共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置及姿态控制方法与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置及姿态控制方法。


背景技术：

2.共轴双旋翼无人机，相比多旋翼无人机，具有更高的能量利用率，体积更小，同样的能量供给，可以承载更大的负载，或更长的续航时间。此种共轴双旋翼无人机，上下旋翼可折叠，非常方便携带，广泛应用于航拍、监视、通讯、农业、植保、救火救灾、快递运输等多个方面。
3.目前的共轴双旋翼无人机的姿态控制，基本上都采用了舵机连杆推动的矢量式姿态控制结构，或舵机连杆推动的斜盘式变距结构，导致了共轴无人机整体结构都较复杂，制造成本较高。
4.由于舵机，摇杆，连杆及铰链等运动机构的精度及误差放大作用，使得共轴无人机姿态控制不够灵敏，飞行过程中或悬停时，容易出现摆动。而如何通过具体的措施来使得共轴双旋翼无人机的姿态控制更为灵敏和稳定，是值得探讨和解决的技术问题。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置及姿态控制方法，使得共轴双旋翼无人机姿态控制更灵敏，更稳定，结构更简单，成本更低。
6.技术方案：本发明共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置包括位于共轴双旋翼无人机下方的涡轮风扇喷气式结构；
7.涡轮风扇喷气式结构由相互间垂直分布的，喷气方向为纵向分布在共轴无人机下方的涵道涡轮风扇直喷气式结构，以及喷气方向为横向分布在共轴无人机下方的涡轮风扇侧喷气式结构组成；
8.涵道涡轮风扇直喷气式结构包括基体和电机涡轮组件，电机涡轮风扇组件固定在基体的内孔中形成气体流动涵道将气体从出气口喷出，喷出的气流产生的反作用力推动共轴无人机飞行时纵向倾斜；
9.涡轮风扇侧喷气式结构包括基体、上盖、涡轮风扇、第一电机、出气口和进气口；上盖与基体锁紧组合成空气压缩内腔，涡轮风扇从进气口吸入空气，在基体的内腔中压缩后将气体从出气口喷出时产生的反作用力推动共轴无人机飞行时横向倾斜。
10.涵道涡轮风扇直喷气式结构的气体流动涵道与共轴无人机的旋翼轴垂直。
11.涡轮风扇侧喷气式结构的出气口和进气口方向与共轴无人机的旋翼轴垂直。
12.本发明共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制方法包括以下步骤：
13.(1)将两组相互间垂直分布的涡轮风扇喷气式姿态控制结构，置于共轴无人机下部，气流喷气口及进气口垂直于共轴无人机旋翼轴；
14.(2)通过控制风扇电机的转速，来控制风扇喷气口气流量的大小，喷气气流的反作用力作用于共轴无人机的下部，使共轴无人机倾斜不同的角度；
15.(3)电机正转时，共轴无人机向前倾斜，向前飞行，电机反转时，喷气气流反向，共轴无人机向后倾斜，向后飞行；
16.(4)在两组涡轮风扇喷气式姿态控制结构的共同作用下，实现对共轴双旋翼无人机向前、向后及向左、向右的飞行姿态控制。
17.步骤(1)中的涡轮风扇喷气式姿态控制结构为涵道涡轮风扇直喷气式结构或涡轮风扇侧喷气式结构。
18.步骤(1)中的涡轮风扇喷气式姿态控制结构包括4组涡轮风扇喷气式结构，2组涡轮风扇喷气式结构分别控制共轴无人机向前、向后的飞行姿态，另2组涡轮风扇喷气式结构分别控制共轴无人机向左、向右的飞行姿态。
19.本发明将涵道涡轮风扇直喷气式结构或涡轮风扇侧喷气式结构与舵机姿态控制组合在一起用于控制共轴双旋翼无人机的飞行姿态。
