CN104477385B - 一种无人扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

一种无人扑翼飞行器，属航空技术领域，由机身、尾翼、左扑翼装置、右扑翼装置和起落架组成。左扑翼装置和右扑翼装置结构、参数和工作原理相同并对称布置于机身的左右两侧，用来产生升力。尾翼用来控制该飞行器上仰、下俯及偏航。右扑翼装置包括电机、摆轴、翼轴、翼片、中心轴、单向轴承、中心齿轮、近心齿轮、摆轴套管、远心齿轮和翼齿轮。翼片为矩形平板刚性翼片。中心齿轮与翼齿轮的传动比为1∶1。翼片下扑保持水平，能产业较大升力，翼片切向上扬阻力较小。该飞行器效率高，适用于航拍、地理测量、交通执勤、军事侦查和抢险救灾等多种任务。

Description

一种无人扑翼飞行器

技术领域

一种无人扑翼飞行器，属航空技术领域，尤其涉及一种扑翼飞行器。

背景技术

传统的扑翼机靠翼片的上下煽动来产生升力，翼片上扬时阻力较大，效率较低，能产生的升力有限，很难实现重载飞行；专利号为ZL200910073435.8的中国专利公开的一种结构较复杂的靠扑翼提升机构使扑翼片复位的扑翼升力生成装置，虽然效率较传统扑翼高些，但翼片下扑过程中，只有中间位置翼片处于水平位置，其它时候翼片与水平面都存在一个夹角，越离开中间位置夹角越大，产生的升力是翼片作用力的竖直方向的分量，水平方向的分量成了损耗，故该现有技术的扑翼装置产生升力的效率有限。

发明内容

本发明的目的是克服现有扑翼机的上述不足，发明一种结构简单的效率更高的无人扑翼飞行器。

一种无人扑翼飞行器，主要由机身、尾翼、左扑翼装置、右扑翼装置和起落架组成。机身内配有操控系统、电源系统、机载设备和重心调节装置。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上下偏转使该飞行器上仰或下俯。方向舵在操纵系统的操控下左右偏转，使该飞行器向左或向右偏航。左扑翼装置和右扑翼装置结构、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。机身的左右两侧对称分布着左缺口和右缺口，它们是为了方便左扑翼装置和右扑翼装置的上下扑动而设置的，该飞行器结构紧凑。起落架采用滑撬式起落架。操控系统包括操纵装置，以及自动导航装置或遥控装置。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。重心调节装置包括滑架、导轨和调心舵机，组成电源系统的电池安装在滑架上，在操控系统的控制下，调心舵机牵引滑架沿导轨前后滑动来调节该飞行器的重心位置，从而实现该飞行器的向前、向后或悬停飞行姿态。

右扑翼装置包括电机、摆轴、翼轴、翼片、中心轴、单向轴承、中心齿轮、近心齿轮、摆轴套管、远心齿轮和翼齿轮。翼片为矩形平板刚性翼片。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摆轴的一端垂直固连，摆轴的另一端与翼轴的前端垂直固连，电机的输出轴、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前边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。中心轴的前端固定安装在机身的右缺口的前壁上，中心轴的后段通过单向轴承与中心齿轮相连于中心齿轮的中心孔内，中心轴与单向轴承的内圈固连，单向轴承的外圈与中心齿轮固连。中心轴、单向轴承、中心齿轮和电机的输出轴四者同轴。单向轴承采用只能向一个方向转动的轴承。从该飞行器的尾端往前端看：单向轴承的内圈是固定的，其外圈只能向逆时针方向转动而不能向顺时针方向转动。组装右扑翼装置时，确保摆轴处于电机的输出轴正上方竖直位置时翼片水平布置。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前边的正中位置。

