[發明專利]串列矢量推力全驅動飛行器及其設計方法

有效

• 申請號: 201710498697.3
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107264780B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 何漠
• 申請（專利權）人: 何漠
• 主分類號: B64C13/50
• 分類號: B64C13/50;B64D27/24;G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種串列矢量推力全驅動飛行器，其特征在于：其組成包括機體(1)、兩個電動推力系統(3)、兩個矢量作動機構(2)、四個舵機(4)及兩個連接機構(5)；所述的兩個電動推力系統(3)分別是前電動推力系統和后電動推力系統，所述的兩個矢量作動機構(2)分別是前矢量作動機構和后矢量作動機構，所述的四個舵機(4)分別是兩個前舵機和兩個后舵機，所述的兩個連接機構(5)分別是前連接機構和后連接機構；

所述的前矢量作動機構分別與前連接機構及前電動推力系統連接為一體，并構成前推力矢量作動機構，所述的前推力矢量作動機構通過其上的前連接機構與機體(1)前端連接，所述的兩個前舵機與前矢量作動機構連接；所述的后矢量作動機構分別與后連接機構及后電動推力系統連接為一體，并構成后推力矢量作動機構，所述的后推力矢量作動機構通過其上的后連接機構與機體(1)后端連接，所述的兩個后舵機與后矢量作動機構連接，形成串列形式。

2.根據權利要求1所述的串列矢量推力全驅動飛行器，其特征在于：每個所述矢量作動機構(2)均包括相位限定器(6)、電機安裝座(7)及兩根連桿(8)；所述的相位限定器(6)與對應的連接機構(5)連接，每個電動推力系統(3)的電機底部均固定在所述的電機安裝座(7)上，所述的兩根連桿(8)一端與電機安裝座(7)連接，兩根連桿(8)另一端與對應的連接機構(5)連接。

3.根據權利要求2所述的串列矢量推力全驅動飛行器，其特征在于：所述的兩個前舵機與前矢量作動機構的兩個連桿(8)連接，所述的兩個后舵機與后矢量作動機構的兩個連桿(8)連接。

4.一種權利要求1至3中任一權利要求所述的串列矢量推力全驅動飛行器的設計方法，其特征在于：所述的方法包括以下步驟：

步驟一：串列矢量全驅動結構設計；

設定兩個前舵機編號分別為1號、2號，兩個后舵機編號分別為3號、4號，當1號舵機順時針轉動，2號舵機順時針轉動，此時前矢量作動機構偏轉，其中θ_fs2＞0，θ_fs1＝0；θ_fs1，θ_fs2為前矢量作動機構與機體坐標系之間的夾角；

當1號舵機逆時針轉動，2號舵機順時針轉動，此時前矢量作動機構會發生偏轉，其中θ_fs2＝0，θ_fs1＞0，與1號和2號舵機運動類似，3號與4號舵機的運動同樣能夠獲取需要的偏轉角度θ_bs2，θ_bs1，其中：θ_bs1，θ_bs2為后矢量作動機構與機體坐標系之間的夾角；

步驟二：串列矢量全驅動飛行器數學模型：

繪制串列矢量全驅動飛行器的數學模型受力圖，其中(i，j，k)為地球固連坐標系，(i_b，j_b，k_b)為機體坐標系，(i_fs，j_fs，k_fs)為前矢量作動機構坐標系，(i_bs，j_bs，k_bs)為后矢量作動機構坐標系；F_fs為前電動推力系統產生的拉力，T_fs為前電動推力系統產生的力矩；F_bs為后電動推力系統產生的拉力，T_bs為后電動推力系統產生的力矩；θ_fs1，θ_fs2為前矢量作動機構與機體坐標系之間的夾角；θ_bs1，θ_bs2為后矢量作動機構與機體坐標系之間的夾角；

該飛行器所受力與力矩在機體坐標系下的分量為F_p，T_p；

前矢量作動機構與機體坐標系之間的夾角已知為θ_fs1，θ_fs2，其轉換矩陣分別為：

這里定義cosθ_fs1為cθ_fs1，sinθ_fs1為sθ_fs1，cosθ_fs2為cθ_fs2，sinθ_fs2為sθ_fs2，有

對應的前矢量作動機構到機體坐標系的齊次變換陣為：

同理，對后矢量作動機構，記cosθ_bs1為cθ_bs1，sinθ_bs1為sθ_bs1，cosθ_bs2為cθ_bs2，sinθ_bs2為sθ_bs2，其坐標轉換陣為：

