主动轮33接触，传动带50的第二端与第二锥面链轮37、从动轮36接触。其中，图中a方向是摩擦片与金属片阵列排布的方向，图中没有将所有的摩擦片与金属片装配完整，所以用a方向表示若干个摩擦片与金属片沿a方向阵列安装，直到首尾相接，气缸的驱动方向与图中a方向垂直。

主动轮与第一锥面链轮之间、从动轮与第二锥面链轮之间夹有传动带50，当两者存在一定夹紧压力时，可带动传动带转动传递力矩，具体地，当第一压力缸35在速比控制阀73作用下驱动第一锥面链轮34，使第一锥面链轮34挤压传动带50，使传动带50沿锥面滑动，同时，第二压力缸38在压力控制阀74作用下减小压力，驱动第二锥面链轮37，使传动带50沿锥面反向滑动，从而减小了输入轴的工作半径，同时增大了输出轴的工作半径，使涵道风扇20转速发生了减速变化。或者，第一压力缸35在速比控制阀73作用下减小压力，使传动带50沿锥面反向滑动，同时，第二压力缸38在压力控制阀74作用下增大压力，驱动第二锥面链轮37，使第二锥面链轮37挤压传动带50，使传动带50沿锥面滑动，从而增大了输入轴的工作半径，同时减小了输出轴的工作半径，使涵道风扇20转速发生了增速变化。

为了使得无级变速控制***运作起来更加精确、可靠，该无级变速控制***还包括控制器60，输入轴31上设置有第一转速传感器，输出轴32上设置有第二转速传感器，第一转速传感器和第二转速传感器分别与控制器60电连接，第一转速传感器和第二转速传感器用于检测输入轴31和输出轴32的转速，控制器60控制速比控制阀73作动而根据转速控制油泵76给第一压力缸35和第二压力缸38提供油压。

为了增加该垂直起降飞行器姿态的多样性及实用性，垂直起降飞行器还包括控制器60，控制器60与无级变速装置30连接，控制器60用于接收主动轮33和从动轮36的转速信号、第一压力缸35和第二压力缸38的压力信号，速比控制阀73和压力控制阀74的控制信号。控制器60根据转速信号、压力信号、控制信号以及垂直起降飞行器的操纵摇杆发出的俯仰、横滚或偏航的信号控制输入轴31和输出轴32的工作半径。如图7所示，通道11为多个，每一个通道11内设置一个涵道风扇20，无级变速装置30为多个，多个无级变速装置30与设置于通道11内的涵道风扇20一一对应地设置。这样设置能够通过各无级变速装置30去直接控制与之对应的涵道风扇20的转速，极大的缩短了涵道风扇20转速改变的响应时间，提高了该垂直起降飞行器的可靠性和姿态控制的灵敏性。具体地，图7中示出的垂直起降飞行器为一种具有四个无级变速装置30飞行汽车。

该飞行交通空间利用无级变速装置30及控制器60，可以实现无级变速***传动比的快速切换。这种飞行姿态的控制装置，不再需要考虑目前油机飞行器控制***中，从发动机节气门开度变化到涵道风扇转速变换之间的延迟，只需要设置无级变速装置30与相应的无级变速控制***，达到油机飞行汽车姿态快速响应与调整的目的，大大简化姿态控制***开发的难度。

目前，针对油机为动力的飞行器(包括飞行汽车)控制策略中，电压控速与变桨距是两个成熟的控制姿态方式，通过直接控制油机节气门开度大小的方式与改变升力单元产生的尾气气流方向尚处于开发验证阶段，并未普遍应用起来。

通过升降踏板同时改变各个油机节气门开度大小，达到飞行高度控制(升降)的目的，通过摇杆进行速比控制，改变各个传动***的传动比，达到各个涵道风叶不同转速的输出，实现飞行姿态(俯仰、横滚、偏航)控制的过程。两者的实现都较容易，大大减轻了控制***的开发难度。