右扑翼装置的工作原理是：下扑过程：下扑起始位置为摆轴竖直布置于电机的输出轴的正上方即摆轴处于12点钟位置，此时翼片处于水平位置并位于最高处，从该飞行器的尾端往前端看，起动电机，在动力的驱动下，摆轴顺时针转动，由于单向轴承的作用，中心齿轮固定不动，由于中心齿轮与翼齿轮的传动比为1∶1，翼齿轮带动翼片逆时针自转，保持翼片处于水平位置下扑，当摆轴转至电机的输出轴正下方处于竖直位置即摆轴处于6点钟位置时电机转速为零，此时翼片处于最低位置，完成了下扑过程。翼片水平下扑过程产生的升力较大，且效率高。上扬过程：从翼片处于最低位置开始，由操控系统控制电机反转，在动力的驱动下，摆轴逆时针转动，翼片受空气的阻力会自动寻找低阻方向上扬，由于上扬过程中心齿轮摆脱单向轴承的约束，会在近心齿轮的带动下逆时针转动，翼片将保持与摆轴垂直状态上扬，即切向上扬。当摆轴转至电机的输出轴正上方处于竖直位置即摆轴又回到12点钟位置时电机停止转动，此时翼片处于最高位置且水平布局，完成了上扬过程，右扑翼装置回到了下扑过程的起始状态。翼片切向上扬，阻力较小。控制系统控制电机再换向转动，将进入下一个扑动周期，摆轴如此反复转摆180°实现翼片连续下扑和上扬运动过程，产生向上的升力，扑动越快，产生的升力越大，若该飞行器的重心往前移动则该升力的向前的分力就成了推力能使该飞行器向前飞行。

左扑翼装置的工作原理与右扑翼装置的工作原理相同。如左扑翼装置和右扑翼装置实行联动控制，它们的翼片扑动的方向对称。

机身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。机身内配装自动导航装置能进行自主飞行；或配置遥控装置能实现遥控飞行。各电机功率足够大且设置配置合理的话可实现载人飞行，由驾驶员直接操纵飞行。

附图说明

图1是本发明一种无人扑翼飞行器的后视示意图，此图中，左扑翼装置和右扑翼装置处于下扑过程中的9点钟位置和3点钟位置，两个翼片都处于水平状态；图2是图1的俯视示意图；图3是图2中右扑翼装置的放大示意图；图4是右扑翼装置下扑过程示意图；图5是右扑翼装置上扬过程示意图。

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-电机的输出轴，42-摆轴，43-翼轴，44-翼片，45-中心轴，46-单向轴承，47-中心齿轮，48-近心齿轮，49-摆轴套管，410-远心齿轮，411-翼齿轮；5-起落架；6-重心调节装置；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；9-右扑翼装置上扬时其摆轴的转动方向指示；431表示翼轴43的运动轨迹。

具体实施方式

现结合附图1~5对本发明加以具体说明：一种无人扑翼飞行器，主要由机身1、尾翼2、左扑翼装置3、右扑翼装置4和起落架5组成。机身1内配有操控系统、电源系统、机载设备和重心调节装置6。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上下偏转使该飞行器上仰或下俯。方向舵在操纵系统的操控下左右偏转，使该飞行器向左或向右偏航。左扑翼装置3和右扑翼装置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。机身1的左右两侧对称分布着左缺口11和右缺口12，它们是为了结构紧凑且方便左扑翼装置3和右扑翼装置4的上下扑动而设置的。起落架5采用滑撬式起落架。操控系统包括操纵装置，以及自动导航装置或遥控装置。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。重心调节装置6包括滑架、导轨和调心舵机，组成电源系统的电池安装在滑架上，在操控系统的控制下，调心舵机牵引滑架沿导轨前后滑动来调节该飞行器的重心位置，从而实现该飞行器的向前、向后或悬停飞行姿态。

右扑翼装置4包括电机40、摆轴42、翼轴43、翼片44、中心轴45、单向轴承46、中心齿轮47、近心齿轮48、摆轴套管49、远心齿轮410和翼齿轮411。翼片44为矩形平板刚性翼片，翼片44采用碳纤维材料制作。电机40固定安装在机身1右侧的右缺口12内，电机的输出轴41纵向水平布置。电机的输出轴41的前端与摆轴42的一端垂直固连，摆轴42的另一端与翼轴43的前端垂直固连，电机的输出轴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44前边的翼齿轮411相连于翼齿轮411的中心孔内，翼齿轮411能绕翼轴43灵活转动，翼轴43与翼片44共面。中心轴45的前端固定安装在机身1的右缺口12的前壁上，中心轴45的后段通过单向轴承46与中心齿轮47相连于中心齿轮47的中心孔内，中心轴45与单向轴承46的内圈固连，单向轴承46的外圈与中心齿轮47固连。中心轴45、单向轴承46、中心齿轮47和电机的输出轴41四者同轴。单向轴承46采用只能向一个方向转动的轴承。从该飞行器的尾端往前端看：单向轴承46的内圈是固定的，其外圈只能向逆时针方向转动而不能向顺时针方向转动。组装右扑翼装置4时，确保摆轴42处于电机的输出轴41正上方竖直位置时翼片44水平布置。摆轴套管49通过轴承套装在摆轴42的外周，摆轴42能在摆轴套管49内灵活转动。近心齿轮48和远心齿轮410分别固连于摆轴套管49的两端。近心齿轮48与中心齿轮47啮合，中心齿轮47与近心齿轮48的传动比为1∶1。远心齿轮410与翼齿轮411啮合，其传动比为1∶1。中心齿轮47、近心齿轮48、远心齿轮410和翼齿轮411均采用锥齿轮。翼齿轮411的后端端头与翼片44固连于翼片44前边的正中位置。

