CN101492093A - 扑旋翼设计方法及利用此方法设计的微小型扑旋翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种结合扑翼与旋翼技术，通过扑翼拍动产生的推力带动扑翼旋转而无须电机驱动的方法。利用本发明方法设计的飞行器包括扑翼、电磁式驱动机构、连接轴、滚子轴承、电源、有效载荷、电动舵机、控制面、起落架、控制器、机体壳、滑环、电刷；其中，电磁式驱动机构驱动一对扑翼上下拍动。机体壳通过滚子轴承与旋转的连接轴连接，三个控制面均匀分布在机体壳下部，同时兼顾飞行器起落架功能。本发明扑旋翼具有很好气动效能，可以满足飞行器垂直起降和悬停的任务需求。同时飞行器扑翼的旋转是一种自驱动旋转，不需要外加抗扭转机构来抵消旋转。该设计结构简单、重量轻、飞行效率高，适于微型化飞行器设计要求。

Description

扑旋翼设计方法及利用此方法设计的微小型扑旋翼飞行器
技术领域
本发明设计属于微小型飞行器技术领域，特别涉及一种结合扑翼与旋翼技术的自旋式飞行器。
背景技术
1992年美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research ProjectAgency，简称DARPA)第一次提出了微型飞行器(MicroAir Vehicles，简称MAV)的概念。微型飞行器的主要特点是体积小，美国DARPA对微型飞行器的要求为：翼展和长度小于6英寸(152毫米)，总重量约为80-150克，有效载荷为20克左右，续航时间为20-60分钟，飞行速度为30-60公里/小时，具有实时成像、导航及通信能力。MAV具有极其广泛的应用前景和使用价值，已经成为当今国际上一个新的研究热点。
从现有的研究情况来看，微型飞行器按其飞行方式可分为固定翼、旋翼和仿生翼三类。微型旋翼飞行器与固定翼飞行器相比，最大优点是能够垂直起降和悬停，因此比较适宜于在室内等狭小空间或较复杂的地形环境中使用。其中较典型的有美国Lutronix公司与Auburn大学联合研制的单旋翼与双旋翼两张类型的“Kolibri”以及Stanford大学正在研究一种基于微电路制造技术的四旋翼飞行器“Mesicopter”。微小型扑翼式飞行器是以昆虫飞行为仿生对象的新型飞行器。扑翼飞行的主要特点是将举升、悬停和推进功能集中于一个扑翼系统。仿生学和空气动力学研究结果表明，在微型飞行器的定义范围内，固定翼和旋翼飞行的气动效率将急剧下降。而扑翼飞行将更适合于微型化且更具优势。目前美国佐治亚技术研究院、英国剑桥大学等联合研制的基于往复式化学肌肉(RCM)新技术的扑翼布局飞行器“Entomopter”，是一个既能飞又能爬行的机器人。该项目重点是研究这种扑翼式飞行器能否像蜂鸟一样垂直飞行。国内外研究结果表明，目前还未成功研制出具有垂直起降(VTOL)、旋停以及低速度飞行的能力(FVLV)的微小型扑翼式飞行器。
目前具有垂直起降和悬停功能的飞行器主要是旋翼飞行器。但是，不论是单旋翼还是多旋翼飞行器都需要电机或油机驱动旋翼主动旋转；单旋翼飞行器更是需要尾桨抵消旋翼对机体产生的扭力。这些都导致了飞行器结构比较复杂、偏重且气动效率低，不适于微型化。本发明的目的是为了解决传统旋翼飞行器由于需要电机驱动以及需要尾桨或尾翼等平衡扭矩装置所带来的飞行器结构复杂，升力与本体重量之比低，不易微型化的问题。提出了一种结合扑翼与旋翼技术，通过扑翼拍动产生的推力带动扑翼旋转而无须电机驱动的方法。这一方法具体解释为：扑翼需设定一个初始攻角，扑翼向下拍动时，由于翼面的柔性变形，有效攻角在不断地变化，不但能产生向上的升力，还能产生向前的推力；另一个反对称安装的扑翼向下拍动时，产生方向相反的推力。扑翼拍动产生的推力会带动扑翼旋转。扑翼旋转速度的增加又会增加升力和推力，从而进一步提高扑翼的旋转速度和气动效能。
