一种变循环飞行器桨叶调节装置及其控制方法与流程

1.本发明属于飞行器旋翼倾转结构及控制领域，尤其涉及一种变循环飞行器桨叶调节装置及其控制方法。


背景技术：

2.多旋翼类飞行器是传统飞行器结构的代表之一，其结构简单、易于操控，在军事和民用领域发挥着重要作用。
3.传统多旋翼类飞行器产生前向推力主要通过倾斜桨盘平面或机身来实现，所需动力大，效率低。20世纪50年代以来，垂直起降技术逐步兴起，欧美各国提出了多种垂直起降方案，倾转旋翼方案便是其中之一。倾转旋翼即起飞时旋翼的轴线与机身轴线垂直，平飞时旋翼的轴线与机身轴线平行，使得飞行器具有优良的短距/垂直起降、悬停和高速巡航性能，同时增大了飞行器的载荷量与航程。
4.然而，目前典型倾转旋翼方案受其自身结构的制约，不仅灵活性不足、运行模式单一，无法兼顾不同运行模式的运转，而且结构复杂、增加了飞行器的重量和成本，增大了设计、制造与维护的难度，使得飞行器的动力利用率较低，还容易发生故障。


技术实现要素：

5.针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供了一种变循环飞行器桨叶调节装置及其控制方法，以简化装置的结构、减轻装置的重量，使结构更加紧凑；既可通过倾转电机旋转实现两侧桨叶的单独倾转或电子式同步倾转，又可通过中部传动部件实现两侧桨叶的机械式同步倾转，大大提高了装置灵活性及飞行器的机动性；同时提出了相应的控制方法，使整个装置具有较好的可靠性、抗干扰性和控制性能。
6.本发明提供一种变循环飞行器桨叶调节装置，包括：
7.联络轴提升与带转装置，包括外壳以及容纳于外壳内部的联络轴、联络轴提升模块和联络轴带转模块，
8.倾转电机，包括沿水平方向设置的第一倾转电机和第二倾转电机，经传动轴分别安装于外壳左、右两侧，
9.动力电机，包括沿垂直方向设置的第一动力电机和第二动力电机，其顶部主轴一端连接桨叶，底部固定连接块，并通过连接块的左侧或右侧上的卡扣端分别连接第一倾转电机和第二倾转电机主轴，及
10.推拉电机，包括沿水平方向设置的第一推拉电机和第二推拉电机，其主轴连接至与卡扣端相对一侧的连接块上；
11.其中，由联络轴提升模块中的推杆电机驱动联络轴升降，实现联络轴提升模块与联络轴带转模块之间的啮合传动与分离，以及联络轴与传动轴之间的嵌套与分离。
12.在其中一些实施例中，联络轴提升模块进一步包括：
13.推杆电机，固定于外壳内侧的底部，
14.举升架，沿水平方向设置的凹字形支架，设置于推杆电机上方，且其底部连接推杆电机主轴，用于支撑并带动联络轴到达指定位置，及
15.联络轴外套涡轮，套设于联络轴外部的中间位置。
16.在其中一些实施例中，联络轴沿水平方向放置于举升架上，并在外壳内侧的沿联络轴升降路径设置滑道。
17.在其中一些实施例中，联络轴带转模块设置于所述联络轴提升模块上方，进一步包括：
18.联络轴带转电机，固定于外壳内部的后侧壁上，
19.联络轴带转蜗杆，与联络轴垂直方向设置，并连接联络轴带转电机主轴，用于与联络轴外套涡轮相互啮合传动，及
20.旋转编码器，连接联络轴带转电机主轴。
21.在其中一些实施例中，联络轴的左、右两端设有牙嵌式离合器，用于嵌套传动轴。
22.在其中一些实施例中，与外壳左、右两侧相连一端的传动轴上设有牙嵌式离合器，通过传动轴与联络轴上的牙嵌式离合器相互配合嵌套，实现传动轴与联络轴之间的连接。
23.在其中一些实施例中，外壳内部还设有与倾转电机和动力电机有线连接的控制单元，控制单元进一步包括主控模块和电机控制模块；
24.其中，主控模块通过读取气压传感器的气压高度数据、加速度传感器与陀螺仪的三轴加速度和角速度数据、磁罗盘的航线数据、gps位置数据以及速度数据，解算动力电机的转速与倾转电机的倾转角度，并向电机控制模块发出信号，进而控制各电机的旋转状态。
25.本发明还提供了一种变循环飞行器桨叶调节装置的控制方法，当变循环飞行器桨叶调节装置由其他模式切换到机械式同步运行模式时，控制方法包括以下步骤：
26.通过推拉电机带动传动轴向外侧拉开一段距离，在推杆电机的驱动下举升架带动联络轴竖直向上提升直至与两传动轴同心；
