單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機及其控制方法

單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機及其控制方法，單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機包括機身、兩個機翼、兩個轉軸、兩個動力裝置、兩個轉動裝置和自轉動旋翼裝置，其中，兩個機翼均為無舵面機翼，固定設置在所述機身兩側；兩個機翼沿機翼展開方向均設有穿過機翼的轉軸孔洞；兩個轉軸分別穿過對應機翼的轉軸孔洞，一端與對應動力裝置固定相連，另一端與對應固定設置在機身內的轉動裝置相連；轉動裝置用于輸出扭矩給轉軸，進而使得動力裝置相對機身進行轉動；自轉動旋翼裝置包括軸管、轉動軸、自旋轉螺旋槳和舵機，利用來流產生升力。本發明結構簡單，飛行速度快，能夠超短距離起降，具有較大的實用價值。
【專利說明】
單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機及其控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及航空系統技術，尤其涉及一種單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機及其控制方法。
【背景技術】
[0002]固定翼飛機是由機身的固定機翼產生升力的航空器。雖然固定翼飛機相對于直升機、旋翼機具有速度快、安全舒適等特點，但其低速性能差，并且起降需要較長的跑道，對起降的條件要求比較苛刻。
[0003]為解決起降條件要求比較苛刻的問題，在傳統領域，可短距離/垂直起降的飛行器有兩種:直升機、自轉旋翼機。
[0004]直升機是一種由動力驅動頂部旋翼旋轉產生升力的飛行器，其具有低空飛行、低速飛行、可垂直起降等特點。但是直升機的巡航速度較低，航程較短，結構復雜，并且由于直升機的旋翼是由動力驅動產生升力，一旦發動機停車，將無法安全著陸。
[0005]自轉旋翼機是一種以無動力自旋轉翼面為升力面的螺旋類飛行器，代表機型為由美國NASA資助研制的CarterCopter旋翼機和GBA公司研制的Hawk-4旋翼機。由于自轉旋翼依靠前方來流吹動而保持轉動狀態，因此，一旦機體失去動力，它依然可以依靠旋翼自轉安全著陸；同時，具有超短距離起飛、點式著陸、結構簡單、操縱簡便等特點。但自轉旋翼機的巡航速度較低，難以獲得固定翼飛機那樣的大速度。

【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中所涉及到的缺陷，提供一種單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機及其控制方法，超短距離起降，且飛行速度快，結構簡單，可安全著陸。
[0007]本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
一種單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機，包括機身、第一至第二機翼、第一至第二轉軸、第一至第二動力裝置、第一至第二轉動裝置和自轉動旋翼裝置；
所述第一至第二機翼均為無舵面機翼，分別固定設置在所述機身兩側；
所述第一至第二機翼沿機翼展開方向均設有穿過機翼的轉軸孔洞；
所述第一轉軸穿過第一機翼的轉軸孔洞，一端與所述第一動力裝置固定相連，另一端與固定設置在所述機身內的第一轉動裝置相連；
所述第一轉動裝置用于輸出扭矩給所述第一轉軸，進而使得固連在第一轉軸上的第一動力裝置相對機身進行轉動；
所述第二轉軸穿過第二機翼的轉軸孔洞，一端與所述第二動力裝置固定相連，另一端與固定設置在所述機身內的第二轉動裝置相連；
所述第二轉動裝置用于輸出扭矩給所述第二轉軸，進而使得固連在第二轉軸上的第二動力裝置相對機身進行轉動； 所述第一動力裝置、第二動力裝置均用于產生用來推進和改變姿態的推力；
所述自轉動旋翼裝置包括軸管、轉動軸、自旋轉螺旋槳和舵機；
所述軸管設置在機身的軸線上，下端與機身頂端固定相連，上端與所述轉動軸的下端?父接;
所述自旋轉螺旋槳包含旋轉盤和若干均勻設置在旋轉盤周邊的槳葉，其中，旋轉盤的中心設有通孔，通孔內設有軸承；
所述自旋轉螺旋槳通過旋轉盤中心通孔內的軸承與所述轉動軸的上端轉動連接，能夠相對于轉動軸自由轉動；
所述舵機固定在所述軸管上，輸出軸與所述轉動軸轉動，用于在所述軸管與機身軸線所在的平面上調節所述轉動軸與軸管之間的角度。
[0008]作為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機進一步的優化方案，所述第一轉動裝置、第二轉動裝置均包含電機、減速齒輪和傳動桿；
所述電機的輸出端通過減速齒輪與傳動桿的一端嗤合；
所述第一轉動裝置中，傳動桿的另一端與所述第一轉軸嚙合；