20.本发明将涵道涡轮风扇直喷气式结构或涡轮风扇侧喷气式结构应用于涵道式共轴无人机，所述涵道式共轴无人机包括位于共轴无人机下部上层的涡轮风扇喷气式结构、位于共轴无人机下部下层的涡轮风扇喷气式结构、旋翼气流涵道和无人机本体，旋翼气流涵道位于共轴无人机上部。
21.工作原理：本发明用喷气式对共轴双旋翼无人机进行姿态控制时，采用涡轮风扇喷气式结构，并置于共轴无人机下部，气流喷气口及进气口垂直于共轴无人机旋翼轴，通过控制风扇电机的转速，来控制风扇喷气口气流量的大小，喷气的反作用力作用于共轴无人机的下部，使共轴无人机倾斜不同的角度，电机正转时，共轴无人机向前倾斜，向前飞行，电机反转时，喷气气流反向，共轴无人机向后倾斜，向后飞行，从而达到控制共轴双旋翼无人机飞行姿态的目的。共轴无人机下部放置两组涡轮风扇喷气结构，相互间成垂直分布，分别控制共轴无人机向前、向后及向左、向右的飞行姿态。
22.本发明采用喷气式来控制共轴双旋翼无人机姿态的工作原理具体为：
23.如图1至图3所示，涡轮风扇喷气式结构置于共轴双旋翼无人机下部，涡轮风扇的气流喷气口及进气口与共轴无人机旋翼轴垂直，当涡轮风扇高速旋转时，高速气流从出气口喷出，产生的反作用力f推动共轴无人机倾斜，并带动两组高速旋转的旋翼倾斜一角度，两组旋翼的拉升力的水平分力带动了共轴无人机朝前飞行。通过控制风扇电机转速的变化，来控制出气口喷出气流量的大小，气流的反作用推力f推动共轴无人机倾斜不同的角度，从而达到控制共轴双旋翼无人机快速前进，慢速前进，悬停等飞行姿态的目的。
24.图1中的1是共轴双旋翼无人机本体，2是横向涡轮风扇喷气式姿态控制组件；3是纵向涡轮风扇喷气式姿态控制组件，文中的横向指左右方向，纵向指前后方向。
25.如图2所示，电机正转时，涡轮风扇喷气的反作用力f，使得共轴无人机向前倾斜，两组旋翼带动共轴无人机向前飞行。
26.如图3所示，电机反转时，反转的风扇使进出气流反向，喷出气流的反作用力f，使得共轴无人机向后倾斜，两组旋翼带动共轴无人机向后飞行。
27.如图1所示，共轴无人机下部放置两组涡轮风扇喷气式结构，喷气口相互间成垂直分布，分别控制共轴无人机前进、后退及左移、右移的飞行姿态。在两组涡轮风扇喷气的共
同作用下，完成对共轴无人机前飞，后飞，左、右侧飞，抗风飞行，悬停及其它飞行姿态的控制。
28.由于双旋翼拉升的受力点位于共轴无人机上部，涡轮风扇喷气式姿态控制的受力点位于共轴无人机下部，使得共轴无人机不容易摆动，飞行姿态得到更稳定的控制。
29.涡轮风扇结构的喷气口和吸气口成反向分布，除了喷气气流对无人机的反作用力f外，还叠加了进气口的吸力，使得涡轮风扇喷气式姿态控制的效率得到进一步的提高。
30.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
31.(1)本发明中双旋翼拉升的受力点位于共轴无人机上部，涡轮风扇喷气式姿态控制的受力点位于共轴无人机下部，使得共轴无人机不容易摆动，飞行姿态得到更稳定的控制。
32.(2)本发明的涡轮风扇结构中，涵道涡轮风扇直喷气式结构和涡轮风扇侧喷气式结构中的喷气口和吸气口成反向分布，除了喷气气流对无人机的反作用力f外，还叠加了进气口的吸力，使得涡轮风扇喷气式姿态控制的效率得到进一步的提高。
33.(3)本发明的喷气式姿态控制装置，使共轴双旋翼无人机的姿态控制更加灵敏，飞行及悬停姿态更加稳定，由于取消了舵机，连杆及其它运动机构，使得共轴无人机结构变得更简单，制造成本更低，并且实现了共轴无人机大倾角高速稳定飞行。
