CN102390530A - 一种微型机械式可控扑旋翼飞行器及其制造方法和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型机械式可控扑旋翼飞行器及其制造方法和控制方法，本发明的飞行原理是通过电机驱动实现机翼振荡，产生推力力偶而旋转，再产生升力实现飞行。本发明提出的控制方法是：通过调节电机功率，使机翼产生可变升力，实现垂直起降和悬停控制；利用机翼旋转产生的下洗气流，通过控制机身外侧的转向控制面产生水平面内绕垂直振荡轴的力偶，驱动机身旋转，实现转向控制；通过控制机身外侧的前飞控制面形成水平面内沿某个方向的合力，驱动飞行器前飞，实现前飞控制。本发明的装置结构简单、可靠，成本低。本发明的转向及前飞控制系统，可实现飞行器垂直起降、空中悬停、转向控制及自由前飞的功能。

Description

一种微型机械式可控扑旋翼飞行器及其制造方法和控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器领域，更具体的说，本发明涉及一种微型机械式可控扑旋翼飞行器及其制造方法和控制方法。

背景技术

微型飞行器是20世纪90年代中期发展起来的一种新型飞行器。近二十年来，随着传统飞行器设计技术的不断提高，微电子技术的飞速发展及人们对动物飞行和游动机理的不断探索和深入了解，这些原理和技术正在应用于迅速发展起来的微型飞行器(Micro-air-vehicle，简称MAV)设计领域。微型飞行器一般是指翼展和长度在15厘米左右，重量在几十克至上百克，有效载荷20克，航速64～80千米/小时，留空时间20～60分钟，航程10千米的微型飞行机器，它应有实时成像、导航及通信能力。

由于体积小，重量轻，MAV具有良好的隐蔽性和机动性，适于在较小的空间范围内飞行，并可在某些恶劣环境条件下完成侦察、通讯、勘探、协助救援等任务。因此，发展微型飞行器对未来国家安全和国民经济建设等方面将起到非常重要的作用，正在世界范围内引起极大的关注，美国、英国等国家已设计出某些方案及模型。

目前，国内外已初步形成的MAV设计方案主要有三种：第一是固定翼MAV，一般由一个较大面积的机翼和一个较小的机身组成，甚至没有机身；第二是旋翼MAV，一般由一个或多个旋翼(按一定方式布置)组成；第三是拍动翼MAV，即仿生飞行器。这三种布局的MAV各自有优点也有一定的技术局限。固定翼式布局无法实现悬停。单旋翼式布局设计简单，机构实现方便，但需额外的反向配平扭矩；双旋翼(多旋翼)式布局结构复杂很难实现尺寸微型化。扑翼式布局借鉴生物飞行原理，能够在低雷诺数下产生相对较大的升力，但是运动实现机构复杂，难于控制。

在专利“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”(专利公开号CN101492093)中提出了一种扑旋翼飞行器的布局。但该专利中提出的设计方案和装置，仅能实现垂直起降和悬停，不能实现转向及前飞。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种微型机械式可控扑旋翼飞行器及其制造方法和控制方法，实现机翼振荡，继而旋转，产生升力，实现垂直起降和空中悬停；通过机翼旋转产生的下洗气流设计控制机构，实现飞行器在悬停状态下的转向及自由前飞控制功能。

一种微型机械式可控扑旋翼飞行器，包括机翼、机身、动力装置、传动机构、转向控制系统和前飞控制系统；

所述机翼为两个相同的薄膜翼，机翼根部圆孔与传动机构的机翼连杆相连，机翼根部与传动机构中内杆轴承铰接；

所述机身为圆柱型，包括底座、端盖和侧壁；侧壁固定在圆形底座上，顶端由端盖覆盖；

所述动力装置包括微型电源、微型电机和电源输出控制器，微型电源、微型电机与电源输出控制器用导线连成控制回路；微型电源、电源输出控制器安装在机身的底座上，微型电机固定在传动机构的齿轮支架上，微型电机输出轴与传动装置中的小齿轮固连；微型电源用于给微型电机、电源输出控制器、转向控制系统及前飞控制系统供电，微型电机用于驱动机翼的运动，电源输出控制器用于控制微型电机的输出功率及转速；

所述传动机构包括齿轮支架、小齿轮、大齿轮、套筒、内杆、传动连杆、机翼连杆、套筒轴承和内杆轴承，齿轮支架固定在机身底座上；小齿轮固定在微型电机输出轴上，大齿轮安装在齿轮支座的齿轮固定轴上，小齿轮和大齿轮在同一平面内啮合并垂直于底座；传动连杆一端与大齿轮的偏心孔相连，另一端穿过套筒侧壁沟槽与内杆上的圆孔相连；将套筒开有沟槽的一端垂直固定在机身底座上；内杆置于在套筒内，与传动连杆连接后能够在套筒内垂直滑动；套筒轴承安装于套筒顶部；内杆轴承安装于内杆顶部；内杆轴承与机翼的主梁的根部铰接；机翼连杆一端与套筒轴承铰接，另一端与机翼的主梁的根部孔相连；

所述转向控制系统包括两个转向控制面、两根驱动轴、两根舵机连杆、两个舵机以及与前飞控制系统共用的舵机控制器，转向控制面采用对称翼型；驱动轴一端穿过机身侧壁上的圆孔并与转向控制面连接，另一端嵌在套筒的圆孔上；舵机连杆一端与舵机舵盘连接，另一端与驱动轴金属片上的圆孔连接；舵机固定在机身底座上并用导线连接舵机控制器；所述转向控制系统通过舵机同步等幅控制两个转向控制面同向偏转实现转向控制；

