液压多旋翼飞行器制造技术

一种多旋翼飞行器，包括至少两个旋翼、控制器、具有输出轴的动力源、联接于输出轴的轴驱动的液压机器和联接于相应的旋翼的驱动旋翼的至少两个液压机器。液压机器中的至少一个是电子换向液压机器，其中，在工作腔室容积的每个循环期间，液压流体通过每个工作腔室的排量由一个或多个电子可控阀来进行调节，与工作腔室容积的循环成相位关系。控制器控制每个电子换向液压机器的一个或多个电子可控阀，以独立地控制各旋翼的转动。可能的是，轴驱动的液压机器是具有多个独立输出的电子换向机器，该多个输出独立地对驱动旋翼的液压机器进行驱动。可能的是，驱动旋翼的液压机器是电子换向机器，其排量被独立地控制以独立地驱动各旋翼。

Hydraulic Multi-Rotor Vehicle

A multi-rotor aircraft includes at least two rotors, a controller, a power source with an output shaft, a hydraulic machine driven by a shaft connected to the output shaft, and at least two hydraulic machines connected to a corresponding rotor. At least one of the hydraulic machines is an electronic reversing hydraulic machine, in which hydraulic fluid is regulated by one or more electronic controllable valves through the displacement of each chamber during each cycle of chamber volume, in phase with the cycle of chamber volume. The controller controls one or more electronic controllable valves of each electronic reversing hydraulic machine to independently control the rotation of each rotor. It is possible that the axle-driven hydraulic machine is an electronic commutation machine with multiple independent outputs, which independently drive the hydraulic machine that drives the rotor. It is possible that the hydraulic machine that drives the rotor is an electronic commutation machine, whose displacement is independently controlled to drive each rotor independently.

【技术实现步骤摘要】
液压多旋翼飞行器
多旋翼是具有两个以上旋翼的旋翼飞行器。本专利技术涉及具有用于旋翼的液压驱动部的多旋翼飞行器(有时已知为多轴飞行器(multi-copter))。
技术介绍
液压多旋翼飞行器已知多年，例如从US3253806(KarlEickmann)中已知。最近的多旋翼飞行器兴趣点在用于递送和娱乐目的的无人机的领域中，以及在个人飞行器(personalflightvehicle)的领域中(后者也被称为个人飞行器(personalairvehicle)、PAV或个人飞行器(personalaerialvehicle))。传统的电气多旋翼飞行器具有锂电池和由电动机供电的至少4个旋翼，旋翼的速度通过切换整流机来控制从而改变推力。为了使飞行器稳定，必须具有对电动机速度非常快的响应控制。多旋翼飞行器典型的所期望的特征包括：稳定的位置和姿态保持、拒绝(排斥)阵风、对控制输入快速响应、较长的范围、较长的续航时间和较大的有效载荷。这种电气多旋翼飞行器机器在小尺寸下、对于诸如需要数千克有效载荷的空中摄影之类的应用场合是成功，其具有典型的、小于1kW的连续额定功率。飞行时间通常受电池容量限制小于30分钟。