CN104443379A - 一种小型平拍翼无人扑翼机 - Google Patents

Abstract

一种小型平拍翼无人扑翼机，属航空技术领域，包括机身、尾翼、左拍翼装置、右拍翼装置和起落架。机身内配有操控系统、机载设备和电源设备。采用自动导航自主驾驶和遥控两种方式飞行。左拍翼装置和右拍翼装置结构、参数和工作原理都相同对称布置于机身的左右两侧，用来产生升力和推力。尾翼用来控制俯仰及转弯飞行姿态。右拍翼装置包括电机、主轴、摆轴、翼轴、翼片、中心齿轮、近心齿轮、摆轴套管、远心齿轮和翼齿轮。翼片是非刚性的，呈矩形，翼型采用上凸下凹型或上凸下平型。中心齿轮与翼齿轮的传动比为1∶1，中心齿轮固定。翼片在上下拍动的过程中不会在横向产生水平分力，效率较高。该扑翼机可用于航拍、军事侦查和抢险救灾任务。

Description

一种小型平拍翼无人扑翼机

技术领域

一种小型平拍翼无人扑翼机，属航空技术领域，尤其涉及一种扑翼机。

背景技术

传统扑翼机的翅膀是按圆弧轨迹扑动的，翅膀上下拍动时在横向的水平方向产生了一部分空气动力分量，该水平方向的分量对飞行器的前行和升空都没有正面效果，是动力的一种损耗。

发明内容

本发明的目的是克服现有扑翼机的上述不足，发明一种效率较高的小型平拍翼无人扑翼机。

一种小型平拍翼无人扑翼机，包括机身、尾翼、左拍翼装置、右拍翼装置和起落架。机身内配有操控系统、机载设备和电源设备。该扑翼机飞行姿态由操控系统操纵，机载设备包括各种飞行仪器仪表和拍摄设备。机身内配置了自动导航自主驾驶装置和遥控设备，采用自动导航自主驾驶和遥控两种方式飞行，远距离飞行采用自动导航自主驾驶模式，近距离飞行采用遥控模式飞行。左拍翼装置和右拍翼装置结构、参数和工作原理都相同，它们对称布置于机身的左右两侧，用来产生升力和推力。尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，水平尾翼由前段的固定部分即水平安定面和后段的活动部分即升降舵组成，垂直尾翼由前段的固定部分即垂直安定面和后段的活动部分即方向舵组成。升降舵在操控系统的操控下能上下偏转，向上偏转会使该扑翼机抬头，实现上仰；向下偏转会使该扑翼机低头，实现下俯。方向舵在操控系统的操控下左右偏转，能使该扑翼机向左或向右偏航。起落架采用轮式起落架。为了结构紧凑且方便左拍翼装置和右拍翼装置能灵活上下扑动，在机身的左右两侧分别设置了左缺口和右缺口。电源系统包括电池、电子调速器、开关及连接用电线。电池采用方便充电的锂电池。

右拍翼装置的具体结构为：它包括电机、主轴、摆轴、翼轴、翼片、中心齿轮、近心齿轮、摆轴套管、远心齿轮和翼齿轮。翼片是非刚性的，翼片的前缘浑圆厚实，后缘尖细，靠近前缘的部分较硬，靠近后缘的部分较软。翼片平面形状呈矩形，翼型采用上凸下凹型或上凸下平型。电机固定安装在机身右侧的右缺口内，电机的输出轴纵向水平布置，电机的输出轴的前端与主轴的后端固连。摆轴的一端与主轴垂直固连于主轴的中段，摆轴的另一端与翼轴的前端垂直固连，主轴、摆轴和翼轴三者在同一平面内。翼轴的后端通过轴承与固定于翼片的前缘的翼齿轮相连于翼齿轮的中心孔内，翼齿轮能绕翼轴灵活转动，翼轴与翼片共面。中心齿轮固定安装在机身的右缺口的前壁上，主轴的前端通过轴承与中心齿轮相连于中心齿轮的中心孔内，主轴能在该中心孔内灵活转动。主轴、中心齿轮和电机的输出轴三者同轴。摆轴套管通过轴承套装在摆轴的外周，摆轴能在摆轴套管内灵活转动。近心齿轮和远心齿轮分别固连于摆轴套管的两端。近心齿轮与中心齿轮啮合，中心齿轮与近心齿轮的传动比为1∶1。远心齿轮与翼齿轮啮合，其传动比为1∶1。翼齿轮的后端端头与翼片固连于翼片的前缘的正中位置。组装右拍翼装置时，确保摆轴处于主轴正上方竖直位置时翼片水平布置。由于中心齿轮与翼齿轮的传动比为1∶1，且中心齿轮固定，无论摆轴转摆至什么位置，翼片的前缘都会处于水平状态。