所述前飞控制系统包括两个前飞控制面、一根驱动轴A、一个舵机连杆A和一个舵机A，前飞控制面采用对称翼型；驱动轴A分别从机身侧壁的一组圆孔和套筒上的一组圆孔穿过，两端与前飞控制面连接；舵机连杆A一端与舵机A舵盘连接，另一端与驱动轴A金属片上的圆孔连接；舵机A固定在机身底座上；舵机A与舵机控制器采用导线连接；所述前飞控制系统通过舵机A同步等幅控制两个前飞控制面反向偏转实现前飞控制。

一种微型机械式可控扑旋翼飞行器的控制方法，具体如下：

(1)垂直起降及悬停：通过调整微型电源输出功率控制微型电机转速，改变机翼的垂直振荡频率，从而改变机翼产生的力矩大小及旋转速度，继而产生可变升力；当升力大于飞行器重量时实现垂直起飞，当升力近似等于飞行器重量时实现空中悬停，当升力小于飞行器重量时实现垂直降落；

(2)转向控制：利用机翼旋转产生的下洗气流，通过机身外侧的转向控制面实现转向控制；当机翼在旋转运动中产生的下洗气流流过转向控制面时，产生于转向控制面上的力形成水平面内绕垂直振荡轴的力偶，驱动机身旋转，实现转向控制；

(3)前飞控制：利用机翼旋转产生的下洗气流，通过机身外侧的前飞控制面实现前飞控制；当机翼在旋转运动中产生的下洗气流流过前飞控制面时，产生于前飞控制面上的力形成水平面内沿某个方向的合力，驱动飞行器前飞，实现前飞控制。

一种微型机械式可控扑旋翼飞行器的制造方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：

步骤一：制作机翼

机翼为两个相同的薄膜翼，每个机翼均包括一根主梁、一根长辅梁、一根短辅梁和翼膜；主梁、短辅梁以及长辅梁采用碳纤维杆制作，翼膜采用聚乙烯薄膜制作；在主梁根部附近一侧打一圆孔；主梁与长辅梁及短辅梁共面，短辅梁与主梁垂直，长辅梁在主梁与短辅梁之间，与主梁夹角在30°至60°之间；短辅梁及长辅梁根部与主梁连接，连接点位于主梁根部附近圆孔外靠近主梁尖部一侧；翼膜粘在主梁和短辅梁及长辅梁所构成的平面上；

步骤二：制作机身

机身为圆柱型，包括底座、端盖和侧壁；将一层轻木板与一层泡沫板平行粘贴作为底座和端盖的材料；侧壁采用轻质泡沫制作；在底座和端盖轻木板和泡沫板粘贴材料上截取两个圆形作为底座及端盖；截取一段矩形泡沫材料，将其卷为圆柱形粘好作为侧壁；在侧壁距底部1/3处附近不同高度上沿截面直径方向打两组圆孔，同时两组圆孔连线正交，便于转向控制系统的驱动轴和前飞控制系统的驱动轴A由此穿过；在底座上开一直径等于传动机构套筒的圆槽；在端盖中心开一直径等于套筒直径的圆孔，并将端盖沿直径方向截为等面积两部分；

步骤三：制作动力装置

动力装置包括微型电源、微型电机和电源输出控制器组成；微型电源采用可充电式锂电池，微型电机采用无刷电机，电源输出控制器采用带有无线电收发装置的控制电路板；微型电源、微型电机与电源输出控制器用导线连成控制回路；

步骤四：制作传动装置

传动机构包括齿轮支架、小齿轮、大齿轮、套筒、内杆、传动连杆、机翼连杆、套筒轴承、内杆轴承；齿轮支架、小齿轮与大齿轮均采用塑料制作；套筒采用轻质碳纤维空心杆制作；内杆采用轻质碳纤维实心杆制作；传动连杆与机翼连杆采用金属铝制作；套筒轴承与内杆轴承采用轻质金属轴承；利用金属铝丝弯折出传动连杆以及机翼连杆；截取轻质碳纤维空心杆作为套筒；在套筒侧壁开一长度略大于内杆运动幅度、宽度略大于传动连杆直径的沟槽；在靠近套筒底部侧壁与机身侧壁所开两组圆孔同高度位置上沿截面直径方向打两组对应圆孔，两组圆孔连线正交；截取轻质碳纤维实心杆作为内杆，并在靠近其底端处侧壁开一圆孔；在套筒轴承以及内杆轴承的外圈上粘贴铰链支座；

步骤五：制作转向控制系统

转向控制系统包括两个转向控制面、两根驱动轴、两根舵机连杆、两个舵机以及与前飞控制系统共用的舵机控制器；转向控制面采用泡沫材料制作，并采用对称翼型；驱动轴和舵机连杆采用金属铝制作；舵机采用微型控制舵机；将两块长方体的泡沫材料磨制出两个相同的带有对称翼型的转向控制面；截取两段铝丝作为驱动轴；截取两段铝丝并弯折成两个舵机连杆；

步骤六：制作前飞控制系统

前飞控制系统包括两个前飞控制面、一根驱动轴A、一个舵机连杆A和一个舵机A；前飞控制面采用泡沫材料制作，采用对称翼型；驱动轴A和舵机连杆A采用金属铝制作；舵机A采用微型舵机；将两块长方体的泡沫材料磨制出两个相同的带有对称翼型的前飞控制面；截取一段铝丝作为驱动轴A；截取一段铝丝并弯折成舵机连杆A；