附图说明
34.图1为本发明共轴双旋翼无人机涵道涡轮风扇直喷气式姿态控制总体示意图；
35.图2为本发明涵道涡轮风扇控制共轴无人机向左倾斜示意图；
36.图3为本发明涵道涡轮风扇控制共轴无人机向右倾斜示意图；
37.图4为本发明上下两组涵道涡轮风扇组合结构示意图；
38.图5为本发明单个涵道涡轮风扇结构示意图；
39.图6为为本发明涵道涡轮风扇三维剖开结构示意图；
40.图7为本发明涵道涡轮风扇剖面结构及风扇正转气流示意图；
41.图8为本发明涵道涡轮风扇反转气流示意图；
42.图9为本发明共轴双旋翼无人机涡轮风扇侧喷气式姿态控制总体结构示意图；
43.图10为本发明上下两组涡轮风扇侧喷气式组合结构示意图；
44.图11为本发明单个涡轮风扇侧喷气式结构示意图；
45.图12为本发明涡轮风扇侧喷气式结构展开示意图；
46.图13为本发明涡轮风扇侧喷气式三维剖开结构示意图；
47.图14为本发明涡轮风扇侧喷气式剖面结构及风扇正转气流示意图；
48.图15为本发明涡轮风扇侧喷气式反转气流示意图；
49.图16为本发明涡轮风扇侧喷气式控制共轴无人机向左倾斜示意图；
50.图17为本发明涡轮风扇侧喷气式控制共轴无人机向右倾斜示意图；
51.图18为本发明涵道涡轮风扇直喷气式结构与涡轮风扇侧喷气式结构组合应用示意图；
52.图19为本发明所采用的4组涡轮风扇侧喷气式结构组合应用示意图；
53.图20为本发明用于涵道式共轴无人机进行姿态控制的应用示意图；
54.图21为本发明中涵道涡轮风扇直喷气式姿态控制与舵机姿态控制组合应用示意图。
具体实施方式
55.本发明的涡轮风扇喷气式姿态控制的喷气结构有两种：涵道涡轮风扇直喷气式结构，涡轮风扇侧喷气式结构。
56.1.涵道涡轮风扇直喷气式结构及姿态控制：
57.如图6所示，涵道涡轮风扇直喷气式结构由基体1，电机涡轮风扇组件2组成，电机涡轮组件2通过支架固定在基体1的内孔中，电机涡轮风扇组件2高速旋转以形成气体流动涵道4，3为电源及信号线通道。图5为涵道涡轮风扇直喷气式结构整体示意图。
58.如图6、图7所示，电机涡轮风扇组件2由第一导流罩21，第二导流罩25，直流高速第二电机22，电机支撑架23和涡轮风扇24组成。当第二电机22正向高速旋转时，涡轮从进气口吸进空气，在基体1的内孔中压缩，通过涵道式结构，快速将气体从出气孔中喷出，喷出的气流产生的反作用力，推动共轴无人机向前倾斜，从而控制共轴无人机向前飞行。
59.如图8所示，当第二电机22反向高速旋转时，气体流动方向反向，进气口变成出气口，出气口变成进气口，喷气气流推动共轴无人机向后倾斜，共轴无人机向后飞行。通过控制第二电机22的转速，来控制喷气气流推力的大小，从而推动共轴无人机产生不同的倾斜角度，进而控制了共轴无人机的飞行速度和姿态。
60.图4所示为两组涵道涡轮风扇直喷气式结构的组合体，上下两组结构相互间的喷气方向成垂直分布，上层涵道涡轮风扇a对共轴无人机下部产生+y，-y坐标方向的推力，下层涵道涡轮风扇b对共轴无人机下部产生+x，-x坐标方向的推力。图1为涵道涡轮风扇直喷气式姿态控制共轴双旋翼无人机的整体结构示意图。
61.2.涡轮风扇侧喷气式结构及姿态控制：
62.如图13，示意了涡轮风扇侧喷气式三维剖开结构，4为电机涡轮风扇组件，5为上盖，7为基体，6为电源及信号线通道。图11为涡轮风扇侧喷气式结构整体示意图。
63.如图14所示，涡轮风扇侧喷气式结构由基体7，上盖5，涡轮风扇8，直流高速第一电机9，出气口10，进气口11组成。上盖5与基体7锁紧组合成空气压缩内腔，当电机正向高速旋转时，涡轮从进气口11吸进空气，在基体7内腔中压缩，然后将气体从出气口10快速喷出，气流产生的反作用力，推动共轴无人机向前倾斜，从而控制共轴无人机向前飞行。
