CN112319801A - 一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，扑打动力系统包括驱动电机一、电子调速器、齿轮机构和X型布局机翼，X型布局机翼两根翼梁交叉布置、且分别与机身可转动固连，两根翼梁分别通过一根连杆与齿轮机构可转动固连，齿轮机构通过两根连杆分别控制两根翼梁相对于机身对称联动摆动，使X型布局机翼对称联动扑打；尾旋翼双向推进系统包括尾旋翼、双向电子调速器和驱动电机二，驱动电机二驱动尾旋翼正反双向转动，产生偏航力矩；能源与飞控系统包括锂电池、飞控模块，为飞行器提供能源以及数据的采集、处理和输出。本申请飞行器机翼扑打产生拍合效应，推力大，任务载荷大，尾旋翼主动航向控制，抗干扰性强，有效实现航向控制。

Description

一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器

技术领域

本公开涉及扑翼飞行器技术领域，尤其涉及一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器。

背景技术

目前扑翼飞行器主要分为两类：仿鸟扑翼飞行器和仿昆虫扑翼飞行器。仿昆虫扑翼飞行器一般属于微型扑翼飞行器，其翼面较小、扑打频率高，能够实现自主起降、悬停和高速移动等高机动动作。但是仿昆虫扑翼飞行器续航与载荷能力有限，并且抗风能力较弱，在室内能够取得较好的飞行效果，但是在室外飞行时效果较差。

仿鸟扑翼飞行器大多属于大型扑翼飞行器，其采用高升阻比构型，续航与载荷能力要优于仿昆虫扑翼飞行器，其质量与体积也远远大于仿昆虫扑翼飞行器。但是对于仿鸟扑翼飞行器这种大型扑翼飞行器，目前尚未有可以悬停的试验机。原因主要包括以下两点：一是推力不足的问题，飞行器悬停阶段来流几乎为零，此时需要依靠扑打产生的推力来抵消全部重力，而大型扑翼飞行器质量较大，因此双翼扑打很难产生如此大的推力；二是因为大型扑翼飞行器悬停阶段滚转控制(即平飞阶段航向控制)的问题，大型扑翼在悬停的时候，若利用尾舵控制扑翼的姿态，就需要将舵面布置在尾流速度最大的位置提高舵效，但是一般而言，流速最大的位置沿展向距离机身轴线较远，另外若要保证足够的控制效率，还需要舵面具有较大的刚度，这样，机身以及舵面将付出较大的重量代价，悬停需要的推力也由此加大。因此对于大型扑翼飞行器，如何提高推力和控制力矩以提高机动性和抗风性，从而实现飞行器的稳定悬停和可靠控制，是目前大型扑翼飞行器面临的主要问题。

因此，本申请提出一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器。

本发明采用的技术方案是这样的：

一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，包括机身，所述机身上安装有扑打动力系统、尾旋翼双向推进系统、能源与飞控系统；

所述扑打动力系统位于机身前部，包括驱动电机一、电子调速器、齿轮机构和X型布局机翼，所述X型布局机翼的两根翼梁交叉布置、且分别与所述机身可转动固定连接，两根所述翼梁分别通过一根连杆与所述齿轮机构可转动固定连接，所述齿轮机构可通过两根所述连杆分别控制两根所述翼梁相对于所述机身摆动，且两根所述翼梁的摆动为对称联动摆动，进而使得X型布局机翼对称联动扑打；

所述尾旋翼双向推进系统位于所述机身尾部，包括尾旋翼、双向电子调速器和驱动电机二，所述驱动电机二能够驱动所述尾旋翼正反双向转动，以对机身产生偏航力矩；

所述能源与飞控系统包括锂电池、飞控模块，为飞行器提供能源以及数据的采集、处理和输出。

优选地，所述尾旋翼采用平板翼型。

优选地，所述齿轮机构包括一级齿轮、二级双联齿轮和两个三级齿轮，各齿轮均纵向安装，所述驱动电机一与所述一级齿轮连接，所述一级齿轮与所述二级双联齿轮啮合，所述二级双联齿轮与两个所述三级齿轮啮合，两根所述连杆分别与一个三级齿轮可转动地固定连接，且连接点位于所述三级齿轮上的偏心位置。

优选地，每根所述翼梁包括左右两段，左右翼梁段之间通过杈型摇杆可拆卸地固定连接，左右翼梁段的内端均套装有弹性杆套，所述杈型摇杆的左右两端均具有开口杈部，左右翼梁段的所述弹性杆套分别位于对应的所述开口杈部内，并通过前压片和后压片压紧固定，进而使得左右翼梁段与中间的杈型摇杆固定连接。

