本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)領(lǐng)域與航空，具體是一種微型全矢量控制的共軸雙旋翼控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、微型共軸雙旋翼無人機具有成本低廉、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊以及載荷能力強等優(yōu)點，在偵察監(jiān)視、重點目標(biāo)打擊等軍事領(lǐng)域以及電力巡檢、遙感拍攝等民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。共軸雙旋翼構(gòu)型屬于無人機旋翼的一類新構(gòu)型，由一對繞同一理論軸線對轉(zhuǎn)的上下兩副螺旋槳組成，具有扭矩自平衡的特點。這一特點使得采用此構(gòu)型的飛行器不需要額外的尾槳，結(jié)構(gòu)更加緊湊，轉(zhuǎn)動慣量小且機動性高。上世紀(jì)?90?年代，共軸雙旋翼直升機?k-50?研制成功，被稱為世界上最先進的現(xiàn)代武裝攻擊直升機，隨著近年來旋翼類無人機技術(shù)的飛速發(fā)展，已有學(xué)者將共軸直升機的機翼構(gòu)型和四旋翼無人機的尺寸特征結(jié)合在一起，組成了小型共軸雙旋翼無人機。目前已有的微型共軸雙旋翼無人機有兩種典型的姿態(tài)控制控制系統(tǒng)方案，一種是尾舵式共軸雙旋翼控制系統(tǒng)，一種是傾斜盤式共軸雙旋翼控制系統(tǒng)。

2、尾舵式共軸雙旋翼控制系統(tǒng)的特點是其繼承了導(dǎo)彈的尾舵式控制方式，電機與螺旋槳裝在無人機頭部，四個舵面與舵機裝在無人機尾部，通過無人機頭部螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流流過舵面從而產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，這類小型共軸雙旋翼無人機稱為almav。由于采用尾舵式的控制系統(tǒng)使其可以縱向布局，且結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高，所以可以適應(yīng)炮管發(fā)射。無人機首先放置在炮管中，使用時可以使用炮管打出，此時電機不啟動，依靠尾舵控制姿態(tài)與方向，快速抵達任務(wù)地點，而后啟動螺旋槳，控制無人機在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)進行任務(wù)。采用尾舵式共軸雙旋翼控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，但是大的舵面使無人機的體積大，通過性較差，同時大的舵面使無人機抗風(fēng)性較差，而采用小的舵面又使舵效較低，無法提供無人機需要的姿態(tài)控制力矩。

3、傾斜盤式共軸雙旋翼控制系統(tǒng)的特點是其繼承了共軸直升機控制系統(tǒng)的控制方式，使用兩個舵機帶動傾斜盤傾斜，傾斜盤傾斜帶動下槳的槳距進行周期性變化，槳距周期性變化使槳葉上的力周期性變化，從而提供我們需要的姿態(tài)控制力矩。例如瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院研究和開發(fā)的mufly和alrobots?coaxial兩種不同尺寸和配置的共軸雙旋翼直升機，它們都是采用的傾斜盤式共軸雙旋翼控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)裝在無人機機架內(nèi)，兩根同軸的電機軸延長出機架分別連接上螺旋槳與下螺旋槳，傾斜盤連接下螺旋槳，無人機起飛時，螺旋槳提供升力，當(dāng)需要進行姿態(tài)變化時，傾斜盤傾斜帶動下螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面傾斜，上螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面不變，從而實現(xiàn)無人機的姿態(tài)變化。采用傾斜盤式共軸雙旋翼控制系統(tǒng)雖然使無人機的機動性較強，通過性較高，但整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)強度要求極高，所以它的穩(wěn)定性和可靠性較低，且加工要求高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種微型全矢量控制的共軸雙旋翼控制系統(tǒng)及其控制方法，顯著加快了響應(yīng)速度，同時增強了抗沖擊性能，使無人機在復(fù)雜環(huán)境中能夠更迅速、穩(wěn)定地應(yīng)對各種變化，具有廣泛的適用性，可應(yīng)用于各類微小型無人機，為無人機提供飛行姿態(tài)變化所需的力，降低整體質(zhì)量，提高續(xù)航時間，具有重要的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

