CN107380432A - 一种无人机用驱动器及其工作方法、以及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机用驱动器及其工作方法、以及无人机，驱动器包括：壳体，左、右侧飞行翼；其中左、右侧飞行翼从壳体两侧窗口伸出；以及左、右侧飞行翼通过相应电磁驱动机构驱动实现扑翼动作；本发明充分利用了电磁铁有效资源，动磁极与作用它的电磁极的空气隙接近零，理论值作用力趋于无穷大（电磁力与8乘以空气隙的平方成反比），这时动磁极将获得最大的排斥力离开电磁极；因此使用较小的电流就能获得较大的作用力；从另一个角度看，当动磁极受排斥作用离开电磁极后排斥力虽然减小，但是又受到对过磁极的吸力作用而迅速移动到吸力磁极，而本发明每次作用都充分利用两个磁极，因此具有较高的工作效率，获得更大输出功率。

Description

一种无人机用驱动器及其工作方法、以及无人机

技术领域

本发明涉及一种模仿鸟类或昆虫飞行的无人机用驱动装置，更具体地说，涉及一种模仿鸟类或昆虫双翼扑翼的无人机用驱动装置及其工作方法，以及应用该驱动装置的无人机。

背景技术

模仿和学习鸟类及昆虫的飞行方式是人类掌握飞行方法的重要途径之一。飞行翼的驱动是实现飞行重要途径。仿生翼驱动器是扑翼飞行器的核心装置，现在小型飞行器大多采用旋翼是，用电机驱动；本发明装置采用了全新的驱动方式，在飞行机理上更加接近鸟类或昆虫的飞行，而且结构简单，效率高，重量轻，承载能力更强。适用于小型和超小型飞行器的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，效率高无人机用X形仿生驱动器及其工作方法，以及应用该驱动装置的无人机。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无人机用驱动器，包括：壳体，左、右侧飞行翼；其中，左、右侧飞行翼从壳体两侧窗口伸出；左、右侧飞行翼通过相应电磁驱动机构驱动实现扑翼动作。

进一步，所述驱动器还包括：用于连接左、右侧飞行翼的X形连动机构；所述X形连动机构包括：分别通过端部连接左、右飞行翼的两活动板，且两活动板的中部设有活动设置在一转轴上；邻近各活动板的两端均设有一永磁铁作为动磁极，且各永磁铁两磁极的连线与相应活动板垂直，且各永磁铁的两磁极分布方式相同；所述电磁驱动机构包括：用于分别与两活动板配合的两个静磁单元组；各静磁单元组包括用于分别与一活动板上的两永磁铁配合的且上、下对称设置的静磁单元；所述静磁单元包括：磁极磁芯和绕于磁极磁芯上的线圈；工作时，同一静磁单元组中，左、右相邻分布的两个静磁单元的瞬间磁极分布相反；同时，上、下相对分布的两个静磁单元瞬间磁极分布相同；各静磁单元组中，各静磁单元工作时的磁极极性同步交替变换，以使得在各活动板的两端的永磁铁上产生相反的、同步交替变换的作用力，进而使得两活动板绕所述转轴同步、反向且反复转动，即控制飞行翼动作。

进一步，所述磁极磁芯采用倾斜磁极设计，即所述磁极磁芯的与活动板上的动磁极的接触面为斜面，且动磁极与接触面接触时二者平行，且接触面上覆盖有减震垫。

进一步，作为一种优选的方案，左、右相邻分布的两个磁极磁芯通过相应磁路相连，以及两线圈异名端串联；所述壳体内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节各线圈中的驱动电流的方向、脉宽和幅度。作为另一种替代方案，左、右相邻分布的两个磁极磁芯彼此独立，以及两线圈异名端串联；所述壳体内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节各线圈中的驱动电流的方向、脉宽和幅度。

其次，本发明还提供了一种X形仿生驱动器的工作方法。

所述X形仿生驱动器的工作方法包括：左、右侧飞行翼从壳体两侧窗口伸出，并通过相应电磁驱动机构驱动实现扑翼动作。

进一步，本发明提供了一种无人机，其采用上述驱动器。

本发明的有益效果是，本发明与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）从结构特点上看充分利用了电磁铁有效资源，动磁极与作用它的电磁极的空气隙接近零，理论值作用力趋于无穷大（电磁力与8乘以空气隙的平方成反比），这时动磁极将获得最大的排斥力离开电磁极；因此使用较小的电流就能获得较大的作用力；从另一个角度看，当动磁极受排斥作用离开电磁极后排斥力虽然减小，但是又受到对过磁极的吸力作用而迅速移动到吸力磁极，而本发明每次作用都充分利用两个磁极，因此具有较高的工作效率，获得更大输出功率。