右拍翼装置的工作原理是：下扑过程：假设下扑起始位置为翼片处于高于过主轴的水平面的一个较高位置，从该扑翼机的尾端往前端看，起动电机，在动力的驱动下，摆轴顺时针转动，由于中心齿轮固定不动，且中心齿轮与翼齿轮的传动比为1∶1，翼片绕主轴顺时针公转的同时，在翼齿轮的带动下翼片会逆时针自转，翼片的前缘会保持水平状态下拍，沿翼展方向翼片相同弦长位置下拍的位移相同，实现向下平拍。由于翼片是非刚性的，有一定的柔度和弹性，翼片下拍时翼片的后缘要滞后翼片的前缘一些。由于翼片的翼型是上凸下凹型或上凸下平型，翼片下拍能产生较大的向上的升力和较小的向前的推力。当摆轴转过一定角度时电机转速变为零，完成了下扑过程。翼片向下平拍过程产生的升力较大，且效率高。上扑过程是：从翼片处于较低位置开始，操控系统控制电机反转，在电机的驱动下，主轴逆时针转动，带动摆轴逆时针转动，因中心齿轮固定不动，且中心齿轮与翼齿轮的传动比为1∶1，翼片绕主轴逆时针公转的同时，在翼齿轮的带动下翼片会顺时针自转，翼片的前缘会保持水平状态上拍，沿翼展方向翼片相同弦长位置上拍的位移相同，实现向上平拍。由于翼片是非刚性的，有一定的柔度和弹性，翼片上拍时翼片的后缘也会滞后翼片的前缘。由于翼片的翼型是上凸下凹型或上凸下平型，与下拍相比，翼片的后缘滞后翼片的前缘的程度大一些。上拍翼片会产生较大的向前的推力和较小的向上的升力或不产生升力，上拍过程产生升力的大小与该扑翼机前飞的速度有关，前飞的速度越快产生的升力越大。翼片拍动的快慢和角度范围是通过控制电机的转速、转向和转角进行调节的，拍动的范围在0°至180°之间可控可调。若上扑使摆轴转至主轴正上方处于竖直位置，下扑使摆轴转至主轴正下方处于竖直位置，则扑动的范围为180°。

左拍翼装置的工作原理与右拍翼装置的工作原理相同。拍动的方向是对称的，从该发明扑翼机的尾端往前端看，左拍翼装置的主轴逆时针转动，其翼片下拍；左拍翼装置的主轴顺时针转动，其翼片上拍。

两个翼片在上下拍动的过程中不会在翼展方向即横向产生水平分力，效率较高。

左拍翼装置和右拍翼装置独立分开控制，操控系统能对两个电机的转速、转向和转角范围进行控制。扑动的幅度可调且可控，该扑翼机具较强的机动性和较高的安全性。

附图说明

图1是本发明一种小型平拍翼无人扑翼机的后视示意图，此图中，左拍翼装置和右拍翼装置处于下扑过程中，左翼片和右翼片处于下拍中，它们的前缘朝下，后缘朝上；图2是本发明一种小型平拍翼无人扑翼机的俯视示意图；图3是图2中右拍翼装置的放大示意图；图4是右拍翼装置的下扑过程示意图；图5是右拍翼装置的上扑过程示意图。

