CN110127047A - 四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器及其控制方法，飞行器机体，机体包括机身，机身两侧各设有一侧翼；每个侧翼上各设有一旋翼组件，且机体的尾部设有两组旋翼组件，旋翼组件的桨距可变；每组旋翼组件均分别通过第一舵机安装在机体上，第一舵机可驱使旋翼组件整体作俯仰运动。本发明的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器及其控制方法，通过俯仰调节固定翼飞行器的旋翼组件，可实现固定翼飞行器的垂直起降，通过使旋翼组件的桨距可调节，使得用户可对旋翼组件的驱动力进行精确矢量控制，有利于提升对飞行器控制的精确度，且通过调节桨距可提升旋翼组件的旋转驱动力，充分发挥电机的功率。

Description

四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，特别是涉及一种四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器及其控制方法。

背景技术

无人飞行器是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人飞行器主要包括多旋翼无人飞行器以及固定翼无人飞行器两种，一般来说多旋翼无人飞行器可进行垂直起降，其横向移动效率较低，而固定翼无人飞行器无法垂直起降，但横向移动效率高。目前不管是哪种类型的无人飞行器，其旋翼组件主要包含电机与螺旋桨两部分，使用过程中，通过调节电机转速控制旋翼组件整体的驱动力大小改变旋翼组件的驱动力，实现飞行器的起降或横向平移，这种旋翼组件结构简单，但由于其螺旋桨为一体成型的，其性能有限，无法充分发挥电机的功率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器及其控制方法，旨在使得固定翼飞行器可垂直起降，且可对其旋翼组件进行精确矢量控制，充分发挥电机功率。

技术方案：为实现上述目的，本发明的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器，包括机体，所述机体包括机身，所述机身两侧各设有一侧翼；

每个侧翼上各设有一旋翼组件，且机体的尾部设有两组旋翼组件，所述旋翼组件的桨距可变；

每组所述旋翼组件均分别通过第一舵机安装在所述机体上，所述第一舵机可驱使所述旋翼组件整体作俯仰运动。

进一步地，所述机身上侧设置有上翼板，上翼板由两侧斜板以及连接两侧斜板的横板构成；

两个斜板的端部分别通过一竖板连接两个侧翼的端部，且所述横板与所述机身尾部之间通过另一竖板连接；

设于机身尾部的旋翼组件安装在所述横板上。

进一步地，所述旋翼组件包括：

组件架；

主传动轴，其相对于所述组件架固定安装；

电机，其安装在所述组件架上，且其与所述主传动轴驱动连接；

旋翼结构，其包括相对于所述主传动轴固定的旋翼座以及对称安装在所述旋翼座两侧的旋翼本体，所述旋翼本体相对于所述旋翼座转动安装；及

桨毂结构，其包括滑座，所述滑座可相对于所述主传动轴轴向滑动以及周向转动；所述滑座与每个所述旋翼本体之间各设有一连杆，所述连杆的两端分别铰接在所述滑座以及旋翼本体上；所述桨毂结构还包括驱动所述滑座沿所述主传动轴的轴向运动的驱动组件。

进一步地，所述驱动组件包括：

驱动座，其安装在所述主传动轴上且可在其轴向滑动，且其在主传动轴的轴向上相对于所述滑座的相对位置始终不变；

固定座，其固定安装在所述组件架上；

第二舵机，其固定安装在所述组件架上，且其具有输出杆；及

传动连杆，其中部铰接在所述固定座上，其一端与所述输出杆之间设置有过渡杆，其另一端连接所述驱动座。

进一步地，所述驱动座可同时相对于所述滑座转动；

所述传动连杆的连接所述驱动座的一端具有圆形通孔，所述驱动座上具有伸出的柱形部，所述柱形部的端部具有置于所述圆形通孔内的球形部。

进一步地，所述滑座通过滑套安装在所述主传动轴上，且所述滑座相对于滑套固定，所述驱动座转动安装在所述滑套上。

四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器的控制方法，应用于控制***，所述控制***连接四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器的所有动力元件，所述方法包括：

接收控制信号，判断控制信号类型；

当所述控制信号包含提速信号，控制第二舵机，使旋翼组件的桨距增大；

当所述控制信号包含减速信号，控制第二舵机，使旋翼组件的桨距减小。

进一步地，所述方法还包括：

当所述控制信号包含上升指令，控制第一舵机，使旋翼组件的倾角增大；

当所述控制信号包含下降指令，控制第一舵机，使旋翼组件的倾角减小。

有益效果：本发明的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器及其控制方法，通过俯仰调节固定翼飞行器的旋翼组件，可实现固定翼飞行器的垂直起降，通过使所述旋翼组件的桨距可调节，使得用户可对旋翼组件的驱动力进行精确矢量控制，有利于提升对飞行器控制的精确度，且通过调节桨距可提升旋翼组件的旋转驱动力，充分发挥电机的功率，在同样的电力基础上，提升飞行器的效率，使得飞行器的性能变强。

