一种二维矢量推进式三轴飞行器及其控制方法技术

一种二维矢量推进式三轴飞行器及其控制方法，包括升力旋翼动力组、二维矢量推进旋翼动力组、机身以及飞控系统，升力旋翼左右对称安装于机身中部重心前方的两侧碳杆上，升力旋翼旋转平面相对机身水平面纵轴线有正迎角、相对机身水平面横轴线有上反角；飞控系统通过伺服驱动控制二维矢量电机座绕安装轴上下转动，伺服驱动包括减速电机和位置反馈传感器，实现推力俯仰矢量控制。控制方法为：飞行器起飞时，使用垂直距跃升起飞；飞行器巡航时，推进旋翼提供主要向前推力，保证巡航速度；巡航飞行时，推进旋翼动力组直接提供飞行器所需推力，没有传统复杂气动增升、控制、减速结构阻力，可以高效高速巡航飞行。效高速巡航飞行。效高速巡航飞行。

【技术实现步骤摘要】
一种二维矢量推进式三轴飞行器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及一种多旋翼飞行器，尤其是一种二维矢量推进式三轴飞行器及其控制方法。

技术介绍

[0002]现有大规模应用的旋翼类飞行器主要有单旋翼、多旋翼、固定翼和复合翼四种构型。其中，单旋翼飞行器多旋翼飞行器，可以垂起起降，但结构复杂，操纵难度大；多旋翼飞行器结构简单使用方便，但飞行速度较慢抗风性能差；固定翼飞行器存在机翼长度较大，需要跑道空域较大，无法较低速度飞行等缺陷；复合翼飞行器，飞行速度快抗风性好，但是结构复杂，垂直起降旋翼部分结构复杂死重较多，载荷能力差。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种二维矢量推进式三轴飞行器，创新的采用了两轴旋翼复合二维矢量推进旋翼方式，解决了结构简单、高低速飞行、垂直起降、外观尺寸较大等问题。
[0004]本专利技术的技术方案为：一种二维矢量推进式三轴飞行器，包括升力旋翼动力组、二维矢量推进旋翼动力组、机身以及飞控系统，
[0005]其中，升力旋翼动力组包括无刷电机、无刷电调、升力旋翼和一体电机座，升力旋翼安装在无刷电机输出轴上，无刷电机和无刷电调安装在一体电机座上，无刷电调为无刷电机的驱动器，通过飞控系统脉宽调制信号调整无刷电机转速，进而控制升力旋翼转速。升力旋翼左右对称安装于机身中部重心前方的两侧碳杆上，升力旋翼旋转平面相对机身水平面纵轴线有正迎角、相对机身水平面横轴线有上反角。
[0006]二维矢量推进旋翼动力组包括二维矢量电机座、无刷电机、伺服电机、安装轴、推进旋翼，推进旋翼安装无刷电机输出轴上，无刷电机驱动推进旋翼旋转产生推力，无刷电机安装在二维矢量电机座上，飞控系统通过伺服驱动控制二维矢量电机座绕安装轴上下转动，伺服驱动包括减速电机和位置反馈传感器，实现推力俯仰矢量控制，改变推力方向。二维矢量推进旋翼动力组安装在机身尾部，推进旋翼围绕平行于飞行器横轴方向的旋转轴转动。
[0007]一种二维矢量推进式三轴飞行器的控制方法，
[0008]飞行器起飞时，使用垂直距跃升起飞，两侧升力旋翼高速旋转产生跃升升力，尾部的推进旋翼向下偏转，同时加速产生跃升升力，飞行器跃升离地，尾部的推进旋翼加速并迅速向后偏转，飞行器快速向前爬升飞行，爬升至巡航高度后进入正常巡航状态。
[0009]飞行器巡航时，推进旋翼提供主要向前推力，保证巡航速度；升力旋翼电机以较低功率运转，提供部分升力，左右两个升力旋翼差动控制产生升力差平衡推进旋翼反扭力矩和飞行器滚转控制力矩；飞行器高速前进，气流与升力旋翼旋转平面呈正攻角，来流与旋翼耦合提供飞行器主要升力；推进旋翼二维矢量控制飞行器俯仰角，进而维持和改变升力旋
