CN113173247B - 一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机及其使用方法，属于微型无人机技术领域。无人机具体结构包括微型动力系统、机翼前缘、主机身、伺服机构、可折叠舵面控制机构、V型尾翼、柔性翼面；主机身前端固定微型动力系统；主机身前端左右两侧各设置有一个可折叠机翼前缘，后端左右两侧各设置有一个由伺服机构控制的可折叠舵面控制机构；可折叠V型尾翼设置于主机身尾端。无人机弹出后机翼前缘、无人机可折叠舵面控制机构、V型尾翼在弹性作用下自动打开，使得柔性翼面展开。本发明采用柔性翼面设计使得折叠无人机可以获得更大的机翼面积，并且获得更高的气动效率，提高升力系数，降低无人机的最小平飞速度，使其具有更好的机动性。

Description

一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机

技术领域

本发明涉及微型无人机技术领域，具体涉及一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机。

背景技术

随着无人机市场需求的不断扩大及无人机技术的不断发展，无人机的微型化已经成为该领域的重要发展方向之一。

微型飞行器(Micro Air Vehicle简称MAV)作为无人机的一个类别，1992年首次在未来军事大会上被美国国防高级研究计划局(DARPA)提出。当时DARPA对微型飞行器的定义为：微型飞行器的飞行速度约在5-20m/s，其机身最大设计长度在10-15cm之间，大约为一个成年人手掌大小。随着科技的发展以及对实际使用情况的深入研究，美军对微型飞行器的尺寸限制渐渐放宽，对无人机的功能以及实用性有了更高要求。按照美军最新的微型飞行器研究成果，例如灰山鹑无人机，尺寸已经放宽到40-50cm。

微型无人机体积小，重量轻，操作简单，便于携带和隐蔽性好，在未来单兵作战领域将会有广阔的使用空间，可以作为单兵随身携带的一种战场侦察设备，以满足部队连、排、班级近程战术侦察的需求，也可以通过地面或空中装备进行大量投放部署。因为体积小的天生优势，它可以承担特殊任务，甚至可以在敌方无法发现的情况下进行侦察。

而现有的微型无人机对于大量投放部署的需求来说，需要具备可折叠能力。目前已有的大部分折叠微型无人机为大展弦比构型，从而将机翼收起至与机身重合，例如美国的灰山鹑无人机，而这样的构型在飞机翼展尺寸受限制的情况下机翼面积较小，也导致飞机机翼展弦比较大、最小平飞速度较大、飞机机动性不足。同时，微型无人机本身雷诺数较低，导致其气动效率较低，难以进行较为详细的侦察作业等。

因此如何能够实现低速飞行，机动性较好的可折叠发射微型无人机具有重要的价值。仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用自然界中生物的结果和功能原理来设计研制机械和多种新技术的科学。在飞行器设计与制造中有许多灵感均来自自然界的生物。如蜜袋鼯可以从高处跳起，展开四肢，利用中间撑起的柔性薄膜作为机翼，提供升力，在树林中自由穿梭滑翔，落地后又可以缩起四肢，实现爬行穿梭，其飞行原理可作为柔性可折叠无人机的设计构型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，模仿蜜袋鼯的飞行原理，通过柔性翼面实现可折叠机翼，保证足够的机翼面积，从而降低最小飞行速度，提高机动性，并提高无人机的气动效率。

本发明的技术方案如下：

一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，包括微型动力系统、机翼前缘、主机身、伺服机构、可折叠舵面控制机构、V型尾翼、柔性翼面；主机身前端固定微型动力系统；主机身前端左右两侧各设置有一个可折叠机翼前缘，每个机翼前缘均包括可折叠前缘支杆；主机身后端左右两侧各设置有一个由伺服机构控制的可折叠舵面控制机构；可折叠柔性翼面分别与机翼前缘、可折叠舵面控制机构固定连接；可折叠V型尾翼设置于主机身尾端，包括V型尾翼支杆。