优选地，所述前压片和后压片之间通过螺栓和螺母实现固定连接。

优选地，所述机身上还安装有升降副翼混控系统，所述升降副翼混控系统包括左水平安定面、左舵面、左舵机、右水平安定面、右舵面、右舵机，所述左舵面由所述左水平安定面上的所述左舵机独立驱动，可以绕与所述左水平安定面的公共线上下偏转，所述右舵面由所述右水平安定面上的所述右舵机独立驱动，可以绕与所述右水平安定面的公共线上下偏转，通过控制所述左舵面和所述右舵面的上下偏转配合，进而对所述机身产生俯仰力矩和滚转力矩。

综上所述，本申请飞行器的X型布局扑翼对称联动扑打产生拍合效应，可提供的总推力大，任务载荷大，整体结构简单高效，易于实现，在保证扑翼飞行器稳定悬停的同时，还能保证可悬停扑翼飞行器的稳定飞行；利用尾旋翼进行主动航向控制，机构体积小、质量轻，灵活度高、抗干扰性强，能够在各种复杂情况下进行有效控制。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明中齿轮机构与X型布局机翼配合示意图；

图3是本发明中齿轮机构与X型布局机翼另一视角的配合示意图；

图4是本发明中翼梁、弹性杆套、杈型摇杆配合的分解示意图。

图中标记：1为机身，2为驱动电机一，3为电子调速器，4为齿轮机构，5为X型布局机翼，6为翼梁，7为连杆，8为尾旋翼，9为双向电子调速器，10为驱动电机二，11为锂电池，12为飞控模块，13为一级齿轮，14为二级双联齿轮，15为三级齿轮，16为杈型摇杆，17为弹性杆套，18为前压片，19为后压片，20为螺栓，21为螺母，22为左水平安定面，23为左舵面，24为左舵机，25为右水平安定面，26为右舵面，27为右舵机。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

实施例1

如图1至3所示，一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，包括机身1，机身1上安装有扑打动力系统、尾旋翼双向推进系统、能源与飞控系统；

扑打动力系统位于机身1前部，包括驱动电机一2、电子调速器3、齿轮机构4和X型布局机翼5，X型布局机翼5的两根翼梁6交叉布置、且分别与机身1可转动固定连接，两根翼梁6分别通过一根连杆7与齿轮机构4可转动固定连接，齿轮机构4可通过两根连杆7分别控制两根翼梁6相对于机身1摆动，且两根翼梁6的摆动为对称联动摆动，进而使得X型布局机翼5对称联动扑打；

驱动电机一2为无刷直流电机，两根翼梁6与机身1的转动固定点与二者的交叉位置重合；X型布局机翼5设置了7.5度的上反角，上反角的设置使得扑打产生的尾流场中，舵效能够被加大；电子调速器3与驱动电机一2连接，可控制驱动电机一2的转速，驱动电机一2与齿轮机构4连接，可控制齿轮机构4内的齿轮转动，齿轮机构4的转动运动转化为两根连杆7的往复运输，进而驱动X型布局机翼5对称联动扑打，通过电子调速器3控制驱动电机一2的转速，进而实现对X型布局机翼5扑打频率的控制；本申请飞行器的X型布局扑翼对称联动扑打产生拍合效应，可提供的总推力大，沿扑打方向的力相互抵消，有利于扑翼飞行器实现严苛的悬停约束，整体结构简单高效，易于实现，有效保证扑翼飞行器稳定悬停；

尾旋翼双向推进系统位于机身1尾部，包括尾旋翼8、双向电子调速器9和驱动电机二10，驱动电机二10能够驱动尾旋翼8正反双向转动，以对机身1产生偏航力矩；优选地，尾旋翼8采用平板翼型，平板翼型的尾旋翼8使得双向转动时产生的控制力和控制力矩大小相同，方向相反；

驱动电机二10为无刷直流电机，驱动电机二10能够驱动尾旋翼8正反双向转动，双向电子调速器9能够控制尾旋翼8转动的方向和速度，通过改变尾旋翼8的转动方向来改变直接控制力与直接控制力矩的方向，通过改变尾旋翼8的转动速度来改变直接控制力与直接控制力矩的大小，从而实现有效的航向控制，本申请中利用尾旋翼8进行扑翼飞行器的主动航向控制，与利用尾舵进行控制相比，尾旋翼8控制至少具备以下两个优点：一是机构体积小、质量轻，实现了尾部的有效减重；二是机构灵活度高、抗干扰性强，能够在各种复杂情况下进行有效控制，有效保证可悬停扑翼飞行器的稳定飞行；