步骤七：飞行器装配

将微型电源与微型电机，微型电源与电源输出控制器，舵机与舵机控制器，舵机A以及舵机控制器通过导线相连；将微型电源与电源输出控制器并列安装在机身底座上，微型电机固定在齿轮支座上；将小齿轮固定在微型电机的输出轴上，大齿轮安装在齿轮支座的齿轮固定轴上；将套筒轴承粘接固定在套筒不开缝的一端，并将套筒开缝的一端垂直固定在机身底座上；将内杆轴承粘接固定在内杆的顶端，并将内杆放置在套筒中；将传动连杆一端与大齿轮偏心孔相连，一端透过套筒沟槽与内杆底端圆孔相连；将机翼的主梁根部与内杆轴承铰接；将机翼连杆一端与机翼主梁根部靠近三根梁连接处的圆孔相连，另一端与套筒轴承铰接；将驱动轴一端穿过机身侧壁的一组圆孔安装在套筒上对应的开孔处，另一端与转向控制面连接，并利用热缩橡胶管将驱动轴横向固定；在驱动轴中间位置处垂直与驱动轴轴线粘贴一带孔金属片；用一舵机连杆将驱动轴上的金属片和舵机舵盘连接；将舵机固定在机身底座上；采用同样方法将另一个转向控制面及其驱动轴、舵机连杆、舵机安装在相对于套筒的对称位置上；将驱动轴A一端与前飞控制面连接，另一端穿过机身侧壁的另一组圆孔、套筒侧壁的另一组圆孔及机身侧壁对称位置的另一个圆孔后，再与另一个前飞控制面连接，调整驱动轴A位置使前飞控制装置关于套筒对称；利用热缩橡胶管将驱动轴A横向固定；在驱动轴A距套筒约1/3轴长位置处垂直于驱动轴A轴线方向粘贴一带孔金属片；用舵机连杆A将驱动轴A上的金属片和舵机A舵盘连接；将舵机A固定在机身底座上；将机身侧壁粘在机身底座上，并将端盖覆盖粘接在机身侧壁顶端。

本发明的优点在于：

(1)本发明中设计了一套实现扑旋翼运动的机械装置，装置结构简单、可靠，成本低。

(2)本发明中设计了一种用于该飞行器的转向及前飞控制系统，实现飞行器垂直起降、空中悬停、转向控制及自由前飞的功能。

附图说明

图1是本发明微型机械式可控扑旋翼飞行器的各系统组成图；

图2是本发明微型机械式可控扑旋翼飞行器的机翼结构图

图3是本发明微型机械式可控扑旋翼飞行器的传动机构布置图；

图4是本发明微型机械式可控扑旋翼飞行器的转向控制系统与前飞控制系统布置图；

图中：

1-机翼           2-机身              3-动力装置     4-传动机构

5-转向控制系统   6-前飞控制系统

101-主梁         102-短辅梁          103-长辅梁     104-翼膜

201-底座         202-端盖            203-侧壁       301-微型电源

302-微型电机     303-电源输出控制器  401-齿轮支架   402-小齿轮

403-大齿轮       404-套筒            405-内杆       406-传动连杆

407-机翼连杆     408-套筒轴承        409-内杆轴承   501-转向控制面

502-驱动轴       503-舵机连杆        504-舵机       505舵机控制器

601-前飞控制面   602-驱动轴A         603-舵机连杆A  604-舵机A

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种微型机械式可控扑旋翼飞行器，如图1所示，包括机翼1、机身2、动力装置3、传动机构4、转向控制系统5和前飞控制系统6。

所述机翼1如图2所示，机翼1为两个相同的薄膜翼，每个机翼1均由一根主梁101、两根辅梁(短辅梁102、长辅梁103)和翼膜104组成。主梁101、短辅梁102及长辅梁103采用碳纤维杆制作，翼膜104采用聚乙烯薄膜制作。主梁101与短辅梁102、长辅梁103共面，短辅梁102与主梁101垂直，长辅梁103在主梁101与短辅梁102之间，与主梁101夹角在30°至60°之间。短辅梁102及长辅梁103根部与主梁101连接，连接点位于主梁101根部附近圆孔外靠近主梁尖部一侧。翼膜104粘在主梁101和短辅梁102及长辅梁103所构成的平面上。如图3所示，安装时，机翼1平面与水平面夹角在15°至20°之间。主梁101根部圆孔与传动机构4的机翼连杆407相连。主梁101根部与传动机构4中内杆轴承409铰接。机翼1用于在垂直拍动及周向转动过程中产生气动力。

如图1所示，所述机身2为圆柱型，由底座201、端盖202和侧壁203组成。将一层轻木板与一层泡沫板平行粘贴作为底座201和端盖202的材料。侧壁203采用轻质泡沫制作。侧壁203固定在圆形底座201上，顶端由端盖202覆盖。机身2的底座201用于固定动力装置3、转向控制系统5与前飞控制系统6中的部件，同时其还可用于安装具有测量、拍照等功能的微小型装置和任务载荷。

所述动力装置3由微型电源301、微型电机302和电源输出控制器303组成，如图1所示。微型电源301采用可充电式锂电池，微型电机302采用无刷电机，电源输出控制器303采用带有无线电收发装置的控制电路板。微型电源301、微型电机302与电源输出控制器303用导线连成控制回路。微型电源301、电源输出控制器303安装在机身2的底座201上，微型电机302固定在传动机构4的齿轮支架401上，微型电机输出轴与传动装置4中的小齿轮402固连。微型电源301用于给微型电机302、电源输出控制器303、转向控制系统5及前飞控制系统6供电，微型电机302用于驱动机翼1的运动，电源输出控制器303用于控制微型电机302的输出功率及转速。