具体地，电压控速的直接动力装置是电机，电机的动力源要么是动力电池，要么是发动机，而目前电池供电的最大弊端是功率密度达不到起飞的要求，尤其是使用在飞行汽车这种大功率输出的场合。变桨距机构一般应用在大旋翼的直升机或航模上，针对涵道风扇，涵道风扇较多，设计的变桨距需要传动机构，机械结构复杂、庞大，机身整体较重。

改变升力单元产生的尾气气流方向常见有两种方式，一是在升力单元尾气出口处设置导流叶片，二是采用倾转式结构使整个气流通道倾斜变化。设置导流叶片的方式不仅要求有足够的轴向空间，而且受大气环境影响较大。倾转式机构是目前专利提案中较多的，该方式最大的弊端是倾转机构所需的动力扭矩与负载较大，耗油多，其次需要设计传动机构，导致机械结构复杂、庞大，同时控制过程需要考虑机构振动对倾转机构影响的问题。

直接控制油机节气门开度大小的方式，一方面依赖于燃油混合比，受大气环境影响大，另一方面从油机节气门开度大小指令的发出后，燃油转化为涵道风扇所需的功率之间的过程存在时间上的延迟，并且两者呈非线性关系，在飞行状态下控制极易产生不稳定的因素，从而无形中增加了控制***的开发难度。

为了解决上述存在的问题，根据本发明的另一方面，提供了一种垂直起降飞行器的控制方法。该控制方法用于控制上述实施例中的垂直起降飞行器。具体地，该控制方法包括以下步骤：通过无级变速控制***的控制器60控制第一锥面链轮34与主动轮33之间、第二锥面链轮37与从动轮36之间的宽度，以改变输入轴31和输出轴32的工作半径，以调整承载体10的飞行姿态。

进一步地，控制方法包括减速状态控制方法和増速状态控制方法，减速状态控制方法包括：控制无级变速控制***的第一压力缸35驱动第一锥面链轮34沿第一方向运动(如图6中F方向所示，第一方向沿竖直方向向下)以增加第一锥面链轮34与主动轮33之间的宽度使输入轴31的工作半径减小，控制无级变速控制***的第二压力缸38驱动第二锥面链轮37沿第一方向运动以减小第二锥面链轮37与从动轮36之间的宽度，使输出轴32的工作半径增加。増速状态控制方法包括：控制无级变速控制***的第一压力缸35驱动第一锥面链轮34沿与第一方向相反的第二方向(如图5中F方向所示，第二方向沿竖直方向向上)运动以减小第一锥面链轮34与主动轮33之间的宽度，使输入轴31的工作半径增加，控制控制无级变速控制***的第二压力缸38驱动第二锥面链轮37沿第二方向运动以增加第二锥面链轮37与从动轮36之间的宽度，使输出轴32的工作半径减小。

具体地，如图2所示，本申请的交通飞行工具可以应用于油机类飞行器(包括飞行汽车)，也可应用于电机类飞行器，创造性地将飞行汽车的升降控制与飞行姿态(俯仰、横滚、偏航)控制分开，升降控制通过同时操纵各个油机节气门开度大小实现，由于转速是同时变化，其时间上的延迟不影响升降姿态的变化，不增加飞行控制的难度。而飞行姿态(俯仰、横滚、偏航)的控制则通过无级变速控制***与其相应的传动控制器实现，其动作跳过了发动机转速变化的过程，无级变速控制***的传动比的改变能迅速改变涵道风扇或旋翼的转速，因而整个过程动作响应快，飞行控制的难度大大降低。

