CN104494825B - 一种带步进电机的平板类扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，属航空技术领域，主要由机身、尾部螺旋桨、左扑翼装置、右扑翼装置、操控系统、遥控装置和起落架组成。左扑翼装置和右扑翼装置结构、参数和工作原理都相同并对称布置于机身的左右两侧。尾部螺旋桨旋转平面能向左或向右倾斜，以实现该飞行器的俯仰及偏航飞行姿态。右扑翼装置包括发动机、减速器、主轴、转臂、翼轴、翼片、步进电机、中心链轮、链条和翼链轮。翼片是刚性平板，呈矩形。中心链轮与翼链轮的传动比为1∶1。翼片上扬过程始终保持与相应的转臂垂直，翼片下扑过程始终保持水平状态。该飞行器结构简单，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任务。

Description

一种带步进电机的平板类扑翼飞行器

技术领域

一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，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带步进电机的平板类扑翼飞行器。

一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，主要由机身、尾部螺旋桨、左扑翼装置、右扑翼装置、操控系统、遥控装置和起落架组成。左扑翼装置和右扑翼装置结构、参数和工作原理都相同并对称布置于机身的左右两侧，用来产生升力。机身上左右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运转而设置的。尾部螺旋桨由小电机驱动，尾部螺旋桨旋转平面能向左或向右倾斜，在操控系统的操控下能产生向上、向左侧或向右侧的拉力，以实现该飞行器的俯仰及偏航飞行姿态。起落架采用滑撬式起落架。左扑翼装置和右扑翼装置分别安装在机身的左缺口和右缺口处。

右扑翼装置的具体结构是：它包括发动机、减速器、主轴、转臂、翼轴、翼片、步进电机、中心链轮、链条和翼链轮。翼片是刚性平板，呈矩形。发动机安装在机身右侧的右前支架上，发动机输出轴通过减速器与主轴相连于主轴的前端，主轴的中段通过轴承安装在机身右侧的右前支架上，主轴纵向水平布置，主轴的后端通过轴承与中心链轮相连于中心链轮的中心孔内，主轴能在该中心孔内灵活转动。转臂的一端与主轴垂直固连于主轴的中段，转臂的另一端通过轴承与翼轴垂直相连于翼轴的前端。主轴、转臂和翼轴三者处于同一平面内。翼轴的另一端与翼片的前边固连于翼片前边的正中位置，翼链轮与翼轴固连于翼轴的中段，翼轴是翼链轮的转轴。步进电机固定安装在机身右侧的右后支架上，中心链轮固连在步进电机的输出轴上，步进电机的输出轴也是中心链轮的转轴。中心链轮与翼链轮通过链条相连，中心链轮与翼链轮的传动比为1∶1。链条运动平面与主轴垂直。为步进电机控制器和步进电机供电的是方便充电的锂电池。步进电机控制器与驱动主轴的发动机存在信号连接，确保翼片上扬过程步进电机与主轴同步转动，使翼片在主轴左侧从最低处运行到最高处的过程中始终保持与转臂垂直；并确保翼片下扑过程步进电机停转锁住中心链轮不动，使翼片在主轴右侧从最高处运行到最低处的过程中始终保持水平状态。组装右扑翼装置时，确保转臂处于主轴正上方竖直位置时翼片水平布置。

右扑翼装置的工作原理是：下扑起始位置为转臂竖直布置于主轴的正上方即处于12点钟位置，此时翼片处于水平位置并位于最高处。下扑过程步进电机处于停转锁定状态。从主轴的后端往前端看，在发动机的驱动下，主轴顺时针转动，带动转臂顺时针转动，中心链轮被步进电机锁住固定不动，由于中心链轮与翼链轮的传动比为1∶1，链条带动翼链轮和翼片逆时针自转，保持翼片处于水平状态下扑，当转臂转至主轴正下方处于竖直位置即处于6点钟位置时翼片处于最低位置，完成了下扑过程。上扬过程是：从翼片处于最低位置开始，主轴在发动机的驱动下继续顺时针转动，带动转臂继续顺时针向左上方转动，同时在步进电机控制器的控制驱动下步进电机带动中心链轮同主轴同步转动，以确保翼片在主轴左侧从最低处运行到最高处的过程中始终保持与转臂垂直。当转臂转至主轴正上方处于竖直位置即处于12点钟时，翼片处于最高位置，完成了上扬过程，该装置回到了下扑过程的起始状态。在步进电机控制器的控制下步进电机停止转动，主轴在发动机的驱动下继续顺时钟转动，进入下一个工作周期。主轴在发动机的驱动下连续顺时钟旋转带动转臂旋转，且步进电机在步进电机控制器输出的与主轴转速相匹配的脉冲电流的驱动下控制中心链轮周期性停转，以实现连续下扑和上扬运动过程，主轴转速越快产生的升力越大。

