CN107352030A - 一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，涉及微型飞行器领域。所述飞行器包括机翼、传动机构、动力装置及底座；底座上固定动力装置和传动机构，传动机构的两端分别各固定一个机翼；工作时，动力装置中的微型电机提供动力带动传动机构的内杆上下升降，导致两个机翼连杆同时向相反方向运动，带动对称布置的一对机翼交替向下和向上运动，实现差动拍动。本发明在保证机翼相同频率拍动的过程中平均升力不变，机翼瞬态升力波动明显减小，升力在整个拍动周期内更为均匀，有效降低了对电机输出功率的要求，显著提高能量利用效率。

Description

一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器。

背景技术

自上世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断提高，人们对动物飞行和游动机理的探索越来越深入，微电子技术的飞速发展，导致微型飞行器设计领域发展越来越迅速，在国家安全和国民经济建设等方面具有广泛的应用前景，被应用于复杂环境条件下的侦察、通讯、勘探和协助救援等任务。

公开号为CN 101492093的专利申请：“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”中公开了一种微小型扑旋翼飞行器，升力靠一对上下拍动并可旋转的机翼提供。微型飞行器质量轻，尺寸小，因此机载动力装置的质量、尺寸也同样受到极大约束，所能携带的能量也相对有限。如何在给定动力装置下，将尽可能多的能量传输至机翼，以有效产生飞行需要的气动力或者气动力矩，对显著提高微型扑旋翼的气动特性以及微型扑旋翼的负载性能有着积极的作用。

目前公开的扑旋翼设计都普遍采用双翼布局，且一对扑旋翼沿竖直旋转轴呈轴对称分布。当扑旋翼拍动过程时，双翼同向拍动，即：一个翼向上拍动，另一个翼也同样向上运动；反之，一翼向下拍动，另一翼也向下拍动。扑旋翼的特点决定了其气动力产生和能量消耗主要发生在下拍过程中。同向拍动的双翼在下拍时产生较大的翼升力的同时也需要极大的瞬态功率输入；相反，上拍过程中尽管升力产生较小但瞬态能量需求也极少。总的看，同向拍动的上下拍过程中升力产生和瞬态能量消耗差别极大，这一方面导致基于双翼同向拍动的微型扑旋翼飞行器整个拍动周期内升力会产生较大的波动，增加了飞行器控制系统设计的难度；另一方面又使得一个运动内功率消耗分布极为不均，飞行器整体能量利用率较低。

发明内容

本发明针对现有微型扑旋翼飞行器采用双翼同向拍动，造成的下拍时机翼升力及瞬态能耗极大，而上拍升力及瞬态能量耗能极少，上下拍过程升力贡献及瞬态能量消耗差别极大，系统升力波动较大、整体能量利用率较低的问题，提出了一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器。

所述的微型扑旋翼飞行器包括机翼、传动机构、动力装置及底座。底座上固定动力装置和传动机构，传动机构的两端分别各固定一个机翼；

所述传动机构包括齿轮减速组、套筒、内杆、传动连杆、两个机翼连杆、套筒轴承、内杆轴承、套筒轴承环以及内杆轴承环；

所述两个机翼攻角可控；机翼a的外伸端铰接在套筒轴承环上；中间铰接机翼连杆a的根部，机翼连杆a的另一端根部铰接内杆轴承环；机翼b的外伸端铰接在内杆轴承环上，同时中间铰接机翼连杆b的根部，机翼连杆b的另一端根部铰接套筒轴承环；

内杆轴承环外套在内杆轴承上，内杆轴承安装在内杆顶部；内杆置于在套筒内；套筒垂直固定在底座上；内杆与套筒交接的部位设有套筒轴承，外套套筒轴承环。套筒侧壁上开有一段沟槽，传动连杆的一端穿过沟槽与内杆相连，另一端连接齿轮减速组的输出端；齿轮减速组固定在底座上，输入端接动力装置；

