CN110271659B - 一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼，包括翼肋、前缘嵌套梁、后缘交错梁、舵机、驱动连杆、铆钉和折纸蒙皮。本发明采用一种新型的伸缩式折展机构，具有展收比大、可同步驱动、结构紧凑、机构灵活的特点，同时采用基于Miura折痕和Waterbomb折痕折成的机翼蒙皮，具有可按预期折痕展收、折叠规整、展收同步等特点。

Description

一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼

技术领域

本发明涉及机械、折纸及航空等领域，具体涉及一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼。

背景技术

近年来，随着小型无人机在军事侦察、抢险救灾和空中运输等领域的应用日益广泛，对无人机的续航能力、机动性及隐蔽性等要求不断提高。出现了多旋翼固定翼复合构型、倾转旋翼固定翼复合构型和涵道式旋翼与固定翼复合构型等各种复合翼无人机。机翼作为固定翼无人机和复合翼无人机的重要组成部分，主要作用是提供无人机飞行时的升力。

现有多数机翼的形状一旦确定一般不可改变，因此无人机在地面停放或存储期间要占用更大的空间，对于复合翼无人机，当在狭小空间悬停或低速飞行时，它的升力主要由旋翼提供，此时机翼不仅不再提供升力，反而会增大无人机的飞行阻力和惯性张量，使其续航能力、机动性能及隐蔽性能下降，并且旋翼与固定翼之间的气动干扰也会使旋翼产生的升力降低，对无人机飞行性能造成不利影响。

一些飞机的机翼可以部分折叠，例如类似航空母舰上舰载飞机，其通过两侧机翼向上翻折使机翼折叠，一些小型飞机可以对机翼进行旋转使机翼和机身叠加，但它们都存在展收比小、机构复杂、安全性低等的问题，还有一些变后掠式折叠机翼，其机翼可以像鸟儿的翅膀一样由两侧向后折叠，但这种方式在机翼折叠时容易造成机翼与旋翼、尾翼等其它部件的干涉，还会使机翼的蒙皮与骨架间发生相对滑动，使机翼的设计难度与可靠性降低。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼，包括：多个沿机身垂向平行间隔排布的翼肋、多个前缘嵌套梁、多个后缘交错梁、舵机、驱动连杆机构、折纸蒙皮，其中，各所述翼肋呈流线型、中部镂空，在各所述翼肋中部镂空处设置有铆钉孔，在各所述翼肋的前端设置前缘梁嵌套孔，在各所述翼肋的后端设置后缘梁导孔；各前缘嵌套梁为中空的三角形梁、截面呈三角形，各所述前缘嵌套梁的截面积大小不同，各所述前缘嵌套梁的截面积随着与机身距离的增加而变小，各所述前缘嵌套梁可以相互嵌套，各所述前缘嵌套梁通过各所述前缘梁嵌套孔固连在对应的各所述翼肋上；各所述后缘交错梁与各所述翼肋上对应的各所述后缘梁导孔滑动连接；各所述前缘嵌套梁和各所述后缘交错梁均能够延所述机翼的翼展方向滑动；所述驱动连杆机构包括位于中间的多个首尾相连的长连杆以及位于两端的两个短连杆，每个长连杆的中部均通过铆钉连接在所述翼肋中部镂空处的所述铆钉孔，所述舵机的转轴与所述第一短连杆的一端固定安装在最靠近机身的所述翼肋中部镂空处的所述铆钉孔，所述第一短连杆的另一端与临近的所述长连杆连接，所述第二短连杆的一端与最外侧的所述翼肋中部镂空处的所述铆钉孔固定连接，所述第二短连杆的另一端与临近的所述长连杆连接；所述折纸蒙皮粘附在全部所述翼肋上，在所述机翼展开时为光滑翼型曲面，在所述机翼折叠时按照折痕收缩。

进一步地，在所述机翼的折展过程中所述折纸蒙皮与各所述翼肋之间不发生相对滑动，所述折纸蒙皮上设置有Miura折痕和Waterbomb折痕，在所述机翼折叠时所述折纸蒙皮按照所述Miura折痕和所述Waterbomb折痕收缩。

进一步地，各所述翼肋的截面与所述Miura折痕和所述Waterbomb折痕存在对应关系，具体为：l1＝l3，l2＝l4，θ+2α＝π，其中，l1为所述翼肋的截面曲线的一段逼近直线，l2为所述翼肋的截面曲线的与l1相邻的一段逼近直线，θ为所述翼肋的截面曲线的两段相邻逼近直线l1与l2之间的夹角，l3为所述折纸蒙皮展开时与l1对应的Waterbomb折痕单元的弦向峰折痕长度，l4为所述折纸蒙皮展开时与l2对应的Waterbomb折痕单元的弦向峰折痕长度，α为所述折纸蒙皮展开时对应的Waterbomb折痕单元展向峰折痕与相邻谷折痕之间的夹角。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出的一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼可以在无人机停放或存储期间折叠起来，从而占用较少的空间；