左扑翼装置的工作原理与右扑翼装置相同，扑动的方向对称。在左扑翼装置的发动机的驱动下，左扑翼装置的主轴逆时针旋转，带动左扑翼装置的转臂逆时针转动。在操控系统的控制下，左扑翼装置的翼片在过左扑翼装置的主轴的纵向竖直面的左侧始终处于水平状态下扑，在过左扑翼装置的主轴的纵向竖直面的右侧始终处于与左扑翼装置的转臂垂直状态上扬。

所有步进电机和尾部螺旋桨的小电机均采用方便充电的锂电池供电。

左扑翼装置与右扑翼装置的发动机相同，均采用内燃机或电动机，采用内燃机时用汽油作燃料，采用电动机时用锂电池供电。

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。

由于该飞行器采用两台发动机作主动力，机动性强。

附图说明

图1是本发明一种带步进电机的平板类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，右扑翼装置的转臂顺时针转动处于3点钟位置，左扑翼装置的转臂逆时针转动处于9点钟位置，两个翼片都处于水平位置；图2是图1的俯视示意图；图3是图2中的右扑翼装置的放大示意图。

图中，1-机身，11-左缺口，111-左前支架，112-左后支架，12-右缺口，121-右前支架，122-右后支架；2-尾部螺旋桨，21-小电机；3-左扑翼装置；4-右扑翼装置，40-发动机，41-减速器，42-主轴，43-转臂，44-翼轴，45-翼片，46-步进电机，47-中心链轮，48-链条，49-翼链轮；5-起落架。

具体实施方式

现结合附图1~3对本发明加以具体说明：一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，主要由机身1、尾部螺旋桨2、左扑翼装置3、右扑翼装置4、操控系统、遥控装置和起落架5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并对称布置于机身1的左右两侧，用来产生升力。机身1上左右对称分布着左缺口11和右缺口12，它们是为了方便左扑翼装置3和右扑翼装置4运转而设置的。尾部螺旋桨2由小电机21驱动，尾部螺旋桨2旋转平面能向左或向右倾斜，在操控系统的操控下能产生向上、向左侧或向右侧的拉力，以实现该飞行器的俯仰及偏航飞行姿态。起落架5采用滑撬式起落架。左扑翼装置3和右扑翼装置4分别安装在机身1的左缺口11和右缺口12处。

右扑翼装置4的具体结构是：它包括发动机40、减速器41、主轴42、转臂43、翼轴44、翼片45、步进电机46、中心链轮47、链条48和翼链轮49。翼片45是刚性平板，呈矩形。发动机40安装在机身1右侧的右前支架121上，发动机40输出轴通过减速器41与主轴42相连于主轴42的前端，主轴42的中段通过轴承安装在机身1右侧的右前支架121上，主轴42纵向水平布置，主轴42的后端通过轴承与中心链轮47相连于中心链轮47的中心孔内，主轴42能在该中心孔内灵活转动。转臂43的一端与主轴42垂直固连于主轴42的中段，转臂43的另一端通过轴承与翼轴44垂直相连于翼轴44的前端。主轴42、转臂43和翼轴44三者处于同一平面内。翼轴44的另一端与翼片45的前边固连于翼片45前边的正中位置，翼链轮49与翼轴44固连于翼轴44的中段，翼轴44是翼链轮49的转轴。步进电机46固定安装在机身1右侧的右后支架122上，中心链轮47固连在步进电机46的输出轴上，步进电机46的输出轴也是中心链轮47的转轴。中心链轮47与翼链轮49通过链条48相连，中心链轮47与翼链轮49的传动比为1∶1。链条48运动平面与主轴42垂直。为步进电机控制器和步进电机46供电的是方便充电的锂电池。步进电机控制器与驱动主轴42的发动机40存在信号连接，确保翼片45上扬过程步进电机46与主轴42同步转动，使翼片45在主轴42左侧从最低处运行到最高处的过程中始终保持与转臂43垂直；并确保翼片45下扑过程步进电机46停转锁住中心链轮47不动，使翼片45在主轴42右侧从最高处运行到最低处的过程中始终保持水平状态。组装右扑翼装置4时，确保转臂43处于主轴42正上方竖直位置时翼片45水平布置。