图中，1-机身，11-左缺口，12-右缺口；2-尾翼，21-水平尾翼，22-垂直尾翼；3-左扑翼装置；4-右扑翼装置，40-电机，41-主轴，42-摆轴，43-翼轴，44-翼片，45-中心齿轮，46-近心齿轮，47-摆轴套管，48-远心齿轮，49-翼齿轮；5-起落架；6-右扑翼装置上扑时其摆轴的转动方向指示；7-左扑翼装置下扑时其摆轴的转动方向指示；8-右扑翼装置下扑时其摆轴的转动方向指示；431表示右拍翼装置4扑动时翼轴43可能的最长运动轨迹。

具体实施方式

现结合附图1~5对本发明加以具体说明：一种小型平拍翼无人扑翼机，包括机身1、尾翼2、左拍翼装置3、右拍翼装置4和起落架5。机身1内配有操控系统、机载设备和电源设备。该扑翼机飞行姿态由操控系统操纵，机载设备包括各种飞行仪器仪表和拍摄设备。机身采用铝合金或超薄型玻璃钢等硬质轻质材料制作。机身1内配置了自动导航自主驾驶装置和遥控设备，采用自动导航自主驾驶和遥控两种方式飞行，远距离飞行采用自动导航自主驾驶模式，近距离飞行采用遥控模式飞行。左拍翼装置3和右拍翼装置4结构、参数和工作原理都相同，它们对称布置于机身1的左右两侧，用来产生升力和推力。尾翼2包括水平尾翼21和垂直尾翼22，水平尾翼21由前段的固定部分即水平安定面和后段的活动部分即升降舵组成，垂直尾翼22由前段的固定部分即垂直安定面和后段的活动部分即方向舵组成。升降舵在操控系统的操控下能上下偏转，向上偏转会使该扑翼机抬头，实现上仰；向下偏转会使该扑翼机低头，实现下俯。方向舵在操控系统的操控下左右偏转，能使该扑翼机向左或向右偏航。起落架5采用轮式起落架。为了结构紧凑且方便左拍翼装置3和右拍翼装置4能灵活上下扑动，在机身1的左右两侧分别设置了左缺口11和右缺口12。电源系统包括电池、电子调速器、开关及连接用电线。电池采用方便充电的锂电池。

右拍翼装置4的具体结构为：它包括电机40、主轴41、摆轴42、翼轴43、翼片44、中心齿轮45、近心齿轮46、摆轴套管47、远心齿轮48和翼齿轮49。翼片44是非刚性的，翼片的前缘441浑圆厚实，后缘442尖细，靠近前缘441的部分较硬，靠近后缘442的部分较软。翼片44平面形状呈矩形，翼型采用上凸下凹型或上凸下平型。电机40固定安装在机身1右侧的右缺口内，电机40的输出轴纵向水平布置，电机40的输出轴的前端与主轴41的后端固连。摆轴42的一端与主轴41垂直固连于主轴41的中段，摆轴42的另一端与翼轴43的前端垂直固连，主轴41、摆轴42和翼轴43三者在同一平面内。翼轴43的后端通过轴承与固定于翼片的前缘441的翼齿轮49相连于翼齿轮49的中心孔内，翼齿轮49能绕翼轴43灵活转动，翼轴43与翼片44共面。中心齿轮45固定安装在机身1的右缺口12的前壁上，主轴41的前端通过轴承与中心齿轮45相连于中心齿轮45的中心孔内，主轴41能在该中心孔内灵活转动。主轴41、中心齿轮45和电机40的输出轴三者同轴。摆轴套管47通过轴承套装在摆轴42的外周，摆轴42能在摆轴套管47内灵活转动。近心齿轮46和远心齿轮48分别固连于摆轴套管47的两端。近心齿轮46与中心齿轮45啮合，中心齿轮45与近心齿轮46的传动比为1∶1。远心齿轮48与翼齿轮49啮合，其传动比为1∶1。翼齿轮49的后端端头与翼片44固连于翼片的前缘441的正中位置。组装右拍翼装置4时，确保摆轴42处于主轴41正上方竖直位置时翼片44水平布置。由于中心齿轮45与翼齿轮49的传动比为1∶1，且中心齿轮45固定，无论摆轴42转摆至什么位置，翼片的前缘441都会处于水平状态。