目前具有垂直起降和悬停功能的飞行器主要是旋翼飞行器。但是，不论是单旋翼还是多旋翼飞行器都需要电机或油机驱动旋翼主动旋转；单旋翼飞行器更是需要尾桨抵消旋翼对机体产生的扭力。这些都导致了飞行器结构比较复杂、偏重且气动效率低，不适于微型化。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统旋翼飞行器由于需要电机驱动以及需要尾桨或尾翼等平衡扭矩装置所带来的飞行器结构复杂、升力与本体重量之比低和不易微型化的问题而提供一种扑旋翼设计方法及利用此方法设计的微小型扑旋翼飞行器。
本发明利用扑翼上下拍动时，翼面柔性变形不但能产生向上的升力还能产生向前的推力的原理，提出了一种结合扑翼与旋翼技术，通过扑翼拍动产生的推力带动扑翼旋转而无须电机驱动的方法。这一方法具体解释为：扑翼需设定一个初始攻角，扑翼向下拍动时，由于翼面的柔性变形，有效攻角在不断地变化，不但能产生向上的升力，还能产生向前的推力；另一个反对称安装的扑翼向下拍动时，产生方向相反的推力。扑翼拍动产生的推力会带动扑翼旋转。扑翼旋转速度的增加又会增加升力和推力，从而进一步提高扑翼的旋转速度和气动效能。
利用这一方法设计的具有自旋能力的扑旋翼飞行器可通过下述技术方案实现。
本发明的微小型扑旋翼飞行器，包括扑翼、电磁式驱动机构、连接轴、滚子轴承、电源、有效载荷、电动舵机、控制面、起落架、控制器、机体壳、滑环、电刷。
其中，一对扑翼参照直升机浆叶布局方式反对称安装在电磁式驱动机构上，控制器控制电磁式驱动机构中缠绕在U形软铁外导线内电流的通断频率，有电流通过电磁铁2c时，产生的磁力吸合铁片2a，带动扑翼向下拍动，电流切断后，弹簧2c产生的恢复力带动扑翼上拍。翼面上下拍动产生向上的升力与向前的推力。两个翼面产生的推力带动扑翼、电磁式驱动机构、连接轴绕微小型扑旋翼飞行器中心轴旋转。
机体壳通过滚子轴承与连接轴相连，悬挂在扑翼下方。连接轴顶端与电磁式驱动机构中铁片2a连接；其中，机体壳内装有电源、控制器、电动舵机以及有效载荷。
三片控制面安装在起落架上，控制器通过电动舵机使控制面偏转，控制飞行器产生相应的机动；起落架装配在机体壳下部。
本发明的微小型扑旋翼飞行器工作原理：微小型扑旋翼飞行器扑翼的旋转是一种垂直驱动产生的旋转。在电磁式驱动机构中U形电磁铁在周期性电信号的作用下，产生垂直方向上的周期性的磁力吸合磁闭合铁片，驱动扑翼按照其共振频率及设计振幅振动。弹性铁片2a和弹性翼根结构设计，可以使驱动振幅增大到最佳设计值下最大的气动升力与推力。
微小型扑旋翼飞行器扑翼需设定一个初始攻角，扑翼向下拍动时，由于翼面的柔性变形，有效攻角在不断地变化，不但能产生向上的升力，还能产生向前的推力，其现象如同人在扇动扇子时产生的气流与气动力；另一个反对称安装的扑翼向下拍动时，产生方向相反的推力。扑翼拍动产生的推力会带动扑翼旋转。扑翼旋转速度的增加又会增加升力和推力，从而进一步提高扑翼的旋转速度和气动效能，最终满足扑旋翼飞行器垂直起降和悬停的任务需求。由于扑翼的旋转是一种垂直驱动产生的旋转，即通过扑翼振动产生的推力带动扑翼旋转，没有扭矩输入，也就不需要额外的尾桨以及额外的能量来抵消旋转力矩。如前面所述，机体壳通过滚子轴承与连接轴连接，由滚子轴承传递给机体壳的非常小的力矩可以由装配在机体上的控制面阻力产生的力矩抵消。