右扑翼装置4的工作原理是：下扑起始位置为转臂43竖直布置于主轴42的正上方即处于12点钟位置，此时翼片45处于水平位置并位于最高处。下扑过程步进电机46处于停转锁定状态。从主轴42的后端往前端看，在发动机的驱动下，主轴42顺时针转动，带动转臂43顺时针转动，中心链轮47被步进电机46锁住固定不动，由于中心链轮47与翼链轮49的传动比为1∶1，链条48带动翼链轮49和翼片45逆时针自转，保持翼片45处于水平状态下扑，当转臂43转至主轴42正下方处于竖直位置即处于6点钟位置时翼片45处于最低位置，完成了下扑过程。上扬过程是：从翼片45处于最低位置开始，主轴42在发动机40的驱动下继续顺时针转动，带动转臂43继续顺时针向左上方转动，同时在步进电机控制器的控制驱动下步进电机46带动中心链轮47同主轴42同步转动，以确保翼片45在主轴42左侧从最低处运行到最高处的过程中始终保持与转臂43垂直。当转臂43转至主轴42正上方处于竖直位置即处于12点钟时，翼片45处于最高位置，完成了上扬过程，该装置回到了下扑过程的起始状态。在步进电机控制器的控制下步进电机46停止转动，主轴42在发动机40的驱动下继续顺时钟转动，进入下一个工作周期。主轴42在发动机40的驱动下连续顺时钟旋转带动转臂43旋转，且步进电机46在步进电机控制器输出的与主轴42转速相匹配的脉冲电流的驱动下控制中心链轮47周期性停转，以实现连续下扑和上扬运动过程，主轴42转速越快产生的升力越大。

左扑翼装置3的工作原理与右扑翼装置4相同，扑动的方向对称。在左扑翼装置3的发动机的驱动下，左扑翼装置3的主轴逆时针旋转，带动左扑翼装置3的转臂逆时针转动。在操控系统的控制下，左扑翼装置3的翼片在过左扑翼装置3的主轴的纵向竖直面的左侧始终处于水平状态下扑，在过左扑翼装置3的主轴的纵向竖直面的右侧始终处于与左扑翼装置3的转臂垂直状态上扬。

所有步进电机和尾部螺旋桨2的小电机21均采用方便充电的锂电池供电。

左扑翼装置3与右扑翼装置4的发动机相同，均采用内燃机或电动机，采用内燃机时用汽油作燃料，采用电动机时用锂电池供电。

两翼片采用碳纤维材料制作。机身1采用较薄的玻璃钢和铝合金材料制作。

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。

由于该飞行器采用两台发动机作主动力，机动性强。

下面就该发明一种带步进电机的平板类扑翼飞行器的飞行姿态对该发明作进一步说明。

起飞：同时起动左扑翼装置3和右扑翼装置4的发动机，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，当两台发动机输出功率达到一定值时，调整好尾部螺旋桨2的拉力大小和方向，使总升力大于机体重量，总升力的方向竖直向上，该飞行器垂直升空。

前飞：起飞后，将尾部螺旋桨2加速，使总升力向前倾斜，便于向前飞行。

后飞：在空中飞行时，同时同步加快左扑翼装置3和右扑翼装置4的转动速度或减慢尾部螺旋桨2的转速，可使该飞行器实现后飞。

转弯飞行：在前飞时，可以通过提高右扑翼装置4的转速同时调整尾部螺旋桨2的拉力大小和方向可实现左转弯飞行；或提高左扑翼装置3的转速同时调整尾部螺旋桨2的拉力大小和方向可实现右转弯飞行。

悬停：在空中飞行时，控制左扑翼装置3和右扑翼装置4的转速相同，调整好尾部螺旋桨2的拉力大小和方向使得左扑翼装置3、右扑翼装置4和尾部螺旋桨2产生的合力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的转速，且同时控制尾部小电机2减速，该飞行器可缓缓降落。

由于左扑翼装置3和右扑翼装置4分别单独控制，本发明一种带步进电机的平板类扑翼飞行器比较方便实现侧滚和悬停转向。

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。

本发明一种带步进电机的平板类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 (6)

1.一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，主要由机身（1）、尾部螺旋桨（2）、左扑翼装置（3）、右扑翼装置（4）、操控系统、遥控装置和起落架（5）组成，其特征在于：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并对称布置于机身（1）的左右两侧；机身（1）上左右对称分布着左缺口（11）和右缺口（12）；尾部螺旋桨（2）由小电机（21）驱动，尾部螺旋桨（2）旋转平面能向左或向右倾斜；左扑翼装置（3）和右扑翼装置（4）分别安装在机身（1）的左缺口（11）和右缺口（12）处；

右扑翼装置（4）的具体结构是：它包括发动机（40）、减速器（41）、主轴（42）、转臂（43）、翼轴（44）、翼片（45）、步进电机（46）、中心链轮（47）、链条（48）和翼链轮（49）；翼片（45）是刚性平板，呈矩形；发动机（40）安装在机身（1）右侧的右前支架（121）上，发动机（40）输出轴通过减速器（41）与主轴（42）相连于主轴（42）的前端，主轴（42）的中段通过轴承安装在机身（1）右侧的右前支架（121）上，主轴（42）纵向水平布置，主轴（42）的后端通过轴承与中心链轮（47）相连于中心链轮（47）的中心孔内，主轴（42）能在该中心孔内灵活转动；转臂（43）的一端与主轴（42）垂直固连于主轴（42）的中段，转臂（43）的另一端通过轴承与翼轴（44）垂直相连于翼轴（44）的前端；主轴（42）、转臂（43）和翼轴（44）三者处于同一平面内；翼轴（44）的另一端与翼片（45）的前边固连于翼片（45）前边的正中位置，翼链轮（49）与翼轴（44）固连于翼轴（44）的中段，翼轴（44）是翼链轮（49）的转轴；步进电机（46）固定安装在机身（1）右侧的右后支架（122）上，中心链轮（47）固连在步进电机（46）的输出轴上，步进电机（46）的输出轴也是中心链轮（47）的转轴；中心链轮（47）与翼链轮（49）通过链条（48）相连，中心链轮（47）与翼链轮（49）的传动比为1∶1；链条（48）运动平面与主轴（42）垂直；步进电机控制器与驱动主轴（42）的发动机（40）存在信号连接，确保翼片（45）上扬过程步进电机（46）与主轴（42）同步转动，使翼片（45）在主轴（42）左侧从最低处运行到最高处的过程中始终保持与转臂（43）垂直；并确保翼片（45）下扑过程步进电机（46）停转锁住中心链轮（47）不动，使翼片（45）在主轴（42）右侧从最高处运行到最低处的过程中始终保持水平状态；转臂（43）处于主轴（42）正上方竖直位置时翼片（45）水平布置。

2.根据权利要求1所述的一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，其特征在于：两翼片采用碳纤维材料制作；机身（1）采用薄的玻璃钢和铝合金材料制作。

3.根据权利要求1所述的一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，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所述的一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，其特征在于：为小电机（21）、步进电机控制器和步进电机（46）供电的是方便充电的锂电池。

5.根据权利要求1所述的一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，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。

6.根据权利要求1所述的一种带步进电机的平板类扑翼飞行器，其特征在于：左扑翼装置（3）与右扑翼装置（4）的发动机相同，均采用内燃机或电动机，采用内燃机时用汽油作燃料，采用电动机时用锂电池供电。