一种用于共轴式无人直升机的操纵系统的制作方法

本发明涉及航空器设计技术领域，更具体的说，涉及一种用于共轴式无人直升机的操纵系统。

背景技术：

共轴式无人直升机相对于单旋翼无人直升机，具有结构紧凑、气动效率和悬停效率高的优势，是目前小型无人直升机的一种重要的布局形式。

共轴式无人直升机的传统轴外操纵系统，要实现航向操纵，较为普遍的采用了半差动的结构形式，即航向操纵时仅操纵一副旋翼的桨叶角变化，从而改变该旋翼轴的扭矩，实现共轴式直升机航向偏转。这种结构形式的优点是相对于全差动的结构形式结构较为简单，缺点是航向操纵时造成了直升机升力的变化，引起了直升机航向偏转运动和升降运动的耦合。而且这种半差动结构主要采用操纵下旋翼的桨叶角的方式，因此需要在不干扰下旋翼自动倾斜器运动的基础上实现对下旋翼桨叶变距角的控制，目前一般是采用下旋翼自动倾斜器的镂空设计，以便于航向操纵机构从中通过，同时还要避免下自动倾斜器在纵横向运动中不与航向操纵机构发生干涉，但这就造成了下旋翼自动倾斜器设计的结构过于复杂和尺寸偏大。

因此，如何在现有小型共轴式无人直升机操纵系统结构基础上进行改进，保证直升机总距、纵向、横向和航向操纵，减小直升机航向操纵时升力的变化，同时降低下旋翼自动倾斜器的加工难度和重量，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

为了克服上述技术上的不足，本发明提供了一种用于共轴式无人直升机的操纵系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于共轴式无人直升机的操纵系统，该操纵系统安装于直升机的上旋翼轴、下旋翼轴以及机身上，所述操纵系统包括上旋翼操纵系统、下旋翼操纵系统、上下旋翼自动倾斜器连杆、航向操纵系统，其中，

上旋翼操纵系统包括上旋翼自动倾斜器、上旋翼自动倾斜器内环扭力臂、上旋翼自动倾斜器外环扭力臂；上旋翼自动倾斜器包括上旋翼自动倾斜器内环和上旋翼自动倾斜器外环，上旋翼自动倾斜器内环和上旋翼自动倾斜器外环通过轴承连接；上旋翼自动倾斜器内环扭力臂一端与上旋翼自动倾斜器内环连接，另一端固定于上旋翼轴；上旋翼自动倾斜器外环扭力臂一端与上旋翼自动倾斜器外环连接，另一端固定于下旋翼轴；

下旋翼操纵系统包括下旋翼自动倾斜器、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂、下旋翼自动倾斜器外环扭力臂以及总距纵横向舵机操纵系统；下旋翼自动倾斜器包括下旋翼自动倾斜器内环和下旋翼自动倾斜器外环，下旋翼自动倾斜器内环和下旋翼自动倾斜器外环通过轴承连接；下旋翼自动倾斜器内环扭力臂一端与下旋翼自动倾斜器内环连接，另一端固定于下旋翼轴；下旋翼自动倾斜器外环扭力臂一端与下旋翼自动倾斜器外环连接，另一端固定于机身；总距纵横向舵机操纵系统包括综合电动舵机、舵机操纵拉杆、舵机安装支座，综合电动舵机安装于舵机安装支座，舵机安装支座固定于机身，舵机操纵拉杆由综合电动舵机驱动，并与下旋翼自动倾斜器外环扭力臂连接；

上下旋翼自动倾斜器连杆将上旋翼自动倾斜器外环和下旋翼自动倾斜器内环连接，使上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器共同产生一致的总距、纵向和横向运动；

航向操纵系统包括航向操纵滑环系统、航向变距摇臂、航向舵机操纵系统、航向撑杆，其中，

航向操纵滑环系统包括：航向操纵滑环、航向滑环外圈扭力臂；航向操纵滑环包括航向操纵滑环内圈和航向操纵滑环外圈；下旋翼轴上设有轴套，航向操纵滑环内圈套在轴套外侧，底部固定在航向撑杆上；航向操纵滑环外圈与航向变距摇臂相连，航向操纵滑环外圈和航向操纵滑环内圈之间通过轴承连接；航向操纵滑环外圈扭力臂与下旋翼轴固定连接；