动力装置固定在底座上，包括微型电机、微型电源和电源输出控制器；微型电机固定在齿轮减速组上，并将输出轴与齿轮减速组的输入端相连。

飞行器工作时，微型电机的转动带动齿轮减速组运动，从而传动连杆在套筒沟槽内上下滑动，进而带动内杆上下升降。两个机翼连杆同时向相反方向运动，带动对称布置的一对机翼其中一个向下拍动，而另一个机翼向上拍动。随着内杆上下升降，两个机翼连杆交替向下和向上运动，驱动一对机翼交替下拍和上拍，实现差动拍动；拍动相差约180度，下拍过程产生升力，能量消耗较大；而上拍过程升力产生和能耗消耗较小。两个机翼交替上下拍在保证机翼相同频率拍动的过程中平均升力不变时，机翼瞬态升力波动明显减小，升力在整个拍动周期内更为均匀，能耗变化也较为平缓。

本发明的优点在于：

1、一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，通过双翼差动拍动，保证一个机翼在上拍过程时另一个机翼处于下拍运动，相比原有飞行器双翼同步拍动的方案可使得每个运动瞬时飞行器总的气动升力波动较小，有利于飞行器保持稳定，减小了控制方案设计的难度。

2、一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，通过双翼差动拍动，使得拍动过程中电机输出功率主要用于克服下拍翼的功率消耗，有效降低了对电机输出功率的要求，显著提高能量利用效率。

3、原有飞行器双翼同步拍动的方案，电机在机翼同时下拍时要克服两个下拍机翼的能耗，这对电机的最大输出功率要求更高。而本发明一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器中电机最大输出功率只需稍大于单机翼下拍时的最大功率即可，有效降低了一个拍动过程中机翼最大功率消耗，从而显著提高飞行器能量利用效率。

附图说明

图1是本发明一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器的示意图；

图2是本发明一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器的机翼结构。

图中：

1-机翼 2-传动机构 3-动力装置 4-底座

101-主梁 102-短梁 103-斜梁 104-翼膜

105-变形片 106-限位梁 201-齿轮减速组 202-套筒

203-内杆 204-传动连杆 205-机翼连杆 206-套筒轴承

207-内杆轴承 208-套筒轴承环 209-内杆轴承环 301-微型电机

302-微型电源 303-微型电机控制器

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。

本发明一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，左右两机翼差动拍动，拍动相差约180度，即当一个机翼向下拍动时另一个机翼处于向上拍动。在保证机翼相同频率拍动过程中平均升力不变时，升力在整个拍动周期内更为均匀，且电机最大输出功率只需稍大于单机翼下拍时的最大功率即可，有效降低了一个拍动过程中机翼最大功率消耗和瞬态升力波动，从而显著提高飞行器能量利用效率。

所述的微型扑旋翼飞行器，如图1所示，包括攻角可控的一对机翼1，传动机构2，动力装置3以及底座4。

所述机翼1如图2所示，包括机翼1a和机翼1b，均由梁、变形片105以及翼膜104结构组成。

所述梁共四根，为主梁101、短梁102、斜梁103以及限位梁106，均采用碳纤维杆制作，主梁101与短梁102、斜梁103共面，短梁102与主梁101垂直，斜梁103在主梁101与短梁102之间，与主梁101夹角在30°至60°之间。短梁102和斜梁103根部固连，短梁102和斜梁103根部距离主梁101根部垂直距离约10％展长，机翼主梁101一端外伸与扑旋翼飞行器的传动机构固连，限位梁106一端固定在距离主梁101根部距离约20％展长的位置，斜搭在斜梁103和短梁102上面，限制机翼下拍时斜梁103、短梁102以及翼膜104的变形。

所述翼膜104采用聚乙烯薄膜制作。

裁剪一长方形橡胶片作为变形片105，所述变形片105连接主梁101、短梁102和斜梁103，受力时可拉伸。变形片105一端粘结在主梁101根部上，另一端与短梁102和斜梁103的交接根部粘连。通过改变变形片105厚度或者调节短梁102根部和主梁101的垂直距离来控制机翼上拍时的翼型攻角。

所述机翼1初始安装时，按照翼梁结构在上、膜在下的方式安装，并保证拍动机构水平时机翼1初始几何攻角取在-10度～0度之间；在定义攻角时，扑旋翼翼面在水平面以上定义为负攻角，反之为正攻角。当机翼1拍动时，短梁102、斜梁103及翼膜104受到气动力和翼惯性力作用，使得变形片105变形，短梁102和斜梁103带动翼膜绕主梁101转动，从而控制机翼1攻角变化。

