旋翼控制装置及旋翼飞行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于旋翼飞行器技术领域，尤其涉及一种旋翼控制装置以及具有该旋翼控制装置的旋翼飞行器。
【背景技术】
[0002]当代小型无人旋翼机通常分为两种类型:多旋翼飞行器和类似于直升机的单旋翼飞行器。
[0003]目前，最常见且应用最广的是多旋翼飞行器，这类飞行器通常具有4个或4个以上的螺旋桨，以用于提供升力和控制飞行器的姿态。其中，这类飞行器中最常见的是四旋翼飞行器，四旋翼飞行器具有四个螺旋桨，通过调整四个螺旋桨的平均转速来控制飞行器的飞行高度以及通过调节各个螺旋桨之间的转速差来控制飞行器的姿态。然而，传统的多旋翼飞行器需要至少4个电机才能实现对飞行器的控制，从空气动力学的角度来看，其不如传统的直升机或共轴双桨直升机的气动效率高，这直接导致相同数量级或动力配置的四旋翼飞行器的续航时间不如传统的直升机。
[0004]单旋翼飞行器主要分为以下三种类型:
[0005]第一种单旋翼飞行器共有两个主螺旋桨，两个螺旋桨共轴旋转且旋转方向相反。这种单旋翼飞行器在螺旋桨下方设有倾斜盘结构，该倾斜盘结构由伺服装置控制，通过该倾斜盘结构周期性的控制一个或两个螺旋桨的桨距来实现对飞行器俯仰和横滚两个自由度的控制，通过调节两个螺旋桨的转速差来控制飞行器的偏航，通过调节两个螺旋桨的平均转速或桨距来控制升力大小进而控制飞行器的飞行高度。这种飞行器虽然使用了共轴双桨并提高了飞行效率，但是飞行器的俯仰和横滚姿态控制需要依靠至少两个伺服电机和倾斜盘结构实现，多数倾斜盘结构使用连杆结构实现其结构较为复杂，而且用以驱动倾斜盘的伺服电机价格也较为昂贵。因此，这类飞行器的制造成本高，旋翼发生碰撞时容易损坏倾斜盘结构和伺服电机，倾斜盘结构损坏后比较难以修复；另外倾斜盘结构和伺服电机占用了机身较大的空间，同时也增加了重量。
[0006]第二种单旋翼飞行器共有三个螺旋桨，其中两个为主螺旋桨，主螺旋桨共轴旋转且旋转方向相反。在飞行器的尾部有一个小的螺旋桨，其旋转轴与主螺旋桨是平行的。通过调节两个螺旋桨的转速差来控制飞行器的偏航，通过尾桨的螺旋桨正反转和偏航自由度的配合来控制飞行器的俯仰和横滚，通过调节两个螺旋桨的平均转速或桨距来控制升力大小进而控制飞行器的飞行高度。这种飞行器用一个尾部螺旋桨来代替倾斜盘的功能，但是由于其俯仰和滚转控制需要偏航轴不断调整尾部螺旋桨的位置，这导致了其俯仰和横滚姿态控制速率极低；另外，由于尾部的螺旋桨既需要提供向上的推力又需要提供向下的推力，所以其桨叶设计为对称的翼型，这导致其气动效率很低，往往需要较大的叶片才能产生一定的控制力；此外，其尾部螺旋桨的支撑杆会暴露于螺旋桨的下洗气流之下，这也使得其损失了一部分的升力。虽然这类飞行器没有使用倾斜盘和伺服电机而节省了成本，但是其俯仰和横滚姿态的控制速率很低，无论是飞行器的操控者亦或是自动飞行控制系统都很难达到对飞行器的精确操作，所以此类飞行器主要用于低端的直升机玩具。
[0007]第三种单旋翼飞行器共有两个螺旋桨，一个为主旋翼，一个为尾旋翼，尾旋翼的旋转轴与主旋翼垂直，尾旋翼通过改变转速或改变桨距来抵消主旋翼的扭矩并同时控制飞行器的偏航；在主旋翼下方设有由伺服装置控制的倾斜盘结构，通过该倾斜盘结构来周期性的控制主旋翼的桨距来实现对飞行器俯仰和横滚两个自由度上的控制。然而，这种飞行器和第一种单旋翼飞行器一样，都采用了倾斜盘结构和至少两个伺服电机来控制飞行器的俯仰和滚转姿态，但是其使用了一个和主旋翼轴垂直的尾螺旋桨来抵消主旋翼的扭矩和控制偏航，这使得这种飞行器同样也具有第一种单旋翼飞行器的缺点，即倾斜盘和用于控制倾斜盘的伺服电机都容易损坏且较难维护；此外，其这种飞行器与第二种单旋翼飞行器一样，都具有用于支撑尾部电机的支撑杆，尾螺旋桨支撑杆会暴露于螺旋桨的下洗气流之下，这也使得其损失了一部分的升力。