飞行汽车的外形如图3、图7和图8所示，包含承载体即车体、四个涵道以及4个涵道风扇、传动***、控制***及发动机，飞行汽车无级变速控制过程如图2所示：

由发动机产生动力驱动，驾驶员按下起飞按钮，进行发动机点火。驾驶员踩踏升降踏板，经过位移传感器给控制器一个输入信号，控制器经过计算，给节气门开度相应的指令，使发动机输出固定的转速与功率，通过同步带轮(41、42)将动力通过同步带43传递给输入轴。输入/输出轴连接无级变速装置，无级变速装置通过同时改变输入轴与输出轴的工作半径来达到改变传动比的目的。主动轮与输入轴固定，从动轮与输出轴固定，主动轮与从动轮均不发生轴向滑动，只能绕各自中心轴旋转。第一锥面链轮与第一压力缸接触，第二锥面链轮与第二压力缸接触，两者均随各自压力缸压力的变化发生沿轴向的滑动，从而可以改变传动装置的传动比。

主动轮与第一锥面链轮之间、从动轮与第二锥面链轮之间夹有传动带，当两者存在一定夹紧力时，主动轮与第一锥面链轮、从动轮与第二锥面链轮可带动传动带转动传递力矩。

输出轴与涵道风扇固定，当动力传递至输出轴时，带动风扇转动，使涵道风扇上方与下方产生气压差，形成一定速度的气流，气流通过涵道，从而产生升力。

如图5和图6所示，当第一锥面链轮与第二锥面链轮受到压力作用沿转轴同时向下运动时，输入轴工作半径变小，而输出轴的工作半径变大，这样在发动机转速不变情况下，输出轴转速下降，也就是进行减速传动。当第一锥面链轮与第二锥面链轮受到压力缸作用沿转轴同时向上运动时，输入轴工作半径变大，而输出轴工作半径变小，这样在发动机转速不变的情况下，输出轴转速增加，也就是进行增速传动。

本申请中的飞行姿态控制可以通过无级变速传动电液控制***实现，如图8所示，该***还包括回油箱75。电液控制***可以是通过液压阀来执行动作，在主动轮与从动轮上设转速传感器，分别产生转速信号，在第一压力缸与第二压力缸上分别设置第一压力传感器、第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器分别产生压力信号，转速信号和压力信号通过转换模块71进行模/数转换，然后经过放大模块72进行放大处理。其中，图8中示出了具有四个涵道的飞行交通控制***的示意图，其中，输出轴和输入轴、主动轮和从动轮、第一压力传感器、第二压力传感器、第一压力缸与第二压力缸均为四对，即该***会产生四对的转速值(n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8)与压力信号(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8)，

控制器60根据不同的操纵策略进行计算后，输出电信号给压力控制阀74、速比控制阀73，从而调节油泵76输入到第一压力缸与第二压力缸的油压，最终使各输出轴的扭矩达到所需的扭矩，各输出轴转速达到表1中所描述的转速信号关系，从而完成飞行姿态(俯仰、横滚、偏航)的控制。另一方面通过油门踏板动作，产生位移传感器信号77，位移传感器信号77输入到控制器60中，控制器60根据表1策略计算，输出四个发动机节气门开度信号78，使四个发动机转速同时发生增速或减速，从而完成升降控制。

表1飞行汽车无级变速控制策略

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述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。

Claims (14)

1.一种垂直起降飞行器，其特征在于，包括：

承载体(10)，具有沿竖直方向延伸的通道(11)；

涵道风扇(20)，设置于所述通道(11)内；

无级变速装置(30)，所述无级变速装置(30)与所述涵道风扇(20)相连接；

驱动装置(40)，与所述无级变速装置(30)连接；

其中，所述无级变速装置(30)包括输入轴(31)、输出轴(32)、传动带(50)其中，所述输入轴(31)的第一端与所述驱动装置(40)相连接，所述输出轴(32)的第一端与所述涵道风扇(20)相连接，所述传动带(50)同时套设在所述输入轴(31)的第二端和所述输出轴(32)的第二端上，在所述驱动装置(40)驱动下，所述无级变速装置(30)带动所述涵道风扇(20)转动；