所述第二轉動裝置中，傳動桿的另一端與所述第二轉軸嚙合。
[0009]作為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機進一步的優化方案，所述第一動力裝置、第二動力裝置均包括螺旋槳、發動機、油箱、油管、發動機艙、配平重物和油門舵機；
所述油箱設置在發動機艙內，通過所述油管與設置在發動機艙前端的發動機管道相連；
所述油門舵機設置在發動機上，用于控制所述發動機中油門開合程度；
所述螺旋槳與所述發動機的輸出軸固定相連，用于產生推力；
所述配平重物設置在所述發動機艙的后端；
所述第一動力裝置中，發動機艙的一側與所述第一轉軸的一端固定相連，配平重物用于平衡發動機重量相對第一轉軸產生的力矩；
所述第二動力裝置中，發動機艙的一側與所述第二轉軸的一端固定相連，配平重物用于平衡發動機重量相對第二轉軸產生的力矩。
[0010]作為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機進一步的優化方案，所述軸管指向單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的機尾，且軸管與水平面之間的夾角為80度。
[0011]作為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機進一步的優化方案，所述機身、第一至第二機翼、自轉動旋翼裝置均采用碳素纖維制成。
[0012]本發明還公開了基于該單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的控制方法，包含以下過程:
單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機啟動時，第一動力裝置、第二動力裝置產生向前的推力，使得自轉旋翼機向前加速，此時，第一機翼、第二機翼產生升力，自轉動旋翼裝置的自旋轉螺旋槳由于來流轉動產生升力；
單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的前進速度達到預設的速度閾值時，通過調節自轉動旋翼裝置中的舵機改變自旋轉螺旋槳的槳葉迎角，使其趨于零度，此時，自轉動旋翼裝置不產生升力，升力由第一機翼和第二機翼產生；
需要單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機作俯仰運動時，控制第一轉動裝置和第二轉動裝置中的電機同時輸出正向\副向力矩，使得第一動力裝置和第二動力裝置同時產生正向\副向偏轉，第一動力裝置和第二動力裝置產生的推力相對重心產生正向\副向力矩；
需要單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機作滾轉運動時，控制第一轉動裝置和第二轉動裝置中的電機輸出異向力矩，使得第一動力裝置和第二動力裝置產生差動偏轉，第一動力裝置和第二動力裝置產生的推力相對重心產生異向力矩。
[0013]本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
1.以自轉旋翼機本身為基礎，取消尾槳、舵面，使得整個機體不僅具有傳統自傳旋翼機短距離起降、發動機停車可安全著陸等特點的同時，結構更加簡單，可靠性明顯提高；
2.通過機翼兩端固連在轉軸上矢量發動機傾轉對本發明的飛行姿態進行控制，可以獲得更大的機動性，同時不需要增加額外的姿態控制裝置，飛行平穩安全；
3.低速時自旋轉槳葉和機翼共同提供升力，有效載荷較高；
4.通過矢量發動機改變機體姿態，可使自旋轉槳葉的迎角為零，此時僅由機翼提供升力，可高速飛行。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的側視圖；
圖2為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的俯視圖；
圖3為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機中轉動裝置的結構示意圖；
圖4為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機中動力裝置的結構示意圖；
圖5為本發明單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機中自轉旋翼裝置的結構示意圖。
[0015]圖中:1_機身、2-機翼、3-動力裝置、4-轉動裝置、5-自轉動旋翼裝置、6-轉軸、7-T型金屬板、8-電機、9-減速齒輪、10-電位器、11-傳動桿、12-輸出齒輪、13-發動機、14-油箱、15-油管、16-發動機艙、17-配平重物、18-油門舵機、19-發動機槳葉、20-軸管、21-轉動軸、22-自旋轉螺旋槳、23-舵機、24-旋轉盤、25-槳葉。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