翼平面与气流夹角，同时升力旋翼控制升力旋翼转速两者耦合控制飞行器巡航阶段爬升和降高。
[0010]巡航飞行时，推进旋翼动力组直接提供飞行器所需推力，高效高速巡航飞行。
[0011]本专利技术的有益效果：
[0012]本专利技术创新的采用主动升力旋翼和二维矢量推进旋翼结合，结构简单，可靠性高。比传统多旋翼飞行器结构简单、可靠性高、飞行速度快、抗风性强。比传统固定翼飞行器尺寸较小、可以垂直起降、无需跑道，没有传统固定翼负责气动控制舵面、结构简单可靠，没有传统固定翼失速问题。
[0013]本专利技术创新的采用主动升力旋翼，可以直接旋转产生可控升力，配合二维矢量推进旋翼可以实现垂直距跃升起飞和垂直降落。
附图说明
[0014]图1为本专利技术的飞行器结构示意图；
[0015]图2为本专利技术的飞行器前视图；
[0016]图3为本专利技术的飞行器侧视图；
[0017]图4为本专利技术的飞行器俯视图；
[0018]图5为本专利技术的推进旋翼和伺服驱动机构结构示意图；
[0019]图6为本专利技术的起飞和低速状态示意图；
[0020]图7为本专利技术的升力旋翼差速平衡推进旋翼反扭示意图；
[0021]图8为本专利技术的高速飞行状态示意图；
[0022]图10a为本专利技术的推力线高于重心产生俯仰控制低头力矩示意图；
[0023]图10b为本专利技术的推力线低于于重心产生俯仰控制抬头头力矩示意图；
[0024]图10c为本专利技术的推力线穿过重心不产生俯仰控制力矩示意图
[0025]图中，1：升力旋翼动力组；2：机身；3：二维矢量推进旋翼动力组。
具体实施方式
[0026]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步的说明。
[0027]本专利技术的实施例参考图1
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4所示，一种二维矢量推进式三轴飞行器，包括升力旋翼动力组、二维矢量推进旋翼动力组、机身以及飞控系统，
[0028]其中，升力旋翼动力组包括无刷电机、无刷电调、升力旋翼和一体电机座，升力旋翼安装在无刷电机输出轴上，无刷电机和无刷电调安装在一体电机座上，无刷电调为无刷电机的驱动器，通过飞控系统脉宽调制信号调整无刷电机转速，进而控制升力旋翼转速。
[0029]升力旋翼左右对称安装于机身中部重心前方的两侧碳杆上，升力旋翼旋转平面相对机身水平面纵轴线有正迎角、相对机身水平面横轴线有上反角。
[0030]升力旋翼动力组为飞行器提供升力和一部分俯仰控制力矩，左右两升力旋翼动力组差动提供飞行器滚转控制力矩；左右两侧升力旋翼动力组差动产生升力差平衡推进旋翼反向扭转力矩，升力旋翼旋转平面相对机身水平面纵轴线有正迎角，高速巡航飞行时，气流与升力旋翼动力组的升力旋翼的旋转平面有正夹角，来流与升力旋翼耦合产生飞行器主要升力，两侧升力旋翼动力组有上反角，飞行时，等效升力延长线延垂直升力旋翼旋转平面相
交，提供飞行器滚转方向稳定恢复力矩。
[0031]其中，二维矢量推进旋翼动力组包括二维矢量电机座、无刷电机、伺服电机、安装轴、推进旋翼，推进旋翼安装无刷电机输出轴上，如图5所示，无刷电机驱动推进旋翼旋转产生推力，无刷电机安装在二维矢量电机座上，飞控系统通过伺服驱动控制二维矢量电机座绕安装轴上下转动，伺服驱动包括减速电机和位置反馈传感器，实现推力俯仰矢量控制，改变推力方向。二维矢量推进旋翼动力组安装在机身尾部，推进旋翼围绕平行于飞行器横轴方向的旋转轴转动。