2、本發(fā)明提供了一種微型全矢量控制的共軸雙旋翼控制系統(tǒng)，包括矢量電機座模塊、共軸電機模塊、螺旋槳動力模塊和電子設(shè)備，電子設(shè)備與螺旋槳動力模塊連接。

3、所述矢量電機座模塊包括電機座、萬向節(jié)上部、萬向節(jié)中部、萬向節(jié)底部、卡扣、機體連接件、舵機固定架、舵機、舵臂、球鉸拉桿；所述萬向節(jié)上部與萬向節(jié)中部通過圓柱銷連接，萬向節(jié)中部與萬向節(jié)下部通過圓柱銷連接；所述萬向節(jié)底部與機體連接件固定連接，所述電機座與萬向節(jié)上部固定連接，電機座相對于機體連接件傾斜；所述舵機與舵機固定架固定連接，舵臂與舵機固定連接，球鉸拉桿與舵臂固定連接；所述舵機固定件與機體連接件之間通過卡扣連接，舵機固定件上設(shè)置有卡扣孔，舵機固定件穿過機體連接件后，卡扣卡在舵機固定件的卡扣孔上將三者固定；所述球鉸拉桿與電機座固定連接，舵機依次通過舵臂和球鉸拉桿帶動電機座前后和左右傾斜。

4、所述共軸電機模塊包括反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子、反轉(zhuǎn)電機定子、電機支架、正轉(zhuǎn)電機定子、正轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子、正轉(zhuǎn)電機輸出軸、反轉(zhuǎn)電機頭、電機卡扣、軸承、止推環(huán)；所述電機支架與正轉(zhuǎn)電機定子、反轉(zhuǎn)電機定子通過過盈配合固定，所述正轉(zhuǎn)電機輸出軸依次穿過軸承、反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子、反轉(zhuǎn)電機定子、電機支架、正轉(zhuǎn)電機定子后通過頂絲與正轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子，正轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶動正轉(zhuǎn)電機輸出軸轉(zhuǎn)動；所述反轉(zhuǎn)電機頭與反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子固定連接；所述軸承與反轉(zhuǎn)電機頭過盈配合固定，使反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子與正轉(zhuǎn)電機輸出軸同軸心；所述止推環(huán)通過頂絲固定在正轉(zhuǎn)電機輸出軸上，止推環(huán)的底部與反轉(zhuǎn)電機頭頂部接觸，防止所述軸承沿著正轉(zhuǎn)電機輸出軸軸向移動；所述電機卡扣與電機支架通過過盈配合固定，電機卡扣通過螺柱與電機座連接。

5、所述螺旋槳動力模塊包括正轉(zhuǎn)電機輸出軸連接件、正轉(zhuǎn)螺旋槳連接件、正轉(zhuǎn)螺旋槳、反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子連接件、反轉(zhuǎn)螺旋槳連接件、反轉(zhuǎn)螺旋槳、槳夾；所述反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子連接件與反轉(zhuǎn)電機頭固定連接；所述反轉(zhuǎn)螺旋槳連接件與反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子連接件通過圓柱銷固定；所述反轉(zhuǎn)螺旋槳與反轉(zhuǎn)螺旋槳連接件固定連接，正轉(zhuǎn)螺旋槳與正轉(zhuǎn)螺旋槳連接件固定連接；所述正轉(zhuǎn)螺旋槳連接件與正轉(zhuǎn)電機輸出軸連接件通過圓柱銷固定；所述正轉(zhuǎn)電機輸出軸連接件與正轉(zhuǎn)電機輸出軸通過槳夾固定，正轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶動正轉(zhuǎn)螺旋槳轉(zhuǎn)動。

6、所述矢量電機座模塊中，圓柱銷穿過萬向節(jié)上部與萬向節(jié)中部的圓柱銷孔，通過過盈配合固定；圓柱銷穿過萬向節(jié)中部與萬向節(jié)下部的圓柱銷孔，通過過盈配合固定。