下旋翼操纵系统还包括下旋翼自动倾斜器变距拉杆和下旋翼变距拉杆，航向变距摇臂两端分别与航向操纵滑环外圈、下旋翼自动倾斜器变距拉杆相连，中间位置与下旋翼变距拉杆连接；

航向舵机操纵系统包括:航向滑套、航向舵机操纵摇臂、航向舵机操纵摇臂支座、航向舵机拉杆和航向舵机；航向滑套套在轴套外侧，通过固定于轴套外侧的导向平键限制航向滑套的周向转动，航向滑套上端与航向撑杆固连，通过航向撑杆使航向滑套与航向操纵滑环系统同时上下滑动；航向舵机操纵摇臂以航向舵机操纵摇臂支座为支点，两端分别与航向滑套、航向舵机拉杆相连；航向舵机操纵摇臂支座上端与航向舵机操纵摇臂相连，下端与轴套相连；航向舵机通过航向舵机拉杆操纵航向滑套和航向操纵滑环系统做上下滑动。

航向撑杆上端与航向操纵滑环内圈固连，下端与航向滑套固连。

通过采用上述技术方案，本发明一种用于共轴式无人直升机的操纵系统既保证了直升机总距、纵向、横向和航向操纵，减小了直升机航向操纵时升力的变化，同时还简化了下旋翼自动倾斜器的结构，降低了下旋翼自动倾斜器的加工难度和重量。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，上旋翼轴和下旋翼轴之间通过齿轮机构进行同轴反向的等速旋转。

优选的，综合电动舵机包含四个舵机。

优选的，综合电动舵机中舵机的布置形式为绕轴45°或90°，可根据空间需要布置，以便获得更好的结构和纵横向操纵效果。

优选的，航向撑杆通过下旋翼自动倾斜器球铰内环与轴套之间的预留空隙与航向操纵滑环内圈、航向滑套固连。

优选的，下旋翼自动倾斜器与轴套之间由固定于轴套外侧的导向平键引导进行上下滑动，不产生周向转动，避免与航向撑杆发生干涉。

优选的，航向舵机仅包含一个舵机。

优选的，航向舵机中舵机的布置形式为绕轴0°、90°、180°或270°。

航向舵机中舵机的布置形式可根据空间需要布置在0°、90°、180°或270°位置以及任意其他合理位置，以获得较小的尺寸和重量。

优选的，航向操纵系统的航向舵机操纵下旋翼桨距增加和减少时，共轴式无人直升机的总距纵横向舵机操纵系统应做出相应的总距补偿操纵。

这是因为航向操纵系统的航向舵机单独操纵下旋翼桨距的增加和减少造成了共轴式无人直升机升力的增加和减少，为了避免共轴式无人直升机航向舵机单独操纵引起的直升机升降运动耦合，共轴式无人直升机的总距操纵应做相应的总距补偿操纵。

优选的，上述共轴式无人直升机的总距补偿操纵为：综合电动舵机总距操纵引起的上旋翼和下旋翼的桨距同时减少的度数为航向舵机操纵下旋翼的桨距增加的度数的一半，或者，综合电动舵机总距操纵引起的上旋翼和下旋翼的桨距同时增加的度数为航向舵机操纵下旋翼的桨距减少的度数的一半。

航向操纵时综合电动舵机的总距补偿策略可根据实验和理论分析进一步精确化，以达到好的航向操纵效果和更小的升力变化。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明一种共轴式无人直升机操纵系统使飞行器实现了总距、纵向和横向操纵和航向操纵，预留的下旋翼自动倾斜器球铰内环的空隙能够允许航向操纵在不影响下旋翼自动倾斜器的运动前提下独立操纵，简化了下旋翼自动倾斜器的结构，降低了下旋翼自动倾斜器的重量；同时，进行航向操纵时总距操纵进行进一步补偿操纵，能够减小直升机偏航时升力的变化，增加直升机的航向操纵功效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种用于共轴式无人直升机的操纵系统的轴测图；

