飞行器及其控制方法

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飞行器及其控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种具有多个旋翼的飞行器及其控制方法。\n背景技术\n[0002] 飞行器，通常包括机架及安装于机架上的控制单元与旋翼单元，旋翼单元通常包括动力装置及由该动力装置驱动的旋翼。控制单元通常包括检测传感器、控制电路板及电调，电调用于调整旋翼的转速；控制单元用于检测飞行器的飞行姿态及调控动力装置以控制飞行器的行进姿态、行进方向及行进速度等。\n[0003] 公告号为CN104085530A的专利文献中公告了一种涵道共轴多旋翼飞行器，其包括机体系统、动力系统及控制系统，机体系统包括中心涵道、主旋翼及若干均匀分布在中心涵道外围的副旋翼，主旋翼包括上主旋翼及下主旋翼，上主旋翼与下主旋翼的中心位于同一竖直轴线地固定于中心涵道内。该飞行器通过设置反向旋转的上、下主旋翼，在共同提供升力的旋转过程中产生的反扭矩相互抵消，使飞行器稳定地飞行。在飞行过程中，由于上主旋翼与下主旋翼的桨径相同，沿二者的桨根指向桨尖的方向，桨叶的上各点的旋转线速度逐渐增大，从而在邻近桨根区域的下洗气流量非常小，由于桨叶形状沿桨根指向桨尖逐渐变化，在桨叶中部区域下洗气流量最大，当上主旋翼的转速大于下主旋翼时，上主旋翼产生的下洗气流将击打于下主旋翼的桨叶上，引起较大的能量损失；若上主旋翼的转速小于下主旋翼时，上主旋翼则阻碍了下主旋翼的下洗气流的吸入，两种情形均使整个主旋翼的气动效率降低，即使上主旋翼与下主旋翼的转速保持一致，当上主旋翼与下主旋翼的桨叶在径向上重叠时，上主旋翼与下主旋翼间将产生较为严重的空气摩擦，这也降低整个主旋翼的气动效率。此外，等桨径的上、下主旋翼在旋转过程中容易产生气流振动噪声，振动噪声的产生降低了飞行器的能源利用效率。\n发明内容\n[0004] 本发明的主要目的是提供一种具有多个旋翼且有两个旋翼共轴线布置的飞行器，以提高其气动效率；\n[0005] 本发明的另一目的是提供一种上述飞行器的控制方法。\n[0006] 为了实现上述主要目的，本发明提供的飞行器包括机架及安装于机架上的控制单元、主旋翼单元及两个以上的副旋翼单元；主旋翼单元包括中心涵道及置于该中心涵道内的第一主旋翼与第二主旋翼，第一主旋翼与第二主旋翼的旋转方向相反，第一主旋翼及第二主旋翼的轴线均与中心涵道的中线共线；副旋翼单元均匀地分布于中心涵道的外围；第一主旋翼的桨径小于第二主旋翼的桨径，第一主旋翼用于在第二主旋翼的桨根区域提供下洗气流。\n[0007] 由以上方案可见，由于第一主旋翼的桨径小于第二主旋翼的桨径，使第一主旋翼的桨叶的桨尖与中心涵道的内侧壁间保持一定的间距，便于对其桨叶设计及制造；由于第一主旋翼的桨径小于第二主旋翼的桨径，第一主旋翼的下洗气流量将成为第二主旋翼的桨根区域的下洗气流量的一个补充，使第二主旋翼的旋转面内能产生更多的下洗气流量，提高该飞行器的气动效率。此外，由于第一主旋翼与第二主旋翼的桨径不同，可有效地降低二者在旋转过程中所产生的气流振动噪音，提高该飞行器的能源利用效率。\n[0008] 一个具体的方案为上述飞行器还包括反扭矩控制单元；该反扭矩控制单元包括设于中心涵道的下唇口处的第一导流板与第二导流板，第一导流板及第二导流板分别可绕与中心涵道的中线正交的第一导流板旋转轴旋转，第一导流板与第二导流板关于该中心涵道的中线中心对称布置。可以通过反扭矩控制单元的工作，可有效防止飞行器出现滚转显像，也可以在飞行器需要转向时控制飞行器绕中心涵道的中线滚转。\n[0009] 另一个具体的方案为上述飞行器还包括行进控制单元；该行进控制单元包括设于中心涵道的下唇口处的第三导流板，第三导流板可绕与中心涵道的中线正交的第二导流板旋转轴旋转。可以通过行进控制单元控制飞行器的行进速度。\n[0010] 更具体的方案为第三导流板自身关于中心涵道的中线中心对称布置。\n[0011] 再一个具体的方案为上述飞行器的第一主旋翼位于第二主旋翼的上方。\n[0012] 一个优选的方案为上述飞行器的第一主旋翼桨径与第二主旋翼桨径之比为0.3至\n0.6。