右扑翼装置4的工作原理是：下扑过程：下扑起始位置为摆轴42竖直布置于电机的输出轴41的正上方即摆轴42处于12点钟位置，此时翼片44处于水平位置并位于最高处，从该飞行器的尾端往前端看，起动电机40，在动力的驱动下，摆轴42顺时针转动，由于单向轴承46的作用，中心齿轮47固定不动，由于中心齿轮47与翼齿轮411的传动比为1∶1，翼齿轮411带动翼片44逆时针自转，保持翼片44处于水平位置下扑，当摆轴42转至电机的输出轴41正下方处于竖直位置即摆轴42处于6点钟位置时电机40转速为零，此时翼片44处于最低位置，完成了下扑过程。翼片44水平向下平扑过程产生的升力较大，不会在翼展方向产生分力，效率高。上扬过程：从翼片44处于最低位置开始，由操控系统控制电机40反转，在动力的驱动下，摆轴42逆时针转动，翼片44受空气的阻力会自动寻找低阻方向上扬，由于上扬过程中心齿轮47摆脱单向轴承46的约束，会在近心齿轮48的带动下逆时针转动，翼片44将保持与摆轴42垂直状态上扬，即切向上扬。当摆轴42转至电机的输出轴41正上方处于竖直位置即摆轴42又回到12点钟位置时电机40停止转动，此时翼片44处于最高位置且水平布局，完成了上扬过程，右扑翼装置4回到了下扑过程的起始状态。翼片44切向上扬，阻力最小。控制系统控制电机40再换向转动，将进入下一个扑动周期，摆轴42如此反复转摆180°实现翼片44连续下扑和上扬运动过程，产生向上的升力，扑动越快，产生的升力越大，若该飞行器的重心往前移动则该升力的向前的分力就成了推力能使该飞行器向前飞行。

左扑翼装置3的工作原理与右扑翼装置4的工作原理相同。如左扑翼装置3和右扑翼装置4实行联动控制，它们的翼片扑动的方向对称。

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。机身1内配装自动导航装置能进行自主飞行；或配置遥控装置能实现遥控飞行。两个电机功率足够大且设置配置合理的话可实现载人飞行，由驾驶员直接操纵飞行。

下面就该发明一种无人扑翼飞行器的飞行姿态对该发明作进一步说明。

起飞：起动左扑翼装置3和右扑翼装置4的电机，驱动左扑翼装置3和右扑翼装置4扑动，利用操控系统使左扑翼装置3和右扑翼装置4产生大小相等的向上的升力，当两电机输出功率达到一定值时，利用重心调节装置6调整好重心位置，使总升力的方向过重心且竖直向上，总升力大于机体重量，该飞行器垂直升空。

前飞：起飞后，通过重心调节装置6使该飞行器的重心前移，总升力会向前倾斜，实现前飞。

后飞：在空中飞行时，通过重心调节装置6使该飞行器的重心后移，总升力会向后倾斜，可使该飞行器实现后飞。

转弯飞行：在前飞时，可以通过控制方向舵的偏转来实现该飞行器转弯飞行，方向舵向左偏转，飞行器向左偏航；方向舵向右偏转，飞行器向右偏航。

悬停：在空中飞行时，控制左扑翼装置3和右扑翼装置4的扑动频率相同，调整好重心的位置，使得左扑翼装置3和右扑翼装置4产生的合力过重心垂直向上且等于机体重量，消除飞行惯性后该飞行器将处于悬停位置。