64.如图15所示，当电机反向高速旋转时，气体流动方向反向，进气口变成出气口，出气口变成进气口，喷气气流推动共轴无人机向后倾斜，共轴无人机向后飞行。通过控制电机的转速，来控制喷气气流推力的大小，从而推动共轴无人机产生不同的倾斜角度，进而就控制了共轴无人机的飞行速度和姿态。
65.图10所示为两组涡轮风扇侧喷气式结构的组合体，上下两组结构相互间的喷气方向成垂直分布，上层涡轮风扇m对共轴无人机下部产生+y，-y坐标方向的推力，下层涡轮风扇n对共轴无人机下部产生+x，-x坐标方向的推力。图9为涡轮风扇侧喷气式姿态控制共轴双旋翼无人机的整体结构示意图。
66.3.涡轮风扇喷气式控制共轴双旋翼无人机体姿态的多种组合应用形式
67.(1)如图18所示，将涵道涡轮风扇直喷气式结构与涡轮风扇侧喷气式结构组合在
一起应用，涵道涡轮风扇直喷气式结构主要用于产生大推力，控制共轴双旋翼无人机大角度倾斜，使共轴无人机高速飞行，涡轮风扇侧喷气式结构主要用于侧向姿态稳定及悬停，进而节省姿态控制所消耗的能量，提高共轴无人机持续的飞行时间。
68.(2)如图19所示，将4组涵道涡轮风扇直喷气式结构或涡轮风扇侧喷气式结构组合在一起应用，两组分别控制+x和-x方向的姿态，另两组分别控制+y和-y方向的姿态，使共轴无人机姿态控制更加快速灵敏，悬停更稳定。
69.(3)如图20所示，用本发明的涡轮风扇喷气式姿态控制结构控制涵道式共轴无人机飞行姿态。涡轮风扇喷气式姿态控制的涵道式共轴无人机，由上层涡轮风扇喷气式结构201，下层涡轮风扇喷气式结构202，旋翼气流涵道204，涵道支架203，共轴无人机本体205组成。旋翼气流涵道204通过支架203固定在共轴无人机本体201上，当共轴无人机上旋翼高速旋转时，形成提供升力的气流涵道，由于旋翼气流涵道位于共轴无人机上部，涡轮风扇喷气式姿态控制结构位于共轴无人机下部，使得共轴无人机飞行能够更平稳，升力更大，结构更简单，由于涵道对旋翼的保护作用，共轴无人机可在狭小空间内飞行。
70.(4)如图21所示，将涵道涡轮风扇直喷气式姿态控制或涡轮风扇侧喷气式姿态控制与现有的舵机姿态控制组合在一起应用，进而提高用舵机控制姿态的共轴双旋翼无人机的稳定性，及控制快速飞行时的惯性偏摆。

技术特征：
1.一种共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置，其特征在于：包括位于共轴双旋翼无人机下方的涡轮风扇喷气式结构；所述涡轮风扇喷气式结构由相互间垂直分布的，喷气方向为纵向分布在共轴无人机下方的涵道涡轮风扇直喷气式结构，以及喷气方向为横向分布在共轴无人机下方的涡轮风扇侧喷气式结构组成；所述涵道涡轮风扇直喷气式结构包括基体(1)和电机涡轮组件(2)，所述电机涡轮风扇组件(2)固定在基体(1)的内孔中形成气体流动涵道(4)将气体从出气口喷出，喷出的气流产生的反作用力推动共轴无人机飞行时纵向倾斜；所述涡轮风扇侧喷气式结构包括基体(7)、上盖(5)、涡轮风扇(8)、第一电机(9)、出气口(10)和进气口(11)；所述上盖(5)与基体(7)锁紧组合成空气压缩内腔，所述涡轮风扇(8)从进气口吸入空气，在基体(7)的内腔中压缩后将气体从出气口喷出时产生的反作用力推动共轴无人机飞行时横向倾斜。2.根据权利要求1所述的共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置，其特征在于：所述涵道涡轮风扇直喷气式结构的气体流动涵道(4)与共轴无人机的旋翼轴垂直。