2.本发明提出的一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼应用于复合翼无人机上时，机翼可以在飞行过程中进行折叠，从而提高无人机在狭小空间悬停或低速飞行时的气动性能、机动性及隐蔽性；

3.采用一种新型的伸缩式折展机构，在折叠过程中不会与无人机其它部件发生干涉，并且展收比大、可同步驱动、结构紧凑、机构灵活；

4.采用基于Miura折痕和Waterbomb折痕折成的机翼蒙皮，可按预期折痕展收、折叠规整、展收同步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼在无人机上的装配示意图；

图2为本发明一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼结构图；

图3为本发明一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼翼肋结构图；

图4为本发明一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼折纸蒙皮示意图，其中，(a)为展开状态，(b)为过渡状态，(c)为折叠状态；

图5为本发明一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼翼型截面与蒙皮折痕之间的对应关系图，其中，(a)为翼型截面，(b)为蒙皮折痕。

附图标号说明：

1-折叠机翼；2-机身；3-旋翼；4-翼肋；5-前缘嵌套梁；6-后缘交错梁；7-舵机；8-驱动连杆机构；9-铆钉；10-折纸蒙皮；11-后缘梁导孔；12-铆钉孔；13-前缘梁嵌套孔；14-Waterbomb折痕单元；15-Miura折痕单元。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图3所示，本发明的一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼1安装于无人机机身2上，无人机可通过折叠机翼1和旋翼3提供飞行时的升力。图1为折叠机翼的一种实施例，该折叠机翼亦可应用于其它固定翼或复合翼无人机上。一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼具体包括：多个沿机身垂向平行间隔排布的翼肋4、多个前缘嵌套梁5、多个后缘交错梁6、舵机7、驱动连杆机构8、折纸蒙皮10。其中，各翼肋4呈流线型、中部镂空，在各翼肋4中部镂空处设置有铆钉孔12，在各翼肋4的前端设置前缘梁嵌套孔13，在各翼肋4的后端设置后缘梁导孔11；各前缘嵌套梁5为中空的三角形梁、截面呈三角形，各前缘嵌套梁5的截面积大小不同，各前缘嵌套梁5的截面积随着与机身距离的增加而变小，各前缘嵌套梁5可以相互嵌套，各前缘嵌套梁5通过各前缘梁嵌套孔13固连在对应的各翼肋4上；各后缘交错梁6与各翼肋4上对应的各后缘梁导孔11滑动连接；各前缘嵌套梁5和各后缘交错梁6均能够延机翼的翼展方向滑动；驱动连杆机构8包括位于中间的多个首尾相连的长连杆以及位于两端的两个短连杆，每个长连杆的中部均通过铆钉连接在翼肋4中部镂空处的铆钉孔12，舵机7的转轴与第一短连杆的一端固定安装在最靠近机身的翼肋4中部镂空处的铆钉孔12，第一短连杆的另一端与临近的长连杆连接，第二短连杆的一端与最外侧的翼肋4中部镂空处的铆钉孔12固定连接，第二短连杆的另一端与临近的长连杆连接；折纸蒙皮10粘附在全部翼肋4上，在机翼展开时为光滑翼型曲面，在机翼折叠时按照折痕收缩。

各翼肋4、各前缘嵌套梁5和各后缘交错梁6作为机翼的骨架起到支撑作用，同时能够使各翼肋4之间实现相对滑动。各翼肋4都与对应的各前缘嵌套梁5和各后缘交错梁6固连，由于越靠近机身机翼受到的剪切力越大，故靠近机身的的前缘嵌套梁5更粗，而远离机身的前缘嵌套梁5更细，各前缘嵌套梁5之间相互嵌套。由于机翼后缘较小，故采用较细的后缘交错梁6。各前缘嵌套梁5和各后缘交错梁6能够对翼肋4和折纸蒙皮10起到支撑作用，从而承受整个机翼受到的空气动力载荷。

舵机7安装固定于最靠近机身的翼肋4中部，驱动连杆机构8形成的半剪叉机构，产生机翼折展的驱动力，相比于剪叉机构，可以保证机翼折展的同步性，机构简单巧妙，既减轻了机翼重量，又能保证各翼肋4的同步展收，适合于机翼等对质量有严格要求的场合。