图2为本发明一种用于共轴式无人直升机的操纵系统的主视图；

图3为本发明一种用于共轴式无人直升机的操纵系统的侧视图；

图4为本发明一种用于共轴式无人直升机的操纵系统的俯视图；

其中，图中：

1-上旋翼操纵系统，

110-上旋翼自动倾斜器内环，120-上旋翼自动倾斜器外环，130-上旋翼自动倾斜器内环扭力臂，140-上旋翼自动倾斜器外环扭力臂，150-上旋翼变距拉杆；

2-下旋翼操纵系统；

210-下旋翼自动倾斜器内环，220-下旋翼自动倾斜器外环，230-下旋翼自动倾斜器内环扭力臂，240-下旋翼自动倾斜器外环扭力臂，250-总距纵横向舵机操纵系统，260-下旋翼自动倾斜器变距拉杆、270-下旋翼变距拉杆；

251-综合电动舵机，252-舵机操纵拉杆，253-舵机安装支座；

3-上下旋翼自动倾斜器连杆；

4-航向操纵系统

410-航向操纵滑环系统，420-航向变距摇臂，430-航向舵机操纵系统，440-航向撑杆

411-航向操纵滑环内圈，412-航向操纵滑环外圈，413-航向滑环外圈扭力臂；

431-航向滑套、432-航向舵机操纵摇臂、433-航向舵机操纵摇臂支座、434-航向舵机拉杆、435-航向舵机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1-4所述，本发明实施例公开了一种用于共轴式无人直升机的操纵系统，该操纵系统安装于直升机的上旋翼轴、下旋翼轴以及机身上，下旋翼轴上设有轴套，并且，上旋翼轴和下旋翼轴之间通过齿轮机构进行同轴反向的等速旋转。

该操纵系统包括上旋翼操纵系统1、下旋翼操纵系统2、上下旋翼自动倾斜器连杆3以及航向操纵系统4，其中，

上旋翼操纵系统1包括上旋翼自动倾斜器、上旋翼自动倾斜器内环扭力臂130、上旋翼自动倾斜器外环扭力臂140。

上旋翼自动倾斜器包括上旋翼自动倾斜器内环110和上旋翼自动倾斜器外环120，上旋翼自动倾斜器内环110和上旋翼自动倾斜器外环120通过轴承连接。

上旋翼自动倾斜器内环扭力臂130一端与上旋翼自动倾斜器内环110连接，另一端固定于上旋翼轴；上旋翼自动倾斜器外环扭力臂140一端与上旋翼自动倾斜器外环120连接，另一端固定于下旋翼轴。

下旋翼操纵系统2包括下旋翼自动倾斜器、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂230、下旋翼自动倾斜器外环扭力臂240以及总距纵横向舵机操纵系统250。下旋翼自动倾斜器与轴套之间由固定于轴套外侧的导向平键引导进行上下滑动。

下旋翼自动倾斜器包括下旋翼自动倾斜器内环210和下旋翼自动倾斜器外环220，下旋翼自动倾斜器内环210和下旋翼自动倾斜器外环220通过轴承连接。

下旋翼自动倾斜器内环扭力臂230一端与下旋翼自动倾斜器内环210连接，另一端固定于下旋翼轴；下旋翼自动倾斜器外环扭力臂240一端与下旋翼自动倾斜器外环220连接，另一端固定于机身。

总距纵横向舵机操纵系统250包括综合电动舵机251、舵机操纵拉杆252、舵机安装支座253；综合电动舵机251安装于舵机安装支座253，舵机安装支座253固定于机身；舵机操纵拉杆252由综合电动舵机251驱动，并与下旋翼自动倾斜器外环扭力臂240连接。其中，综合电动舵机251包含四个舵机，四个舵机的布置形式为绕轴45°或90°。

上下旋翼自动倾斜器连杆3将上旋翼自动倾斜器外环120和下旋翼自动倾斜器内环210连接，使上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器共同产生一致的总距、纵向和横向运动。

航向操纵系统4包括航向操纵滑环系统410、航向变距摇臂420、航向舵机操纵系统430、航向撑杆440，其中，

航向操纵滑环系统410包括：航向操纵滑环、航向滑环外圈扭力臂413；航向操纵滑环包括航向操纵滑环内圈411和航向操纵滑环外圈412；航向操纵滑环内圈411套在轴套外侧，底部固定在航向撑杆440上；航向操纵滑环外圈412与航向变距摇臂420相连，航向操纵滑环外圈412和航向操纵滑环内圈411之间通过轴承连接；航向操纵滑环外圈扭力臂413与下旋翼轴固定连接。