具体为：当机翼1上拍时，短梁102、斜梁103以及翼膜104上的力使得变形片105变形，实现机翼1向下翻转，当翻转至一定程度后，变形片105的弹性力限制机翼1进一步向下翻转，将旋转轴0.6～0.7倍展长位置处的翼型当地攻角最大值控制在中等攻角(介于10度～30度之间)；而当机翼1下拍时，翼膜104的张力和限位梁106限制机翼1向上的过度变形，实现机翼1旋转轴0.6～0.7倍展长位置处的翼型当地攻角最小值控制在-10度～0度之间。

所述传动机构2由齿轮减速组201、套筒202、内杆203、传动连杆204、两个机翼连杆205、套筒轴承206、内杆轴承207、套筒轴承环208以及内杆轴承环209组成，如图1所示。

机翼1a的主梁101外伸端铰接在套筒轴承环208上，同时通过中间孔铰接机翼连杆205a的根部，机翼连杆205a的另一端根部铰接内杆轴承环209；机翼1b的主梁101外伸端铰接在内杆轴承环209上，同时通过中间孔铰接机翼连杆205b的根部，机翼连杆205b的另一端根部铰接套筒轴承环208；

内杆轴承环209外套并粘结在内杆轴承207上，内杆轴承207粘接固定在内杆203的顶端，内杆轴承环209的一端与机翼连杆205a铰接，另一端与机翼1b的主梁101外伸端根部铰接。

内杆203置于套筒202内，套筒202垂直固定在底座4上，套筒202顶端粘接固定有套筒轴承206，外套并粘结套筒轴承环208，套筒轴承环208的一端与机翼1a的主梁101外伸端根部铰接，另一端与机翼连杆205b铰接。

套筒202侧壁上开有沟槽并垂直固定在底座4上，传动连杆204的一端穿过套筒沟槽与内杆203底端上的圆孔相连，传动连杆204的另一端偏心连接齿轮减速组201的输出端；齿轮减速组201为塑料材料，采用三级齿轮减速设计，固定在底座4上；齿轮减速组201的输入端接动力装置3的微型电机301输出轴，输出端接传动连杆204的一端。

套筒202、内杆203、传动连杆204、机翼连杆205、套筒轴承环208以及内杆轴承环209均采用树脂材料通过3D打印而成；套筒轴承206与内杆轴承207采用轻质金属轴承。内杆203置于套筒202内，与传动连杆204连接后可以在套筒202内垂直滑动。

所述传动机构2的功能是将微型电机301输出的高速圆周运动减速后，转化为机翼1的垂直拍动，并实现左右机翼的差动拍动。

所述动力装置3由微型电机301、微型电源302和电源输出控制器303组成。微型电源302采用可充电式锂电池，微型电机301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302、微型电机301和电源输出控制器303固定在底座4上，且微型电机301输出轴与齿轮减速组201的输入端相连。

所述的双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器具体安装过程如下：

首先制作机翼；控制短梁102根部与主梁101的垂直距离使机翼1的根部固定时，但在机翼距离旋转轴0.6～0.7倍展长(定义为扑旋翼尖部距离旋转轴的距离)位置处翼型中点处施加微型扑旋翼飞行器一半的重量时，此位移翼型截面攻角最大值在10度～30度之间。

然后制作动力装置；将微型电源302与微型电机301，微型电源302与电源输出控制器303通过导线相连。将微型电源302、电源输出控制器303安装在底座4上，

进一步制作传动装置及底座；采用树脂材料，利用3D打印成型技术打印出套筒202、内杆203、传动连杆204、两个机翼连杆205、套筒轴承环208、内杆轴承环209以及底座4。套筒202侧壁的沟槽长度略大于内杆203的运动幅度、宽度略大于传动连杆的204直径。

最后飞行装配及试飞；

将机翼连杆205a的一端与机翼1a的主梁101根部靠近三根梁连接处的圆孔相连，另一端与内杆轴承环209铰接并保证机翼1a拍动机构拍动至水平时，机翼1a攻角为-10度～0度。

将另一个机翼连杆205b的一端与机翼1b主梁101根部靠近三根梁连接处的圆孔相连，另一端与套筒轴承环208铰接，同样保证机翼1b拍动机构拍动至水平时，机翼1b的攻角为-10度～0度。