[0008]对于上述各种传统旋翼飞行器的控制方式，多旋翼飞行器至少需要四个电机才能实现对飞行器的控制，而其续航时间短且气动效率低；单旋翼飞行器不但需要驱动其主旋翼转动的电机，而且还需要倾斜盘和至少两个伺服电机才能完成姿态控制，然而其结构较为复杂。为此，为了使单旋翼飞行器结构简单并能实现姿态控制，专利(公开号为W02014/150526)中公开了一种微型飞行器的被动旋翼控制机构，具体公开了利用轮轴将驱动电机的动力传递至一对螺旋桨的叶片上，以实现飞行器的姿态控制，并在轮轴与螺旋桨之间分别安装了一对铰链。然而，这种结构却存在着如下缺陷:由于铰链轴线不与动力主轴垂直，导致在螺旋桨围绕铰链摆动时，螺旋桨的重心与动力主轴之间的距离发生了变化，因此，螺旋桨所受的向心力会与螺旋桨受到的控制力相耦合，尤其在高转速下该螺旋桨所受的向心力远远大于电机可以产生的最大控制力矩，这直接导致了在高转速下螺旋桨叶片气动攻角变化过小难以产生更大的控制力矩。而且，专利(公开号为W02014/150526)中所提供的测试参数曲线也证实了这一问题，即在其横轴为转速及纵轴为力矩的图表曲线中可以看出，其控制力矩过早的到达力矩平台期，同时耦合也给控制系统的精确控制带来了不利的影响。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型的目的在于提供一种旋翼控制装置，旨在解决现有技术中单旋翼飞行器的螺旋桨容易产生向心力耦合现象的技术问题。
[0010]本实用新型是这样实现的，一种旋翼控制装置，包括:
[0011]伺服装置，设有动力主轴；
[0012]动力传递组件，包括动力输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述第一输出轴与所述第二输出轴同轴固定连接，且与所述动力输入轴相垂直，所述动力输入轴与所述动力主轴固定连接；
[0013]固定架，与所述动力主轴同轴连接；
[0014]沿所述固定架的径向同轴设置的第一螺旋桨和第二螺旋桨，所述第一螺旋桨固定于所述固定架上并与所述第一输出轴固定连接，所述第二螺旋桨固定于所述固定架上并与所述第二输出轴固定连接；其中，所述第一螺旋桨的径向轴线与所述第一螺旋桨的转动轴线平行，所述第一螺旋桨的转动轴线与所述动力主轴垂直，所述第二螺旋桨的径向轴线与所述第二螺旋桨的转动轴线平行，所述第二螺旋桨的转动轴线与所述动力主轴垂直；
[0015]其中，所述伺服装置产生的周期性旋转角加速度而导致了周期性的转矩变化，该周期性的转矩变化经所述动力传递组件传递至所述第一螺旋桨和所述第二螺旋桨，通过控制所述第一螺旋桨和所述第二螺旋桨的桨距变化来实现对飞行器俯仰和横滚自由度的控制。
[0016]进一步地，所述固定架包括固定安装所述第一螺旋桨和所述第二螺旋桨的安装圆环以及设置于所述安装圆环内并设有安装孔的支架部，所述动力主轴穿过所述安装孔与所述动力输入轴固定连接。
[0017]进一步地，所述旋翼控制装置还包括限制所述动力主轴与所述固定架相对位移且为环状的柔性元件，所述柔性元件固定于所述动力主轴与所述安装孔的孔壁之间。
[0018]进一步地，所述第一螺旋桨包括固定安装于所述安装圆环上并与所述第一输出轴同轴固定连接的第一传动轴以及与所述第一传动轴固定连接的第一叶片；所述第二螺旋桨包括固定安装于所述安装圆环上并与所述第二输出轴同轴固定连接的第二传动轴以及与所述第二传动轴固定连接的第二叶片。
[0019]进一步地，所述动力传递组件还包括具有动力输入端和动力输出端的万向节机构以及与所述万向节机构连接并设有所述第一输出轴和所述第二输出轴的安装框，其中，所述动力输入轴设置于所述万向节机构的动力输入端，所述第一输出轴设置于所述万向节机构的动力输出$而。
[0020]进一步地，所述万向节机构为普通万向节、准等速万向节、等速万向节、十字轴式万向节、双联式万向节、三轴式万向节、球笼式万向节、球差式万向节或者绕性万向节。
[0021]进一步地，所述动力传递组件还包括与所述动力输入轴同轴固定连接的第一齿轮、转动安装于所述第一输出轴上的第二齿轮以及固定安装于所述第二输出轴上并与所述第二齿轮位于所述第一齿轮相对两侧的第三齿轮，所述第二齿轮和所述第三齿轮与所述第一齿轮嗤合。
[0022]进一步地，所述伺服装置包括:
[0023]电机，具有所述动力主轴；
[0024]旋转位置传感器，固定连接于所述电机并用于检测所述电机转动的相对位置；
[0025]控制系统，接收所述旋转位置传感器的相对位置信号并控制所述电机，以使所述电机的角加速度产生周期性变化。
[0026]进一步地，所述控制系统包括姿态控制器和电机控制器；
[0027]所述姿态控制器接收飞行员的命令信号和来自惯性量测单元的飞行器姿态信号，根据预先设定的程序算法生成一控制指令并