對應的到機體坐標系的齊次變換陣為：

這里僅考慮螺旋槳產生的沿旋轉軸的拉力和反扭矩，前推力矢量作動機構產生的力與力矩在前矢量作動機構坐標系中的分量列陣為：

類似的，后推力矢量作動機構產生的力與力矩在后矢量作動機構坐標系中的分量列陣為：

記前、后推力矢量作動結構產生的合力在機體坐標系下的分量列陣為

則有

假設兩個電動推力系統(3)分別與對應的矢量作動機構(2)平面交于P₁＝(0，0，z_fmp)^T和P₂＝(0，0，z_bmp)^T兩點，位置矢量與在機體坐標系下的分量列陣記為[x_p1-b y_p1-bz_p1-b]^T與[x_p2-b y_p2-b z_p2-b]^T，根據其次變換規則，有：

記作用于機體產生的和力矩在機體坐標系下的分量列陣為：

則有：

假設前后矢量作動機構下方關節軸承中心位于機體縱對稱面內，即有

y_p1-b＝y_p2-b＝0

則

在工作點附近，假設θ_fs1，θ_fs2，θ_bs1，θ_bs2為小量，有：

cθ_*≈1

sθ_*≈θ_*

sθ_*sθ_*≈0

再假設z_fmp+z_fs-b≈0，z_bmp+z_bs-b≈0，則有

步驟三：串列矢量全驅動飛行器飛行模式：

該飛行器具有不同于傳統固定翼與多旋翼的飛行模式，從步驟二可知，該飛行器廣義外部輸入力能夠同時在該飛行器形態空間的所有方向產生加速度，因此該飛行器屬于全驅動飛行器，能在不進行姿態偏轉的前提下直接產生側向控制力，進行位置平移；

該飛行器具備兩種典型的飛行模式：(1)機體垂直飛行模式；(2)掛載機翼情況下的機體水平飛行模式；

當機體處于垂直飛行模式時，機體縱軸與當地重力方向夾角小于90°，此模式下，存在六種運動形式：

(1)前、后推力矢量作動機構與機體夾角θ_fs2＝-θ_bs2≠0，θ_fs1＝θ_bs1＝0；此時機體產生橫滾方向控制力矩，使機體發生繞體軸k_b方向的轉動；

(2)前、后推力矢量作動結構與機體夾角θ_fs2＝θ_bs2＝0，θ_fs1＝-θ_bs1≠0；此時機體產生俯仰方向控制力矩，使機體發生繞體軸j_b方向的轉動；

(3)當前、后推力矢量作動機構兩電機轉速不一致時，此時機體產生偏航方向控制力矩，使機體發生繞體軸i_b方向的轉動；

(4)前、后推力矢量作動結構與機體夾角θ_fs2＝θ_bs2≠0，θ_fs1＝θ_bs1＝0；此時機體產生側向控制力，使機體產生j_b軸向的平移運動；

(5)前、后推力矢量作動結構與機體夾角θ_fs2＝θ_bs2＝0，θ_fs1＝θ_bs1≠0；此時機體產生側向控制力，使機體產生k_b軸向的平移運動；

(6)當前、后推力矢量作動結構兩電機轉速同步增大或減小時，此時機體產生沿i_b軸向的平移運動；

當機體掛載機翼，飛行器處于平飛模式時，在此模式下，同樣存在六種運動形式：

(1)前、后推力矢量作動機構與機體夾角θ_fs2＝-θ_bs2≠0，θ_fs1＝θ_bs1＝0，此時機體產生偏航方向控制力矩，使機體發生繞體軸k_b方向的偏航運動；

(2)前、后推力矢量作動機構與機體夾角θ_fs2＝θ_bs2＝0，θ_fs1＝-θ_bs1≠0，此時機體產生俯仰方向控制力矩，使機體發生繞體軸j_b方向的轉動；

(3)當調節機翼上的副翼裝置時，此時機體產生滾轉方向控制力矩，使機體發生繞i_b方向的轉動；

(4)前、后推力矢量作動機構與機體夾角θ_fs2＝θ_bs2≠0，θ_fs1＝θ_bs1＝0，此時機體產生側向控制力，使機體產生j_b軸向的平移運動；

(5)前、后推力矢量作動機構與機體夾角θ_fs2＝θ_bs2＝0，θ_fs1＝θ_bs1≠0，此時機體產生側向控制力，使機體產生k_b軸向的平移運動；

(6)當前、后推力矢量作動機構兩電機轉速同步增大或減小時，用以調節飛機平飛狀態下的航速。