在该比例范围内可有效保证其下洗气流量的同时，减少二者下洗气流量的重叠。\n[0013] 另一个优选的方案为副旋翼单元的数量为4个以上且为偶数，相对布置的两个副旋翼单元的旋翼的旋转方向相同，一对以上的副旋翼单元的旋翼的旋转方向与其他副旋翼单元的旋翼的旋转方向相反。\n[0014] 另一个优选的方案为上述副旋翼单元均为涵道风扇。有效地提高该飞行器的副旋翼单元的响应速度，能够迅速地对飞行器的飞行姿态进行调整。\n[0015] 再一个优选的方案为副旋翼单元的旋翼的旋转轴的轴线均与中心涵道的中线相交于同一交点，该交点位于中心涵道的上方。可有效地提高飞行器在飞行过程中的稳定性。\n[0016] 为了实现上述另一目的，本发明提供一种飞行器的控制方法，该飞行器包括机架及安装于该机架上的控制单元、主旋翼单元、反扭矩控制单元、行进控制单元及副旋翼单元；主旋翼单元包括中心涵道及置于该中心涵道内的第一主旋翼与第二主旋翼，第一主旋翼与第二主旋翼的旋转方向相反，第一主旋翼及第二主旋翼的轴线均与中心涵道的中线共线，第一主旋翼的桨径小于第二主旋翼的桨径，第一主旋翼用于在第二主旋翼的桨根区域提供下洗气流；副旋翼单元为均匀地分布于中心涵道的外围的涵道风扇，涵道风扇的数量为4个以上且为偶数，相对布置的两个涵道风扇的旋翼的旋转方向相同，一对以上的涵道风扇的旋翼的旋转方向与其他涵道风扇的旋翼的旋转方向相反；反扭矩控制单元包括设于中心涵道的下唇口处的第一导流板与第二导流板，第一导流板及第二导流板分别可绕与中心涵道的中线正交的第一导流板旋转轴旋转，第一导流板与第二导流板关于中心涵道的中线中心对称布置；行进控制单元包括设于中心涵道的下唇口处的第三导流板，该第三导流板可绕与中心涵道的中线正交的第二导流板旋转轴旋转；第一主旋翼位于第二主旋翼的上方，第一主旋翼的桨径与第二主旋翼的桨径之比为0.3至0.6；该控制方法包括：反扭矩控制，控制单元控制第一主旋翼的转速大于第二主旋翼的转速，当控制单元检测到中心涵道出现滚转时，控制单元控制第一导流板与第二导流板以相同的转速朝相反方向旋转相应角度至中心涵道停止滚转；行进方向控制，控制单元控制第一导流板与第二导流板与中心涵道的中线间的夹角以使中心涵道朝一方向滚转至行进方向为第三导流板的法向在水平面上的投影；行进速度控制，控制单元通过控制第三导流板与中心涵道的中线间的夹角以达到相应的行进速度。\n附图说明\n[0017] 图1是本发明飞行器第一实施例的立体图；\n[0018] 图2是本发明飞行器第一实施例的结构分解图；\n[0019] 图3是本发明飞行器第一实施例中第一涵道风扇的结构图；\n[0020] 图4是本发明飞行器第一实施例中第二涵道风扇的结构图；\n[0021] 图5是本发明飞行器第一实施例中涵道风扇固定组件的立体图；\n[0022] 图6是本发明飞行器第一实施例中反扭矩控制单元的立体图；\n[0023] 图7是本方明飞行器第一实施例中行进控制单元的立体图；\n[0024] 图8是本发明飞行器第一实施例中第一主旋翼、第二主旋翼及其二者驱动电机与固定支架的相对位置示意图；\n[0025] 图9是本发明飞行器第一实施例在飞行过程中各旋翼的旋向示意图；\n[0026] 图10是本发明飞行器第二实施例中第一主旋翼、第二主旋翼及其二者驱动电机与固定支架的相对位置示意图；\n[0027] 图11是本发明飞行器第三实施例中第一主旋翼、第二主旋翼及其二者驱动电机与固定支架的相对位置示意图；\n[0028] 图12是本发明飞行器第八实施例中第一主旋翼的结构示意图；\n[0029] 图13是本发明飞行器第九实施例中第二导流板旋转轴与第三导流板的相对位置示意图。\n[0030] 以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。\n具体实施方式\n[0031] 飞行器及其控制方法第一实施例\n[0032] 参见图1及图2，飞行器1由机架，控制单元，主旋翼单元，反扭矩控制单元14，行进控制单元15及4个副旋翼单元构成。主旋翼单元由中心涵道11及置于中心涵道11内的第一主旋翼12和驱动电机，第二主旋翼13和驱动电机构成。