27.联络轴外套涡轮与联络轴带转蜗杆相互啮合，并由推拉电机将传动轴向内推，采用牙嵌式离合器使联络轴左右两端分别与联络轴相对一端的传动轴相互嵌套卡紧；
28.外壳内壁设置弹簧卡扣，当传动轴内推至指定位置时，卡扣将倾转电机卡紧固定，联络轴提升模块下降到初始位置，机械式同步倾转模式准备就绪。
29.本发明还提供了一种变循环飞行器桨叶调节装置的控制方法，当变循环飞行器桨叶调节装置由其他模式切换到机械式单轴运行模式时，控制方法包括以下步骤：
30.联络轴提升模块上升至指定位置并将联络轴固定，随后推拉电机将把两传动轴向外侧拉开一段距离，使牙嵌式离合器分离；
31.所述联络轴提升模块开始下降，当下降至初始位置时，推杆电机将联络轴推回原位，单轴运行模式准备就绪。
32.本发明还提供了一种变循环飞行器桨叶调节装置的控制方法，当变循环飞行器桨叶调节装置由其他模式切换到电子式同步运行模式时，包括以下步骤：
33.主控模块读取气压传感器的气压高度数据、加速度传感器与陀螺仪的三轴加速度和角速度数据、磁罗盘的航线数据、gps位置数据以及速度数据；
34.解算所述动力电机的转速与倾转电机的倾转角度，并向电机控制模块发出信号，进而控制各电机的旋转状态，从而保持两倾转电机的旋转速度与角度基本相同。
35.与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
36.1、本发明提出的变循环飞行器桨叶调节装置，该装置通过联络轴提升与带转装置与各电机(包括倾转电机、动力电机、推拉电机等)之间的相互配合，既能通过倾转电机旋转实现两侧桨叶的单独倾转或电子式同步倾转，又可通过中部传动部件实现两侧桨叶的机械式同步倾转，大大提高了装置灵活性及飞行器的机动性；
37.2、本发明提出的基于变循环飞行器桨叶调节装置及其控制方法，其中，控制方法包括机械式同步倾转、单独倾转和电子式同步倾转三种运行模式，使整个装置具有较好的可靠性、抗干扰性和控制性能；
38.3、本发明提出的变循环飞行器桨叶调节装置具有灵活性强、效率高，设计、使用和维护方便等特点。
附图说明
39.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，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：
40.图1为本发明变循环飞行器桨叶调节装置一个实施例的主视图；
41.图2为本发明变循环飞行器桨叶调节装置一个实施例的俯视图；
42.图3为本发明变循环飞行器桨叶调节装置一个实施例的侧视图；
43.图4为本发明变循环飞行器桨叶调节装置中联络轴提升与带转装置的透视图；
44.图5为本发明变循环飞行器桨叶调节装置中联络轴提升与带转装置的侧视图；
45.图6为本发明变循环飞行器桨叶调节装置中牙嵌式离合器的结构示意图。
46.以上各图中：
47.1、第一倾转电机；2、第二倾转电机；3、联络轴提升与带转装置；4、传动轴；5、第一动力电机；6、第二动力电机；7、桨叶；8、连接块；9、卡扣；10、第一推拉电机；11、第二推拉电机；12、控制单元；14、牙嵌式离合器；
48.31、外壳；32、联络轴；33、联络轴提升模块；34、联络轴带转模块；
49.331、推杆电机；332、举升架；333、联络轴外套涡轮；
50.341、联络轴带转电机；342、联络轴带转蜗杆；343、旋转编码器。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
53.术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要
性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
54.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
55.如附图1所示，在本发明变循环飞行器桨叶调节装置的一个示意性实施例中，该变循环飞行器桨叶调节装置包括：