下旋翼操纵系统还包括下旋翼自动倾斜器变距拉杆260和下旋翼变距拉杆270，航向变距摇臂420两端分别与航向操纵滑环外圈412、下旋翼自动倾斜器变距拉杆260相连，中间位置与下旋翼变距拉杆270连接。

航向舵机操纵系统430包括:航向滑套431、航向舵机操纵摇臂432、航向舵机操纵摇臂支座433、航向舵机拉杆434和航向舵机435；航向滑套431套在轴套外侧，通过固定于轴套外侧的导向平键限制航向滑套431的周向转动，航向滑套431上端与航向撑杆440固连，通过航向撑杆440使航向滑套431与航向操纵滑环系统410同时上下滑动；航向舵机操纵摇臂432以航向舵机操纵摇臂支座433为支点，两端分别与航向滑套431、航向舵机拉杆434相连；航向舵机操纵摇臂支座433上端与航向舵机操纵摇臂432相连，下端与轴套相连；航向舵机435通过航向舵机拉杆434操纵航向滑套431和航向操纵滑环系统410做上下滑动，航向舵机435仅包含一个舵机，该舵机的布置形式为绕轴0°、90°、180°或270°。

航向撑杆440上端与航向操纵滑环内圈411固连，下端与航向滑套431固连。具体的，航向撑杆440通过下旋翼自动倾斜器球铰内环与轴套之间的预留空隙与航向操纵滑环内圈411、航向滑套431固连。

航向操纵系统4的航向舵机435操纵下旋翼桨距增加和减少时，共轴式无人直升机的总距纵横向舵机操纵系统250应做出相应的总距补偿操纵。总距补偿操纵的具体策略为：综合电动舵机251总距操纵引起的上旋翼和下旋翼的桨距同时减少的度数为航向舵机435操纵下旋翼的桨距增加的度数的一半，或综合电动舵机251总距操纵引起的上旋翼和下旋翼的桨距同时增加的度数为航向舵机435操纵下旋翼的桨距减少的度数的一半。

本发明一种用于共轴式无人直升机的操纵系统的具体工作过程为：

总距纵横向舵机操纵系统250的综合电动舵机251同时上下运动，驱动下旋翼自动倾斜器在轴套上上下滑动，并通过上下旋翼自动倾斜器连杆3使上旋翼自动倾斜器与下旋翼自动倾斜器一同上下运动，可控制下旋翼变距拉杆270和上旋翼变距拉杆150，同时改变下旋翼和上旋翼的桨叶总距角，为避免发生航向耦合，上下旋翼桨叶总距角同时增加和减少的度数一致，从而实现了共轴式直升机的总距操纵，引起了直升机的升降运动。

总距纵横向舵机操纵系统250的前后舵机或左右舵机协调差动操纵，驱动了下旋翼自动倾斜器的纵向或横向操纵，同时上旋翼自动倾斜器一同缠身纵向或横向操纵，可控制下旋翼和上旋翼桨叶周期变距，实现上下旋翼旋转平面的纵向和横向偏转，实现共轴式直升机的纵向或横向操纵，产生直升机的纵向和横向运动。

航向操纵系统4由航向舵机435操纵航向操纵滑环系统410上下滑动，通过航向变距摇臂420可控制下旋翼变距拉杆270，控制下旋翼桨叶总距角的增加和减少，改变下旋翼轴的扭矩，从而实现直升机的航向操纵；此时单独操纵航向舵机435，仅改变了下旋翼的桨叶总距角，造成了直升机升力的变化，为避免单独航向操纵引起的偏航运动和升降运动的耦合，需要通过飞控系统程序设计，采用总距补偿策略，由总距纵横向舵机操纵系统250产生总距补偿动作，以减小航向操纵时共轴式直升机升力的变化。

总距补偿策略的初始方案为：总距补偿产生的上旋翼和下旋翼桨叶角增加或减少的度数为航向操纵时下旋翼桨叶角减少或增加的度数的一半，即，在航向操纵和总距补偿操纵同时进行时，实现了上旋翼桨叶角增加或减少的度数与下旋翼桨叶角减少或增加的度数一致，物理上实现了航向操纵的全差动效果。

为尽可能减小共轴式直升机航向操纵时的升力变化，总距补偿策略可在初始方案上通过理论分析和试验试飞进一步优化，选择合理的参数达到航向操纵时直升机升力变化的最小值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明设计思想的一个实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的设计方案实施修改，或对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。