4个副旋翼单元为均匀地分布于中心涵道11的外围的第一涵道风扇16，第二涵道风扇17，第一涵道风扇18及第二涵道风扇19；中心涵道11内固定有一十字型安装支架111，第一主旋翼12及第二主旋翼13的驱动电机通过固定支架安装于安装支架111上，第一主旋翼12的轴线，第二主旋翼13的轴线及中心涵道11的中线共线；第一主旋翼12位于第二主旋翼13的上方；第一涵道风扇16、18，第二涵道风扇\n17、19通过四个涵道风扇固定组件112固定在中心涵道11的外侧壁上；安装支架111，驱动电机的固定支架及涵道风扇固定组件112构成本实施例的机架。\n[0033] 参见图3，第一涵道风扇16由第一涵道161，支架163，导流片166及通过支架163固定于第一涵道161内的第一电机162，第一涵道桨164与第一整流帽165构成。第一涵道桨164为右旋螺旋桨，导流片166由4片沿第一涵道161的径向布置的矩形板构成，导流片166的导流面与第一涵道161的中线平行，支架163与导流片166远离第一涵道161的内侧壁的一端固定连接。\n[0034] 参见图4，第二涵道风扇17由第二涵道171，支架173、导流片176及通过支架173固定于第二涵道171内的第二电机172，第二涵道桨174与第二整流帽175构成。第二涵道桨174为左旋螺旋桨，导流片176由4片沿第二涵道171的径向布置的矩形板构成，导流片176的导流面与第二涵道171的中线平行，支架173与导流片176远离第二涵道171的内侧壁的一端固定连接。\n[0035] 参见图5，涵道风扇固定组件112由可开合的两个半圆筒1121构成，半圆筒1121上焊接有用于将涵道风扇固定组件112固定于中心涵道11外侧壁上的固定支架11210。\n[0036] 参见图6，反扭矩控制装置14由第一导流板旋转轴1401，第一导流板旋转轴1402，第一导流板141，第一导流板142，第二导流板143，第二导流板144，两根第一连杆145及两根第二连杆146构成。第一导流板旋转轴1401与第一导流板旋转轴1402平行地固定于中心涵道11的下唇口处，第一导流板旋转轴1401与第一导流板旋转轴1402关于中心涵道11的轴线中心对称布置，第一导流板141及第二导流板143可绕第一导流板旋转轴1401旋转地安装于第一导流板旋转轴1401上，第一导流板142及第二导流板144可绕第一导流板旋转轴1402旋转地安装于第一导流板旋转轴1402上，两根第一连杆145连接于第一导流板141与第一导流板142的两端上，使二者以同转速绕第一导流板旋转轴旋转，两根第一连杆146连接于第二导流板143与第二导流板144的两端上，使二者以同转速绕第一导流板旋转轴旋转。第一导流板141与第二导流板144关于中心涵道11的中线中心对称布置，第一导流板142与第二导流板143关于中心涵道11的中线中心对称布置，从而使第一导流板与第二导流板关于中心涵道11的中线中心对称布置。\n[0037] 参见图7，行进控制单元15由二根第二导流板旋转轴1501、1502，二块第三导流板\n151、152及两根第三连杆153构成。第三导流板151可绕第二导流板旋转轴1501旋转地安装于第二导流板旋转轴1501上，第三导流板152可绕第二导流板旋转轴1502旋转地安装于第二导流板旋转轴1502上，两根第三连杆153连接于第三导流板151及第三导流板152的两端，使二者以同转速绕第二导流板旋转轴旋转。第二导流板旋转轴1501及第二导流板轴1502关于中心涵道11的中线中心对称布置，第三导流板151与第三导流板152关于中心涵道11的中线中心对称布置。\n[0038] 参见图8，第一主旋翼12安装于第一驱动电机122的转子轴上，第一驱动电机122通过第一固定支架123固定于安装支架111上。第二主旋翼13安装于第二驱动电机132的转子轴上，第二驱动电机132通过第二固定支架133固定于安装支架111上。第一主旋翼12的桨径d与第二主旋翼13的桨径D之比为0.56。