在一些实施方式中，在机翼的折展过程中折纸蒙皮10与各翼肋4之间不发生相对滑动，保证了折叠机翼的安全性与稳定性。如图4(a)所示，折纸蒙皮10上设置有Miura折痕15和Waterbomb折痕14，其中实线为峰折痕，虚线为谷折痕，在机翼折叠时折纸蒙皮10按照Miura折痕15和Waterbomb折痕14收缩。图4示出了折纸蒙皮10的展开状态、过渡状态和折叠状态。

在一些实施方式中，各翼肋4的截面与Miura折痕15和Waterbomb折痕14存在对应关系，具体为：l1＝l3，l2＝l4，θ+2α＝π，其中，l1为所述翼肋的截面曲线的一段逼近直线，l2为所述翼肋的截面曲线的与l1相邻的一段逼近直线，为所述翼肋的截面曲线的两段相邻逼近直线l1与l2之间的夹角，l3为所述折纸蒙皮展开时与l1对应的Waterbomb折痕单元的弦向峰折痕长度，l4为所述折纸蒙皮展开时与l2对应的Waterbomb折痕单元的弦向峰折痕长度，α为所述折纸蒙皮展开时对应的Waterbomb折痕单元展向峰折痕与相邻谷折痕之间的夹角。首先根据需要确定翼肋4的截面，将翼肋4曲线划分为多段折线，如图5(a)的示意图，实际应用时用更多段折线逼近以提高精确度，最后根据翼肋4的截面与折纸蒙皮10折痕之间的对应关系设计蒙皮折痕的长度和夹角，如图5(b)所示。机翼折叠时，折纸蒙皮10按预期折痕规整折叠，机翼展开时，折纸蒙皮10先按折痕展开为多段小平面，由于翼肋4支撑力及机翼展开时的张力作用，折纸蒙皮10可再由平面转为光滑曲面，从而实现机翼的展收功能。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼，其特征在于，包括：多个沿机身垂向平行间隔排布的翼肋、多个前缘嵌套梁、多个后缘交错梁、舵机、驱动连杆机构、折纸蒙皮，其中，

各所述翼肋呈流线型、中部镂空，在各所述翼肋中部镂空处设置有铆钉孔，在各所述翼肋的前端设置前缘嵌套梁嵌套孔，在各所述翼肋的后端设置后缘交错梁导孔；

各前缘嵌套梁为中空的三角形梁、截面呈三角形，各所述前缘嵌套梁的截面积大小不同，各所述前缘嵌套梁的截面积随着与机身距离的增加而变小，各所述前缘嵌套梁可以相互嵌套，各所述前缘嵌套梁通过各所述前缘嵌套梁嵌套孔固连在对应的各所述翼肋上；

各所述后缘交错梁与各所述翼肋上对应的各所述后缘交错梁导孔滑动连接；各所述前缘嵌套梁和各所述后缘交错梁均能够沿所述机翼的翼展方向滑动；

所述驱动连杆机构包括位于中间的多个首尾相连的长连杆以及位于两端的两个短连杆，每个长连杆的中部均通过铆钉连接在所述翼肋中部镂空处的所述铆钉孔上，所述舵机的转轴与第一短连杆的一端固定安装在最靠近机身的所述翼肋中部镂空处的所述铆钉孔内，所述第一短连杆的另一端与临近的所述长连杆连接，第二短连杆的一端与最外侧的所述翼肋中部镂空处的所述铆钉孔固定连接，所述第二短连杆的另一端与临近的所述长连杆连接；所述折纸蒙皮粘附在全部所述翼肋上，在所述机翼展开时为光滑翼型曲面，在所述机翼折叠时按照折痕收缩。

2.根据权利要求1所述的一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼，其特征在于，在所述机翼的展开过程中所述折纸蒙皮与各所述翼肋之间不发生相对滑动，所述折纸蒙皮上设置有Miura折痕和Waterbomb折痕，在所述机翼折叠时所述折纸蒙皮按照所述Miura折痕和所述Waterbomb折痕收缩。

3.根据权利要求2所述的一种基于折纸原理的小型无人机伸缩式折叠机翼，其特征在于，各所述翼肋的截面与所述Miura折痕和所述Waterbomb折痕存在对应关系，具体为：l1＝l3，l2＝l4，θ+2α＝π，其中，l1为所述翼肋的截面曲线的一段逼近直线，l2为所述翼肋的截面曲线的与l1相邻的一段逼近直线，θ为所述翼肋的截面曲线的两段相邻逼近直线l1与l2之间的夹角，l3为所述折纸蒙皮展开时与l1对应的Waterbomb折痕单元的弦向峰折痕长度，l4为所述折纸蒙皮展开时与l2对应的Waterbomb折痕单元的弦向峰折痕长度，α为所述折纸蒙皮展开时对应的Waterbomb折痕单元展向峰折痕与相邻谷折痕之间的夹角。

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