右拍翼装置4的工作原理是：下扑过程：假设下扑起始位置为翼片44处于高于过主轴41的水平面的一个较高位置，从该扑翼机的尾端往前端看，起动电机40，在动力的驱动下，摆轴42顺时针转动，由于中心齿轮45固定不动，且中心齿轮45与翼齿轮49的传动比为1∶1，翼片44绕主轴41顺时针公转的同时，在翼齿轮49的带动下翼片44会逆时针自转，翼片的前缘441会保持水平状态下拍，沿翼展方向翼片44相同弦长位置下拍的位移相同，实现向下平拍。由于翼片44是非刚性的，有一定的柔度和弹性，翼片44下拍时翼片的后缘442要滞后翼片的前缘441一些。由于翼片44的翼型是上凸下凹型或上凸下平型，翼片44下拍能产生较大的向上的升力和较小的向前的推力。当摆轴42转过一定角度时电机40转速变为零，完成了下扑过程。翼片44向下平拍过程产生的升力较大，且效率高。上扑过程是：从翼片44处于较低位置开始，操控系统控制电机40反转，在电机40的驱动下，主轴41逆时针转动，带动摆轴42逆时针转动，因中心齿轮45固定不动，且中心齿轮45与翼齿轮49的传动比为1∶1，翼片44绕主轴41逆时针公转的同时，在翼齿轮49的带动下翼片44会顺时针自转，翼片的前缘441会保持水平状态上拍，沿翼展方向翼片44相同弦长位置上拍的位移相同，实现向上平拍。由于翼片44是非刚性的，有一定的柔度和弹性，翼片44上拍时翼片的后缘442也会滞后翼片的前缘441。由于翼片44的翼型是上凸下凹型或上凸下平型，与下拍相比，翼片的后缘442滞后翼片的前缘441的程度大一些。上拍翼片44会产生较大的向前的推力和较小的向上的升力或不产生升力，上拍过程产生升力的大小与该扑翼机前飞的速度有关，前飞的速度越快产生的升力越大。翼片44拍动的快慢和角度范围是通过控制电机40的转速、转向和转角进行调节的，拍动的范围在0°至180°之间可控可调。若上扑使摆轴42转至主轴41正上方处于竖直位置，下扑使摆轴42转至主轴41正下方处于竖直位置，则扑动的范围为180°。

左拍翼装置3的工作原理与右拍翼装置4的工作原理相同。拍动的方向是对称的，从该发明扑翼机的尾端往前端看，左拍翼装置3的主轴逆时针转动，其翼片下拍；左拍翼装置3的主轴顺时针转动，其翼片上拍。

两个翼片在上下拍动的过程中不会在翼展方向即横向产生水平分力，效率较高。

左拍翼装置3和右拍翼装置4独立分开控制，操控系统能对两个电机的转速、转向和转角范围进行控制。扑动的幅度可调且可控，该扑翼机具较强的机动性和较高的安全性。

机身1内配有摄像机及信息处理系统，能进行航拍，能将拍摄的影像信息传送到地面设备。机上和地面配置匹配的遥控设备该扑翼机能实现遥控飞行。

该扑翼机采用手投方式起飞或采用跑道滑行方式起飞；将两个翼片锁定在同高的过该扑翼机重心的水平位置或高于该水平位置，方便该扑翼机滑翔或降落。

本发明一种小型平拍翼无人扑翼机可用于航拍、地理测量、交通执勤、农林作业、军事侦查和抢险救灾等多种任务。

Claims (7)