飞行器1在飞行过程中，由于第一主旋翼12的桨径小于第二主旋翼13的桨径，第一主旋翼12旋转形成的下洗气流量将成为第二主旋翼13的桨叶的桨根区域下洗气流量的一个补充，使第二主旋翼13的旋转面内能产生更多的下洗气流量；由于第一主旋翼12旋转形成的面积只覆盖第二主旋翼13旋转形成面积的四分之一左右，且主要位于第二主旋翼13的桨根区域，可有效减轻其对第二主旋翼13的下洗气流形成阻碍。\n[0039] 参见图9，飞行器1在飞行过程中的控制方法如下，沿Z轴自上向下俯视，第一主旋翼12为顺时针旋转，第二主旋翼13为逆时针旋转，二者均对飞行器1产生向上的提升力，使飞行器1垂直起飞，第一涵道风扇16及第一涵道风扇18中的旋翼以第一转速逆时针旋转，第二涵道风扇17及第二涵道风扇19中的旋翼也以第一转速顺时针旋转；第一涵道风扇16、第二涵道风扇17、第三涵道风扇18及第四涵道风扇19均为产生向上的提升力，为飞行器1的起飞提供辅助升力；第一涵道风扇16、第二涵道风扇17、第一涵道风扇18及第二涵道风扇19中的旋翼在旋转过程中产生的反扭矩可由下洗气流对其导流片作用产生的反扭矩抵消，在主旋翼因故障出现停车时，能够依靠四个涵道风扇产生的提升力，以防飞行器1出现紧急下降而出现损毁状况；在正常飞行过程中，四个涵道风扇主要是用于飞行器1出现姿态偏转或由于气流扰动而出现姿态倾斜等情况的调整，从而降低涵道风扇对电源的消耗。在飞行过程中，第一主旋翼12以比第二主旋翼13高的转速旋转，从而在第二主旋翼13的桨根区域产生更高的下洗气流速度，从而在有限的空间内产生更高的提升力，且第一主旋翼12产生的反扭矩将抵消第二主旋翼13产生的反扭矩，如果无法完全抵消，则可由控制单元控制第一导流板141、第一导流板142的下端分别绕第一导流板旋转轴1401及第一导流板旋转轴1402朝X轴的正向旋转；同时第二导流板143及第二导流板144的下端分别绕第一导流板旋转轴\n1401及第一导流板旋转轴1402以同等的转速沿X轴的负向旋转，旋转角度的大小根据需要抵消的反向扭矩而定；如果飞行器1需要朝一方向移动，只需通过调整相关装置在飞行器1上产生的反扭矩从而使飞行器1绕主涵道11的中线旋转一定角度至该方向为第三导流板\n151的法向在水平面上的投影；对于飞行器1的行进速度的控制，例如飞行器1需要在水平方向朝Y轴正向移动的速度产生变化，则控制单元将控制第三导流板151及第四导流板152的下端分别绕第二导流板旋转轴1501及第二导流板旋转轴1502朝Y轴的负向旋转相同角度，下洗的气流作用与第三导流板151及第四导流板152对飞行器产生一朝Y轴正向的推力，使飞行器朝Y轴正向移动；对于飞行器改变飞行方向的控制为通过改变第一导流板141、第一导流板142、第二导流板143及第二导流板144的旋转角度，从而使中心涵道11绕其中线旋转，使飞行器1的飞行方向产生改变。\n[0040] 在上述控制方法中，当控制单元检测到中心涵道11出现滚转情况时，控制单元控制第一导流板与第二导流板以相同的转速朝相反方向旋转一定角度而抵消相应的反扭矩至中心涵道11停止滚转为止。\n[0041] 为了搭载被运输物，可在中心涵道的下方设置一吊舱，为了减少吊舱对下洗气流的阻力，吊舱具有流线型的外壳体且邻近中心涵道11的顶端上设有整流罩。\n[0042] 在本例中，第一主旋翼12的桨距角大于第二主旋翼13的桨距角，第一导流板旋转轴1401与第二导流板旋转轴1501相正交。\n[0043] 飞行器及其控制方法第二实施例\n[0044] 作为对本发明飞行器及其控制方法第二实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0045] 参见图10，第一固定支架223位于第二固定支架233的下方，第一驱动电机222的转子轴穿过形成于第二驱动电机232的转子轴内的通孔，与第二驱动电机232的转子轴共轴线布置。第一主旋翼22与第二主旋翼23在旋转过程中，可以有效地减少第一驱动电机222对第一主旋翼22与第二主旋翼32之间的空气流动形成阻碍，且第一主旋翼22的轮毂小于第二主旋翼23的轮毂，减小对轴线附近下洗气流的阻碍，提高整个飞行器的气动效率。第一主旋翼\n22的桨径d与第二主旋翼23的桨径D之比为0.6。