3.根据权利要求1所述的共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置，其特征在于：所述涡轮风扇侧喷气式结构的出气口和进气口方向与共轴无人机的旋翼轴垂直。4.一种共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置来实施，包括以下步骤：(1)将两组相互间垂直分布的涡轮风扇喷气式姿态控制结构，置于共轴无人机下部，气流喷气口及进气口垂直于共轴无人机旋翼轴；(2)通过控制风扇电机的转速，来控制风扇喷气口气流量的大小，喷气气流的反作用力作用于共轴无人机的下部，使共轴无人机倾斜不同的角度；(3)电机正转时，共轴无人机向前倾斜，向前飞行，电机反转时，喷气气流反向，共轴无人机向后倾斜，向后飞行；(4)在两组涡轮风扇喷气式姿态控制结构的共同作用下，实现对共轴双旋翼无人机向前、向后及向左、向右的飞行姿态控制。5.根据权利要求4所述的共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制方法，其特征在于：步骤(1)中的涡轮风扇喷气式姿态控制结构为涵道涡轮风扇直喷气式结构或涡轮风扇侧喷气式结构。6.根据权利要求4所述的共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制方法，其特征在于：步骤(1)中的涡轮风扇喷气式姿态控制结构包括4组涡轮风扇喷气式结构，2组涡轮风扇喷气式结构分别控制共轴无人机向前、向后的飞行姿态，另2组涡轮风扇喷气式结构分别控制共轴无人机向左、向右的飞行姿态。7.根据权利要求4所述的共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制方法，其特征在于：将涵道涡轮风扇直喷气式结构或涡轮风扇侧喷气式结构与舵机姿态控制组合在一起用于控制共轴双旋翼无人机的飞行姿态。8.根据权利要求4所述的共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制方法，其特征在于：将涵道涡轮风扇直喷气式结构或涡轮风扇侧喷气式结构应用于涵道式共轴无人机，所述涵道式共轴无人机包括位于共轴无人机下部上层的涡轮风扇喷气式结构(201)、位于共轴无人机
下部下层的涡轮风扇喷气式结构(202)、旋翼气流涵道(204)和无人机本体(205)，所述旋翼气流涵道(204)位于共轴无人机上部。

技术总结
本发明公开了一种共轴双旋翼无人机的喷气式姿态控制装置及姿态控制方法，姿态控制装置采用置于共轴无人机下部的相互垂直的涡轮风扇喷气式结构，气流喷气口及进气口垂直于共轴无人机旋翼轴；本发明进行姿态控制时，通过控制风扇电机的转速，来控制风扇喷气口气流量的大小，喷气气流的反作用力作用于共轴无人机下部，使共轴无人机倾斜不同的角度，电机正转时，共轴无人机向前倾斜，向前飞行，电机反转时，共轴无人机向后倾斜，向后飞行，从而控制共轴双旋翼无人机的飞行姿态。本发明的喷气式姿态控制方式，使共轴双旋翼无人机的飞行姿态控制更加灵敏，飞行及悬停姿态更加稳定，由于取消了舵机，连杆等机构，使得共轴无人机结构更简单，制造成本更低，并且实现共轴无人机大倾角高速稳定飞行。角高速稳定飞行。角高速稳定飞行。


技术研发人员：凌希明
受保护的技术使用者：凌希明
技术研发日：2022.11.09
技术公布日：2023/4/4