[0032]机身后部有垂直安定面，高速飞行时维持航向稳定性。二维矢量推进旋翼动力组安装于机身尾部，旋转轴与机身横轴平行。
[0033]推进旋翼绕旋转轴转动，产生俯仰控制力矩，推力水平分量提供飞行器前进动力，推动飞行器向前飞行，推进旋翼向下偏转提供起飞阶段部分升力，升力旋翼动力组提供起飞、降落阶段主要升力。推进旋翼偏转产生垂直分力平衡所述升力旋翼产生的俯仰变化力矩。
[0034]飞行器高速巡航转向时，采用固定翼滚转复合俯仰协调转弯模式，目标航向一侧升力旋翼减速、另一侧升力旋翼加速，飞行器压坡度倾向目标航向，二维矢量推进旋翼向上偏转、飞行器抬头，推进旋翼加速飞行器完成协调转弯。
[0035]重要部件产品参数
[0036]1升力旋翼动力组，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维矢量推进式三轴飞行器，包括升力旋翼动力组、二维矢量推进旋翼动力组、机身以及飞控系统，升力旋翼动力组包括无刷电机、无刷电调、升力旋翼和一体电机座，升力旋翼安装在无刷电机输出轴上，无刷电机和无刷电调安装在一体电机座上，无刷电调为无刷电机的驱动器，通过飞控系统脉宽调制信号调整无刷电机转速，进而控制升力旋翼转速；升力旋翼左右对称安装于机身中部重心前方的两侧碳杆上，升力旋翼旋转平面相对机身水平面纵轴线有正迎角、相对机身水平面横轴线有上反角；二维矢量推进旋翼动力组包括二维矢量电机座、无刷电机、伺服电机、安装轴、推进旋翼，推进旋翼安装无刷电机输出轴上，无刷电机驱动推进旋翼旋转产生推力，无刷电机安装在二维矢量电机座上，飞控系统通过伺服驱动控制二维矢量电机座绕安装轴上下转动，伺服驱动包括减速电机和位置反馈传感器，实现推力俯仰矢量控制，改变推力方向；二维矢量推进旋翼动力组安装在机身尾部，推进旋翼围绕平行于飞行器横轴方向的旋转轴转动。2.根据权利要求1所述的一种新型二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：升力旋翼动力组为飞行器提供升力和一部分俯仰控制力矩，左右两升力旋翼动力组差动提供飞行器滚转控制力矩；左右两侧升力旋翼动力组差动产生升力差平衡推进旋翼反向扭转力矩，升力旋翼旋转平面相对机身水平面纵轴线有正迎角，高速巡航飞行时，气流与升力旋翼动力组的升力旋翼的旋转平面有正夹角，来流与升力旋翼耦合产生飞行器主要升力，两侧升力旋翼动力组有上反角，飞行时，等效升力延长线延垂直升力旋翼旋转平面相交，提供飞行器滚转方向稳定恢复力矩。3.根据权利要求2所述的一种新型二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：机身后部有垂直安定面，高速飞行时维持航向稳定性，二维矢量推进旋翼动力组安装于机身尾部，旋转轴与机身横轴平行。4.根据权利要求1所述的一种新型二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：推进旋翼绕旋转轴转动，产生俯仰控制力矩，推力水平分量提供飞行器前进动力，推动飞行器向前飞行，推进旋翼向下偏转提供起飞阶段部分升力，升力旋翼动力组提供起飞、降落阶段主要升力；推进旋翼偏转产生垂直分力平衡所述升力旋翼产生的俯仰变化力矩。5.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓鹏，王飞，
申请(专利权)人：河南星冕机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：