如果期望增大以承载显著的(较大的)有效载荷，或以具有更长的飞行时间，那么会由于电气技术的低功率和储能密度而产生问题。电机在功率密度方面受散热限制。表面积与体积的比值表明较小的电动机能比较大的电动机更容易地散热。因此，在没有更大规模的复杂且重型的流体冷却结构的情况下，较大的电动机不能达到高功率密度。因此，更大功率的电气驱动部具有更小的比功率(典型地每千克连续输送0.5至1.0kW)，这导致飞行器重量上升，并且因此增大了从电池所需要的功率。与液态燃料相比，电池具有低得多的能量谜底，且也在更高的功率水平下经受过热，并且因此需要重型主动冷却系统。这对于具有更大的有效载荷容量的电气多旋翼飞行器导致非常有限的飞行时间。替代地，能够用液压系统替换电气系统。由燃料箱馈送的内燃机为可变排量泵提供动力；多个阀将流体递送到对每个旋翼供电的液压马达。已知，对于给定的重量限制，液态燃料箱与IC(内燃)发动机的组合可以比电池递送多得多的能量。还已知，液压马达比电动机提供更高的功率密度，通常每千克超过6kW。这允许了更高的旋翼功率，并且因此允许了更高的有效载荷，而没有重量负担。尽管有这些吸引力，但是液压系统对于该应用场合具有重要的缺点。在已知的系统中，具有多个独立负载的液压系统通常具有较低的效率，因为来自单个泵的压力由比例阀节流以控制各个单独的液压马达。即便向各个液压马达提供单独的泵，使用节流阀以控制到马达的流动会由于节流的压降而导致能量损失。该较低的效率会导致较高的燃料消耗，削弱了液态燃料的更高能量存储能力的优点。由于内部摩擦，液压阀通常受滞后、静摩擦、非线性和指令流量与实际流量之间的不准确性的其它来源的影响。因此，传统的液压传递装置对马达速度的控制质量较差。然而，多旋翼飞行器对于马达速度控制的精确性有极度的要求。多旋翼飞行器快速地整合来自各个马达的指令推力的任何小误差，导致不期望的偏航、俯仰或横滚和后续不期望的平摇。此外，由于内部减振，液压阀通常对于指令响应较慢，这导致控制环中的相位滞后，其限制了可在振荡发生之前应用的环路增益。因此，传统的液压传动装置会对马达速度控制较慢，导致较差的稳定、位置保持和对阵风的排斥。在不进一步降低能量效率的情况下，难以更快速地控制传统液压系统。挡板喷嘴伺服阀能够控制高带宽，但是是通过引入甚至更大的压降来进行的，使系统能量效率降低远低于50％。当多旋翼飞行器悬停时，到每个旋翼的速度指令将会通常由小修正(在全频的1％或更少的量级中)来连续地调制，小修正需要维持恒定的姿态变化率、姿态、高度变化率、高度、速度和位置。这些小修正指令必须由旋翼忠实地遵循，以导致稳定的控制。令人惊奇的是，本专利技术的专利技术人已通过仿真发现，比例液压阀的上述非理想特征导致多旋翼飞行器的不稳定性和对其不精确的控制。比例阀响应的非线性引起压倒性的小信号的失真，这导致每个控制环中的误差的累积，并且导致出现不稳定的极限环表现。比例阀响应的延迟导致相位滞后，这减小了稳定边际，使比否则会选择的循环增益大得多的循环增益成为必需，最终导致对飞行器的不精确控制。作为使用比例阀控制单独的马达速度的替代，可以单独的可变排量泵，每个可变排量泵专用于给单独的液压马达供应流体。这种可变排量泵通常会是轴向活塞斜盘式的，其中，液压致动器将斜盘的角度定位为使得活塞冲程改变，以递送液压马达所需要的流率。该构造具有通过消除在比例阀中的压降来减小系统能量损失的优点。然而，专利技术人惊讶地发现，由这样的系统所产生的控制质量会比在使用比例节流阀的情况下更不均匀。泵斜盘的液压致动器通常通过从比例阀提供致动流体来定位。这种阀具有与前述相同的非线性和延迟。此外，在比例阀非线性和延迟之后，由于摩擦、来自活塞压力的高交变力矩和机构的惯性，斜盘机构本身引入附加的延迟和非线性。结果是，斜盘控制系统通常被高度减振，并且具有滞后、死区和不能再现较小的命令信号变化。虽然其在概念上完全可变，但是斜盘泵可能具有滞后、死区和达到其全频的5％的其它失真。这意味着，例如，如果受指令信号中2％的变化，则这种斜盘泵的输出流不会改变。在多旋翼飞行器中，这会导致飞行控制器控制环中误差的累积，直至指令的变化超过先前的泵流量的5％。一旦克服了机构的静摩擦，则斜盘会突然开始移动，使到马达的流量增大。这会导致对先前累积的误差的修正，导致指令信号回到表明不需要进一步改变的中立值。然而，现在斜盘已开始运动，由于惯性，斜盘致动器会趋于继续，并且即使在指令的变化反转方向之后仍会趋于移动。该结果会是极限环，其中，斜盘致动器的非线性和延迟导致增大的、交替的姿态误差累积。