所述无级变速装置(30)还包括：

主动轮(33)，所述主动轮(33)具有第一锥面结构，所述主动轮(33)同轴设置在所述输入轴(31)上；

第一锥面链轮(34)，所述第一锥面链轮(34)具有第二锥面结构，所述第一锥面链轮(34)套设于所述输入轴(31)上，所述第二锥面结构与所述第一锥面结构相对设置而形成用于容纳所述传动带(50)的第一沟槽，所述传动带(50)同时与所述第二锥面结构和所述第一锥面结构相接触，所述第一锥面链轮(34)可沿所述输入轴(31)相对于所述主动轮(33)移动；

从动轮(36)，所述从动轮(36)具有第三锥面结构，所述从动轮(36)同轴设置在所述输出轴(32)上；

第二锥面链轮(37)，所述第二锥面链轮(37)具有第四锥面结构，所述第二锥面链轮(37)套设于所述输出轴(32)上，所述第四锥面结构与所述第三锥面结构相对设置而形成用于容纳所述传动带(50)的第二沟槽，所述传动带(50)同时与所述第二锥面结构和所述第一锥面结构相接触，所述第二锥面链轮(37)可沿所述输出轴(32)相对于所述从动轮(36)移动；

无级变速控制***，所述无级变速控制***用于控制所述第一锥面链轮(34)与所述主动轮(33)之间、所述第二锥面链轮(37)与所述从动轮(36)之间的宽度，以通过改变所述输入轴(31)和所述输出轴(32)的工作半径来调整所述承载体(10)的飞行姿态。

2.根据权利要求1所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述无级变速控制***包括：

第一压力缸(35)，与所述第一锥面链轮(34)相连接，所述第一压力缸(35)用于驱动所述第一锥面链轮(34)沿所述输入轴(31)的轴向方向移动；

第一压力传感器，与所述第一压力缸(35)相连接，所述第一压力传感器用于检测所述第一压力缸(35)的压力，以使所述第一压力缸(35)控制所述第一锥面链轮(34)的工作位置。

3.根据权利要求2所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述无级变速控制***包括：

第二压力缸(38)，与所述第二锥面链轮(37)相连接，所述第二压力缸(38)用于驱动所述第二锥面链轮(37)沿所述输出轴(32)的轴向方向移动；

第二压力传感器，与所述第二压力缸(38)相连接，所述第二压力传感器用于检测所述第二压力缸(38)的压力，以使所述第二压力缸(38)控制所述第二锥面链轮(37)的工作位置。

4.根据权利要求3所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述无级变速控制***还包括：

速比控制阀(73)，所述速比控制阀(73)与所述第一压力缸(35)或第二压力缸(38)连接，所述速比控制阀(73)用于调节第一压力缸(35)或第二压力缸(38)的压力，以改变所述输入轴(31)或输出轴(32)的工作半径。

5.根据权利要求3所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述无级变速控制***还包括：

压力控制阀(74)，所述压力控制阀(74)分别与所述第一压力缸(35)和油泵(76)连接，或者所述压力控制阀(74)分别与所述第二压力缸(38)和油泵(76)连接，或者所述压力控制阀(74)通过调节所述油泵(76)的主压力，来控制所述第一压力缸(35)或第二压力缸(38)以使所述输入轴(31)或输出轴(32)的工作半径改变。

6.根据权利要求1所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述传动带(50)包括金属环(53)及穿设在所述金属环(53)上的多个摩擦片(52)，在所述摩擦片(52)与金属环之间设有多个金属片(51)，所述多个摩擦片(52)和所述多个金属片(51)均沿所述金属环(53)的周向依次排列。

7.根据权利要求6所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述摩擦片(52)的相对两侧分别设有第一倾斜面(521)和第二倾斜面，所述第一倾斜面(521)与所述主动轮(33)的第一锥面结构及所述第二锥面链轮(37)的第四锥面结构接触，所述第二倾斜面与所述第一锥面链轮(34)的第二锥面结构及所述从动轮(36)的第三锥面结构接触，以使所述传动带(50)张紧传动。