如圖1至圖5所示，本發明公開了一種單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機，包括機身、第一至第二機翼、第一至第二轉軸、第一至第二動力裝置、第一至第二轉動裝置和自轉動旋翼裝置。
[0017]所述第一至第二機翼均為無舵面機翼，分別固定設置在所述機身兩側;第一至第二機翼沿機翼展開方向均設有穿過機翼的轉軸孔洞;第一轉軸穿過第一機翼的轉軸孔洞，一端與所述第一動力裝置固定相連，另一端與固定設置在所述機身內的第一轉動裝置相連;第一轉動裝置用于輸出扭矩給所述第一轉軸，進而使得固連在第一轉軸上的第一動力裝置相對機身進行轉動;第二轉軸穿過第二機翼的轉軸孔洞，一端與所述第二動力裝置固定相連，另一端與固定設置在所述機身內的第二轉動裝置相連;第二轉動裝置用于輸出扭矩給所述第二轉軸，進而使得固連在第二轉軸上的第二動力裝置相對機身進行轉動;第一動力裝置、第二動力裝置均用于產生用來推進和改變姿態的推力。
[0018]所述自轉動旋翼裝置包括軸管、轉動軸、自旋轉螺旋槳和舵機;軸管設置在機身的軸線上，下端與機身頂端固定相連，上端與所述轉動軸的下端鉸接；自旋轉螺旋槳包含旋轉盤和若干均勻設置在旋轉盤周邊的槳葉，其中，旋轉盤的中心設有通孔，通孔內設有軸承；自旋轉螺旋槳通過旋轉盤中心通孔內的軸承與所述轉動軸的上端轉動連接，能夠相對于轉動軸自由轉動;舵機固定在所述軸管上，輸出軸與所述轉動軸轉動，用于在所述軸管與機身軸線所在的平面上調節所述轉動軸與軸管之間的角度。
[0019]所述第一轉動裝置、第二轉動裝置均包含電機、減速齒輪和傳動桿，電機的輸出端通過減速齒輪與傳動桿的一端嚙合;第一轉動裝置中，傳動桿的另一端與所述第一轉軸嚙合;第二轉動裝置中，傳動桿的另一端與所述第二轉軸嚙合。可以通過在第一轉動裝置、第二轉動裝置中設置電位器，以取得第一轉軸和第二轉軸的轉動位置。
[0020]所述第一動力裝置、第二動力裝置均包括螺旋槳、發動機、油箱、油管、發動機艙、配平重物和油門舵機;油箱設置在發動機艙內，通過所述油管與設置在發動機艙前端的發動機管道相連;油門舵機設置在發動機上，用于控制所述發動機中油門開合程度;螺旋槳與所述發動機的輸出軸固定相連，用于產生推力;配平重物設置在所述發動機艙的后端;第一動力裝置中，發動機艙的一側與所述第一轉軸的一端固定相連，配平重物用于平衡發動機重量相對第一轉軸產生的力矩;第二動力裝置中，發動機艙的一側與所述第二轉軸的一端固定相連，配平重物用于平衡發動機重量相對第二轉軸產生的力矩。
[0021]所述軸管指向單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的機尾，且軸管與水平面之間的夾角為80度。
[0022]所述機身、第一至第二機翼、自轉動旋翼裝置均采用碳素纖維制成，強度高，質量輕。
[0023]單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機啟動時，第一動力裝置、第二動力裝置產生向前的推力，使得自轉旋翼機向前加速，此時，第一機翼、第二機翼產生升力，自轉動旋翼裝置的自旋轉螺旋槳由于來流轉動產生升力；
單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的前進速度達到預設的速度閾值時，通過調節自轉動旋翼裝置中的舵機改變自旋轉螺旋槳的槳葉迎角，使其趨于零度，此時，自轉動旋翼裝置不產生升力，升力由第一機翼和第二機翼產生；
需要單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機作俯仰運動時，控制第一轉動裝置和第二轉動裝置中的電機同時輸出正向\副向力矩，使得第一動力裝置和第二動力裝置同時產生正向\副向偏轉，第一動力裝置和第二動力裝置產生的推力相對重心產生正向\副向力矩；
需要單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機作滾轉運動時，控制第一轉動裝置和第二轉動裝置中的電機輸出異向力矩，使得第一動力裝置和第二動力裝置產生差動偏轉，第一動力裝置和第二動力裝置產生的推力相對重心產生異向力矩。