试飞过程如下：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301，并使电机转数逐渐增加，微型电机301转动带动齿轮减速组201转动，输出端相连的传动连杆204在套筒202侧壁的沟槽内垂直滑动，带动内杆203在套筒202内上下运动，内杆203向上运动时，带动内杆轴承207及内杆轴承环209向上运动。内杆轴承环209与机翼连杆205a铰接，机翼连杆205a的另一端与机翼1a的外伸端中间孔铰接。由于机翼1a外伸端外端孔与套筒轴承环208铰接，且套筒轴承环208只能轴向旋转而不能上下运动，因此在内杆203的带动下，机翼1a向上拍动；同时，在机翼连杆205b的带动下，对称布置的机翼1b向下运动。此时，机翼1a的产生升力有限但能耗也较小，向下拍动的机翼1b产生较大的升力但耗功也较大，因此此时微型电机301的输出功主要用于克服机翼1b能耗。

相同的道理，当内杆203向下运动时，机翼1a转变拍动方向，变为向下运动，产生较大升力并耗功较大，而机翼1b转为向上运动，产生有限升力并耗功较小，此时微型电机301的输出功主要用于克服机翼1a的能耗。

总的来看，在一个拍动周期内，机翼1a和1b交替上拍和下拍，交替成为升力产生的主要部件，而微型电机301的始终主要克服下拍机翼的功耗即可。机翼1a和机翼1b拍动运动产生水平面内的推力，驱动机翼1的旋转。

提高机翼1a和1b的上下拍动频率，机翼1a和1b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。

运动过程中，机翼在上拍至水平面内时攻角维持在10度～30度之间，而下拍至水平面时攻角维持在-10度～0度左右。

Claims (5)

1.一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，其特征在于，包括机翼、传动机构、动力装置及底座；底座上固定动力装置和传动机构，传动机构的两端分别各固定一个机翼；

所述传动机构包括齿轮减速组、套筒、内杆、传动连杆、两个机翼连杆、套筒轴承、内杆轴承、套筒轴承环以及内杆轴承环；

所述两个机翼分别为机翼a和机翼b，攻角均可控；机翼a的外伸端铰接在套筒轴承环上，中间铰接机翼连杆a的根部，机翼连杆a的另一端根部铰接内杆轴承环；机翼b的外伸端铰接在内杆轴承环上，同时中间铰接机翼连杆b的根部，机翼连杆b的另一端根部铰接套筒轴承环；

内杆轴承环外套在内杆轴承上，内杆轴承安装在内杆顶部；内杆置于在套筒内；套筒垂直固定在底座上；内杆与套筒交接的部位设有套筒轴承，外套套筒轴承环；套筒侧壁上开有一段沟槽，传动连杆的一端穿过沟槽与内杆相连，另一端连接齿轮减速组的输出端；齿轮减速组固定在底座上，输入端接动力装置；

所述动力装置包括微型电机、微型电源和电源输出控制器；微型电机固定在齿轮减速组上，并将输出轴与齿轮减速组的输入端相连。

2.如权利要求1所述的一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，其特征在于，所述的机翼由梁、变形片以及翼膜结构组成。

3.如权利要求2所述的一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，其特征在于，所述的梁共四根，分别为主梁、短梁、斜梁以及限位梁，主梁与短梁、斜梁共面，短梁与主梁垂直，斜梁在主梁与短梁之间，与主梁夹角在30°至60°之间；短梁和斜梁根部固连，短梁和斜梁根部距离主梁根部垂直距离约10％展长，机翼主梁一端外伸与扑旋翼飞行器的传动机构固连，限位梁一端固定在距离主梁根部距离约20％展长的位置，斜搭在斜梁和短梁上面，限制机翼下拍时斜梁、短梁以及翼膜的变形。

4.如权利要求1所述的一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，其特征在于，所述的齿轮减速组为塑料材料，采用三级齿轮减速设计，固定在底座上。

5.如权利要求1所述的一种双翼差动拍动的微型扑旋翼飞行器，其特征在于，所述的飞行器在工作时，微型电机的转动带动齿轮减速组运动，从而传动连杆在套筒沟槽内上下滑动，进而带动内杆上下升降；两个机翼连杆同时向相反方向运动，带动对称布置的一对机翼其中一个向下拍动，而另一个机翼向上拍动；随着内杆上下升降，两个机翼连杆交替向下和向上运动，驱动一对机翼交替下拍和上拍，实现差动拍动，拍动相差180度；两个机翼交替上下拍保证机翼相同频率拍动的过程中平均升力不变，减小机翼瞬态升力波动，升力在整个拍动周期内均匀。