8.根据权利要求5所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述无级变速控制***还包括控制器(60)，所述输入轴(31)上设置有第一转速传感器，所述输出轴(32)上设置有第二转速传感器，所述第一转速传感器和所述第二转速传感器分别与所述控制器(60)电连接，所述第一转速传感器和所述第二转速传感器用于检测所述输入轴(31)和所述输出轴(32)的转速，所述控制器(60)控制所述油泵(76)给所述第一压力缸(35)和所述第二压力缸(38)提供油压。

9.根据权利要求3所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述垂直起降飞行器还包括控制器(60)、速比控制阀(73)及压力控制阀(74)，所述控制器(60)、速比控制阀(73)及压力控制阀(74)分别与所述无级变速装置(30)连接，所述控制器(60)用于接收所述主动轮(33)和所述从动轮(36)的转速信号、所述第一压力缸(35)或所述第二压力缸(38)的压力信号，所述速比控制阀(73)和所述压力控制阀(74)的控制信号，所述控制器(60)根据所述转速信号、所述压力信号、所述控制信号以及所述垂直起降飞行器的操纵摇杆发出的俯仰、横滚或偏航的信号控制所述输入轴(31)和所述输出轴(32)的工作半径。

10.根据权利要求1所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述无级变速装置(30)、所述通道(11)和所述涵道风扇设置的数量分别为多个，多个所述涵道风扇(20)分别对应设置在多个所述通道(11)内，多个所述无级变速装置(30)分别与多个所述涵道风扇(20)对应连接。

11.一种垂直起降飞行器的控制方法，所述控制方法用于控制权利要求1至10中任一项所述的垂直起降飞行器，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

通过无级变速控制***的控制器(60)控制所述第一锥面链轮(34)与所述主动轮(33)之间、所述第二锥面链轮(37)与所述从动轮(36)之间的宽度，以改变所述输入轴(31)和所述输出轴(32)的工作半径，以调整所述承载体(10)的飞行姿态。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括减速状态控制方法和增速状态控制方法，

所述减速状态控制方法包括：控制所述无级变速控制***的第一压力缸(35)驱动第一锥面链轮(34)沿第一方向运动，使所述第一锥面链轮(34)与所述主动轮(33)之间的宽度变宽，使所述输入轴(31)的工作半径减小，控制所述无级变速控制***的第二压力缸(38)驱动第二锥面链轮(37)沿所述第一方向运动，使所述第二锥面链轮(37)与所述从动轮(36)之间的宽度变窄，使所述输出轴(32)的工作半径增加；

所述增速状态控制方法包括：控制所述无级变速控制***的第一压力缸(35)驱动所述第一锥面链轮(34)沿与所述第一方向相反的第二方向运动，使所述第一锥面链轮(34)与所述主动轮(33)之间的宽度变窄，使所述输入轴(31)的工作半径增加，控制控制所述无级变速控制***的第二压力缸(38)驱动第二锥面链轮(37)沿所述第二方向运动，使所述第二锥面链轮(37)与所述从动轮(36)之间的宽度变宽，使所述输出轴(32)的工作半径减小。

13.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述承载体(10)具有多个所述无级变速装置(30)，所述控制方法包括姿态调整控制方法，所述姿态调整控制方法包括以下步骤：

所述控制器(60)根据所述承载体(10)的速比控制阀(73)和压力控制阀(74)的控制信号控制各所述无级变速装置(30)的所述输入轴(31)和/或所述输出轴(32)的工作半径达到预设工作半径，以使所述承载体(10)达到预设飞行姿态。

14.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述控制器(60)根据电子节气门的开度信号，控制各所述无级变速装置(30)的所述输入轴(31)和/或所述输出轴(32)的工作半径达到预设工作半径，同时，所述承载体(10)的传动控制器根据所述开度信号控制各所述驱动装置(40)的节气门开度，以使所述承载体(10)达到预设飞行姿态。