7、所述矢量電機座模塊、共軸電機模塊和螺旋槳動力模塊中的固定連接為螺絲螺母連接。

8、所述螺旋槳動力模塊中，圓柱銷分別穿過反轉(zhuǎn)螺旋槳連接件與反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子連接件的圓柱銷孔，通過與反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子連接件的圓柱銷孔過盈配合固定；圓柱銷分別穿過正轉(zhuǎn)電機輸出軸連接件與正轉(zhuǎn)螺旋槳連接件的圓柱銷孔，通過與正轉(zhuǎn)電機輸出軸連接件的圓柱銷孔過盈配合固定。

9、所述電子設(shè)備包括飛控、電子調(diào)速器、電池、接收機、降壓模塊、電源模塊；所述飛控用于接收處理信號并輸出電機信號與控制舵機轉(zhuǎn)動；所述電子調(diào)速器用于給無刷電機供電和調(diào)整轉(zhuǎn)速；所述電池用于為整個控制系統(tǒng)供電；所述接收機用于接收信號并將信號傳輸給飛控；所述電源模塊用于測量電池的電壓以及給飛控和電子調(diào)速器供電；所述降壓模塊用于降低電池電壓給舵機供電。

10、本發(fā)明還提供了一種微型全矢量控制的共軸雙旋翼控制系統(tǒng)的控制方法，采用上述微型全矢量控制的共軸雙旋翼控制系統(tǒng)，通過矢量控制的方式給共軸雙槳類微型無人機提供改變飛行姿態(tài)所需的力，該控制系統(tǒng)共有四個執(zhí)行器，包括兩個矢量傾轉(zhuǎn)舵機和兩個螺旋槳電機，兩個矢量傾轉(zhuǎn)舵機控制螺旋槳電機拉力的方向?qū)崿F(xiàn)飛行姿態(tài)的變化，具體有俯仰姿態(tài)、滾轉(zhuǎn)姿態(tài)和偏航姿態(tài)的控制。

11、所述俯仰姿態(tài)的控制是指，俯仰矢量傾轉(zhuǎn)舵機通過轉(zhuǎn)動使電機座前后傾斜從而使共軸電機模塊與螺旋槳動力模塊前后傾轉(zhuǎn)，驅(qū)使螺旋槳動力模塊產(chǎn)生水平的分力，產(chǎn)生俯仰力矩并使飛行器前后運動；所述滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的控制是指，滾轉(zhuǎn)矢量傾轉(zhuǎn)舵機通過轉(zhuǎn)動使電機座左右傾斜從而使共軸電機模塊與螺旋槳動力模塊左右傾轉(zhuǎn)，驅(qū)使螺旋槳動力模塊產(chǎn)生水平方向的分力，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩并使飛行器橫向運動；所述偏航姿態(tài)的控制是指，共軸電機模塊中的正轉(zhuǎn)電機與反轉(zhuǎn)電機差速增減動力帶動螺旋槳模塊差速增減轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生偏航力矩，進而實現(xiàn)偏航姿態(tài)的控制。

12、本發(fā)明有益效果在于：

13、1、采用的全矢量舵機控制方式顯著加快了響應(yīng)速度，同時增強了抗沖擊性能，使無人機在復(fù)雜環(huán)境中能夠更迅速、穩(wěn)定地應(yīng)對各種變化。

14、2、設(shè)計了全矢量電機座，去除了復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了故障發(fā)生的概率。

15、3、優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕，有效提高了微型共軸類無人機的空間利用率和續(xù)航時間，使其能夠執(zhí)行更長時間的任務(wù)。

16、4、便于加工的零部件設(shè)計不僅降低了生產(chǎn)成本，還提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了維護的難度和成本。

17、5、該控制系統(tǒng)具有廣泛的適用性，可應(yīng)用于各類微小型無人機，為無人機提供飛行姿態(tài)變化所需的力，降低整體質(zhì)量，提高續(xù)航時間，具有重要的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。