附图说明

附图1为四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器的外形图；

附图2为旋翼组件的外形图；

附图3为旋翼组件的具体结构图；

附图4为附图2中旋翼组件上圈出部分的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1所示的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器(以下简称“飞行器”)，包括机体2，所述机体2包括机身21，所述机身21两侧各设有一侧翼22；每个侧翼22上各设有一旋翼组件1，且机体2的尾部设有两组旋翼组件1，所述旋翼组件1的桨距可变。所述旋翼组件1通过第一舵机3安装在所述机体2上，所述第一舵机3可驱使所述旋翼组件1整体作俯仰运动。

所述机身21上侧设置有上翼板23，上翼板23由两侧斜板231以及连接两侧斜板231的横板232构成；两个斜板231的端部分别通过一竖板24连接两个侧翼22的端部，且所述横板232与所述机身21尾部之间通过另一竖板24连接。设于机体2尾部的旋翼组件安装在所述横板232上。上翼板23的结构设计可提升飞行器运行的平稳性。

上述飞行器以固定翼飞行器的结构为基础，通过调节旋翼组件1的桨距可提升飞行器的性能，使得在同样的电机转速下，通过控制桨距可对旋翼组件1的驱动力进行矢量控制，旋翼组件1有较大的推动力变化空间，有利于充分发挥电力效能，电源利用率较传统的多旋翼飞行器高，且由于飞行器以固定翼飞行器的结构为基础，其侧向移动效率较多旋翼飞行器高，由于旋翼组件1通过第一舵机3安装在所述机体2上，当飞行器需要垂直起降时，可利用第一舵机3使旋翼组件1的转轴竖直朝上，达到类似多旋翼飞行器垂直起降的效果。

如附图2-3所示，旋翼组件1包括组件架11、主传动轴12、旋翼结构13以及桨毂结构14。

主传动轴12相对于所述组件架11固定安装；旋翼结构13包括相对于所述主传动轴12固定的旋翼座131以及对称安装在所述旋翼座131两侧的旋翼本体132，所述旋翼本体132相对于所述旋翼座131转动安装；桨毂结构14包括滑座141，所述滑座141可相对于所述主传动轴12轴向滑动以及周向转动；所述滑座141与每个所述旋翼本体132之间各设有一连杆142，所述连杆142的两端分别铰接在所述滑座141以及旋翼本体132上；所述桨毂结构14还包括驱动所述滑座141沿所述主传动轴12的轴向运动的驱动组件。

采用上述结构，当滑座141相对于主传动轴12轴向滑动时，由于连杆142的联动作用，旋翼本体132可相对于旋翼座131转动，使得旋翼本体132与其旋转平面的夹角增大或减小，从而起到了调节桨距的作用，如此，在主传动轴12的转速不变的情形下，通过驱动滑座141调节旋翼本体132的桨距，可起到改变旋翼组件驱动力大小的作用。

为了方便建立连杆142与旋翼本体132之间的驱动关系，所述旋翼本体132通过连接座133连接所述旋翼座131，所述旋翼本体132相对于连接座133固定安装，所述连接座133上具有偏出于其与旋翼座131相对转动中心的轴部1331，所述连杆142的两端分别铰接在所述滑座141以及轴部1331上。具体地，所述连接座133上开有槽口1332，所述旋翼本体132的一端嵌入至所述槽口1332内，且连接座133与旋翼本体132之间通过螺钉34连接。

所述驱动组件包括驱动座143、固定座144、第二舵机145以及传动连杆146，驱动座143安装在所述主传动轴12上且可在其轴向滑动，且其在主传动轴12的轴向上相对于所述滑座141的相对位置始终不变；固定座144固定安装在所述组件架11上；第二舵机145固定安装在所述组件架11上，且其具有输出杆1451；传动连杆146的中部铰接在所述固定座144上，其一端与所述输出杆1451之间设置有过渡杆147，其另一端连接所述驱动座143。

采用上述驱动组件的结构，通过控制第二舵机145可使其输出杆1451产生转动，由于过渡杆147与传动连杆146的传动作用，可使得驱动座143在主传动轴12的轴向上的位置发生改变，进而起到了调节滑座141的位置的作用，即通过控制第二舵机145可间接控制旋翼本体132的桨距。

优选地，所述驱动座143可同时相对于所述滑座141转动；所述传动连杆146的连接所述驱动座143的一端具有圆形通孔，如附图4所示，所述驱动座143上具有伸出的柱形部1431，所述柱形部1431的端部具有置于所述圆形通孔内的球形部1432。这样，当传动连杆146相对于固定座144转动时，由于球形部1432置于圆形通孔内，驱动座143会受驱动沿主传动轴12的轴向运动，同时，驱动座143相对于主传动轴12发生一定的周向偏转以补偿传动连杆146端部在垂直于主传动轴12轴向的方向上产生的位移(传动连杆146的端部的运动轨迹为弧线)。

所述滑座141通过滑套147安装在所述主传动轴12上，且所述滑座141相对于滑套147固定，所述驱动座143转动安装在所述滑套147上。这样可方便驱动座143驱动滑座141相对于主传动轴12运动。