所述传动机构4由齿轮支架401、小齿轮402、大齿轮403、套筒404、内杆405、传动连杆406、机翼连杆407、套筒轴承408、内杆轴承409组成，如图3所示。齿轮支架401、小齿轮402与大齿轮403均采用塑料制作。套筒404采用轻质碳纤维空心杆制作。内杆405采用轻质碳纤维实心杆制作。传动连杆406与机翼连杆407采用金属铝制作。套筒轴承408与内杆轴承409采用轻质金属轴承。齿轮支架401固定在机身2底座201上。小齿轮402固定在微型电机302输出轴上，大齿轮403安装在齿轮支座401的齿轮固定轴上，小齿轮402和大齿轮403在同一平面内啮合并垂直于底座201。传动连杆406一端与大齿轮403的偏心孔相连，另一端穿过套筒404侧壁沟槽与内杆405上的圆孔相连。将套筒404开有沟槽的一端垂直固定在机身2底座201上。内杆405置于在套筒404内，与传动连杆406连接后可在套筒404内垂直滑动。套筒轴承408安装于套筒404顶部，与机翼连杆407铰接。内杆轴承409安装于内杆405顶部，与机翼1的主梁101的根部铰接。所述的传动装置4的功能是将微型电机302输出的高速圆周运动进行减速，并将此圆周运动转为机翼1的垂直振荡运动，以产生驱动机翼旋转的气动力。

所述转向控制系统5由两个转向控制面501、两根驱动轴502、两根舵机连杆503、两个舵机504以及与前飞控制系统共用的舵机控制器505组成，如图4所示。转向控制面501采用泡沫材料制作，并采用对称翼型。驱动轴502和舵机连杆503采用金属铝制作。舵机504采用微型控制舵机。驱动轴502一端穿过机身2侧壁203上的圆孔并与转向控制面501连接，另一端穿过套筒404上的圆孔。舵机连杆503一端与舵机504舵盘连接，另一端与驱动轴502金属片上的圆孔连接。舵机504固定在机身2底座201上并用导线连接舵机控制器505。所述转向控制系统5通过舵机504同步等幅控制两个转向控制面501同向偏转(从机身2中心向外看，转向控制面501均顺时针或逆时针转动)实现转向控制。

所述前飞控制系统6由两个前飞控制面601、一根驱动轴A602、一个舵机连杆A603和一个舵机A604组成，如图4所示。前飞控制面601采用泡沫材料制作，采用对称翼型。驱动轴A602和舵机连杆A603采用金属铝制作。舵机A604采用微型舵机。驱动轴A602分别从机身2侧壁203的一组圆孔和套筒404上的一组圆孔穿过，两端与前飞控制面601连接。舵机连杆A603一端与舵机A604舵盘连接，另一端与驱动轴A602金属片上的圆孔连接。舵机A604固定在机身2底座201上。舵机A604与舵机控制器505采用导线连接。所述前飞控制系统6通过舵机A604同步等幅控制两个前飞控制面601反向偏转(从机身2中心向外看，前飞控制面601一个顺时针/逆时针转动，另一个逆时针/顺时针转动)实现前飞控制。

本发明通过微型电机302输出高速圆周运动、通过传动机构4将其减速并转化为机翼1的垂直振荡运动，利用空气动力学原理(反卡门涡街的产生)产生驱动机翼旋转的力矩，实现机翼1快速旋转并产生升力，最终实现飞行器垂直起降运动和空中悬停运动。另外，通过舵机控制器505控制机身2外侧的转向控制面501和前飞控制面601并利用机翼旋转产生的下洗气流实现飞行器转向控制及前飞控制。本发明的一种微型机械式可控扑旋翼飞行器的控制方法，具体如下：

(1)垂直起降及悬停：通过调整微型电源301输出功率控制微型电机302转速，改变机翼1的垂直振荡频率，从而改变机翼1产生的力矩大小及旋转速度，继而产生可变升力。当升力大于飞行器重量时可实现垂直起飞，当升力近似等于飞行器重量时可实现空中悬停，当升力小于飞行器重量时可实现垂直降落。

(2)转向控制：利用机翼1旋转产生的下洗气流，通过机身2外侧的转向控制面501实现转向控制。当机翼1在旋转运动中产生的下洗气流流过转向控制面501时，由于两控制面位于同向偏转姿态，可在水平面内产生一对大小相等方向相反的气动力，这与常规布局飞行器有迎角下机翼产生升力的原理类似。产生于转向控制面501上的力形成水平面内绕垂直振荡轴(套筒404)的力偶，驱动机身2旋转，实现转向控制。

(3)前飞控制：利用机翼1旋转产生的下洗气流，通过机身2外侧的前飞控制面601实现前飞控制。当机翼1在旋转运动中产生的下洗气流流过前飞控制面601时，由于两控制面位于反向偏转姿态，可在水平面内产生一对大小相等方向相同的气动力，这与常规布局飞行器有迎角下机翼产生升力的原理类似。产生于前飞控制面601上的力形成水平面内沿某个方向的合力，驱动飞行器前飞，实现前飞控制。

上述三个控制的具体实现步骤为：

(1)垂直起飞、空中悬停及垂直降落

在地面静止状态下，通过微型电源输出控制器303开启微型电机302，并使电机转数逐渐增加，提高机翼1上下拍动频率，机翼1旋转并产生升力。当升力达到并超过重力时，飞行器实现垂直起飞。在此过程中，机翼1的旋转会在套筒轴承408及内杆轴承409中产生摩擦力偶，导致机身2旋转。此时通过两个转向控制舵机504反向等幅偏转改变转向控制面501偏角产生水平面内的力偶来抵消上述摩擦力偶，保持机身2固定不转。