[0024]本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0025]以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機，其特征在于，包括機身、第一至第二機翼、第一至第二轉軸、第一至第二動力裝置、第一至第二轉動裝置和自轉動旋翼裝置； 所述第一至第二機翼均為無舵面機翼，分別固定設置在所述機身兩側； 所述第一至第二機翼沿機翼展開方向均設有穿過機翼的轉軸孔洞； 所述第一轉軸穿過第一機翼的轉軸孔洞，一端與所述第一動力裝置固定相連，另一端與固定設置在所述機身內的第一轉動裝置相連； 所述第一轉動裝置用于輸出扭矩給所述第一轉軸，進而使得固連在第一轉軸上的第一動力裝置相對機身進行轉動； 所述第二轉軸穿過第二機翼的轉軸孔洞，一端與所述第二動力裝置固定相連，另一端與固定設置在所述機身內的第二轉動裝置相連； 所述第二轉動裝置用于輸出扭矩給所述第二轉軸，進而使得固連在第二轉軸上的第二動力裝置相對機身進行轉動； 所述第一動力裝置、第二動力裝置均用于產生用來推進和改變姿態的推力； 所述自轉動旋翼裝置包括軸管、轉動軸、自旋轉螺旋槳和舵機； 所述軸管設置在機身的軸線上，下端與機身頂端固定相連，上端與所述轉動軸的下端?父接; 所述自旋轉螺旋槳包含旋轉盤和若干均勻設置在旋轉盤周邊的槳葉，其中，旋轉盤的中心設有通孔，通孔內設有軸承； 所述自旋轉螺旋槳通過旋轉盤中心通孔內的軸承與所述轉動軸的上端轉動連接，能夠相對于轉動軸自由轉動； 所述舵機固定在所述軸管上，輸出軸與所述轉動軸轉動，用于在所述軸管與機身軸線所在的平面上調節所述轉動軸與軸管之間的角度。2.根據權利要求1所述的單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機，其特征在于，所述第一轉動裝置、第二轉動裝置均包含電機、減速齒輪和傳動桿； 所述電機的輸出端通過減速齒輪與傳動桿的一端嗤合； 所述第一轉動裝置中，傳動桿的另一端與所述第一轉軸嚙合； 所述第二轉動裝置中，傳動桿的另一端與所述第二轉軸嚙合。3.根據權利要求1所述的單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機，其特征在于，所述第一動力裝置、第二動力裝置均包括螺旋槳、發動機、油箱、油管、發動機艙、配平重物和油門舵機； 所述油箱設置在發動機艙內，通過所述油管與設置在發動機艙前端的發動機管道相連； 所述油門舵機設置在發動機上，用于控制所述發動機中油門開合程度； 所述螺旋槳與所述發動機的輸出軸固定相連，用于產生推力； 所述配平重物設置在所述發動機艙的后端； 所述第一動力裝置中，發動機艙的一側與所述第一轉軸的一端固定相連，配平重物用于平衡發動機重量相對第一轉軸產生的力矩； 所述第二動力裝置中，發動機艙的一側與所述第二轉軸的一端固定相連，配平重物用于平衡發動機重量相對第二轉軸產生的力矩。4.根據權利要求1所述的單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機，其特征在于，所述軸管指向單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的機尾，且軸管與水平面之間的夾角為80度。5.根據權利要求1所述的單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機，其特征在于，所述機身、第一至第二機翼、自轉動旋翼裝置均采用碳素纖維制成。6.基于權利要求1所述的單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的控制方法，其特征在于，包含以下過程: 單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機啟動時，第一動力裝置、第二動力裝置產生向前的推力，使得自轉旋翼機向前加速，此時，第一機翼、第二機翼產生升力，自轉動旋翼裝置的自旋轉螺旋槳由于來流轉動產生升力； 單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機的前進速度達到預設的速度閾值時，通過調節自轉動旋翼裝置中的舵機改變自旋轉螺旋槳的槳葉迎角，使其趨于零度，此時，自轉動旋翼裝置不產生升力，升力由第一機翼和第二機翼產生； 需要單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機作俯仰運動時，控制第一轉動裝置和第二轉動裝置中的電機同時輸出正向\副向力矩，使得第一動力裝置和第二動力裝置同時產生正向\副向偏轉，第一動力裝置和第二動力裝置產生的推力相對重心產生正向\副向力矩； 需要單旋翼雙矢量推進自轉旋翼機作滾轉運動時，控制第一轉動裝置和第二轉動裝置中的電機輸出異向力矩，使得第一動力裝置和第二動力裝置產生差動偏轉，第一動力裝置和第二動力裝置產生的推力相對重心產生異向力矩。
【文檔編號】B64C27/28GK106081100SQ201610629783
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月3日 公開號201610629783.9, CN 106081100 A, CN 106081100A, CN 201610629783, CN-A-106081100, CN106081100 A, CN106081100A, CN201610629783, CN201610629783.9
【發明人】孫瑜, 張魯遙, 渠尊尊, 楊軍, 蔣婉玥, 王道波
【申請人】南京航空航天大學