能源与飞控系统包括锂电池11、飞控模块12，为飞行器提供能源以及数据的采集、处理并输出至扑打动力系统、尾旋翼双向推进系统，实现相应的控制动作。

扑打动力系统、尾旋翼双向推进系统、能源与飞控系统相互配合配合，使得本申请的飞行器总推力大，任务载荷大，机动性和抗风性好，整体结构简单高效，易于实现，在保证扑翼飞行器稳定悬停的同时，还能保证可悬停扑翼飞行器的稳定飞行。

下面对扑翼飞行器的垂直运动和航向运动控制过程进行具体描述：

垂直运动：垂直运动是通过控制驱动电机一2的转速实现的，驱动电机一2的转速的改变会影响扑翼飞行器X型布局机翼5的扑打频率，转速越快，扑打频率越高。当驱动电机一2的转速较快时，扑翼产生的升力大于可悬停扑翼飞行器的重力，可悬停扑翼飞行器上升；当驱动电机一2的转速较慢时，扑翼产生的升力小于可悬停扑翼飞行器的重力，可悬停扑翼飞行器下降；

航向运动：航向运动是通过控制驱动电机二10转动方向和速度，驱动尾旋翼8的转动实现的，当尾旋翼8转速为零时，不产生偏航力矩；当尾旋翼8正向转动时，产生偏航力矩；当尾旋翼8反向转动时，产生相反方向的偏航力矩。转速越大，相应的产生的力矩越大。尾旋翼8转动方向和转速大小是通过调节双向电子调速器9实现的。

实施例2

如图2和3所示，在实施例1的基础上，齿轮机构4包括一级齿轮13、二级双联齿轮14和两个三级齿轮15，各齿轮均纵向安装，驱动电机一2与一级齿轮13连接，一级齿轮13与二级双联齿轮14啮合，二级双联齿轮14与两个三级齿轮15啮合，两根连杆7分别与一个三级齿轮15可转动地固定连接，且连接点位于三级齿轮15上的偏心位置。

两根连杆7与两个三级齿轮15对应的连接点左右对称；驱动电机一2带动一级齿轮13转动，一级齿轮13带动二级联动齿轮转动，二级联动齿轮带动两个三级齿轮15同时转动，连杆7与三级齿轮15的偏心位置连接，形成曲柄摇杆机构，使得两个三级齿轮15的转动运动同时转化为两根连杆7的往复运动，进而驱动X型布局机翼5对称联动扑打；各级齿轮均沿纵向安装，能够减小扑翼飞行器的正面迎风面积，实现飞行过程中的减阻。

实施例3

如图2至4所示，在实施例2的基础上，每根翼梁6包括左右两段，左右翼梁段之间通过杈型摇杆16可拆卸地固定连接，左右翼梁段的内端均套装有弹性杆套17，杈型摇杆16的左右两端均具有开口杈部，左右翼梁段的弹性杆套17分别位于对应的开口杈部内，并通过前压片18和后压片19压紧固定，进而使得左右翼梁段与中间的杈型摇杆16固定连接，具体地，前压片18和后压片19之间通过螺栓20和螺母21实现固定连接，能够实现快速拆装。

左右翼梁段与杈型摇杆16左右两端的开口杈部均采用前压片18和后压片19压紧方式实现固定连接，前压片18和后压片19在压紧左右翼梁段的时候，左右翼梁段套装的弹性杆套17发生弹性变形，与开口杈部间的最大静摩擦力明显增大，左右翼梁段不易脱落，另外，采用压片式结构约束能够减小杈型摇杆16驱动翼梁6时的侧向应力，翼梁6不易折断，使用寿命增长，因为与双翼相对，X型布局机翼5需要的扑打力更大，对于翼梁6强度的要求更高，如果想通过提高材料的强度来提升翼梁6的强度，势必会使得翼梁6整体质量提升，本结构设计能够在不增加翼梁6质量的前提下提升扑打力，并保证翼梁6的寿命。

实施例4

如图1所示，在实施例1、2或3的基础上，机身1上还安装有升降副翼混控系统，升降副翼混控系统包括左水平安定面22、左舵面23、左舵机24、右水平安定面25、右舵面26、右舵机27，左舵面23由左水平安定面22上的左舵机24独立驱动，可以绕与左水平安定面22的公共线上下偏转，右舵面26由右水平安定面25上的右舵机27独立驱动，可以绕与右水平安定面25的公共线上下偏转，通过控制左舵面23和右舵面26的上下偏转配合，进而对机身1产生俯仰力矩和滚转力矩。