在飞行过程中，若要实现空中悬停，可通过电源输出控制器303调节微型电机302功率，控制电机转速，改变机翼1旋转速度，使飞行器产生的升力等于飞行器自重即可。

在飞行过程中，若需垂直降落，可通过电源输出控制器303逐渐减小微型电机302功率，使电机转数缓慢减小，降低机翼1拍动频率，机翼1旋转速度变慢，升力减小。当升力低于重力的时候，飞行器实现垂直降落。

(2)改变方向

在飞行过程中，如需转向，可通过两个转向控制舵机504驱动转向控制面501同向旋转，等幅改变转向控制面501偏角，使其产生的水平面内的气动力偶，且该力偶不等于套筒轴承408及内杆轴承409中产生的摩擦力偶，则可实现机身2转向。转至预定方向后，反向重复上述过程可使机身2重新固定不转。

(3)向前飞行

悬停飞行中，如需沿某一方向前飞，可先通过转向控制系统5将机身2转到预定飞行方向上，然后通过前飞控制舵机A604驱动前飞控制面601反向旋转，等幅改变前飞控制面601偏角，使其产生沿预定方向的合力，在此力的作用下即可实现前飞运动，力的大小决定前飞速度。

本发明的一种微型机械式可控扑旋翼飞行器的制造方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：制作机翼1

机翼1为两个相同的薄膜翼，每个机翼均由一根主梁101、一根短辅梁102、一根长辅梁103和翼膜104组成；主梁101和辅梁102及103采用碳纤维杆制作，翼膜104采用聚乙烯薄膜制作。在主梁101根部附近一侧打一圆孔；主梁101与长辅梁103及短辅梁102共面，短辅梁102与主梁101垂直，长辅梁103在主梁101与短辅梁102之间，与主梁101夹角在30°至60°之间；短辅梁102及长辅梁103根部与主梁101连接，连接点位于主梁101根部附近圆孔外靠近主梁尖部一侧；翼膜104粘在主梁101和短辅梁102及长辅梁103所构成的平面上；

步骤二：制作机身2

机身2为圆柱型，由底座201、端盖202和侧壁203组成。将一层轻木板与一层泡沫板平行粘贴作为底座201和端盖202的材料。侧壁203采用轻质泡沫制作。在底座201和端盖202轻木板和泡沫板粘贴材料上截取两个圆形作为底座201及端盖202。截取一段矩形泡沫材料，将其卷为圆柱形粘好作为侧壁203。在侧壁203距底部1/3处附近不同高度上沿截面直径方向打两组圆孔，同时两组圆孔连线正交，便于转向控制系统5的驱动轴502和前飞控制系统6的驱动轴A602由此穿过。在底座201上开一直径等于传动机构套筒404的圆槽。在端盖202中心开一直径等于套筒直径的圆孔，并将端盖202沿直径方向截为等面积两部分，便于后面装配。

步骤三：制作动力装置3

动力装置3由微型电源301、微型电机302和电源输出控制器303组成。微型电源301采用可充电式锂电池，微型电机302采用无刷电机，电源输出控制器303采用带有无线电收发装置的控制电路板。微型电源301、微型电机302与电源输出控制器303用导线连成控制回路。微型电源301、微型电机302以及电源输出控制器303采用市场上销售的常用、轻质、小体积的同类产品。

步骤四：制作传动装置

传动机构4由齿轮支架401、小齿轮402、大齿轮403、套筒404、内杆405、传动连杆406、机翼连杆407、套筒轴承408、内杆轴承409组成。齿轮支架401、小齿轮402与大齿轮403均采用塑料制作。套筒404采用轻质碳纤维空心杆制作。内杆405采用轻质碳纤维实心杆制作。传动连杆406与机翼连杆407采用金属铝制作。套筒轴承408与内杆轴承409采用轻质金属轴承。齿轮支架401、小齿轮402、大齿轮403、套筒轴承408以及内杆409采用市场上已有的常用、轻质、小体积的同类产品。利用金属铝丝弯折出传动连杆406以及机翼连杆407。截取轻质碳纤维空心杆作为套筒404。在套筒404侧壁开一长度略大于内杆运动幅度、宽度略大于传动连杆406直径的沟槽。在靠近套筒404底部侧壁与机身2侧壁203所开两组圆孔同高度位置上沿截面直径方向打两组对应圆孔，两组圆孔连线正交。截取轻质碳纤维实心杆作为内杆405，并在靠近其底端处侧壁开一圆孔。在套筒轴承408以及内杆轴承409的外圈上粘贴铰链支座。

步骤五：制作转向控制系统5

转向控制系统5由两个转向控制面501、两根驱动轴502、两根舵机连杆503、两个舵机504以及与前飞控制系统6共用的舵机控制器505组成。转向控制面501采用泡沫材料制作，并采用对称翼型。驱动轴502和舵机连杆503采用金属铝制作。舵机504采用微型控制舵机。将两块长方体的泡沫材料磨制出两个相同的带有对称翼型的转向控制面501。截取两段铝丝作为驱动轴502。截取两段铝丝并弯折成两个舵机连杆503。舵机504以及舵机控制器505采用市场上销售的常用、轻质、小体积的同类产品。

步骤六：制作前飞控制系统6

前飞控制系统6由两个前飞控制面601、一根驱动轴A602、一个舵机连杆A603和一个舵机A604组成。前飞控制面601采用泡沫材料制作，采用对称翼型。驱动轴A602和舵机连杆A603采用金属铝制作。舵机A604采用微型舵机。将两块长方体的泡沫材料磨制出两个相同的带有对称翼型的前飞控制面601。截取一段铝丝作为驱动轴A602。截取一段铝丝并弯折成舵机连杆A603。舵机A604采用市场上销售的常用、轻质、小体积的同类产品。

