[發明專利]三自由度無鉸鏈無柔性聯接雙旋翼飛行器動力結構

在審

• 申請號: 201910685764.1
• 申請日: 2019-07-28
• 公開（公告）號: CN110877722A
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發明（設計）人: 侯云櫸
• 申請（專利權）人: 侯云櫸
• 主分類號: B64C27/08
• 分類號: B64C27/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及飛行技術領域，主要涉及一種雙旋翼飛行器，特別涉及通過調整旋翼軸間的角度或旋翼軸與機身距離，實現垂直起降、空中懸停和平飛功能。該飛行器僅有三個自由度：兩個旋翼的各自的旋轉速率，以及兩個旋翼的夾角或距離。旋翼無鉸鏈或柔性聯接，僅通過調整這三個自由度即可實現對飛行器姿態的控制，實現各種飛行姿態。發明的內容涉及該飛行器的基本結構和動力學原理。

技術領域

本發明涉及飛行技術領域，主要涉及一種雙旋翼飛行器，特別涉及通過調整旋翼軸間的角度或旋翼軸與機身距離，實現垂直起降、空中懸停和平飛功能。

背景技術

目前，使用旋翼的飛行設備結構有兩種：使用鉸鏈或柔性聯接進行變矩，使旋翼在不同角度迎風面積周期性變化的雙旋翼設計；以及不使用鉸鏈或柔性聯接，而使用最少四個剛性螺旋槳的多軸設計。其中，前者需要復雜的旋翼變矩傳動機構，復雜性高，磨損和疲勞強度大，不適合小型飛行器；后者使用的旋翼較多，同等工藝條件下，風阻消耗大，不適合長程飛行。

無鉸鏈無柔性聯接雙旋翼飛行器使用兩個剛性螺旋槳旋翼，充分考慮螺旋槳旋轉過程中，在圓周不同位置，槳葉迎風速度不同而產生的不同力矩，通過調整兩個旋翼的夾角或距離，實現垂直起降、空中懸停和平飛功能。整個飛行器僅有三個操作自由度：兩個旋翼的各自的旋轉速率，以及兩個旋翼的夾角或距離。其中，調整旋翼夾角/距離的裝置受力小、工作速度低，可以采用功率極小的伺服電機和輕質傳動裝置。

無鉸鏈無柔性聯接雙旋翼飛行器的第三個操作自由度可以是旋翼角度，稱為“角控制”，也可以是第二旋翼與重心的距離，稱為“距控制”。

無鉸鏈無柔性聯接雙旋翼飛行器的兩個剛性旋翼可以一大一小，也可以等大或幾乎等大。其大小比可在控制一定范圍內任意調整，本說明僅僅對大小相差懸殊的情況和大小一致的情況進行說明。按照控制方式和旋翼大小分為“角控制角大小旋翼設計”、“角控制雙大旋翼設計”、“距控制大小旋翼設計”、“距控制雙大旋翼設計”。其中“距控制大小旋翼設計”并不實用。所以本說明書只對“角控制角大小旋翼設計”、“角控制雙大旋翼設計”、“距控制雙大旋翼設計”進行說明。

對于小型飛行器，如果使用小型內燃機驅動，“角控制大小旋翼設計”可以實現較簡單的結構和較高的效率；如果使用純電動機驅動，“角控制雙大旋翼設計”可以實現較簡單的結構和較高的效率，而“距控制雙大旋翼設計”可以實現機身震動的可控性，避免混亂震動，適合航拍飛行器等震動敏感的飛行器。

發明內容

本發明旨在設計一種，只使用兩個固定螺旋槳的旋翼型飛行器。并給出了該飛行器垂直起降、空中懸停、水平飛行等姿態的力學狀態。為了控制飛行狀態，只需要對三個自由度進行實時調節控制：第一和第二自由度分別是兩個旋翼的旋轉速度（ω1，ω2），第三自由度是兩個旋翼的方向差（θ0）或第二旋翼與機身的距離（L）。控制計算機只需控制這三個自由度，即可實現對飛行器姿態、速度、方向的控制。

飛行器的設計結構按照第三個自由度不同和兩個旋翼大小是否不同，可以分成“角控制角大小旋翼設計”、“角控制雙大旋翼設計”、“距控制大小旋翼設計”、“距控制雙大旋翼設計”。“角控制”指兩個旋翼的角度可控，“距控制”指第二旋翼與機身的距離可控。大小旋翼設計指兩個旋翼一大一小，雙大旋翼設計指兩個旋翼大小相當。其中“距控制大小旋翼設計”并不實用。所以本說明書只對“角控制角大小旋翼設計”（下文簡稱“大小旋翼設計”）、“角控制雙大旋翼設計”（下文簡稱“雙大旋翼設計”）、“距控制雙大旋翼設計”（下文簡稱“距控制設計”）進行說明。

附圖說明：

為了便于說明，飛行器的主體形狀簡化為橢球形，橢球的長軸方向接近與氣流方向平行。實際設計時，需根據空氣動力學和機身結構設計機身形狀。為了便于說明，“角控制”給出了飛機形態的四視圖，即主視圖、俯視圖、左視圖、右視圖。對重點圖片進行了放大，“距控制設計”只給出了主視圖和俯視圖。

圖1：“大小旋翼設計”的整體各部分名稱說明（主視圖），即從飛行器側面觀察呈現的視圖