[發明專利]用于微型飛行器的被動旋翼控制機構

在審

• 申請號: 201480021124.6
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN105339262A
• 公開（公告）日: 2016-02-17
• 發明（設計）人: 詹姆斯·J·保羅斯
• 申請（專利權）人: 賓夕法尼亞大學理事會
• 主分類號: B64C39/02
• 分類號: B64C39/02
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 趙曉祎;戚傳江

相關申請的交叉引用

本申請要求2013年3月14日提交的名為“PASSIVEROTORCONTROLMECHANISMFORMICROAIRVEHICLES(用于微型飛行器的被動旋翼控制機構)”的美國臨時專利申請No61/783,743的權益，其內容在此通過引用合并于此。

技術領域

技術領域一般地涉及飛行器，且更特定地涉及用于實現微型飛行器內的姿態控制的被動旋翼控制機構。

背景技術

現代的小型無人航空器(UAV)和微型飛行器(MAV)一般地分為兩個類別：優選地用于長距離巡航的普通飛機類飛行器(airplane-likecraft)和優選地用于懸停和緊密操縱的直升機類飛行器(helicopter-likecraft)?？蓱彝５腗AV的類別主要通過如何生成姿態修正力矩和力來區分。典型的直升機利用了輔助伺服促動器和復雜的斜板機構來通過每轉主動地改變主螺旋槳的攻角，此策略稱為“循環控制”。此傳統機構的成本和機械復雜性是驅使研究人員向“四旋翼”飛行器努力的主要因素之一，其以四個簡單的螺旋槳替換一個復雜的螺旋槳。

期望對于復雜的斜板機構的替代，其提供類似的能力但用更少的移動部件。本發明解決了現有技術中的此需求和其他需求。

發明內容

利用了公開的螺旋槳策略的飛行器通過調節平均旋翼速度維持提升推力，且通過馬達轉矩的協調的脈動生成控制力矩。在實施例中，系統包括馬達，與馬達通信地連接的處理器；和與處理器通信地聯接的存儲器。存儲器可以具有存儲在其內的計算機可讀指令，所述計算機可讀指令如果被處理器執行則導致處理器執行操作，所述操作包括：調節航空器的旋翼的平均速度以維持提升推力，和航空器的馬達的轉矩的脈動以生成控制力矩。

在另一個實施例中，航空器可以包括槳榖、馬達、與馬達和槳榖連接的軸、和旋翼。馬達軸可將轉矩傳遞到旋翼，使得馬達的轉矩被脈動，以生成用于航空器的控制力矩。

提供此發明內容以用簡化的形式介紹概念的選擇，其將在具體實施方式中在下文中進一步描述。此發明內容不意圖于給出所要求的主題的關鍵特征或基本特征，也不意圖于用于限制所要求的主題的范圍。此外，所要求的主題不限于解決在此公開的任何部分中提及的任何缺點或全部缺點的限制。

附圖說明

從如下的結合附圖的示例給出的描述中可得到更詳細的理解，其中：

圖1是包括傳統的斜板元件的飛行器的部分的典型圖示；

圖2是由不同的升力和阻力生成的四旋翼控制力矩的典型圖示；

圖3是美國專利5,259,729中的控制系統的圖示；

圖4圖示了飛行器的可用于實施被動旋翼控制機構的部件；

圖5圖示了安裝到小負荷傳感器且在鋁吊架上無地效支持的旋翼殼體；

圖6是用于通過轉矩調制的循環槳距控制的鉸接旋翼的典型圖示；

圖7是帶有簡化的幾何形狀的點的鉸接旋翼的典型圖示；

圖8是一系列坐標系的典型圖示；

圖9示出了凈控制力矩響應幅值；

圖10示出了凈控制力矩響應方向；

圖11a示出了幾何上類似的鉸接螺旋槳和硬式槳榖螺旋槳的推力與RPM的性能比較；

圖11b示出了幾何上類似的鉸接螺旋槳和硬式槳榖螺旋槳的阻力與RPM的性能比較；

圖11c示出了幾何上類似的鉸接螺旋槳和硬式槳榖螺旋槳的推力與阻力的性能比較；

圖12示出了幾何上類似的鉸接螺旋槳和硬式槳榖螺旋槳的品質因數；

圖13a示出了處于1087rpm的鉸接旋翼的轉矩波動測量值；

圖13b示出了轉矩波動的單邊FFT；

圖14是典型的“腿行機器人”無刷馬達，該馬達在內環上具有12個靜止的線圈且在外部的移動殼體上具有14個磁體；

圖15是等價的線圈-磁體相對構造的典型圖示；

圖16示出了馬達轉矩和響應力矩；

圖17示出了經低通濾波的馬達轉矩和響應力矩；

圖18a示出了鉸接螺旋槳對于在幅值和相位上的階躍的俯仰和橫滾力矩響應；

圖18b示出了鉸接螺旋槳對于在幅值輸入上的階躍的俯仰和橫滾力矩響應；

圖18c示出了鉸接螺旋槳對于在相位輸入上的階躍的俯仰和橫滾力矩響應；和