步骤七：飞行器装配

将微型电源301与微型电机302，微型电源301与电源输出控制器303，舵机504与舵机控制器505，舵机604以及舵机控制器505通过导线相连。将微型电源301与电源输出控制器303并列安装在机身2底座201上，微型电机302固定在齿轮支座401上。将小齿轮402固定在微型电机302的输出轴上，大齿轮403安装在齿轮支座401的齿轮固定轴上。将套筒轴承408粘接固定在套筒404不开缝的一端，并将套筒404开缝的一端垂直固定在机身2底座201上。将内杆轴承409粘接固定在内杆405的顶端，并将内杆405放置在套筒404中。将传动连杆406一端与大齿轮403偏心孔相连，一端透过套筒404沟槽与内杆405底端圆孔相连。将机翼1的主梁101根部与内杆轴承409铰接。将机翼连杆407一端与机翼1主梁101根部靠近三根梁连接处的圆孔相连，另一端与套筒轴承408铰接。将驱动轴502一端穿过机身2侧壁203的一组圆孔安装在套筒404上对应的开孔处，另一端与转向控制面501连接，并利用热缩橡胶管将驱动轴502横向固定。在驱动轴502中间位置处垂直与驱动轴502轴线粘贴一带孔金属片。用一舵机连杆503将驱动轴502上的金属片和舵机504舵盘连接。将舵机504固定在机身2底座201上。采用同样方法将另一个转向控制面501及其驱动轴502、舵机连杆503、舵机504安装在相对于套筒的对称位置上。将驱动轴A602一端与前飞控制面601连接，另一端穿过机身2侧壁203的另一组圆孔、套筒404侧壁的另一组圆孔及机身侧壁203对称位置的另一个圆孔后，再与另一个前飞控制面601连接，调整驱动轴A602位置使前飞控制装置关于套筒404对称。利用热缩橡胶管将驱动轴A602横向固定。在驱动轴A602距套筒404约1/3轴长位置处垂直于驱动轴A602轴线方向粘贴一带孔金属片。用舵机连杆A603将驱动轴A602上的金属片和舵机A604舵盘连接。将舵机A604固定在机身2底座201上。将机身2侧壁203粘在机身2底座201上，并将端盖202覆盖粘接在机身2侧壁203顶端。

步骤八：试飞

在地面静止状态下，通过微型电源输出控制器303开启微型电机302，并使电机转数逐渐增加，提高机翼1上下拍动频率，机翼1旋转并产生升力。当升力达到并超过重力时，飞行器实现垂直起飞。在此过程中，机翼1的旋转会在套筒轴承408及内杆轴承409中产生摩擦力偶，导致机身2旋转。此时通过两个转向控制舵机504反向等幅偏转改变转向控制面501偏角产生水平面内的力偶来抵消上述摩擦力偶，保持机身2固定不转。起飞后，若要实现空中悬停，可通过电源输出控制器303调节微型电机302功率，控制电机转速，改变机翼1旋转速度，使飞行器产生的升力等于飞行器自重即可。在飞行过程中，如需转向，可通过两个转向控制舵机504驱动转向控制面501同向旋转，等幅改变转向控制面501偏角，使其产生的水平面内的气动力偶，且该力偶不等于套筒轴承408及内杆轴承409中产生的摩擦力偶，则可实现机身2转向。转至预定方向后，反向重复上述过程可使机身2重新固定不转。当要沿某一方向前飞时，可先通过上述方法将飞行器转到预定飞行方向上，然后通过前飞控制舵机A604驱动前飞控制面601反向旋转，等幅改变前飞控制面601偏角，使其产生沿预定方向的合力，在此力的作用下即可实现前飞运动。最后为实现垂直降落，可通过电源输出控制器303逐渐减小微型电机302功率，使电机转数缓慢减小，降低机翼1拍动频率，机翼1旋转速度变慢，升力减小。当升力低于重力的时候，飞行器实现垂直降落。

Claims (7)

1.一种微型机械式可控扑旋翼飞行器，其特征在于，包括机翼、机身、动力装置、传动机构、转向控制系统和前飞控制系统；

所述机翼为两个相同的薄膜翼，机翼根部圆孔与传动机构的机翼连杆相连，机翼根部与传动机构中内杆轴承铰接；

所述机身为圆柱型，包括底座、端盖和侧壁；侧壁固定在圆形底座上，顶端由端盖覆盖；

所述动力装置包括微型电源、微型电机和电源输出控制器，微型电源、微型电机与电源输出控制器用导线连成控制回路；微型电源、电源输出控制器安装在机身的底座上，微型电机固定在传动机构的齿轮支架上，微型电机输出轴与传动装置中的小齿轮固连；微型电源用于给微型电机、电源输出控制器、转向控制系统及前飞控制系统供电，微型电机用于驱动机翼的运动，电源输出控制器用于控制微型电机的输出功率及转速；

所述传动机构包括齿轮支架、小齿轮、大齿轮、套筒、内杆、传动连杆、机翼连杆、套筒轴承和内杆轴承，齿轮支架固定在机身底座上；小齿轮固定在微型电机输出轴上，大齿轮安装在齿轮支座的齿轮固定轴上，小齿轮和大齿轮在同一平面内啮合并垂直于底座；传动连杆一端与大齿轮的偏心孔相连，另一端穿过套筒侧壁沟槽与内杆上的圆孔相连；将套筒开有沟槽的一端垂直固定在机身底座上；内杆置于在套筒内，与传动连杆连接后能够在套筒内垂直滑动；套筒轴承安装于套筒顶部；内杆轴承安装于内杆顶部；内杆轴承与机翼的主梁的根部铰接；机翼连杆一端与套筒轴承铰接，另一端与机翼的主梁的根部孔相连；