56.联络轴提升与带转装置3，设置在整个桨叶调节装置的中心位置，具体包括外壳31以及容纳于外壳31内部的联络轴32、联络轴提升模块33和联络轴带转模块34，外壳31的外观结构可设置为正方体形、长方体形或者其他能够用于容纳联络轴32、联络轴提升模块33和联络轴带转模块34的刚性外壳，
57.倾转电机，包括沿水平方向设置的第一倾转电机1和第二倾转电机2，经传动轴4分别安装于外壳31左、右两侧，传动轴4与倾转电机的外壳刚性连接，并能随之同步转动，
58.动力电机，包括沿垂直方向设置的第一动力电机5和第二动力电机6，其顶部主轴一端连接桨叶7，底部固定连接块8，并通过连接块8的左侧或右侧上的卡扣9端分别连接第一倾转电机1和第二倾转电机2主轴，及
59.推拉电机，用于推拉传动轴4，包括沿水平方向设置的第一推拉电机10和第二推拉电机11，其主轴连接至与卡扣9端相对一侧的连接块8上；
60.其中，由联络轴提升模块33中的推杆电机331驱动联络轴32的升降，既实现联络轴提升模块33与联络轴带转模块34之间的啮合传动与分离，又能实现联络轴32与传动轴4之间的嵌套与分离。
61.在上述示意性实施例中，本发明提出一种变循环飞行器桨叶调节装置，该装置能够兼顾多种运行模式，灵活性更高。具体地，当切换至机械式同步运行模式时，该装置通过联络轴提升模块33带动联络轴32提升至指定位置后，联络轴提升模块33退回至初始位置，左、右两侧的传动轴4与联络轴32嵌套卡紧，使得两侧的传动轴实现刚性连接，从而开启后续机械式同步进行模式；当装置处于单轴运行模式时，解除联络轴32与左右两侧传动轴4的刚性连接，联络轴32退出，左右两侧的可单独控制，从而实现后续单轴运行模式。由此可见，本发明提出的桨叶调节装置通过联络轴提升与带转装置与各电机(包括倾转电机、动力电机、推拉电机等)之间的相互配合，既能通过倾转电机旋转实现两侧桨叶的单独倾转或电子式同步倾转，又可通过中部传动部件实现两侧桨叶的机械式同步倾转，大大提高了装置灵活性及飞行器的机动性。
62.在一些实施例中，在外壳31内联络轴带转模块34设置于联络轴提升模块33的上方，其中，联络轴提升模块33进一步包括：
63.推杆电机331，固定于外壳31内侧的底部，
64.举升架332，沿水平方向设置的凹字形支架，设置于推杆电机331上方，且其底部连接推杆电机331主轴，所述联络轴32沿水平方向放置于举升架332上，举升架332用于支撑联络轴32，并在推杆电机331的驱动下带动联络轴32到达指定位置，及
65.联络轴外套涡轮333，套设于联络轴32外部的中间位置。
66.进一步地，为了确保联络轴32在上升和下降过程中保持姿态稳定，本发明还在外壳31内侧的沿联络轴32升降路径上设置滑道(图中未示出)。
67.联络轴带转模块34进一步包括：
68.联络轴带转电机341，固定于外壳31内部的后侧壁上，
69.联络轴带转蜗杆342，与联络轴32垂直方向设置，并连接联络轴带转电机341主轴，用于与联络轴外套涡轮333相互啮合传动，及
70.旋转编码器343，连接联络轴带转电机341主轴。
71.在上述实施例中，在推杆电机331的驱动下举升架332带动联络轴32到达指定位置后，联络轴带转蜗杆342与联络轴外套涡轮333相互啮合传动，传联络轴32与左右两侧的传动轴4嵌套卡紧，使得两侧的传动轴实现刚性连接，此时联络轴带转电机341的旋转将转化为联络轴与传动轴的共同旋转，进而开始机械式同步运行模式。
72.在一些实施例中，结合附图6，本发明为了提高联络轴32与传动轴4之间连接的稳定性和牢固性，分别在联络轴32的左、右两端设有牙嵌式离合器14，在与外壳31左、右两侧相连一端的传动轴4上设有牙嵌式离合器14，通过传动轴4与联络轴32上的牙嵌式离合器14相互配合嵌套，实现传动轴4与联络轴32之间的连接。