优选地，所述无人机还包括可以在弹性作用下自动打开的机翼前缘收放机构、可折叠舵面控制收放机构和V型尾翼收放机构。

优选地，所述机翼前缘收放机构包括机翼前缘收缩转轴、机翼前缘锁定楔形插销、机翼前缘锁定机构、插销卡槽。前缘支杆可绕机翼前缘收缩转轴转动，前缘支杆固定有机翼前缘锁定机构；机翼前缘收缩转轴、机翼前缘锁定楔形插销、插销卡槽固定于主机身，机翼前缘锁定楔形插销插入插销卡槽内，插销卡槽内还设置有插销弹簧。

所述机翼前缘收放机构打开时，前缘支杆带动机翼前缘锁定机构转动，通过机翼前缘锁定楔形插销的斜面部分将机翼前缘锁定楔形插销压入插销卡槽内，机翼前缘收放机构打开之后，机翼前缘锁定楔形插销在插销弹簧的作用下弹起，并将机翼前缘锁定机构固定。

优选地，所述可折叠舵面控制收放机构包括可折叠舵面控制机构转轴、可折叠舵面控制限位机构；可折叠舵面控制限位机构与可折叠舵面控制机构连接，可折叠舵面控制机构绕可折叠舵面控制机构转轴转动，同时带动可折叠舵面控制机构限位机构旋转至固定位置，将可折叠舵面控制机构固定；通过设置可折叠舵面控制机构，模仿蜜袋鼯后爪运动的方式，在飞行中控制无人机的俯仰和滚转姿态，从而实现对无人机运动轨迹的控制；通过V型尾翼的左右摆动，控制飞机的左右偏航运动。

优选地，所述V型尾翼收放机构包括V型尾翼支杆转轴、V型尾翼支杆锁定机构、皮筋转向机构、V 型尾翼支杆前端卡槽；皮筋转向机构、V型尾翼支杆锁定机构设置于主机身，采用皮筋连接皮筋转向机构与V型尾翼支杆前端卡槽，拉动V型尾翼支杆沿V型尾翼支杆转轴转动，直至V型尾翼支杆完全展开并由V型尾翼支杆锁定机构进行限位，所述V型尾翼支杆锁定机构为磁吸式限位机构。

优选地，所述柔性翼面由透明薄膜材料制作，为矩形或梯形。

优选地，所述微型动力系统由微型无刷电机带动微型螺旋桨为无人机提供拉力，无人机进行无动力滑翔或动力可控飞行。

优选地，所述主机身内装有无人机的飞行控制系统，通信链路，电池以及任务载荷。所述无人机翼展尺寸为200-600mm，飞行重量为150-600g，机长为200-600mm，巡航速度为10m/s-20m/s，折叠后可收纳进入一个截面边长尺寸不超过400mm*700mm的长方体筒中。

一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机的使用方法，步骤如下：

无人机被折叠好收纳入筒中，在筒内弹射装置的作用下，被快速弹出，到达预定高度后，机翼前缘、无人机可折叠舵面控制机构、V型尾翼在弹性作用下自动打开，使得柔性翼面展开。

与现有技术相比，本发明的一种仿生柔性翼面可折叠无人机的优势在于以下几点：

1、本发明的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，通过模仿蜜袋鼯的飞行原理，基于柔性翼面，为微型折叠无人机提供了一种新的设计思路，使得微型折叠无人机可以同时具有小展弦比以及更大的机翼面积，从而降低了最小飞行速度，提高了机动性。

2、本发明的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，通过仿生柔性翼面产生升力，可以在飞行过程中产生更高的气动效率。

3、本发明的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，可以折叠后放入截面边长尺寸不超过40mm*70mm 的长方体筒内，并可以从筒中发射，方便实现空中投放或地面发射。

4、本发明的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，采用透明薄膜材料制作仿生柔性翼面，在空中具有更好的隐蔽性，不易被发现。

5、本发明的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，设置可折叠舵面控制机构在飞行中控制飞机的俯仰和滚转姿态，并通过V型尾翼的左右摆动，控制飞机的左右偏航运动，提高了无人机飞行的灵活性。