升降副翼混控系统可实现扑翼飞行器平飞阶段的俯仰控制和滚转控制，本申请使用升降舵和副翼混控方式(升降副翼)，调节俯仰角和滚转角，这种姿态控制方式能够产生良好的舵效和较大的控制力矩，实现了扑翼飞行器有效的增稳控制。

能源与飞控系统可实施数据的采集、处理并输出升降副翼混控系统，实现相应的控制动作。

下面对扑翼飞行器的俯仰运动和滚转运动控制过程进行具体描述：

俯仰运动：俯仰运动是通过控制左舵机24和右舵机27，驱动左舵面23和右舵面26的同步同向偏转产生的。当左、右舵面23、26同步绕公共线向下偏转时，根据气动力相关原理会产生低头力矩，俯仰角减小，可悬停扑翼飞行器向前做俯仰运动；当左、右舵面23、26同步绕公共线向上偏转时，根据气动力相关原理会产生抬头力矩，俯仰角增大，可悬停扑翼飞行器向后做俯仰运动。

滚转运动：滚转运动是通过控制左舵机24和右舵机27，驱动左舵面23和右舵面26的同步异向偏转产生的。当左舵面23向下偏转，右舵面26向上偏转时，可悬停扑翼飞行器向右侧做滚转运动；当左舵面23向上偏转，右舵面26向下偏转时，可悬停扑翼飞行器向左侧做滚转运动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (6)

1.一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，其特征在于：包括机身(1)，所述机身(1)上安装有扑打动力系统、尾旋翼双向推进系统、能源与飞控系统；

所述扑打动力系统位于机身(1)前部，包括驱动电机一(2)、电子调速器(3)、齿轮机构(4)和X型布局机翼(5)，所述X型布局机翼(5)的两根翼梁(6)交叉布置、且分别与所述机身(1)可转动固定连接，两根所述翼梁(6)分别通过一根连杆(7)与所述齿轮机构(4)可转动固定连接，所述齿轮机构(4)可通过两根所述连杆(7)分别控制两根所述翼梁(6)相对于所述机身(1)摆动，且两根所述翼梁(6)的摆动为对称联动摆动，进而使得X型布局机翼(5)对称联动扑打；

所述尾旋翼双向推进系统位于所述机身(1)尾部，包括尾旋翼(8)、双向电子调速器(9)和驱动电机二(10)，所述驱动电机二(10)能够驱动所述尾旋翼(8)正反双向转动，以对机身(1)产生偏航力矩；

所述能源与飞控系统包括锂电池(11)、飞控模块(12)，为飞行器提供能源以及数据的采集、处理和输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，其特征在于：所述尾旋翼(8)采用平板翼型。

3.根据权利要求1所述的一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，其特征在于：所述齿轮机构(4)包括一级齿轮(13)、二级双联齿轮(14)和两个三级齿轮(15)，各齿轮均纵向安装，所述驱动电机一(2)与所述一级齿轮(13)连接，所述一级齿轮(13)与所述二级双联齿轮(14)啮合，所述二级双联齿轮(14)与两个所述三级齿轮(15)啮合，两根所述连杆(7)分别与一个三级齿轮(15)可转动地固定连接，且连接点位于所述三级齿轮(15)上的偏心位置。

4.根据权利要求3所述的一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，其特征在于：每根所述翼梁(6)包括左右两段，左右翼梁段之间通过杈型摇杆(16)可拆卸地固定连接，左右翼梁段的内端均套装有弹性杆套(17)，所述杈型摇杆(16)的左右两端均具有开口杈部，左右翼梁段的所述弹性杆套(17)分别位于对应的所述开口杈部内，并通过前压片(18)和后压片(19)压紧固定，进而使得左右翼梁段与中间的杈型摇杆(16)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，其特征在于：所述前压片(18)和后压片(19)之间通过螺栓(20)和螺母(21)实现固定连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于拍合效应的大型高机动可悬停扑翼飞行器，其特征在于：所述机身(1)上还安装有升降副翼混控系统，所述升降副翼混控系统包括左水平安定面(22)、左舵面(23)、左舵机(24)、右水平安定面(25)、右舵面(26)、右舵机(27)，所述左舵面(23)由所述左水平安定面(22)上的所述左舵机(24)独立驱动，可以绕与所述左水平安定面(22)的公共线上下偏转，所述右舵面(26)由所述右水平安定面(25)上的所述右舵机(27)独立驱动，可以绕与所述右水平安定面(25)的公共线上下偏转，通过控制所述左舵面(23)和所述右舵面(26)的上下偏转配合，进而对所述机身(1)产生俯仰力矩和滚转力矩。

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