73.在一些实施例中，本发明的桨叶调节装置除了能提供机械同步倾转运行模式和单轴(或异步旋转)运行模式之外，还提供了一种电子式运行模式，该模式需要控制单元12协助完成，该单元设置于外壳31内部(附图5)，与倾转电机和动力电机为有线连接；其中，该控制单元12进一步包括两大模块，即主控模块和电机控制模块，其中，主控模块均内置基于前馈补偿的pd控制算法，采用双闭环控制策略，外环控制飞行器位置(航迹)，内环控制飞行器姿态(滚转角)，保证响应速度的同时增强了控制系统的稳定性与控制效果。下面将针对这两大模块的功能进行详细说明：
74.主控模块通过读取气压传感器的气压高度数据、加速度传感器与陀螺仪的三轴加速度和角速度数据、磁罗盘的航线数据、gps位置数据以及速度数据，利用自适应环境感知与姿态控制算法解算动力电机的转速与倾转电机的倾转角度，并向电机控制模块发出信号，进而控制各电机的旋转状态。同时，主控模块能够接收动力电机转速与倾转角度；当装置处于机械式同步运行模式时，可以通过旋转编码器343间接获取倾转角度。
75.此外，上述提到的气压传感器、加速度传感器与陀螺仪、磁罗盘等部件均安装于控制单元12内部，具体安装位置本领域技术人员可根据实际情况或实际需要进行设置，这些部件与主控模块之间的连接关系为有线电连接。
76.在采用上述变循环飞行器桨叶调节装置的基础上，本发明实施例还提供了三种控制方法，分别为机械式同步运行模式、机械式单轴运行模式以及电子式同步运行模式，下面将对这三种运行模式的具体控制方法进行详细说明：
77.1、机械式同步运行模式，其控制方法包括以下步骤：
78.(1)通过推拉电机带动传动轴4向外侧拉开一段距离，在推杆电机331的驱动下举升架332带动联络轴32竖直向上提升直至与两传动轴4同心；
79.(2)联络轴外套涡轮333与联络轴带转蜗杆342相互啮合，并由推拉电机10将传动轴4向内推，使用牙嵌式离合器14使联络轴32的两端和传动轴4(即与联络轴32相对一端)相互嵌套卡紧；
80.(3)所述外壳内壁设置弹簧卡扣，当传动轴内推至指定位置时，卡扣将倾转电机卡紧固定，联络轴提升模块下降到初始位置，机械式同步倾转模式准备就绪。
81.2、机械式单轴运行模式，其控制方法包括以下步骤：
82.(1)联络轴提升模块33上升至指定位置并将联络轴32固定，随后推拉电机将把两传动轴4向外侧拉开一段距离，使牙嵌式离合器14分离；
83.(2)联络轴提升模块33开始下降，当下降至初始位置时，推杆电机331将联络轴32推回原位，单轴运行模式准备就绪。
84.3、电子式同步运行模式时，其控制方法包括以下步骤：
85.(1)主控模块读取气压传感器的气压高度数据、加速度传感器与陀螺仪的三轴加速度和角速度数据、磁罗盘的航线数据、gps位置数据以及速度数据；
86.(2)解算动力电机的转速与倾转电机的倾转角度，并向电机控制模块发出信号，进而控制各电机的旋转状态，从而保持两倾转电机的旋转速度与角度基本相同。
87.最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
88.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.一种变循环飞行器桨叶调节装置，其特征在于，包括：联络轴提升与带转装置，包括外壳以及容纳于所述外壳内部的联络轴、联络轴提升模块和联络轴带转模块，倾转电机，包括沿水平方向设置的第一倾转电机和第二倾转电机，经传动轴分别安装于所述外壳左、右两侧，动力电机，包括沿垂直方向设置的第一动力电机和第二动力电机，其顶部主轴一端连接桨叶，底部固定连接块，并通过连接块的左侧或右侧上的卡扣端分别连接第一倾转电机和第二倾转电机主轴，及推拉电机，包括沿水平方向设置的第一推拉电机和第二推拉电机，其主轴连接至与所述卡扣端相对一侧的连接块上；其中，由所述联络轴提升模块中的推杆电机驱动联络轴升降，实现联络轴提升模块与联络轴带转模块之间的啮合传动与分离，以及联络轴与传动轴之间的嵌套与分离。2.根据权利要求1所述的变循环飞行器桨叶调节装置，其特征在于，所述联络轴提升模块进一步包括：推杆电机，固定于外壳内侧的底部，举升架，沿水平方向设置的凹字形支架，设置于所述推杆电机上方，且其底部连接推杆电机主轴，用于支撑并带动所述联络轴到达指定位置，及联络轴外套涡轮，套设于所述联络轴外部的中间位置。