（2）本X形仿生驱动器，其动磁极无论在那个位置，在移动的过程中，开始移动和结束移动之前都可以获得最大的作用力，使得运动过程比利用电机旋转通过偏心轮变成往复运动更合理，更节省能源，结构也更简单，而对比文件通过传动机构作用。

（3）本X形仿生驱动器能在驱动电流较小的情况下就能够获得很大的推进力，减少了电感线圈的充放电时间，因此可以实现更高频率的往复运动，更接近昆虫的扑翼频率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的X形仿生驱动器的结构示意图；

图2是本发明的磁极磁芯及磁路的立体图；

图3是本发明的活动板的结构示图；

图4是本发明的活动板的侧面视图；

图5是本发明的左、右侧飞行翼分别对应的静磁单元布置示意图；

图6是对应图1中X形仿生驱动器在A-A位置的剖面视图；

图7（a）和图7（b）分别是活动板向上或向下活动示意图；

图8是实施例3的无人机用生驱动器的结构示意图；

图9（a）和图9（b）分别是是实施例1中的活动板的两活动位置的示意图。

图中：壳体1、窗口101、飞行翼2、X形连动机构3、活动板301、转轴302、永磁铁303、静磁单元4、磁极磁芯401、线圈402、磁路403、减震垫5。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的X形仿生驱动器及其工作方法与传统方式不同的电磁振动结构，利用电磁驱动特性，充分挖掘动力资源，提高能源利用率，以及提高承载能力的基础上减轻装置的重量，以提高小型和超小型仿生飞行器续航能力；本发明采用的技术方案，合理设计磁极，合理运用磁极资源，优化固定磁极和运动磁极的结构组合，使利用较小的电力资源达到驱动力的最大化，从而使飞行器在有限能源的基础上远距离飞行。

以下通过实施例1和实施例2对本X形仿生驱动器及其工作方法进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例1提供了一种无人机用生驱动器，包括：壳体1，左、右侧飞行翼2；其中左、右侧飞行翼2从壳体1两侧窗口101伸出；以及左、右侧飞行翼2通过相应电磁驱动机构驱动实现扑翼动作。

其中，窗口101的开口宽度不阻碍飞行翼2的上下运动。

如图2至图6所示，所述驱动器还包括：用于连接左、右侧飞行翼2的X形连动机构3；所述X形连动机构3包括：分别连接左、右飞行翼2的活动板301，且两活动板301的中部活动设于一转轴302上；以及位于一活动板301的两端均设有一永磁铁303作为动磁极，且两侧永磁铁303的磁极分布方式相同（图例为上方S极，下方N极）；如图1、3至6，所述电磁驱动机构包括：用于分别与两活动板配合的两个静磁单元组；各静磁单元组包括用于分别与相应活动板上的两永磁铁303配合的且上、下对称设置的静磁单元4；所述静磁单元4包括左、右对称设置的磁极磁芯401和绕于磁极磁芯401的线圈402，即磁极磁芯401与对应的线圈402构成一静磁极，因此，本X形仿生驱动器具有八个静磁极，其中左、右分布的磁极磁芯401通过相应磁路403相连，以及两线圈402异名端串联；当上、下分布的静磁单元4同时输入同向线圈402驱动电流时，其对应的同一静磁单元组中的左、右分布的磁极均产生相反磁场，以使活动板301的两侧永磁铁303分别产生相吸、相斥，进而实现活动板301绕转轴302转动，即控制飞行翼2动作。

其中，所述活动板301例如采用塑料结构件，也可采用非磁性金属如铜、铝、镁及其合金等；所述磁路403采用坡莫合金板粘结而成。其他可选的方案是：永磁铁303与磁路403为一体件。

所述磁极磁芯401采用倾斜磁极设计，即与活动板301的接触面为斜面，且接触面覆盖有减震垫5（优选橡胶垫、硅胶垫或弹簧）。本X形仿生驱动器采用倾斜磁极和移动磁极的结构设计，在不干涉移动运动的情况下获得最大电磁力，又可以让移动磁极有较大的转角，使飞行翼2获得较大的展幅。实现大幅度仿生翼的驱动。

所述壳体1内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节线圈402驱动电流的方向、脉宽和幅度；其中，交变电流控制电路包括开关驱动电路，以及用于产生PWM信号的处理器模块，所述PWM信号通过开关驱动电路进行放大，以控制X形仿生驱动器的飞行功率输出。

一种无人机，其采用上述驱动器。

实施例2

如图1至图6所示，在实施例1基础上，本实施例2提供了一种X形仿生驱动器的工作方法，其中左、右侧飞行翼2从壳体1两侧窗口101伸出，并通过相应电磁驱动机构驱动实现扑翼动作。