附图说明

图1为本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机顶部视角结构示意图；

图2为本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机腹部视角结构示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)为本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机基本视面示意图；

图4(a)、图4(b)为本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机收纳和飞行状态的示意图；

图5(a)、图5(b)为本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机机翼前缘收放机构收纳和飞行状态的局部放大示意图；

图6(a)、图6(b)为本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机可折叠舵面控制收放机构收纳和飞行状态的局部放大示意图；

图7(a)、图7(b)为本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机V型尾翼收放机构收纳和飞行状态的局部放大示意图。

附表标记说明：

1-微型动力系统 2-机翼前缘 3-主机身(任务载荷舱)

4-伺服机构 5-可折叠舵面控制机构 6-V型尾翼

7-机翼前缘收缩转轴 8-机翼前缘锁定楔形插销 9-机翼前缘锁定机构

10-可折叠舵面控制机构转轴 11-可折叠舵面控制限位机构 12-V型尾翼支杆转轴

13-V型尾翼支杆锁定机构 14-前缘支杆 15-插销卡槽

16-柔性翼面 17-V型尾翼支杆 18-皮筋转向机构

19-V型尾翼支杆前端卡槽

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提出一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，典型尺寸为翼展200-600mm，无人机飞行重量约为 150-600g，典型机长为200-600mm，折叠后可收纳进入一个截面边长尺寸不超过40mm*70mm的长方体筒中，飞机巡航速度约为10m/s-20m/s，续航时间约30min。可以用于单兵携带进行侦察打击任务，也可以用于中小型无人机的远距离空投作战任务。

如图1-3所示，本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机结构包括微型动力系统1、机翼前缘2、主机身(任务载荷舱)3、伺服机构4、可折叠舵面控制机构5、V型尾翼6、柔性翼面16。微型动力系统1固定于主机身(任务载荷舱)3前端，由微型无刷电机带动微型螺旋桨为飞机提供拉力。主机身(任务载荷舱)3内装有飞机的飞行控制系统，通信链路，电池以及任务载荷。主机身(任务载荷舱)3前端左右两侧各设置有一个可折叠机翼前缘2，每个机翼前缘2均包括前缘支杆14；主机身(任务载荷舱)3后端左右两侧各设置有一个由伺服机构4控制的可折叠舵面控制机构5，柔性翼面16分别与机翼前缘2、可折叠舵面控制机构5固定连接，由透明薄膜材料制作，可为矩形或梯形。通过伺服机构4控制可折叠舵面控制机构5，再由可折叠舵面控制机构5的摆动控制柔性翼面16的形状，以此控制飞机滚转和俯仰运动，用于代替传统的气动舵面。可折叠V型尾翼6设置于主机身(任务载荷舱)3尾端，包括三根V型尾翼支杆17，可通过左右摆动控制飞机的偏航姿态运动。

本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机结构还包括可以在弹性作用下自动打开的机翼前缘收放机构、可折叠舵面控制收放机构和V型尾翼收放机构。无人机整机展开前状态如图4(a)所示，机翼前缘2、可折叠舵面控制机构5和V型尾翼6全部收起，使得无人机可以被装入一个长方体筒内。图4(b)所示为无人机打开后的飞行状态，打开过程中，控制机翼前缘收放机构使得机翼前缘2的前缘支杆14绕转轴转动、控制可折叠舵面控制收放机构使得伺服机构4和可折叠舵面控制机构5绕转轴转动，将柔性翼面16打开至飞行状态；同时控制V型尾翼收放机构使得V形尾翼6的两根V型尾翼支杆17绕转轴转动，将V形尾翼6打开至飞行状态。打开过程中会触发相应的锁定机构或限位机构，在锁定机构或限位机构的作用下，机翼前缘2、可折叠舵面控制机构5和V形尾翼6被锁定在此位置，将柔性翼面16撑开，为飞机提供足够的升力进行飞行。