所述转向控制系统包括两个转向控制面、两根驱动轴、两根舵机连杆、两个舵机以及与前飞控制系统共用的舵机控制器，转向控制面采用对称翼型；驱动轴一端穿过机身侧壁上的圆孔并与转向控制面连接，另一端嵌在套筒的圆孔上；舵机连杆一端与舵机舵盘连接，另一端与驱动轴金属片上的圆孔连接；舵机固定在机身底座上并用导线连接舵机控制器；所述转向控制系统通过舵机同步等幅控制两个转向控制面同向偏转实现转向控制；

所述前飞控制系统包括两个前飞控制面、一根驱动轴A、一个舵机连杆A和一个舵机A，前飞控制面采用对称翼型；驱动轴A分别从机身侧壁的一组圆孔和套筒上的一组圆孔穿过，两端与前飞控制面连接；舵机连杆A一端与舵机A舵盘连接，另一端与驱动轴A金属片上的圆孔连接；舵机A固定在机身底座上；舵机A与舵机控制器采用导线连接；所述前飞控制系统通过舵机A同步等幅控制两个前飞控制面反向偏转实现前飞控制。

2.根据权利要求1所述的一种微型机械式可控扑旋翼飞行器，其特征在于，所述的机翼包括主梁、长辅梁、短辅梁和翼膜；主梁与短辅梁、长辅梁共面，短辅梁与主梁垂直，长辅梁在主梁与短辅梁之间，与主梁夹角在30°至60°之间；短辅梁及长辅梁根部与主梁连接，连接点位于主梁根部附近圆孔外靠近主梁尖部一侧；翼膜粘在主梁和短辅梁及长辅梁所构成的平面上；机翼平面与水平面夹角在15°至20°之间；主梁根部圆孔与传动机构的机翼连杆相连；主梁根部与传动机构中内杆轴承铰接。

3.根据权利要求1所述的一种微型机械式可控扑旋翼飞行器，其特征在于，所述的微型电源采用可充电式锂电池，微型电机采用无刷电机，电源输出控制器采用带有无线电收发装置的控制电路板。

4.根据权利要求1所述的一种微型机械式可控扑旋翼飞行器，其特征在于，所述的舵机、舵机A采用微型控制舵机。

5.一种微型机械式可控扑旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，具体如下：

(1)垂直起降及悬停：通过调整微型电源输出功率控制微型电机转速，改变机翼的垂直振荡频率，从而改变机翼产生的力矩大小及旋转速度，继而产生可变升力；当升力大于飞行器重量时实现垂直起飞，当升力近似等于飞行器重量时实现空中悬停，当升力小于飞行器重量时实现垂直降落；

(2)转向控制：利用机翼旋转产生的下洗气流，通过机身外侧的转向控制面实现转向控制；当机翼在旋转运动中产生的下洗气流流过转向控制面时，产生于转向控制面上的力形成水平面内绕垂直振荡轴的力偶，驱动机身旋转，实现转向控制；

(3)前飞控制：利用机翼旋转产生的下洗气流，通过机身外侧的前飞控制面实现前飞控制；当机翼在旋转运动中产生的下洗气流流过前飞控制面时，产生于前飞控制面上的力形成水平面内沿某个方向的合力，驱动飞行器前飞，实现前飞控制。

6.根据权利要求5所述的一种微型机械式可控扑旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，三个控制的具体实现步骤为：

(1)垂直起飞、空中悬停及垂直降落

在地面静止状态下，通过微型电源输出控制器开启微型电机，并使电机转数逐渐增加，提高机翼上下拍动频率，机翼旋转并产生升力；当升力达到并超过重力时，飞行器实现垂直起飞；在此过程中，机翼的旋转会在套筒轴承及内杆轴承中产生摩擦力偶，导致机身旋转；此时通过两个转向控制舵机反向等幅偏转改变转向控制面偏角产生水平面内的力偶来抵消上述摩擦力偶，保持机身固定不转；

在飞行过程中，若要实现空中悬停，通过电源输出控制器调节微型电机功率，控制电机转速，改变机翼旋转速度，使飞行器产生的升力等于飞行器自重；

在飞行过程中，若需垂直降落，通过电源输出控制器逐渐减小微型电机功率，使电机转数缓慢减小，降低机翼拍动频率，机翼旋转速度变慢，升力减小；当升力低于重力的时候，飞行器实现垂直降落；

(2)改变方向

在飞行过程中，如需转向，通过两个转向控制舵机驱动转向控制面同向旋转，等幅改变转向控制面偏角，使其产生的水平面内的气动力偶，且该力偶不等于套筒轴承及内杆轴承中产生的摩擦力偶，则实现机身转向；转至预定方向后，反向重复上述过程使机身重新固定不转；

(3)向前飞行

悬停飞行中，如需沿某一方向前飞，先通过转向控制系统将机身转到预定飞行方向上，然后通过前飞控制舵机驱动前飞控制面反向旋转，等幅改变前飞控制面偏角，使其产生沿预定方向的合力，在此力的作用下即实现前飞运动，力的大小决定前飞速度。

