CN107867397A - 一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：超声电机动子与两机翼连杆铰接，两机翼连杆分别与左右翼连接，动子、连杆、机翼骨架和机身四者构成对称的摇杆滑块机构，超声电机动子作为“滑块”上下运动，经过连杆带动机翼骨架上下摆动，为飞行器扑翼提供动力；电机定子通过机身V型槽和支撑架固定在机身上，超声电机定子和动子通过预紧弹簧和预紧螺钉保持紧密贴合；飞行器头部预留电池舱为飞行器各系统提供电源。本发明结构简单且紧凑、操作性好、可靠性高、无电磁干扰等优点。

Description

一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器
技术领域
本发明涉及一种微型飞行器，尤其是一种扑翼型微型飞行器，具体地说是一种一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器。
背景技术
自然界中大多数昆虫和鸟类都具有优异的飞行性能。很多昆虫尽管尺寸小，但是却表现出高超的飞行技巧和灵活的机动性。它们和微型飞行器（Micro Air Vehicle， MAV）属于同一量级，飞行雷诺数也相当，完全符合MAV设计的原型需求；它们不仅可以低速向前飞，还可以悬停、侧飞、甚至是向后飞行，这些正是MAV设计所追求的目标。扑翼型MAV便是模仿鸟类和昆虫的飞行方式而发展起来的。对微型扑翼飞行器的研究虽然已经取得了很大的技术进展，但距离实际应用还有很长的路要走。首先是驱动技术问题依然制约着微型扑翼飞行器的发展，虽然目前以电流聚合物（EAP）、形状记忆合金（SMA）和压电薄膜为代表的智能材料在微型扑翼飞行器驱动技术上应用增加了飞行器的仿真柔性，但是仍存在着机械可靠性低，控制特性差、在恶劣外部环境影响时稳定性差等缺点。
针对上述问题，国内外很多学者从事机械式微型飞行器的驱动技术的研究，这类飞行器大都采用齿轮减速，平面杆机构，这种驱动方式可靠性比基于智能材料的微型扑翼飞行器高，但是传动机构体积大、结构复杂，这与当前微型扑翼飞行器的发展趋势相违背。
超声电机（ultrasonic motor，USM）是一种新型微特电机，其工作原理是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体（定子）在超声频段内的微幅振动，并通过定、转子（动子）之间的摩擦作用将振动转成转子（动子）的旋转（直线）运动，输出功率，驱动负载。具有体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、无电磁干扰的优点，特别是直线型超声电机广泛应用各类精密驱动装置。
故发明人考虑到当前微型扑翼飞行器驱动技术的诸多问题，以及以超声电机为代表的压电作动器优良的控制性能和精密驱动特征。设计了一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器。
发明内容
本发明的目的是针对现有的机械驱动式微型扑翼飞行器驱动结构复杂，体积大的问题，设计一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器。
本发明的技术方案是：
一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：超声电机动子与两机翼连杆铰接，两机翼连杆分别与左右翼连接，动子、连杆、机翼骨架和机身四者构成对称的摇杆滑块机构，超声电机动子作为“滑块”上下运动，经过连杆带动机翼骨架上下摆动，为飞行器扑翼提供动力；电机定子通过机身V型槽和支撑架固定在机身上，超声电机定子和动子通过预紧弹簧和预紧螺钉保持紧密贴合，预紧螺钉穿过弹簧及定子过孔与机身支撑架旋装，预紧弹簧一端与定子相抵，另一端与预紧螺钉头安装面相抵，通过旋转螺钉压缩弹簧输出定子和动子间所需预压力；飞行器头部预留电池舱为飞行器各系统提供电源。
通过控制超声电机驱动电参数可调节动子运动速度，带动机翼扑动实现不同频率以及一个扑翼周期内的不同速度；通过控制动子的上下运动行程可以实现不同幅度的机翼扑动，以与不同飞行工相匹配。
飞行器尾部采用压电双晶片作为尾梁带动V型尾翼，为飞行器提供转向操纵力；当对压电双晶片施加电压时，双晶片向上或者向下弯曲，带动飞行器尾部V型尾翼，为飞行器提供转向或者姿态调控的操纵力。
为增加飞行器飞行过程中机身的强度，组成尾梁的双晶片采用变截面式，以增加尾部与机身连接处的强度，改善其抗冲击性。
直线超声电机定子采用“U型”、“V型”或者“塔式”布局，以节约机身空间；通过定子节点处的三角凸起与机身V型槽配合以及预紧支架限制其定子多余自由度。
机身与定子之间采用铰链连接结构，以实现整个驱动系统相对机身角度可调，使飞行器扑翼迎角小范围任意可调，增加了飞行器的可操作性与飞行姿态的多样性。
飞行器的机翼由机翼骨架和翼面构成，机翼骨架采用比强度较高的碳纤维材料制成，翼面采用聚酯薄膜材料，翼面上布置微传感器用于检测飞行器周边流场。
定子设有三角凸起以便与机身上的V型槽配合。
本发明的有益效果：
本发明结构简单且紧凑、操作性好、可靠性高、无电磁干扰等优点。基于该种驱动方法下的微型扑翼飞行器可广泛应用于复杂环境下的军事侦察。
附图说明
图1是本发明的飞行器外形图。
图2是本发明的飞行器装配爆炸图。
图3是本发明的飞行器扑翼幅度显示图。
图4是本发明的机翼组件图。
图5是本发明的连杆图。
图6是本发明的驱动机构简图。