如图5(a)、图5(b)所示，本发明无人机机翼前缘收放机构包括机翼前缘收缩转轴7、机翼前缘锁定楔形插销8、机翼前缘锁定机构9、插销卡槽15。前缘支杆14可绕机翼前缘收缩转轴7转动，前缘支杆 14固定有机翼前缘锁定机构9。机翼前缘收缩转轴7、机翼前缘锁定楔形插销8、插销卡槽15固定于主机身(任务载荷舱)3，机翼前缘锁定楔形插销8插入插销卡槽15内，插销卡槽15内还设置有插销弹簧。机翼前缘收放机构打开时，前缘支杆14带动机翼前缘锁定机构9转动，通过机翼前缘锁定楔形插销8的斜面部分将机翼前缘锁定楔形插销8压入插销卡槽15内，打开之后机翼前缘锁定楔形插销8会在插销弹簧的作用下弹起，并将机翼前缘锁定机构9固定，使得无人机在飞行过程中前缘支杆14不会向后折叠。

如图6(a)、图6(b)所示，本发明无人机可折叠舵面控制收放机构包括可折叠舵面控制机构转轴10、可折叠舵面控制限位机构11。可折叠舵面控制限位机构11与可折叠舵面控制机构5连接，在前缘支杆14 展开的同时，伺服机构4和可折叠舵面控制机构5在柔性翼面16的作用下随之展开，具体过程为可折叠舵面控制机构5绕可折叠舵面控制机构转轴10转动，直至柔性翼面16完全展开且带动可折叠舵面控制机构限位机构11旋转至固定位置，将可折叠舵面控制机构5固定，使得无人机在飞行过程中可折叠舵面控制机构5不会向后折叠，从而保证飞行过程中的安全性。

如图7(a)、图7(b)所示，本发明无人机V型尾翼收放机构包括V型尾翼支杆转轴12、V型尾翼支杆锁定机构13、皮筋转向机构18、V型尾翼支杆前端卡槽19。皮筋转向机构18、V型尾翼支杆锁定机构 13设置于主机身3，采用皮筋连接皮筋转向机构18与V型尾翼支杆前端卡槽19，拉动V型尾翼支杆17沿 V型尾翼支杆转轴12转动，直至V型尾翼6完全展开并由V型尾翼支杆锁定机构13进行磁吸限位，使得无人机在飞行过程中可折叠V型尾翼6不会像内折叠。

本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机在使用时，在筒内弹射装置的作用下，被快速弹出，到达预定高度后，无人机机翼前缘收放机构、可折叠舵面控制收放机构和V型尾翼收放机构可以像蜜袋鼯展开四肢一样使得柔性翼面16、V型尾翼6展开，进入飞行状态。发射过程中，柔性翼面16和V型尾翼6处于收紧状态，发射阻力小，可以获得更高的初始能量。无人机通过设置可折叠舵面控制机构5，模仿蜜袋鼯后爪运动的方式，在飞行中控制飞机的俯仰和滚转姿态，从而实现对飞机运动轨迹的控制；通过V型尾翼6 的左右摆动，控制飞机的左右偏航运动。无人机发射之后可以进行无动力滑翔，也可以进行动力可控飞行。