有益效果
(1)本发明中的飞行器扑翼能够旋转，可以实现垂直起降和空中悬停；
(2)本发明中的飞行器扑翼旋转由翼面拍动产生的推力带动，不需要电机驱动，无扭矩输入因而不需要尾桨或尾翼等平衡装置，结构简单、体积小、重量轻；
(3)本发明中的飞行器具有一定带负载能力，适于在狭窄环境中做高机动飞行使用。
附图说明
图1本发明的微型扑旋翼飞行器侧视图；
图2本发明的微型扑旋翼飞行器俯视图；
图3本发明的微型扑旋翼飞行器扑翼结构图；
图4本发明实施例的“W”形电磁式驱动机构；
图5本发明实施例的“3W”形电磁式驱动机构；
其中，1-扑翼、2-电磁式驱动机构、3-连接轴、4-滚子轴承、5-电源、6-有效载荷、7-电动舵机、8-控制面、9-起落架、10-控制器、11-机体壳、12-滑环、13-电刷。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
本发明的一种微小型扑旋翼飞行器，包括扑翼1、电磁式驱动机构2、连接扑翼与机体的连接轴3、机体壳11、控制面8、起落架9，电源5、以及控制器10和电动舵机7。
扑旋翼飞行器制作步骤如下：
第一步，制作扑翼1。选用普通包装用的聚氯乙烯薄膜作为扑翼翼面材料，按照附图3所示的扑翼形状修剪翼面，在修剪好的翼面1b上粘上四根加强筋1a，加强筋为碳纤维复合材料。
第二步，制作电磁式驱动机构2。本发明采用“W”电磁式驱动机构，首先，将两个U形软铁并列在一起，中间夹入磁闭合铁片2a，外表面缠绕导线构成“W”形电磁铁驱动装置，如图4所示；两片磁闭合铁片2a一端固定在两个U形软铁之间，铁片底端与连接轴3胶接，另一端与扑翼1根部用螺钉固连或胶接；两个弹簧2c分别固定在“W”形电磁铁两侧，弹簧两端分别胶接在外侧软铁柱上端与软铁片2a之间；
第三步，制作机体壳11。将矩形塑料薄板弯成圆筒，作为机体壳外表面。剪裁与圆筒直径相同的两块塑料圆板，作为圆筒形机体壳上封盖与下封盖。在上封盖剪出两个圆孔，一个圆孔位于圆形封盖圆心处，圆孔直径根据拟选用滚子轴承外径而定，另一个小圆孔直径为5mm，位置任意定；机体壳11下部以圆柱形中轴为圆心，间隔120度均匀钻三个直径为8mm圆孔。
第四步，制作起落架9与控制面8。选用三根直径为5mm玻璃纤维棒作为起落架材料，玻璃纤维棒下端弯成圆弧形，起落架形状可参考附图1。选用聚氯乙烯薄膜作为控制面材料，并裁剪成矩形，粘在起落架上。
第五步，装配各部件。将第一步制作好的两个扑翼1，反对称用螺钉固定或胶接在“W”形电磁驱动机构2磁闭合铁片2a端部，安装时翼面前缘向上偏转角度为10度；在连接轴3上装配滑环12与电磁线圈两端相连；电刷13固定在机体壳11上封盖与电源5相连；外购适合的滚子轴承4，连接第三步制作完成的圆形上封盖与连接轴3，然后将上封盖粘在第三步制作的塑料圆筒上端；将控制器10、电源5以及电动舵机7放置进塑料圆筒内，再将第三步制作的圆形下封盖粘在圆筒底端；将三个集成了控制面8的起落架9分别插入机体壳11下部圆孔内，与电动舵机7相连；此外，实验阶段可先利用地面电源代替拟装于机体壳11中的电源5。