降落：将该飞行器调整至悬停位置后，慢慢同时降低左扑翼装置3和右扑翼装置4的扑动频率，该飞行器可缓缓降落。

由于左扑翼装置3和右扑翼装置4能分别单独控制，本发明一种无人扑翼飞行器比较方便实现侧滚，机动灵活。

以上说明是在没有气流干扰的工况下作出的，如果有气流干扰的存在，则应根据气流的方向和流速进行修偏。

本发明一种无人扑翼飞行器可用于航拍、地理测量、交通执勤、军事侦查和抢险救灾等多种任务。

Claims (8)

1.一种无人扑翼飞行器，主要由机身（1）、尾翼（2）、左扑翼装置（3）、右扑翼装置（4）和起落架（5）组成，其特征在于：机身（1）内配有操控系统、电源系统、机载设备和重心调节装置（6）；尾翼（2）包括水平尾翼（21）和垂直尾翼（22），水平尾翼（21）由水平安定面和升降舵组成，垂直尾翼（22）由垂直安定面和方向舵组成；左扑翼装置（3）和右扑翼装置（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；机身（1）的左右两侧对称分布着左缺口（11）和右缺口（12）；操控系统包括操纵装置，以及自动导航装置或遥控装置；电源系统包括电池、电子调速器、开关及连接用电线；重心调节装置（6）包括滑架、导轨和调心舵机，组成电源系统的电池安装在滑架上，在操控系统的控制下，调心舵机牵引滑架沿导轨前后滑动调节该飞行器的重心位置；

右扑翼装置（4）包括电机（40）、摆轴（42）、翼轴（43）、翼片（44）、中心轴（45）、单向轴承（46）、中心齿轮（47）、近心齿轮（48）、摆轴套管（49）、远心齿轮（410）和翼齿轮（411）；翼片（44）为矩形平板刚性翼片；电机（40）固定安装在机身（1）右侧的右缺口（12）内，电机的输出轴（41）纵向水平布置；电机的输出轴（41）的前端与摆轴（42）的一端垂直固连，摆轴（42）的另一端与翼轴（43）的前端垂直固连，电机的输出轴（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（44）前边的翼齿轮（411）相连于翼齿轮（411）的中心孔内，翼轴（43）与翼片（44）共面；中心轴（45）的前端固定安装在机身（1）的右缺口（12）的前壁上，中心轴（45）的后段通过单向轴承（46）与中心齿轮（47）相连于中心齿轮（47）的中心孔内，中心轴（45）与单向轴承（46）的内圈固连，单向轴承（46）的外圈与中心齿轮（47）固连；中心轴（45）、单向轴承（46）、中心齿轮（47）和电机的输出轴（41）四者同轴；单向轴承（46）采用只能向一个方向转动的轴承；从该飞行器的尾端往前端看：单向轴承（46）的内圈是固定的，其外圈只能向逆时针方向转动而不能向顺时针方向转动；摆轴（42）处于电机的输出轴（41）正上方竖直位置时翼片（44）水平布置；摆轴套管（49）通过轴承套装在摆轴（42）的外周；近心齿轮（48）和远心齿轮（410）分别固连于摆轴套管（49）的两端；近心齿轮（48）与中心齿轮（47）啮合，中心齿轮（47）与近心齿轮（48）的传动比为1∶1；远心齿轮（410）与翼齿轮（411）啮合，其传动比为1∶1；翼齿轮（411）的后端端头与翼片（44）固连于翼片（44）前边的正中位置；摆轴（42）转摆的角度为180°。

2.根据权利要求1所述的一种无人扑翼飞行器，其特征在于：两个翼片都采用碳纤维材料制作。

3.根据权利要求1所述的一种无人扑翼飞行器，其特征在于：起落架（5）采用滑撬式起落架。

4.根据权利要求1所述的一种无人扑翼飞行器，其特征在于：电池采用方便充电的锂电池。

5.根据权利要求1所述的一种无人扑翼飞行器，其特征在于：中心齿轮（47）、近心齿轮（48）、远心齿轮（410）和翼齿轮（411）均采用锥齿轮。

6.根据权利要求1所述的一种无人扑翼飞行器，其特征在于：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。

7.根据权利要求1所述的一种无人扑翼飞行器，其特征在于：机身（1）内配装自动导航装置能进行自主飞行。

8.根据权利要求1所述的一种无人扑翼飞行器，其特征在于：机身（1）内配置遥控装置能实现遥控飞行。