3.根据权利要求2所述的变循环飞行器桨叶调节装置，其特征在于，所述联络轴沿水平方向放置于举升架上，并在所述外壳内侧的沿联络轴升降路径设置滑道。4.根据权利要求2所述的变循环飞行器桨叶调节装置，其特征在于，所述联络轴带转模块设置于所述联络轴提升模块上方，进一步包括：联络轴带转电机，固定于外壳内部的后侧壁上，联络轴带转蜗杆，与所述联络轴垂直方向设置，并连接所述联络轴带转电机主轴，用于与所述联络轴外套涡轮相互啮合传动，及旋转编码器，连接所述联络轴带转电机主轴。5.根据权利要求1所述的变循环飞行器桨叶调节装置，其特征在于，所述联络轴的左、右两端设有牙嵌式离合器，用于嵌套传动轴。6.根据权利要求1所述的变循环飞行器桨叶调节装置，其特征在于，与所述外壳左、右两侧相连一端的传动轴上设有牙嵌式离合器，通过传动轴与联络轴上的牙嵌式离合器相互配合嵌套，实现传动轴与联络轴之间的连接。7.根据权利要求1所述的变循环飞行器桨叶调节装置，其特征在于，外壳内部还设有与所述倾转电机和动力电机有线连接的控制单元，所述控制单元进一步包括主控模块和电机控制模块；其中，所述主控模块通过读取气压传感器的气压高度数据、加速度传感器与陀螺仪的三轴加速度和角速度数据、磁罗盘的航线数据、gps位置数据以及速度数据，解算所述动力电机的转速与倾转电机的倾转角度，并向电机控制模块发出信号，进而控制各电机的旋转状态。8.如权利要求1-7中任一项所述的变循环飞行器桨叶调节装置的控制方法，其特征在
于，当所述变循环飞行器桨叶调节装置由其他模式切换到机械式同步运行模式时，控制方法包括以下步骤：通过推拉电机带动传动轴向外侧拉开一段距离，在推杆电机的驱动下举升架带动联络轴竖直向上提升直至与两传动轴同心；所述联络轴外套涡轮与联络轴带转蜗杆相互啮合，并由推拉电机将传动轴向内推，采用牙嵌式离合器使联络轴左右两端分别与联络轴相对一端的传动轴相互嵌套卡紧；所述外壳内壁设置弹簧卡扣，当传动轴内推至指定位置时，卡扣将倾转电机卡紧固定，联络轴提升模块下降到初始位置，机械式同步倾转模式准备就绪。9.如权利要求1-7中任一项所述的变循环飞行器桨叶调节装置的控制方法，其特征在于，当所述变循环飞行器桨叶调节装置由其他模式切换到机械式单轴运行模式时，控制方法包括以下步骤：所述联络轴提升模块上升至指定位置并将联络轴固定，随后推拉电机将把两传动轴向外侧拉开一段距离，使所述牙嵌式离合器分离；所述联络轴提升模块开始下降，当下降至初始位置时，所述推杆电机将联络轴推回原位，单轴运行模式准备就绪。10.如权利要求1-8中任一项所述的变循环飞行器桨叶调节装置的控制方法，其特征在于，当所述变循环飞行器桨叶调节装置由其他模式切换到电子式同步运行模式时，包括以下步骤：主控模块读取气压传感器的气压高度数据、加速度传感器与陀螺仪的三轴加速度和角速度数据、磁罗盘的航线数据、gps位置数据以及速度数据；解算所述动力电机的转速与倾转电机的倾转角度，并向电机控制模块发出信号，进而控制各电机的旋转状态，从而保持两倾转电机的旋转速度与角度基本相同。

技术总结
本发明涉及一种变循环飞行器桨叶调节装置及其控制方法，其中桨叶调节装置，包括：由外壳以及容纳于外壳内部的联络轴、联络轴提升模块和联络轴带转模块组成的联络轴提升与带转装置、经传动轴分别安装于外壳左、右两侧的倾转电机、通过连接块的左侧或右侧上的卡扣端分别连接第一倾转电机和第二倾转电机主轴的动力电机、主轴连接至与卡扣端相对一侧的连接块上的推拉电机；其中，由联络轴提升模块中的推杆电机驱动联络轴升降，实现联络轴提升模块与联络轴带转模块之间的啮合传动与分离，以及联络轴与传动轴之间的嵌套与分离。本发明桨叶调节装置具有灵活性强、效率高，设计、使用和维护方便等特点。方便等特点。方便等特点。


技术研发人员：郭玉超 李懿 王伟韬 阮昌龙 张纪波 林宗元 戴先栋 王文志 丁曙 张春瑶 张帅 李鑫 刘永圣
受保护的技术使用者：青岛航空技术研究院
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/6/28