专利技术人已发现，使用比例阀控制马达的速度，用于对来自泵的流动节流或用于控制变量泵的排量会导致对马达速度不可接受的控制，引起在悬停时对操作者输入较差的响应、对阵风较差的耐受性、高度以及地面位置的较大变化。多旋翼飞行器会在姿态、高度和地面位置方面摇晃(不稳定)，导致多旋翼飞行器、其有效载荷和旁观者遭受危险，无法成为用于照相机和其它传感器的稳定平台，并且可能导致无法完成其任务。专利技术人也已发现，斜盘泵会导致发动机控制的不稳定性和发动机控制动力(学)与飞机高度控制动力(学)不期望的耦合。当发动机速度增大时，保持处于相同的角度是斜盘的自然响应，导致泵每转一圈相同的流体排量。这意味着，发动机的速度变化导致由泵供应到马达的流量的成比例的变化。因此，无论发动机速度发生什么扰动，都将导致旋翼速度类似的扰动。这种扰动将都导致飞机高度的误差，这在靠近地面的悬停情况下会是危险的。原则上，发动机速度与旋翼速度的动力的不期望的耦合可通过使用电子控制器修正斜盘致动器指令来抵消。然而，斜盘对指令信号较慢的响应和发动机相对较快的速度改变意味着，专利技术人已发现，不存在足够的控制带宽以有效地抵消不期望的耦合。飞行控制器通常是数字的，并且以数字形式发送它们的输出指令信号。为了与可变排量泵或比例阀相连接，必须将数字指令信号转换为模拟信号。该信号然后必须放大，从而产生足够的电流以驱动比例阀的螺线管。专利技术人已发现，每个模拟转换和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多旋翼飞行器，包括：至少两个旋翼，所述至少两个旋翼产生在所述飞行器上的空气动力学推力，控制器、动力源、由所述动力源驱动的输出轴和机械联接到所述输出轴的、轴驱动的至少一个液压机器，驱动旋翼的至少两个液压机器，每一个所述液压机器驱动相应的旋翼，其中，所述驱动旋翼的至少两个液压机器液压地联接到所述轴驱动的至少一个液压机器，并且由此由其驱动，所述液压机器中的至少一个是电子换向液压机器，至少一个电子换向机器包括循环地改变容积的多个工作腔室和一个或多个流体出口或入口，每个所述流体出口或入口流体地连接到相应的一组所述工作腔室，其中，液压流体通过每个所述工作腔室的排量由一个或多个电子可控阀调节，在所述工作腔室容积的每个循环期间，与所述工作腔室容积的循环呈相位的关系，以由此对通过所述流体出口或入口的液压流体的净排量进行调节，其中，所述控制器控制所述至少一个电子换向液压机器的电子可控阀，以由此独立地控制液压流体通过相应的所述液压机器的流量，用于由此独立地控制所述至少两个旋翼的转动速度。

【技术特征摘要】
2017.09.04 GB 1714174.81.一种多旋翼飞行器，包括：至少两个旋翼，所述至少两个旋翼产生在所述飞行器上的空气动力学推力，控制器、动力源、由所述动力源驱动的输出轴和机械联接到所述输出轴的、轴驱动的至少一个液压机器，驱动旋翼的至少两个液压机器，每一个所述液压机器驱动相应的旋翼，其中，所述驱动旋翼的至少两个液压机器液压地联接到所述轴驱动的至少一个液压机器，并且由此由其驱动，所述液压机器中的至少一个是电子换向液压机器，至少一个电子换向机器包括循环地改变容积的多个工作腔室和一个或多个流体出口或入口，每个所述流体出口或入口流体地连接到相应的一组所述工作腔室，其中，液压流体通过每个所述工作腔室的排量由一个或多个电子可控阀调节，在所述工作腔室容积的每个循环期间，与所述工作腔室容积的循环呈相位的关系，以由此对通过所述流体出口或入口的液压流体的净排量进行调节，其中，所述控制器控制所述至少一个电子换向液压机器的电子可控阀，以由此独立地控制液压流体通过相应的所述液压机器的流量，用于由此独立地控制所述至少两个旋翼的转动速度。2.如权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述轴驱动的至少一个液压机器是所述电子换向液压机器，并且所述轴驱动的至少一个液压机器的所述工作腔室包括至少第一组的连接到第一流体出口的一个或多个工作腔室，所述第一流体出口液压地联接到第一驱动旋翼的液压机器，并且由此驱动所述第一驱动旋翼的液压机器，其驱动第一旋翼，并且所述轴驱动的至少一个液压机器也包括至少第二组的连接到第二流体出口的一个或多个工作腔室，所述第二流体出口液压地联接到第二驱动旋翼的液压机器，并且由此驱动所述第二驱动旋翼的液压机器，其驱动第二旋翼，以及其中，所述控制器对所述第一组和第二组的工作腔室的电子控制的阀进行控制，以独立地控制通过所述第一流体出口和所述第二流体出口的液压流体的净排量，由此独立地驱动所述第一驱动旋翼的液压机器和所述第二驱动旋翼的液压机器，并且由此独立地控制所述第一旋翼和所述第二旋翼的相应的转动速度。