一种二维矢量推进式三轴飞行器的制作方法

1.本实用新型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。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本实用新型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。
4.本实用新型的技术方案为：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，所述升力旋翼动力组包括升力无刷电机、升力无刷电调、升力旋翼和一体电机座，所述升力旋翼左右对称安装于所述机身中部重心前方的两侧碳杆上；所述二维矢量推进旋翼动力组包括二维矢量电机座、推进无刷电机、推进无刷电调、伺服驱动、安装轴、推进旋翼，所述二维矢量推进旋翼动力组安装在所述机身尾部，所述推进旋翼围绕平行于所述飞行器横轴方向的旋转轴转动。
5.其中，所述升力旋翼安装在所述升力无刷电机输出轴上，所述升力无刷电机和所述升力无刷电调安装在所述一体电机座上，所述升力无刷电调为所述升力无刷电机的驱动器，通过所述飞控系统脉宽调制信号调整所述升力无刷电机转速，进而控制所述升力旋翼转速。
6.其中，所述升力旋翼旋转平面相对所述机身水平面纵轴线有正迎角、相对所述机身水平面横轴线有上反角。
7.其中，所述推进旋翼安装在所述推进无刷电机输出轴上，所述推进无刷电机驱动所述推进旋翼旋转产生推力，所述推进无刷电机安装在所述二维矢量电机座上，所述飞控系统通过所述伺服驱动控制所述二维矢量电机座绕所述安装轴上下转动，所述伺服驱动包括减速电机和位置反馈传感器。
8.其中，所述机身后部有垂直安定面，所述二维矢量推进旋翼动力组安装于所述机身尾部，旋转轴与所述机身横轴平行。
9.其中，所述升力旋翼动力组中，所述升力无刷电机采用kv400，所述升力无刷电调采用好赢40a电调，所述升力旋翼采用豪克1440碳纤维螺旋桨。
10.其中，使用锂聚合物电池供电，所述升力旋翼动力组最大升力为1500g。
11.其中，所述二维矢量推进旋翼动力组中，所述推进无刷电机采用自研kv510，所述推进无刷电调采用好赢60a电调，所述推进旋翼毫克9075碳纤维螺旋桨。
12.其中，使用锂电池聚合物供电，所述推进旋翼动力组最大推力约3200g。
13.本实用新型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。
14.本实用新型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
15.图1为本实用新型的飞行器结构示意图；
16.图2为本实用新型的飞行器前视图；
17.图3为本实用新型的飞行器侧视图；
18.图4为本实用新型的飞行器俯视图；
19.图5为本实用新型的推进旋翼和伺服驱动机构结构示意图；
20.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。
实施方式
21.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。
22.本实用新型的实施例参考图1-4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，
23.其中，升力旋翼动力组包括升力无刷电机、升力无刷电调、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，升力无刷电机和升力无刷电调安装在一体电机座上，升力无刷电调为升力无刷电机的驱动器，通过飞控系统脉宽调制信号调整升力无刷电机转速，进而控制升力旋翼转速。
24.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。
25.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。
26.其中，二维矢量推进旋翼动力组包括二维矢量电机座、推进无刷电机、推进无刷电调、伺服电机、安装轴、推进旋翼，推进旋翼安装在无刷电机输出轴上，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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.重要部件产品参数
31.1 升力旋翼动力组，采用自研3508（kv400）无刷电机，好赢40a电调，豪克1440碳纤维螺旋桨。使用锂聚合物电池供电，此时升力旋翼动力组最大升力为1500g。
32.2 二维矢量推进旋翼动力组，采用自研3530（kv510）无刷电机，好赢60a电调，毫克9075碳纤维螺旋桨。使用锂电池聚合物供电，此时推进旋翼动力组最大推力约3200g。
33.本二维矢量推进式三轴飞行器采用两轴升力旋翼复合高速二维矢量推进旋翼解决了传统小型固定翼飞行器气动和控制结构复杂、无法垂直起降、无法兼顾高低速和小型多旋翼飞行器无法高速飞行、飞行效率低等问题。
34.本二维矢量推进式三轴飞行器能够在较小起降场地内完成起降，并能够以较高航速进行巡航飞行，在发现可疑目标后还可以大仰角低速飞行，便于对目标进行辨别。飞行器垂直起降和大仰角低速飞行时，主要由升力旋翼产生升力，二维矢量推进旋翼向下偏转提供部分升力，推进旋翼二维矢量控制提供俯仰控制力矩。
35.一种二维矢量推进式三轴飞行器的控制方法，
36.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。
37.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。
38.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。
39.低速阶段，通过升力旋翼大迎角，二维矢量推进实现极低速度飞行；高速阶段，升力旋翼为小迎角状态，旋翼小功率运转保持滚转控制，来流与升力旋翼平面耦合产生升力维持飞行，推进旋翼大功率运行推动飞行器高速巡航，二维矢量维持俯仰稳定。
40.飞行器高速巡航转弯时，目标航向一侧升力旋翼减速、升力下降，另一侧升力旋翼加速、升力增加，飞行器向目标航向方向行程一定滚转角，推进旋翼向下偏转、飞行器抬头，
推进旋翼加速完成协调转弯。
41.飞行器垂直降落时，按照降落航线进入预定下滑轨迹，飞行器以低速大仰角方式减速并降低高度。接地时，推进旋翼向下偏转控制尾部先接地并停止旋转，升力旋翼降低转速维持机身前端缓慢接地并停止旋转，飞行器完成降落。
42.其中，飞控系统控制升力旋翼和推进旋翼实现飞行器起飞、巡航和降落，起飞和较低速飞行时升力旋翼高速旋转提供主要升力，推力旋翼以大角度向上提供升力，升力旋翼的水平分力与推进旋翼水平分力相互抵消。
43.飞行过程中，飞控系统控制左右两侧升力旋翼差速旋转，使得左右升力差平衡推进旋翼反扭力矩。
44.低速飞行时，飞控系统操作飞行器采用大迎角飞行，此时推进旋翼以较大角度向下偏转，推力垂直分量提供一部分升力，水平分力提供低速飞行推力。
45.高速飞行时，飞控系统操作飞行器以较小迎角飞行，此时推进旋翼以较小角度向下偏转，升力主要由升力旋翼与来流耦合产生，推进旋翼较小垂直分力提供较小升力，较大水平分力提供向前推力。
46.飞控系统通过控制矢量推进旋翼角度产生俯仰控制力矩。当推进旋翼向下偏转，推力线高于重心，产生俯仰控制低头力矩。当推进旋翼向上偏转，推力线低于于重心，产生俯仰控制抬头头力矩。当推进旋翼推力线穿过重心，不产生俯仰控制力矩。
47.以上所述实施方式仅表达了本实用新型的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：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，所述升力旋翼动力组包括升力无刷电机、升力无刷电调、升力旋翼和一体电机座，所述升力旋翼左右对称安装于所述机身中部重心前方的两侧碳杆上；所述二维矢量推进旋翼动力组包括二维矢量电机座、推进无刷电机、推进无刷电调、伺服驱动、安装轴、推进旋翼，所述二维矢量推进旋翼动力组安装在所述机身尾部，所述推进旋翼围绕平行于所述飞行器横轴方向的旋转轴转动。2.根据权利要求1所述的一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：所述升力旋翼安装在所述升力无刷电机输出轴上，所述升力无刷电机和所述升力无刷电调安装在所述一体电机座上，所述升力无刷电调为所述升力无刷电机的驱动器，通过所述飞控系统脉宽调制信号调整所述升力无刷电机转速，进而控制所述升力旋翼转速。3.根据权利要求1所述的一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：所述升力旋翼旋转平面相对所述机身水平面纵轴线有正迎角、相对所述机身水平面横轴线有上反角。4.根据权利要求1所述的一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：所述推进旋翼安装在所述推进无刷电机输出轴上，所述推进无刷电机驱动所述推进旋翼旋转产生推力，所述推进无刷电机安装在所述二维矢量电机座上，所述飞控系统通过所述伺服驱动控制所述二维矢量电机座绕所述安装轴上下转动，所述伺服驱动包括减速电机和位置反馈传感器。5.根据权利要求1所述的一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：所述机身后部有垂直安定面，所述二维矢量推进旋翼动力组安装于所述机身尾部，旋转轴与所述机身横轴平行。6.根据权利要求1所述的一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：所述升力旋翼动力组中，所述升力无刷电机采用kv400，所述升力无刷电调采用好赢40a电调，所述升力旋翼采用豪克1440碳纤维螺旋桨。7.根据权利要求6所述的一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：使用锂聚合物电池供电，所述升力旋翼动力组最大升力为1500g。8.根据权利要求1所述的一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：所述二维矢量推进旋翼动力组中，所述推进无刷电机采用自研kv510，所述推进无刷电调采用好赢60a电调，所述推进旋翼毫克9075碳纤维螺旋桨。9.根据权利要求8所述的一种二维矢量推进式三轴飞行器，其特征在于：使用锂电池聚合物供电，所述推进旋翼动力组最大推力约3200g。

技术总结
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。推力俯仰矢量控制。推力俯仰矢量控制。


技术研发人员：刘晓鹏 王飞
受保护的技术使用者：河南星冕机器人科技有限公司
技术研发日：2021.07.08
技术公布日：2023/4/20