最后，试飞。调整重心，接通电源5，控制器10开始工作，控制器10输出信号控制第二步制作的缠绕在U形软铁外面导线内电流的通与断，以及通断频率，有电流通过导线，“W”形电磁铁吸合磁闭合铁片2a，带动扑翼下拍，U形软铁外的导线内无电流通过时，磁闭合铁片2a在弹簧2c恢复力作用下带动扑翼上拍。扑翼上下拍动产生的推力带到扑翼旋转，扑翼旋转产生足够大的升力满足设计的扑旋翼飞行器飞行要求。控制面8在电动舵机7驱动下偏转，控制扑旋翼飞行器姿态变化。扑旋翼飞行器准备着陆时，控制器10产生信号控制扑翼拍动频率降低，扑旋翼提供的升力降低，飞行器下降，弹性起落架9保障扑旋翼飞行器缓慢、安全的降落在地面。
实施例二
本发明的一种微小型扑旋翼飞行器，包括扑翼1、电磁式驱动机构2、连接扑翼与机体的连接轴3、机体壳11、控制面8、起落架9，电源5、以及控制器10和电动舵机7。
第一步，制作三个扑翼1。选用普通包装用的聚氯乙烯薄膜作为扑翼翼面材料，按照附图3所示的扑翼形状修剪翼面，在修剪好的翼面1b上粘上四根加强筋1a，加强筋为碳纤维复合材料。
第二步，为了增加翼面气动效能，本发明实施例中采用“3W”形电磁式驱动机构，用以驱动三片扑翼，如图5所示，将三个彼此依靠的U形软铁外表面缠绕导线，构成电磁铁；磁闭合铁片一段通过固定轴与连接轴3相连，另一端与扑翼1根部相连；制作过程与“W”形电磁式驱动机构相同。
第三步，制作机体壳11。将矩形塑料薄板弯成圆筒，作为机体壳外表面。剪裁与圆筒直径相同的两块塑料圆板，作为圆筒形机体壳上封盖与下封盖。在上封盖剪出两个圆孔，一个圆孔位于圆形封盖圆心处，圆孔直径根据拟选用滚子轴承外径而定，另一个小圆孔直径为5mm，位置任意定；机体壳11下部以圆柱形中轴为圆心，间隔120度均匀钻三个直径为8mm圆孔。
第四步，制作起落架9与控制面8。选用三根直径为5mm玻璃纤维棒作为起落架材料，玻璃纤维棒下端弯成圆弧形，起落架形状可参考附图1。选用聚氯乙烯薄膜作为控制面材料，并裁剪成矩形，粘在起落架上。
第五步，装配各部件。将第一步制作好的三个扑翼1，反对称用螺钉固定或胶接在“3W”形电磁驱动机构2磁闭合铁片2a端部，安装时翼面前缘向上偏转角度为10度；在连接轴3上装配滑环12与电磁线圈两端相连；电刷13固定在机体壳11上封盖与电源5相连；外购适合的滚子轴承4，连接第三步制作完成的圆形上封盖与连接轴3，然后将上封盖粘在第三步制作的塑料圆筒上端；将控制器10、电源5以及电动舵机7放置进塑料圆筒内，再将第三步制作的圆形下封盖粘在圆筒底端；将三个集成了控制面8的起落架9分别插入机体壳11下部圆孔内，与电动舵机7相连；此外，实验阶段可先利用地面电源代替拟装于机体壳11中的电源5。
最后，试飞。调整重心，接通电源5，控制器10开始工作，控制器10输出信号控制第二步制作的缠绕在U形软铁外面导线内电流的通与断，以及通断频率，有电流通过导线，“W”形电磁铁吸合磁闭合铁片2a，带动扑翼下拍，U形软铁外的导线内无电流通过时，磁闭合铁片2a在弹簧2c恢复力作用下带动扑翼上拍。扑翼上下拍动产生的推力带到扑翼旋转，扑翼旋转产生足够大的升力满足设计的扑旋翼飞行器飞行要求。控制面8在电动舵机7驱动下偏转，控制扑旋翼飞行器姿态变化。扑旋翼飞行器准备着陆时，控制器10产生信号控制扑翼拍动频率降低，扑旋翼提供的升力降低，飞行器下降，弹性起落架9保障扑旋翼飞行器缓慢、安全的降落在地面。

Claims (7)

1.一种微小型扑旋翼飞行器的设计方法，其特征在于：利用扑翼上下拍动时，翼面柔性变形产生向上的升力和向前的推力，另一个反对称安装的扑翼向下拍动时，产生方向相反的推力；结合扑翼与旋翼技术，通过扑翼拍动产生的推力带动扑翼旋转而无须电机驱动。
2、根据权利要求1所述一种微小型扑旋翼飞行器的设计方法，其特征在于：