进一步地，还包括电机15，所述电机15安装在所述组件架11上，所述主传动轴12由所述电机15驱动转动或其与所述电机15的输出轴一体设置。这样电机15可驱动旋翼结构13转动。

四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器的控制方法，应用于控制***，所述控制***连接飞行器的所有动力元件(包括所有的旋翼组件1的电机15与第二舵机145以及所有的第一舵机3)，所述方法包括如下步骤S401-S402：

步骤S401，接收控制信号，判断控制信号类型；

步骤S402，当所述控制信号包含提速信号，控制第二舵机，使旋翼组件1的桨距增大；

步骤S403，当所述控制信号包含减速信号，控制第二舵机，使旋翼组件1的桨距减小。

通过上述步骤可通过第二舵机调节旋翼组件1的桨距参数，使得旋翼组件1在同样转速下的推动力产生变化，达到加速减速的目的。

进一步地，所述方法还包括如下步骤S404-S405：

步骤S404，当所述控制信号包含上升指令，控制第一舵机，使旋翼组件的倾角增大；

步骤S405，当所述控制信号包含下降指令，控制第一舵机，使旋翼组件的倾角减小。

通过上述步骤，通过调节第一舵机改变旋翼组件的俯仰角度，可使得飞行器可快速升降，实现与多旋翼飞行器媲美的升降效率。

本发明的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器及其控制方法，通过俯仰调节固定翼飞行器的旋翼组件，可实现固定翼飞行器的垂直起降，通过使所述旋翼组件的桨距可调节，使得用户可对旋翼组件的驱动力进行精确矢量控制，有利于提升对飞行器控制的精确度，且通过调节桨距可提升旋翼组件的旋转驱动力，充分发挥电机的功率，在同样的电力基础上，提升飞行器的效率，使得飞行器的性能变强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器，其特征在于，包括机体，所述机体包括机身，所述机身两侧各设有一侧翼；

每个侧翼上各设有一旋翼组件，且机体的尾部设有两组旋翼组件，所述旋翼组件的桨距可变；

每组所述旋翼组件均分别通过第一舵机安装在所述机体上，所述第一舵机可驱使所述旋翼组件整体作俯仰运动。

2.由权利要求1所述的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器，其特征在于，所述机身上侧设置有上翼板，上翼板由两侧斜板以及连接两侧斜板的横板构成；

两个斜板的端部分别通过一竖板连接两个侧翼的端部，且所述横板与所述机身尾部之间通过另一竖板连接；

设于机身尾部的旋翼组件安装在所述横板上。

3.由权利要求1所述的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器，其特征在于，所述旋翼组件包括：

组件架；

主传动轴，其相对于所述组件架固定安装；

电机，其安装在所述组件架上，且其与所述主传动轴驱动连接；

旋翼结构，其包括相对于所述主传动轴固定的旋翼座以及对称安装在所述旋翼座两侧的旋翼本体，所述旋翼本体相对于所述旋翼座转动安装；及

桨毂结构，其包括滑座，所述滑座可相对于所述主传动轴轴向滑动以及周向转动；所述滑座与每个所述旋翼本体之间各设有一连杆，所述连杆的两端分别铰接在所述滑座以及旋翼本体上；所述桨毂结构还包括驱动所述滑座沿所述主传动轴的轴向运动的驱动组件。

4.由权利要求3所述的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器，其特征在于，所述驱动组件包括：

驱动座，其安装在所述主传动轴上且可在其轴向滑动，且其在主传动轴的轴向上相对于所述滑座的相对位置始终不变；

固定座，其固定安装在所述组件架上；

第二舵机，其固定安装在所述组件架上，且其具有输出杆；及

传动连杆，其中部铰接在所述固定座上，其一端与所述输出杆之间设置有过渡杆，其另一端连接所述驱动座。

5.由权利要求4所述的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器，其特征在于，所述驱动座可同时相对于所述滑座转动；

所述传动连杆的连接所述驱动座的一端具有圆形通孔，所述驱动座上具有伸出的柱形部，所述柱形部的端部具有置于所述圆形通孔内的球形部。

6.由权利要求5所述的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器，其特征在于，所述滑座通过滑套安装在所述主传动轴上，且所述滑座相对于滑套固定，所述驱动座转动安装在所述滑套上。

7.四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器的控制方法，应用于控制***，其特征在于，所述控制***连接四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器的所有动力元件，所述方法包括：

接收控制信号，判断控制信号类型；

当所述控制信号包含提速信号，控制第二舵机，使旋翼组件的桨距增大；

当所述控制信号包含减速信号，控制第二舵机，使旋翼组件的桨距减小。

8.由权利要求7所述的四矢量控制的垂直起降固定翼飞行器控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述控制信号包含上升指令，控制第一舵机，使旋翼组件的倾角增大；

当所述控制信号包含下降指令，控制第一舵机，使旋翼组件的倾角减小。