[发明专利]三自由度无铰链无柔性联接双旋翼飞行器动力结构

说明书

本发明涉及飞行技术领域，主要涉及一种双旋翼飞行器，特别涉及通过调整旋翼轴间的角度或旋翼轴与机身距离，实现垂直起降、空中悬停和平飞功能。该飞行器仅有三个自由度：两个旋翼的各自的旋转速率，以及两个旋翼的夹角或距离。旋翼无铰链或柔性联接，仅通过调整这三个自由度即可实现对飞行器姿态的控制，实现各种飞行姿态。发明的内容涉及该飞行器的基本结构和动力学原理。

技术领域

本发明涉及飞行技术领域，主要涉及一种双旋翼飞行器，特别涉及通过调整旋翼轴间的角度或旋翼轴与机身距离，实现垂直起降、空中悬停和平飞功能。

背景技术

目前，使用旋翼的飞行设备结构有两种：使用铰链或柔性联接进行变矩，使旋翼在不同角度迎风面积周期性变化的双旋翼设计；以及不使用铰链或柔性联接，而使用最少四个刚性螺旋桨的多轴设计。其中，前者需要复杂的旋翼变矩传动机构，复杂性高，磨损和疲劳强度大，不适合小型飞行器；后者使用的旋翼较多，同等工艺条件下，风阻消耗大，不适合长程飞行。

无铰链无柔性联接双旋翼飞行器使用两个刚性螺旋桨旋翼，充分考虑螺旋桨旋转过程中，在圆周不同位置，桨叶迎风速度不同而产生的不同力矩，通过调整两个旋翼的夹角或距离，实现垂直起降、空中悬停和平飞功能。整个飞行器仅有三个操作自由度：两个旋翼的各自的旋转速率，以及两个旋翼的夹角或距离。其中，调整旋翼夹角/距离的装置受力小、工作速度低，可以采用功率极小的伺服电机和轻质传动装置。

无铰链无柔性联接双旋翼飞行器的第三个操作自由度可以是旋翼角度，称为“角控制”，也可以是第二旋翼与重心的距离，称为“距控制”。

无铰链无柔性联接双旋翼飞行器的两个刚性旋翼可以一大一小，也可以等大或几乎等大。其大小比可在控制一定范围内任意调整，本说明仅仅对大小相差悬殊的情况和大小一致的情况进行说明。按照控制方式和旋翼大小分为“角控制角大小旋翼设计”、“角控制双大旋翼设计”、“距控制大小旋翼设计”、“距控制双大旋翼设计”。其中“距控制大小旋翼设计”并不实用。所以本说明书只对“角控制角大小旋翼设计”、“角控制双大旋翼设计”、“距控制双大旋翼设计”进行说明。

对于小型飞行器，如果使用小型内燃机驱动，“角控制大小旋翼设计”可以实现较简单的结构和较高的效率；如果使用纯电动机驱动，“角控制双大旋翼设计”可以实现较简单的结构和较高的效率，而“距控制双大旋翼设计”可以实现机身震动的可控性，避免混乱震动，适合航拍飞行器等震动敏感的飞行器。

发明内容

本发明旨在设计一种，只使用两个固定螺旋桨的旋翼型飞行器。并给出了该飞行器垂直起降、空中悬停、水平飞行等姿态的力学状态。为了控制飞行状态，只需要对三个自由度进行实时调节控制：第一和第二自由度分别是两个旋翼的旋转速度（ω1，ω2），第三自由度是两个旋翼的方向差（θ0）或第二旋翼与机身的距离（L）。控制计算机只需控制这三个自由度，即可实现对飞行器姿态、速度、方向的控制。

飞行器的设计结构按照第三个自由度不同和两个旋翼大小是否不同，可以分成“角控制角大小旋翼设计”、“角控制双大旋翼设计”、“距控制大小旋翼设计”、“距控制双大旋翼设计”。“角控制”指两个旋翼的角度可控，“距控制”指第二旋翼与机身的距离可控。大小旋翼设计指两个旋翼一大一小，双大旋翼设计指两个旋翼大小相当。其中“距控制大小旋翼设计”并不实用。所以本说明书只对“角控制角大小旋翼设计”（下文简称“大小旋翼设计”）、“角控制双大旋翼设计”（下文简称“双大旋翼设计”）、“距控制双大旋翼设计”（下文简称“距控制设计”）进行说明。

附图说明：

为了便于说明，飞行器的主体形状简化为椭球形，椭球的长轴方向接近与气流方向平行。实际设计时，需根据空气动力学和机身结构设计机身形状。为了便于说明，“角控制”给出了飞机形态的四视图，即主视图、俯视图、左视图、右视图。对重点图片进行了放大，“距控制设计”只给出了主视图和俯视图。

图1：“大小旋翼设计”的整体各部分名称说明（主视图），即从飞行器侧面观察呈现的视图