3.如权利要求2所述的多旋翼飞行器，其特征在于，使用开环反馈来控制单独的各组的一个或多个所述工作腔室的排量率，以产生设定的流动速率，以由此控制由相应的旋翼产生的推力，所述驱动旋翼的液压机器是固定排量的，并且这些固定排量机器以以下速度转动，所述速度与流体从相应的组的一个或多个所述工作腔室流动到相应的所述驱动旋翼的液压机器的速率成正比，而所述控制器查询以下储存的转换数据，所述转换数据将目标推力或与推力相关联的变量关联到泵流动速率，并且所述控制器对液压流体相应地从所述相应的组的一个或多个工作腔室通过所述流体出口到相应的所述驱动旋翼的液压机器的流动速率进行控制。4.如权利要求2或3所述的多旋翼飞行器，其特征在于，通过流动速率或通过闭环的所述驱动旋翼的液压机器的速度控制来对每组所述工作腔室的排量率进行控制，但是具有在相应的所述流体出口处的设定的压力极限，使用对液压流体输出通过所述流体出口的压力进行测量的压力传感器。5.如权利要求2或3所述的多旋翼飞行器，其特征在于，为了控制相应的所述旋翼的推力，使用闭环反馈来控制相应的组的所述一个或多个工作腔室通过所述流体入口的液压流体的排量率，以使用来自压力传感器的反馈来维持目标压力，所述压力传感器对由所述相应的组的一个或多个工作腔室的通过相应的所述流体入口的液压流体输出的压力进行测量。6.如权利要求2至5中的任一项所述的多旋翼飞行器，其特征在于，为了控制相应的旋翼的推力，使用闭环反馈来控制相应的组的一个或多个所述工作腔室的通过相应的所述流体出口的液压流体的排量率，以实现目标旋翼速度，使用旋翼速度传感器。7.如权利要求2至6中的任一项所述的多旋翼飞行器，其特征在于，通过流动速率或通过闭环的所述驱动旋翼的液压机器的速度控制来对轴驱动的每个所述液压机器的排放率进行控制，但是具有在相应的所述轴驱动的液压机器的输出处的设定的压力极限，通过对所述轴驱动的液压机器的排量率的闭环控制来实施，使用对所述轴驱动的液压机器与相应的所述驱动旋翼的液压机器之间的高压连接的压力进行测量的压力传感器。8.如权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述驱动旋翼的至少两个液压机器各自是所述电子换向液压机器，并且其具有液压地联接到所述轴驱动的至少一个液压机器的同一个或多个所述流体出口的流体入口，使得它们从共用的流体供应部接纳液压流体，并由所述共用的流体供应部驱动，以及其中，所述控制器控制所述驱动旋翼的至少两个液压机器的电子控制的阀，以独立地控制所述驱动旋翼的液压机器的工作流体的净排量，并且由此独立地控制由所述驱动旋翼的至少两个液压机器所驱动的相应的旋翼的转动速度。9.如任一前述权利要求所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述轴驱动的至少一个液压机器包括多个工作腔室，所述多个工作腔室围绕联接于所述动力源的所述输出轴的单个可转动的轴轴向地分布。10.如任一前述权利要求所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述电子换向液压机器中的所述一个具有本体，所述本体包封一个或多个所述工作腔室和所述液压机器的电子可控阀，所述本体具有安装于其的一对轴承，所述机器的所有所述工作腔室位于所述一对轴承之间，并且在所述工作腔室之间没有额外的轴承。11.如任一前述权利要求所述的多旋翼飞行器，其特征在于，还包括一个或多个定向传感器，其中，所述控制器构造为处理所述一个或多个定向传感器的输出并且控制电子控制的阀，以由所述电子换向液压机器控制液压流体的排量，以由此调节所述多旋翼飞行器运动的稳定性、定向和/或方向。12.如任一前述权利要求所述的多旋翼飞行器，其特征在于，所述电子换向液压机器的电子控制的阀控制为对所述电子换向液压机器的液压流体的排放进行控制，以从而平衡由各所述旋翼所施加的净力。13.如任一前述权利要求所述的多旋翼飞行器，其特征在于，具有总共四个旋翼，其中，每个所述旋翼由相应的所述驱动旋翼的液压机器驱动，并且每个所述驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·J·卡尔德维尔，
申请(专利权)人：阿尔特弥斯智能动力有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB