CN105539839A - 一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型机械滑轨式可控扑旋翼，旋翼的原理是通过电机驱动，采用滑轨的机械形式，实现机翼的扑动，进而机翼旋转，机翼的扑动和旋转产生升力使飞行器实现飞行。本发明针对已有扑旋翼发明所存在的问题做出了明显的改进，实现扑旋翼垂直起降、空中悬停、转向控制和自有前飞的功能，有效缓解了扑旋翼在水平方向上振动的问题，极大提高了结构的紧凑性并有显著的减重效果。

Description

一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器

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滑轨式可控扑旋翼飞行器。

背景技术

微型飞行器是目前国际航空领域的一个研究热点，国内外的研究一般根据飞行方式将微型飞行器划分为：微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器、微型扑翼飞行器。微型旋翼飞行器相比固定翼飞行器，最大的优点是可以垂直起降和悬停，比较适合于较复杂的环境中使用。但现有的旋翼飞行器或者采用多旋翼主动旋转的形式；或者采用单个旋翼主动旋转并搭配尾桨抵消旋翼对机体产生的扭力，导致结构复杂、质量大。微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，能够在低雷诺数下产生相对较大的升力，但是无法实现垂直起降。

在此背景下，一种结合了扑翼和旋翼的新概念飞行器，微型扑旋翼飞行器，进入了人们的视野。微型扑旋翼飞行器通过一定的驱动形式使一对反对称安装的机翼扑动，扑动产生推力让机翼旋转，飞行器所需的升力由机翼的扑动和旋转运动共同提供。由于机翼旋转运动是由反对称安装的机翼扑动所产生的推力驱动，没有常规旋翼的扭矩输出，所以不需要额外的尾桨即额外的能量消耗来抵消旋翼的扭矩。微型扑旋翼飞行器具有垂直起降、悬停以及低速飞行的能力，具有良好的应用前景。

目前存在的机械式扑旋翼，如在专利“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”(专利公开号CN102390530A)中提出了一种扑旋翼飞行器的形式，存在着较为明显的水平方向振动的问题。而且对于微型扑旋翼飞行器来说，结构越简单，越有利于飞行器的微型化。而自身结构质量越轻，越有利于飞行。

发明内容

针对上面提到微型扑旋翼飞行器尺寸微型化和结构简单化的要求，以及为了解决机械式扑旋翼水平方向的颤振问题，本发明对现有机械式扑旋翼发明做出了明显的改进。本发明采用滑轨式驱动结构，在实现垂直起降、悬停控制、转向控制、前飞控制功能的基础上，有效减小传动机构中水平方向的力，克服了水平方向的颤振问题。同时，本发明结构紧凑简洁，更加有利于飞行器微型化的实现。

一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，包括机翼、机身、传动机构、动力装置、前飞控制装置、转向控制装置；

机翼固定于传动机构的机翼安装架上，传动机构、动力装置均固定在机身上，动力装置带动传动机构，进而驱动机翼，前飞控制装置和转向控制装置为“十字形”固连，并一同固定于机身下方。

本发明的优点在于：

(1)实现了扑旋翼飞行器的垂直起降、悬停控制、转向控制、前飞控制的功能；

(2)整体结构紧凑、简洁，较之同等尺寸一般扑旋翼，质量更小，有利于实现飞行，易于实现加工；

(3)采用滑轨式机械结构，克服了现有技术中连杆结构所带来的机体水平方向摇晃问题，使飞行更加平稳；

(4)转向和前飞装置的设计采用框架薄膜构型，质量更小，在微型扑旋翼中更加实用；

(5)将起落架的功能融合在转向和前飞装置中，大大优化了设计。

附图说明

图1是本发明微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器的各系统组成图；

图2是本发明微型机械滑轨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机身结构图；

图4是本发明微型机械式可控扑旋翼飞行器的传动装置结构图；

图5是本发明微型机械式可控扑旋翼飞行器的前飞控制装置和转向控制装置结构图；

图6是本发明微型机械式可控扑旋翼飞行器的前飞控制装置和转向控制装置俯视图。

图中：

1-机翼2-机身3-传动装置

4-动力装置5-前飞控制装置6-转向控制装置

101-机翼主梁102-机翼辅梁103-薄膜

201-平板结构202-套筒203-套筒支撑架

301-大齿轮302-双层齿轮303-电机齿轮

304-圆柱滑块305-滑轨306-内杆

307-机翼安装架308-机翼连杆309-套筒轴承

310-内杆轴承311-内杆铰链支架312-套筒铰链支座

401-微型电源402-电源输出控制器403-微型电机

501-YZ平面框架502-薄膜503-前飞控制面

504-舵机505-舵机连杆601-XZ平面框架

602-薄膜603-转向控制面604-舵机

605-舵机连杆

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。

本发明的一种微型机械滑轨式扑旋翼飞行器，如图1所示，包括机翼1、机身2、传动机构3、动力装置4、前飞控制装置5、转向控制装置6。

机翼1如图2所示，包括机翼主梁101、机翼辅梁102、薄膜103。机翼主梁101根部固定于传动机构3的机翼安装架307；机翼辅梁102与机翼主梁101成一定角度粘连在一起；薄膜103裁剪成一定形状，粘连与机翼主梁101和机翼辅梁102之上。

机身2如图3所示，包括能够固定电机和齿轮的平板结构201、套筒202、两个套筒支撑件203。套筒202通过两支撑件203固连与平板结构201上，机身2上还设有两个齿轮固定轴。

传动机构3如图4所示，包括单层大齿轮301、双层齿轮302、电机齿轮303、圆柱滑块304、滑轨305、内杆306、两个机翼连杆308、两个机翼安装架307、套筒轴承309、内杆轴承310、内杆铰链支架311、套筒铰链支架312。电机齿轮303固定在微型电机403的输出轴上，大齿轮301和双层齿轮302分别安装在机身2平板结构201的两个齿轮固定轴上，电机齿轮303和双层齿轮302下层啮合在同一平面，单层大齿轮301和双层齿轮302上层啮合在同一平面；圆柱滑块304一端安装于大齿轮301的偏心孔上，另一端置于滑轨305内，圆柱滑块304能够在滑轨305内水平滑动；内杆306置于在套筒202内，能够在套筒202内垂直滑动；滑轨305固连在内杆底端且与内杆306垂直，滑轨305平面平行于机身2平板结构平面；套筒轴承309安装于套筒202顶部，外部连接套筒铰链支架312；内杆轴承310安装于内杆306顶部；内杆铰链支架311安装于内杆轴承310外部且与机翼安装架307根部圆孔铰接；机翼连杆308一端与套筒铰链支架312铰接，另一端与机翼安装架307的另一圆孔相连。

动力装置4如图1所示，包括微型电源401、电源输出控制器402、微型电机403。微型电源401、微型电机403与电源输出控制器402用导线连成控制回路；微型电源401、电源输出控制器402堆叠安装在机身2的平板结构201下部，微型电机403固定在机身2平板结构201预留的电机安装位上，微型电机403的输出轴与传动装置3中的电机齿轮303固连；微型电源401用于给微型电机403、电源输出控制器402、舵机604、舵机504供电，微型电机403用于驱动传动机构，带动机翼1的运动，电源输出控制器402用于控制微型电机401的输出功率及转速。

前飞控制装置5如图5、图6所示，包括一个YZ平面(齿轮所处平面)框架501、薄膜502、一个前飞控制面503、一根舵机连杆505、一个舵机504。舵机504采用微型控制舵机。

转向控制装置6如图5、图6所示，包括一个XZ平面(垂直于齿轮面)框架601、薄膜602、两个转向控制面603、两根舵机连杆605、两个舵机604。舵机采用微型控制舵机。

前飞控制装置5和转向控制装置6在组装时先将框架501和框架601呈如图6所示的“十字形”放置粘连；薄膜502粘连在YZ平面框架501上；前飞控制面503铰接于Y方向框架底部；舵机504固定在YZ平面框架501上方；舵机连杆505一端与舵机504铰接，一端与前飞控制面503铰接；薄膜602粘连在XZ平面框架601上；两个转向控制面603铰接于X方向框架底部；两个舵机604对称固定在框架上方；两个舵机连杆605都是一端与舵机604铰接，一端与转向控制面603铰接。

所述的传动机构3采用滑轨式机械结构，即电机驱动齿轮转动，圆柱滑块304一端安装在大齿轮301的偏心孔上，伸出一端置于滑轨305内；圆柱滑块304能够在滑轨305内水平运动，滑轨305能够在竖直方向上做往复运动，从而带动内杆306在竖直方向上做往复运动，驱动机翼1扑动。

所述的机身2的平板结构201根据设计安装的齿轮留出齿轮和电机安装位以安装电机和齿轮，留出垂直分布的支撑架安装位以安装支撑架；支撑架留出贴合套筒截面的相应形状以安装套筒。

所述的前飞控制装置5和转向控制装置6呈如图6所示的“十字形”交叉排布，共同发挥起落架的作用。

一种微型机械滑轨式扑旋翼飞行器，包括机翼1、机身2、传动机构3、动力装置4、前飞控制装置5、转向控制装置6，制作方法具体为：

步骤一：制作机翼1

机翼1为两个相同的薄膜翼，每个机翼包括一根机翼主梁101、一根机翼辅梁102、薄膜103。机翼主梁101和机翼辅梁102均采用碳纤维杆制作，而机翼辅梁102细于机翼主梁101；薄膜103选用的是聚乙烯薄膜；机翼辅梁102连接于机翼主梁101中间，与机翼主梁101在机翼平面内成45°左右角度；薄膜102裁剪成半水滴形，粘连在机翼主梁101和机翼辅梁102所成平面上；

步骤二：制作机身2

机身2包括能够固定电机和齿轮的平板结构201、套筒202、两个套筒支撑架203。其中两个支撑架203和平板结构201均通过3D打印的方式，使用聚乳酸材料，按照设计图纸加工而成；套筒202选择空心的碳纤维管；将两个支撑件203插入平板结构201预留安装孔内，用胶固定；套筒202插入支撑架203预留圆形孔内，用胶固定；

步骤三：制作动力装置4

动力装置4包括微型电源401、微型电机403和电源输出控制器402组成；微型电源401采用可充电式锂电池，微型电机403采用无刷电机，电源输出控制器402采用带有无线电收发装置的控制电路板；微型电源401、微型电机403与电源输出控制器402用导线连成控制回路；

步骤四：制作传动装置3

传动机构3包括单层大齿轮301、双层齿轮302、电机齿轮303、圆柱滑块304、滑轨305、内杆306、两个机翼连杆308、两个机翼安装架307、套筒轴承309、内杆轴承310、内杆铰链支座311、套筒铰链支座312。单层大齿轮301、双层齿轮302、电机齿轮303采用塑料制作；利用金属铝丝弯折出两个机翼连杆308；套筒铰链支座312、内杆铰链支座311、机翼安装架307和滑轨305均通过3D打印的方式，使用聚乳酸材料，按照设计图纸加工而成；圆柱滑块304为金属短杆；在套筒轴承309以及内杆轴承310的外圈上粘贴内杆铰链支座311和套筒铰链支座312；大齿轮301和双层齿轮302安装在机身平板201的齿轮固定轴上，单层大齿轮301和双层齿轮302上层啮合在同一平面；圆柱滑块304一端安装于大齿轮301的偏心孔上，另一端置于滑轨305内，能够在滑轨305内水平滑动；内杆306置于在套筒202内，能够在套筒202内垂直滑动；滑轨305固连在内杆306底端且与内杆306垂直，滑轨305平面平行于机身2平板结构平面；套筒轴承309安装于套筒202顶部；内杆轴承310安装于内杆306顶部；内杆铰链支座311与机翼安装架307在其根部圆孔处铰接；机翼连杆308一端与套筒铰链支座312铰接，另一端与机翼安装架307在另一圆孔处铰接；

步骤五：制作前飞控制装置5和转向控制装置6

前飞控制装置5包括一个YZ平面(齿轮所处平面)框架501、薄膜502、一个前飞控制面503、一根舵机连杆505、一个舵机504。YZ平面框架501是由实心碳纤维细杆弯成；舵机504采用微型控制舵机；薄膜502选用聚乙烯塑料薄膜；前飞控制面503为聚乙烯塑料片；舵机连杆505由金属铝丝弯折成型；

转向控制装置6包括一个XZ平面(垂直于齿轮所处平面)框架601、薄膜602、两个转向控制面603、两根舵机连杆605、两个舵机604。XZ平面框架601是由实心碳纤维细杆弯成；舵机604采用微型控制舵机；薄膜602选用聚乙烯塑料薄膜；两个转向控制面603为聚乙烯塑料片；两个舵机连杆605由金属铝丝弯折成型；

转向控制装置6的XZ平面框架601要先垂直地与YZ平面框架501呈如图6所示的“十字形”粘连在一起；薄膜502粘连在YZ平面框架501上；前飞控制面503用胶带粘于YZ平面框架底部501，实现铰接；舵机504固定在框架501上方；舵机连杆505一端与舵机504铰接，一端与前飞控制面503铰接；薄膜602粘连在框架601上；两个转向控制面603用胶带粘于XZ平面框架底部601，实现铰接；两个舵机604固定在框架上方；两个舵机连杆605都是一端与舵机604铰接，一端与转向控制面603铰接；

步骤六：飞行器装配

飞行器装配即将机翼1、机身2、动力装置3、传动装置4、前飞控制装置5、转向控制装置6装配在一起，在传动装置4的制作时传动装置4就应装配在机身2上；微型电机403固定在机身平板201预留的电机安装位上；电机齿轮303固定在微型电机403输出轴上；电机齿轮303和双层齿轮302下层啮合在同一平面；微型电源401、电源输出控制器402堆叠安装在机身2的平板201下部；在机身平板201底端挖凹槽，将前飞控制装置5和转向控制装置6贴合凹槽，安装在机身2下部；机翼主梁101根部反对称固定于机翼安装架307预留位置上，使机翼弦线与水平面成20°。

本发明能够实现以下功能：垂直起降、悬停控制、转向控制、前飞控制，其实现上述功能的具体操作方式如下：

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，改变机翼的垂直扑动频率，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；

转向控制：当机翼在扑动和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竖直内轴的力偶，驱动机身旋转，实现转向控制；

前飞控制：当机翼在扑动和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，改变机体与水平面所成角度，使机翼产生的升力的水平面上分力驱动飞行器前飞，实现前飞控制。

Claims (6)

1.一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，包括机翼、机身、传动机构、动力装置、前飞控制装置、转向控制装置；机翼固定于传动机构的机翼安装架上，传动机构、动力装置均固定在机身上，动力装置与传动机构相连，进而驱动机翼，前飞控制装置和转向控制装置为“十字形”固连，并一同固定于机身下方。

2.根据权利要求1所述的一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，所述的机翼包括机翼主梁、机翼辅梁、薄膜，机翼主梁根部固定于传动机构的机翼安装架，机翼辅梁与机翼主梁之间设有角度，固定连接，薄膜覆盖于机翼主梁和机翼辅梁之上。

3.根据权利要求1所述的一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，所述的机身包括平板结构、套筒、套筒支撑件，套筒通过套筒支撑件固连于平板结构上，机身平板结构上设有齿轮固定轴。

4.根据权利要求1所述的一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，所述的传动机构包括单层大齿轮、双层齿轮、电机齿轮、圆柱滑块、滑轨、内杆、机翼连杆、机翼安装架、套筒轴承、内杆轴承、内杆铰链支架、套筒铰链支架。电机齿轮固定在微型电机的输出轴上，大齿轮和双层齿轮分别固定在机身平板结构的两个齿轮固定轴上，电机齿轮和双层齿轮下层啮合在同一平面，单层大齿轮和双层齿轮上层啮合在同一平面，圆柱滑块一端安装于大齿轮的偏心孔上，另一端置于滑轨内，圆柱滑块能够在滑轨内水平滑动；内杆置于套筒内，能够在套筒内垂直滑动，滑轨固连在内杆底端且与内杆垂直，滑轨平面与机身平板结构平行，套筒轴承安装于套筒顶部，外部连接套筒铰链支架；内杆轴承安装于内杆顶部，内杆轴承通过内杆铰链支架与机翼安装架连接，机翼连杆一端与套筒铰链支架连接，另一端与机翼安装架相连。

5.根据权利要求1所述的一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，所述的动力装置包括微型电源、电源输出控制器、微型电机，微型电源、微型电机与电源输出控制器连成控制回路，微型电源、电源输出控制器、微型电机固定在机身平板结构上，微型电机的输出轴与传动装置中的电机齿轮固连；微型电源给微型电机、电源输出控制器、舵机、接收机供电，微型电机驱动机翼的运动，电源输出控制器控制微型电机的输出功率及转速。

6.根据权利要求1所述的一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器，所述的前飞控制装置包括一个YZ平面框架、薄膜、前飞控制面、舵机连杆、舵机，YZ平面框架平行于机身平板结构，转向控制装置包括一个XZ平面框架、薄膜、两个转向控制面、两根舵机连杆、两个舵机，XZ平面框架垂直于齿轮面；YZ平面框架和XZ平面框架呈“十字形”连接，YZ平面框架上设有薄膜，前飞控制面固定于Y方向框架底部，前飞控制装置的舵机固定在YZ平面框架上方，舵机连杆一端与舵机连接，一端与前飞控制面铰接；XZ平面框架上也设有薄膜，两个转向控制面固定于X方向框架底部，转向控制装置的两个舵机对称固定在框架上方，两个舵机连杆都是一端与舵机连接，一端与转向控制面连接。