大型无人机双顶桨控制的新发明

这篇文章是为了推广一项新发明，大型无人机共轴反转双顶桨的倾转控制技术。

大家熟知的无人机是大姜的小型四旋翼电动无人机，采用分散动力的四旋翼，通过分别调整四个旋翼的转速来实现俯仰、滚转、偏航和升降的飞控，载荷较轻。

重型载荷，需要大型集中动力的无人机，大多采用燃油机动力。其中共轴双顶桨无人机采用柔性桨毂桨叶，通过周期变距桨叶挥舞来控制俯仰和滚转，通过双顶桨总距差动控制偏航，通过双顶桨总距同动控制升降。

本文提出倾转控制新发明，通过滑动位移、桨轴倾转、双顶桨总距差动和总距同动四种方法分别控制无人机俯仰、滚转、偏航和升降。

滑动位移采用花键毂传动，是成熟技术。桨轴倾转采用套筒双锥齿轮副传动，这新发明是支持共轴反转双顶桨轴倾转的传动技术。

传统支持单顶桨轴倾转的传动技术是单锥齿轮副，单锥齿轮副在传动的同时可支持输出轴倾转；但输入轴自转的动力，会使输出轴围绕输入轴线单向公转。下图是单向公转力矩示意图，从蓝色横轴传动到橙色纵轴，蓝色轴自转如蓝色小箭头，橙色轴自转如橙色小箭头，整个橙色轴还会按绿色大箭头方向受到单向公转力矩作用、围绕输入轴线形成单向公转的趋势：

当橙色输出轴倾转方向与绿色大箭头相同时，倾转顺利；当输出轴倾转方向相反时，需克服单向公转力矩才能倾转。控制机构需要采用较大的液压马达与蜗轮蜗杆配合来克服这种单向公转力矩。所以控制机构较大较重。

花键毂传动时通过丝杠控制双顶桨沿纵向前后位移，就控制了无人机俯仰。新发明《套筒双锥齿轮副》传动时通过蜗轮蜗杆控制共轴反转双顶桨倾转，就控制无人机滚转，由于消除了单向公转力，倾转控制机构较小较轻。采用了新发明的位移和倾转传动结构简图如下：

无人机采用电机或燃油机集中动力。从轴1输入一个动力转速，经花键毂2传动，经分动器3后形成共轴反转的双转速，经套筒双锥齿轮4传动到输出套筒轴5，最后共轴反转的双转速传动到双顶桨。

通过丝杠控制，3、4、5和6共同可沿纵向前后位移，前移时无人机后仰，后移时无人机前俯，可间接实现前飞后飞。通过蜗轮蜗杆6控制，使输出轴5左右倾转，无人机左右滚转，间接实现左飞右飞。关键在于，当双顶桨阻力基本相等时，在输出套筒轴5中，内轴与外轴的单向公转力矩相互抵消。倾转控制机构可以很小。

配套的双顶桨采用硬桨毂桨叶，结构更简单；双顶桨间距较小。输出套筒轴内轴中间空心，设置连杆控制内顶桨总距；在输出套筒轴外侧设置连杆控制外顶桨总距。同步调节内顶桨和外顶桨的总距，无人机实现升降。内顶桨和外顶桨的总距差动，无人机实现偏航。

新发明属于双顶桨直接控制技术，代替自动倾斜盘的间接控制双顶桨的传统技术。与传统的复杂的自动倾斜盘、多个周期变距拉杆和配套的柔性桨毂桨叶相比，同样都控制四个要素，新发明的位移、倾转和两个总距控制机构更简单，而且配套的硬桨毂桨叶也比柔性桨毂桨叶简单易生产，双顶桨间距也较小。可以简化大型双顶桨无人机的传动和控制结构。

来源：建之