本发明使用柔性翼面的仿生折叠无人机通过设置可折叠柔性翼面16，使得无人机具有小展弦比以及更大的机翼面积，从而降低了最小飞行速度，提高了机动性和气动效率。

以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所作的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，其特征在于，包括微型动力系统(1)、机翼前缘(2)、主机身(3)、伺服机构(4)、可折叠舵面控制机构(5)、V型尾翼(6)、柔性翼面(16)；还包括能够在弹性作用下自动打开的机翼前缘收放机构、可折叠舵面控制收放机构和V型尾翼收放机构；所述主机身(3)前端固定微型动力系统(1)；所述主机身(3)前端左右两侧各设置有一个可折叠机翼前缘(2)，每个所述机翼前缘(2)均包括可折叠前缘支杆(14)；所述主机身(3)后端左右两侧各设置有一个由所述伺服机构(4)控制的可折叠舵面控制机构(5)；可折叠柔性翼面(16)分别与所述机翼前缘(2)、可折叠舵面控制机构(5)固定连接；可折叠V型尾翼(6)设置于所述主机身(3)尾端，包括V型尾翼支杆(17)；所述机翼前缘收放机构包括机翼前缘收缩转轴(7)、机翼前缘锁定楔形插销(8)、机翼前缘锁定机构(9)、插销卡槽(15)；所述前缘支杆(14)能绕机翼前缘收缩转轴(7)转动，所述前缘支杆(14)固定有机翼前缘锁定机构(9)；所述机翼前缘收缩转轴(7)、机翼前缘锁定楔形插销(8)、插销卡槽(15)固定于所述主机身(3)，所述机翼前缘锁定楔形插销(8)插入插销卡槽(15)内，插销卡槽(15)内还设置有插销弹簧；所述可折叠舵面控制收放机构包括可折叠舵面控制机构转轴(10)、可折叠舵面控制限位机构(11)；所述可折叠舵面控制限位机构(11)与可折叠舵面控制机构(5)连接，可折叠舵面控制机构(5)绕可折叠舵面控制机构转轴(10)转动，同时带动可折叠舵面控制限位机构(11)旋转至固定位置，将可折叠舵面控制机构(5)固定；通过设置可折叠舵面控制机构(5)，模仿蜜袋鼯后爪运动的方式，在飞行中控制无人机的俯仰和滚转姿态，从而实现对无人机运动轨迹的控制；通过V型尾翼(6)的左右摆动，控制飞机的左右偏航运动；所述V型尾翼收放机构包括V型尾翼支杆转轴(12)、V型尾翼支杆锁定机构(13)、皮筋转向机构(18)、V型尾翼支杆前端卡槽(19)；所述皮筋转向机构(18)、V型尾翼支杆锁定机构(13)设置于所述主机身(3)，采用皮筋连接皮筋转向机构(18)与V型尾翼支杆前端卡槽(19)，拉动V型尾翼支杆(17)沿V型尾翼支杆转轴(12)转动，直至V型尾翼支杆(17)完全展开并由V型尾翼支杆锁定机构(13)进行限位，所述V型尾翼支杆锁定机构(13)为磁吸式限位机构。

2.根据权利要求1所述的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，其特征在于，所述机翼前缘收放机构打开时，所述前缘支杆(14)带动机翼前缘锁定机构(9)转动，通过所述机翼前缘锁定楔形插销(8)的斜面部分将机翼前缘锁定楔形插销(8)压入插销卡槽(15)内，机翼前缘收放机构打开之后，机翼前缘锁定楔形插销(8)在插销弹簧的作用下弹起，并将所述机翼前缘锁定机构(9)固定。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，其特征在于，所述柔性翼面(16)由透明薄膜材料制作，为矩形或梯形。

4.根据权利要求1-2任一项所述的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，其特征在于，所述微型动力系统(1)由微型无刷电机带动微型螺旋桨为无人机提供拉力，无人机进行无动力滑翔或动力可控飞行。

5.根据权利要求1-2任一项所述的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机，其特征在于，所述主机身(3)内装有无人机的飞行控制系统，通信链路，电池以及任务载荷；所述无人机翼展尺寸为200-600mm，飞行重量为150-600g，机长为200-600mm，巡航速度为10m/s-20m/s，折叠后能收纳进入一个截面边长尺寸不超过40mm*70mm的长方体筒中。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种使用柔性翼面的仿生折叠无人机的使用方法，其特征在于，步骤如下：

无人机被折叠好收纳入筒中，在筒内弹射装置的作用下，被快速弹出，到达预定高度后，所述机翼前缘(2)、无人机可折叠舵面控制机构(5)、V型尾翼(6)在弹性作用下自动打开，使得所述柔性翼面(16)展开。

Images