扑旋翼飞行器设计步骤如下：
第一步、制作扑翼
选用普通包装用的聚氯乙烯薄膜作为扑翼翼面材料，按照扑翼形状修剪翼面，在修剪好的翼面(1b)上粘上四根加强筋(1a)；
第二步，制作电磁式驱动机构
采用“W”电磁式驱动机构，首先，将两个U形软铁并列在一起，中间夹入磁闭合铁片(2a)，外表面缠绕导线构成“W”形电磁铁驱动装置，两片磁闭合铁片(2a)一端固定在两个U形软铁之间，铁片底端与连接轴(3)连接，另一端与扑翼(1)根部用螺钉固连或胶接；两个弹簧(2c)分别固定在“W”形电磁铁两侧，弹簧两端分别胶接在外侧软铁柱上端与软铁片(2a)之间；
第三步，制作机体壳
将矩形塑料薄板弯成圆筒，作为机体壳外表面；剪裁与圆筒直径相同的两块塑料圆板，作为圆筒形机体壳上封盖与下封盖；在上封盖剪出两个圆孔，一个圆孔位于圆形封盖圆心处，圆孔直径根据拟选用滚子轴承外径而定，另一个小圆孔的位置任意定；机体壳(11)下部以圆柱形中轴为圆心，间隔120度均匀钻三个圆孔；
第四步，制作起落架与控制面
选用三根玻璃纤维棒作为起落架材料，玻璃纤维棒下端弯成圆弧形；将控制面裁剪成矩形，粘在起落架上；
第五步，装配各部件
将第一步制作好的两个扑翼1，反对称用螺钉固定或胶接在“W”形电磁驱动机构(2)磁闭合铁片(2a)端部；在连接轴()3上装配滑环(12)与电磁线圈两端相连；电刷(13)固定在机体壳(11)上封盖与电源(5)相连；用滚子轴承4连接第三步制作完成的圆形上封盖与连接轴(3)，然后将上封盖粘在第三步制作的塑料圆筒上端；将控制器(10)、电源(5)以及电动舵机(7)放置进塑料圆筒内，再将第三步制作的圆形下封盖粘在圆筒底端；将三个集成了控制面(8)的起落架(9)分别插入机体壳(11)下部圆孔内，与电动舵机(7)相连。
3.一种微小型扑旋翼飞行器，其特征在于：包括扑翼(1)、电磁式驱动机构(2)、连接轴(3)、滚子轴承(4)、电源(5)、有效载荷(6)、电动舵机(7)、控制面(8)、起落架(9)、控制器(10)、机体壳(11)、滑环(12)、电刷(13)；其中，一对扑翼(1)参照直升机浆叶布局方式反对称安装在电磁式驱动机构上，扑翼(1)在电磁式驱动机构(2)驱动下上下拍动，翼面上产生向上的升力与向前的推力，两个翼面产生的推力带动扑翼(1)、电磁式驱动机构(2)、连接轴(3)绕微小型扑旋翼飞行器中心轴旋转；
机体壳(11)通过滚子轴承(4)与连接轴(3)相连，悬挂在扑翼(1)下方，连接轴(3)顶端与电磁式驱动机构(2)相连；其中，机体壳(11)内装有电源(5)、控制器(10)、电动舵机(7)以及有效载荷(6)；
三片控制面(8)安装在起落架(9)上，控制器(10)通过电动舵机(7)使控制面(8)偏转，控制飞行器产生相应的机动；起落架(9)装配在机体壳下(11)部。
4.根据权利要求3所述一种微小型扑旋翼飞行器，其特征在于：所述的电磁式驱动机构(2)可以采用“W”形电磁式驱动机构，还可以采用“3W”形电磁式驱动机构，其制作过程与“W”形电磁式驱动机构相同。
5.根据权利要求3所述一种微小型扑旋翼飞行器，其特征在于：所述的机体壳(11)使用的材料为塑料。
6.根据权利要求3所述一种微小型扑旋翼飞行器，其特征在于：所述的控制面(8)材料选为聚氯乙烯薄膜。
7.根据权利要求3所述一种微小型扑旋翼飞行器，其特征在于：所述的起落架(9)材料可使用玻璃纤维复合材料。
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