图中：1为机身，2为电池舱，3为连杆，4为机翼骨架，5为柔性翼面，6为铰链销，7为动子，8为压电陶瓷，9为预紧弹簧，10为预紧螺钉，11为V型槽，12为V型尾翼，13为尾梁压电双晶片，14为压盖，15为定子，16为支撑架，17为动子移动导轨，18为起落架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-6所示。
一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，如图1、2所示，直线超声电机的动子7一端与两机翼连杆3（如图5）小端铰接，两机翼连杆3大端分别与左右机翼骨架4连接（如图4），左右翼骨架4勇猛铰链销安装在机身上，柔性翼面5安装在机翼骨架4上，如图1所示，图2是图1的立体分解结构示意图。电机动子7、连杆3、机翼骨架4和机身1四者一同构成对称的摇杆滑块机构，图6是此机构的等效运动简图。超声电机动子7在电机定子15驱动下作为“滑块”上下在机身导轨17中运动，经过连杆3带动机翼骨架4上下摆动，为飞行器扑翼提供主动力。通过控制直线超声电机定子15驱动电参数可调节动子7运动速度，从而使机翼4扑动实现不同频率以及一个扑翼周期内的不同速度调节变化；通过控制动子7的上下运动行程可以实现不同幅度的机翼4扑动，以与不同飞行工况相匹配。摇杆滑块机构经过合理的设计，双翼的极限扑翼角度可达90度，相对于水平线上下各占45度，如图3。飞行器的机翼由机翼骨架4和翼面5构成，机翼骨架4采用比强度较高的碳纤维材料制成，翼面5采用聚酯薄膜材料，翼面5上可布置微传感器用于检测飞行器周边流场。为了节约机身空间，直线超声电机定子15采用“U型”或者“塔式”布局，通过定子15节点处的三角凸起与机身V型槽11配合以及预紧支撑架16限制定子15多余自由度。预紧螺钉10穿过预紧弹簧9及定子15过孔与机身支撑架16旋装，预紧弹簧9一端与定子15相抵，另一端与预紧螺钉头10安装面相抵，支撑架16与机身1固接。由于压紧弹簧9的作用，定子15输出端与动子7紧密贴合。机身1与定子15之间也可采用铰链连接，以实现整个驱动系统相对机身1角度可调，这样可使飞行器扑翼迎角小范围任意可调，增加了飞行器的可操作性与飞行姿态的多样性。飞行器尾部采用压电双晶片作为尾梁带动V型尾翼12，为飞行器提供转向操纵力。尾梁双晶片13通过压盖14与机身连接，当对压电双晶片13施加电压时，压电双晶片13向上或者向下弯曲，带动飞行器尾部V型尾翼12上翘或下弯，为飞行器提供转向或者姿态调控的操纵力。为增加飞行器飞行过程中机身的强度，尾梁双晶片13可采用变截面式，以增加尾部与机身连接处的强度，改善其抗冲击性。飞行器头部预留摄像头安装空间与电池舱2，电池为飞行器动力系统、操纵系统等提供电源。
本发明的微型飞行器具有结构简单且紧凑、操作性好、可靠性高、无电磁干扰等优点，可广泛应用于复杂环境下的军事侦察，这里不加以赘述了。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：超声电机动子与两机翼连杆铰接，两机翼连杆分别与左右翼连接，动子、连杆、机翼骨架和机身四者构成对称的摇杆滑块机构，超声电机动子作为“滑块”上下运动，经过连杆带动机翼骨架上下摆动，为飞行器扑翼提供动力；电机定子通过机身V型槽和支撑架固定在机身上，超声电机定子和动子通过预紧弹簧和预紧螺钉保持紧密贴合，预紧螺钉穿过弹簧及定子过孔与机身支撑架旋装，预紧弹簧一端与定子相抵，另一端与预紧螺钉头安装面相抵；飞行器头部预留电池舱为飞行器各系统提供电源。
2.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于，通过控制超声电机驱动电参数可调节动子运动速度，带动机翼扑动实现不同频率以及一个扑翼周期内的不同速度；通过控制动子的上下运动行程可以实现不同幅度的机翼扑动，以与不同飞行工相匹配。
3.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于，飞行器尾部采用压电双晶片作为尾梁带动V型尾翼，为飞行器提供转向操纵力；当对压电双晶片施加电压时，双晶片向上或者向下弯曲，带动飞行器尾部V型尾翼，为飞行器提供转向或者姿态调控的操纵力。
4.据权利要求3所述的一种直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于，组成尾梁的压电双晶片采用变截面式，以增加尾部与机身连接处的强度，改善其抗冲击性。
5.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于，直线超声电机定子采用“U型”、“V型”或者“塔式”布局，以节约机身空间；通过定子节点处的三角凸起与机身V型槽配合以及预紧支架限制其定子多余自由度。
6.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于，机身与定子之间采用铰链连接结构，以实现整个驱动系统相对机身角度可调，使飞行器扑翼迎角小范围任意可调，增加了飞行器的可操作性与飞行姿态的多样性。
7.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于，飞行器的机翼由机翼骨架和翼面构成，机翼骨架采用比强度较高的碳纤维材料制成，翼面采用聚酯薄膜材料，翼面上布置微传感器用于检测飞行器周边流场。
8.根据权利要求1所述的直线超声电机驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于，定子设有三角凸起以便与机身上的V型槽配合。
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