所述X形仿生驱动器还包括：用于连接左、右侧飞行翼2的X形连动机构3；所述X形连动机构3包括：分别连接左、右飞行翼2的活动板301，且两活动板301的中部设有一转轴302；以及位于一活动板301的两侧均设有一永磁铁303作为动磁极，且两侧永磁铁303的磁极相同；所述电磁驱动机构包括：与两永磁铁303配合的且上、下对称设置的静磁单元4；所述静磁单元4包括左、右对称设置的磁极磁芯401和绕于磁极磁芯401的线圈402，即构成静磁极，其中左、右分布的磁极磁芯401通过相应磁路403相连，以及两线圈402异名端串联；当上、下静磁单元4同时输入同向线圈402驱动电流时，其对应的左、右分布的磁极均产生相反磁场，以使活动板301的两侧永磁铁303分别产生相吸、相斥，进而实现活动板301绕转轴302转动，即控制飞行翼2动作。

所述壳体内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节线圈驱动电流的方向、脉宽和幅度。

本X形仿生驱动器及其工作方法的工作原理如下：

对于一侧飞行翼对应的静磁单元4的线圈402通入正向电流，如图7（a）所示，此时无论初始状态动磁极在什么位置（如虚线表示的活动板301）都会因为磁极磁芯A的吸引作用和磁极磁芯B的排斥作用而停留在图7（a）所示的位置上（实线表示的活动板301）；

更进一步地，将线圈402通入反向电流，如图7（b）所示，由于磁极磁芯B的吸引作用和磁极磁芯A的排斥作用,动磁极将从如虚线表示的活动板位置离开磁极磁芯A，即停留在图7（b）所示的位置上（实线表示的活动板301）；

若在线圈402上加上交变电流，定磁极就会周而复始的上下运动，驱动飞行翼2上下振动，进而实现仿生飞行。

实施例3

在实施例1或2的基础上，本实施例具有如下变型：

如图8，左、右相邻分布的两个磁极磁芯彼此独立，以及两线圈异名端串联；所述壳体内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节各线圈中的驱动电流的方向、脉宽和幅度。

一种无人机，其采用上述驱动器

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种无人机用驱动器，其特征在于，包括：

壳体，左、右侧飞行翼；

左、右侧飞行翼从壳体两侧窗口伸出；

左、右侧飞行翼通过相应电磁驱动机构驱动实现扑翼动作。

2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，

所述驱动器还包括：用于连接左、右侧飞行翼的X形连动机构；

所述X形连动机构包括：分别通过端部连接左、右飞行翼的两活动板，且两活动板的中部活动设置在一转轴上；

邻近各活动板的两端均设有一永磁铁作为动磁极，且各永磁铁两磁极的连线与相应活动板垂直，且各永磁铁的两磁极分布方式相同；

所述电磁驱动机构包括：用于分别与两活动板配合的两个静磁单元组；各静磁单元组包括用于分别与一活动板上的两永磁铁配合的且上、下对称设置的静磁单元；

所述静磁单元包括：磁极磁芯和绕于磁极磁芯上的线圈，其中

工作时，同一静磁单元组中，左、右相邻分布的两个静磁单元的瞬间磁极分布相反；同时，上、下相对分布的两个静磁单元瞬间磁极分布相同；

各静磁单元组中，各静磁单元工作时的磁极极性同步交替变换，以使得在各活动板的两端的永磁铁上产生相反的、同步交替变换的作用力，进而使得两活动板绕所述转轴同步、反向且反复转动，即控制飞行翼动作。

3.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，

所述磁极磁芯的与活动板上的动磁极的接触面为斜面，且动磁极与接触面接触时二者平行，接触面上覆盖有减震垫。

4.根据权利要求2或3所述的驱动器，其特征在于，

左、右相邻分布的两个磁极磁芯通过相应磁路相连，以及两线圈异名端串联；

所述壳体内还设有交变电流控制电路，即

通过交变电流控制电路调节各线圈中的驱动电流的方向、脉宽和幅度。

5.根据权利要求2或3所述的驱动器，其特征在于，

左、右相邻分布的两个磁极磁芯彼此独立，以及两线圈异名端串联；

所述壳体内还设有交变电流控制电路，即

通过交变电流控制电路调节线圈驱动电流的方向、脉宽和幅度。

6.一种无人机用驱动器的工作方法，其特征在于，

左、右侧飞行翼从壳体两侧窗口伸出，并通过相应电磁驱动机构驱动实现扑翼动作。

7.一种无人机，其特征在于，采用权利要求2或3所述的驱动器。