\n[0046] 飞行器及其控制方法第三实施例\n[0047] 作为对本发明飞行器及其控制方法第三实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0048] 参见图11，第一主旋翼32位于第二主旋翼33的下方，第一固定支架323位于第二固定支架333的上方，第二驱动电机333的转子轴穿过形成于第一驱动电机323的转子轴内的通孔，以与第一驱动电机323的转子轴共轴线布置。第一主旋翼32与第二主旋翼33在旋转过程中，可以有效地减少第一驱动电机222对第一主旋翼22与第二主旋翼32之间的空气流动形成阻碍，提高飞行器的气动效率。第一主旋翼32的桨径d与第二主旋翼33的桨径D之比为\n0.3。由于第一主旋翼32旋转而形成的下洗气流量主要从第二主旋翼33桨根区域通过，有效地补充该部分的下洗气流量。\n[0049] 飞行器及其控制方法第四实施例\n[0050] 作为对本发明飞行器及其控制方法第四实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0051] 第一主旋翼的桨径d与第二主旋翼的桨径D之比为0.4。\n[0052] 飞行器及其控制方法第五实施例\n[0053] 作为对本发明飞行器及其控制方法第五实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0054] 第一主旋翼的桨径d与第二主旋翼的桨径D之比为0.5。\n[0055] 飞行器及其控制方法第六实施例\n[0056] 作为对本发明飞行器及其控制方法第六实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0057] 第一导流板与第二导流板的数量均为一片，第一导流板旋转轴的数量为一根，第一导流板旋转轴的中点位于中心涵道的中线上。\n[0058] 第三导流板的数量为一片，第二导流板旋转轴的数量为一根，第二导流板旋转轴的中点位于中心涵道的中线上。\n[0059] 飞行器及其控制方法第七实施例\n[0060] 作为对本发明飞行器及其控制方法第七实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0061] 第一导流板的旋转轴与第二导流板的旋转轴的轴线共面。\n[0062] 飞行器及其控制方法第八实施例\n[0063] 作为对本发明飞行器及其控制方法第八实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0064] 参见图12，第一主旋翼42的桨叶数量为3个,其为一个涵道桨。\n[0065] 飞行器及其控制方法第九实施例\n[0066] 作为对本发明飞行器及其控制方法第九实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0067] 参见图13，第三导流板551的数量为一个，第三导流板551中与中心涵道的中线平行的一端的中部沿平行于第二导流板旋转轴5501的中线方向形成有一通孔，第二导流板旋转轴5501与该通孔间隙配合地穿过该通孔，在行进控制单元工作过程中，第三导流板551绕该通孔的中线旋转，在旋转过程中，中心涵道内下洗的气流对其产生的力的合力作用点在该通孔的中线位置处，不会随第三导流板551的旋转而改变。\n[0068] 飞行器及其控制方法第十实施例\n[0069] 作为对本发明飞行器及其控制方法第十实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0070] 第一主旋翼的旋转中面距离中心涵道的上唇口处的距离为中心涵道沿其中线方向长度的三分之一，第二主旋翼的旋转中面距离中心涵道的下唇口的距离为中心涵道沿其中线方向长度的三分之一，此时动力系统具有良好的气动效率。\n[0071] 上述旋转中面是指旋翼的桨叶的桨根在轴向上的中点绕旋转轴旋转构成的平面。\n[0072] 飞行器及其控制方法第十一实施例\n[0073] 作为对本发明飞行器及其控制方法第十一实施例的说明，以下仅对与上述飞行器及其控制方法第一实施例的不同之处进行说明。\n[0074] 采用油机替代电机对旋翼的旋转进行驱动。