1.一种小型平拍翼无人扑翼机，包括机身（1）、尾翼（2）、左拍翼装置（3）、右拍翼装置（4）和起落架（5），其特征在于：机身（1）内配有操控系统、机载设备和电源设备；机身（1）内配置了自动导航自主驾驶装置和遥控设备，采用自动导航自主驾驶和遥控两种方式飞行；左拍翼装置（3）和右拍翼装置（4）结构、参数和工作原理都相同，它们对称布置于机身（1）的左右两侧；尾翼（2）包括水平尾翼（21）和垂直尾翼（22），水平尾翼（21）由前段的固定部分即水平安定面和后段的活动部分即升降舵组成，垂直尾翼（22）由前段的固定部分即垂直安定面和后段的活动部分即方向舵组成；升降舵在操控系统的操控下能上下偏转；方向舵在操控系统的操控下能左右偏转；起落架（5）采用轮式起落架；机身（1）的左右两侧分别设置了左缺口（11）和右缺口（12）；电源设备包括电池；右拍翼装置（4）的具体结构为：它包括电机（40）、主轴（41）、摆轴（42）、翼轴（43）、翼片（44）、中心齿轮（45）、近心齿轮（46）、摆轴套管（47）、远心齿轮（48）和翼齿轮（49）；翼片（44）是非刚性的，翼片的前缘（441）浑圆厚实，后缘（442）尖细，靠近前缘（441）的部分较硬，靠近后缘（442）的部分较软；电机（40）固定安装在机身（1）右缺口内，电机（40）的输出轴纵向水平布置，电机（40）的输出轴的前端与主轴（41）的后端固连；摆轴（42）的一端与主轴（41）垂直固连于主轴（41）的中段，摆轴（42）的另一端与翼轴（43）的前端垂直固连，主轴（41）、摆轴（42）和翼轴（43）三者在同一平面内；翼轴（43）的后端通过轴承与固定于翼片的前缘（441）的翼齿轮（49）相连于翼齿轮（49）的中心孔内，翼轴（43）与翼片（44）共面；中心齿轮（45）固定安装在机身（1）的右缺口（12）的前壁上，主轴（41）的前端通过轴承与中心齿轮（45）相连于中心齿轮（45）的中心孔内；主轴（41）、中心齿轮（45）和电机（40）的输出轴三者同轴；摆轴套管（47）通过轴承套装在摆轴（42）的外周；近心齿轮（46）和远心齿轮（48）分别固连于摆轴套管（47）的两端；近心齿轮（46）与中心齿轮（45）啮合，远心齿轮（48）与翼齿轮（49）啮合，中心齿轮（45）与翼齿轮（49）的传动比为1∶1；翼齿轮（49）的后端端头与翼片（44）固连于翼片的前缘（441）的正中位置；摆轴（42）处于主轴（41）正上方竖直位置时翼片（44）水平布置。

2. 根据权利要求1所述的一种小型平拍翼无人扑翼机，其特征在于：电池采用方便充电的锂电池。

3. 根据权利要求1所述的一种小型平拍翼无人扑翼机，其特征在于：机身（1）内配有摄像机及信息处理系统，能将拍摄的影像信息传送到地面设备。

4. 根据权利要求1所述的一种小型平拍翼无人扑翼机，其特征在于：两个翼片相同，平面形状呈矩形，翼型采用上凸下凹型或上凸下平型。

5. 根据权利要求1或4所述的一种小型平拍翼无人扑翼机，其特征在于：两个翼片能锁定在同高的过该扑翼机重心的水平位置或高于该水平位置。

6. 根据权利要求1或4所述的一种小型平拍翼无人扑翼机，其特征在于：翼片拍动的快慢和角度范围是通过控制相应的电机的转速、转向和转角进行调节的，拍动的范围在0°至180°之间可控可调。

7.根据权利要求1所述的一种小型平拍翼无人扑翼机，其特征在于：左拍翼装置（3）和右拍翼装置（4）独立分开控制。