7.一种微型机械式可控扑旋翼飞行器的制造方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：

步骤一：制作机翼

机翼为两个相同的薄膜翼，每个机翼均包括一根主梁、一根长辅梁、一根短辅梁和翼膜；主梁、短辅梁及长辅梁采用碳纤维杆制作，翼膜采用聚乙烯薄膜制作；在主梁根部附近一侧打一圆孔；主梁与长辅梁及短辅梁共面，短辅梁与主梁垂直，长辅梁在主梁与短辅梁之间，与主梁夹角在30°至60°之间；短辅梁及长辅梁根部与主梁连接，连接点位于主梁根部附近圆孔外靠近主梁尖部一侧；翼膜粘在主梁和短辅梁及长辅梁所构成的平面上；

步骤二：制作机身

机身为圆柱型，包括底座、端盖和侧壁；将一层轻木板与一层泡沫板平行粘贴作为底座和端盖的材料；侧壁采用轻质泡沫制作；在底座和端盖轻木板和泡沫板粘贴材料上截取两个圆形作为底座及端盖；截取一段矩形泡沫材料，将其卷为圆柱形粘好作为侧壁；在侧壁距底部1/3处附近不同高度上沿截面直径方向打两组圆孔，同时两组圆孔连线正交，便于转向控制系统的驱动轴和前飞控制系统的驱动轴A由此穿过；在底座上开一直径等于传动机构套筒的圆槽；在端盖中心开一直径等于套筒直径的圆孔，并将端盖沿直径方向截为等面积两部分；

步骤三：制作动力装置

动力装置包括微型电源、微型电机和电源输出控制器组成；微型电源采用可充电式锂电池，微型电机采用无刷电机，电源输出控制器采用带有无线电收发装置的控制电路板；微型电源、微型电机与电源输出控制器用导线连成控制回路；

步骤四：制作传动装置

传动机构包括齿轮支架、小齿轮、大齿轮、套筒、内杆、传动连杆、机翼连杆、套筒轴承、内杆轴承；齿轮支架、小齿轮与大齿轮均采用塑料制作；套筒采用轻质碳纤维空心杆制作；内杆采用轻质碳纤维实心杆制作；传动连杆与机翼连杆采用金属铝制作；套筒轴承与内杆轴承采用轻质金属轴承；利用金属铝丝弯折出传动连杆以及机翼连杆；截取轻质碳纤维空心杆作为套筒；在套筒侧壁开一长度略大于内杆运动幅度、宽度略大于传动连杆直径的沟槽；在靠近套筒底部侧壁与机身侧壁所开两组圆孔同高度位置上沿截面直径方向打两组对应圆孔，两组圆孔连线正交；截取轻质碳纤维实心杆作为内杆，并在靠近其底端处侧壁开一圆孔；在套筒轴承以及内杆轴承的外圈上粘贴铰链支座；

步骤五：制作转向控制系统

转向控制系统包括两个转向控制面、两根驱动轴、两根舵机连杆、两个舵机以及与前飞控制系统共用的舵机控制器；转向控制面采用泡沫材料制作，并采用对称翼型；驱动轴和舵机连杆采用金属铝制作；舵机采用微型控制舵机；将两块长方体的泡沫材料磨制出两个相同的带有对称翼型的转向控制面；截取两段铝丝作为驱动轴；截取两段铝丝并弯折成两个舵机连杆；

步骤六：制作前飞控制系统

前飞控制系统包括两个前飞控制面、一根驱动轴A、一个舵机连杆A和一个舵机A；前飞控制面采用泡沫材料制作，采用对称翼型；驱动轴A和舵机连杆A采用金属铝制作；舵机A采用微型舵机；将两块长方体的泡沫材料磨制出两个相同的带有对称翼型的前飞控制面；截取一段铝丝作为驱动轴A；截取一段铝丝并弯折成舵机连杆A；

步骤七：飞行器装配

将微型电源与微型电机，微型电源与电源输出控制器，舵机与舵机控制器，舵机A以及舵机控制器通过导线相连；将微型电源与电源输出控制器并列安装在机身底座上，微型电机固定在齿轮支座上；将小齿轮固定在微型电机的输出轴上，大齿轮安装在齿轮支座的齿轮固定轴上；将套筒轴承粘接固定在套筒不开缝的一端，并将套筒开缝的一端垂直固定在机身底座上；将内杆轴承粘接固定在内杆的顶端，并将内杆放置在套筒中；将传动连杆一端与大齿轮偏心孔相连，一端透过套筒沟槽与内杆底端圆孔相连；将机翼的主梁根部与内杆轴承铰接；将机翼连杆一端与机翼主梁根部靠近三根梁连接处的圆孔相连，另一端与套筒轴承铰接；将驱动轴一端穿过机身侧壁的一组圆孔安装在套筒上对应的开孔处，另一端与转向控制面连接，并利用热缩橡胶管将驱动轴横向固定；在驱动轴中间位置处垂直与驱动轴轴线粘贴一带孔金属片；用一舵机连杆将驱动轴上的金属片和舵机舵盘连接；将舵机固定在机身底座上；采用同样方法将另一个转向控制面及其驱动轴、舵机连杆、舵机安装在相对于套筒的对称位置上；将驱动轴A一端与前飞控制面连接，另一端穿过机身侧壁的另一组圆孔、套筒侧壁的另一组圆孔及机身侧壁对称位置的另一个圆孔后，再与另一个前飞控制面连接，调整驱动轴A位置使前飞控制装置关于套筒对称；利用热缩橡胶管将驱动轴A横向固定；在驱动轴A距套筒约1/3轴长位置处垂直于驱动轴A轴线方向粘贴一带孔金属片；用舵机连杆A将驱动轴A上的金属片和舵机A舵盘连接；将舵机A固定在机身底座上；将机身侧壁粘在机身底座上，并将端盖覆盖粘接在机身侧壁顶端。

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