CN113682473B - 一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

为了解决现有扑旋翼飞行器单平面构型翼载荷变化剧烈、飞行器气动效率低，多平面构型下方翼气动性能受尾迹影响性能损失的问题，本发明提出了一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器。该飞行器上下两对翼同轴布置，同频率反向竖直拍动并同向同速旋转，通过在两翼打开合拢的过程中增加水平方向的推力矩，实现翼旋转力矩平衡状态下获得更快的被动旋转速度，实现了升力增加和气动效率提升。

Description

一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体但不排他地，涉及一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器。

背景技术

自二十世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断成熟和微电子技术的大幅进步，人们提出了微型飞行器的概念并推动了它的快速发展。微型飞行器体积小、重量轻、机动性强，在国家安全和国民经济建设方面具有广泛的应用前景，可用于复杂环境下的侦查、勘探、协助救援等工作。当前微型飞行器研究的重点多集中在仿生微型飞行器领域。

当前人们对生物飞行原理认识的逐渐深入，仿造生物飞行构建了诸多仿生微型飞行器。随着技术的提高，人们还积极突破生物飞行运动生理结构的限制，为设计更高性能的飞行器，将生物飞行原理与传统飞行器气动原理结合设计复合式微型飞行器布局，其中一种是扑旋翼。扑旋翼布局融合了扑翼和旋翼两种运动，在运动时翼主动竖直拍动并被动旋转，因此该类布局同时具备扑翼布局在低雷诺数下运动的高升力优势以及旋翼布局高气动效率的特点。

过去人们针对扑旋翼飞行器提出了单平面构型，如专利“一种基于压电驱动的扑旋翼飞行器及驱动方法”(专利号为ZL 201711019042.X)和专利“一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器”(专利号为ZL 201511021309.X)。扑旋翼主要依靠下拍过程产生升力，而上拍过程对升力贡献较小，因此在高载荷产生情况下飞行器翼的载荷较高，翼上下拍过程的瞬态力峰值差别大，气动力变化剧烈，耗功较多，效率较低。为解决这一问题，也有部分设计提出了多翼的概念，如专利“一种共轴反向双扑旋翼机构”(专利号为ZL 201910332059.3)提出了多对翼的方案，以期通过翼数量的增加来降低翼载荷和气动力波动。该方案中多翼共轴反向旋转，此时下方的翼完全处于上方的翼的尾迹中，下方的翼受到上方的翼下洗流动干扰非常强烈，下方翼的气动效率较低。

过去针对低雷诺数下多翼之间流动干扰的研究揭示了多翼可以通过翼翼干扰获得气动优势，其中一种效应是打开合拢效应。打开合拢效应可在翼打开合拢的过程中增强垂直于打开合拢方向上的气动力。因此，为了解决先前多平面扑旋翼构型下方翼多不能从上方翼干扰中受益的问题，有必要探索其他扑旋翼设计方案以期通过多翼干扰效应的应用来获得性能更优的飞行器。

发明内容

为了解决现有扑旋翼飞行器单平面构型翼载荷变化剧烈、飞行器气动效率低，多平面构型下方翼气动性能受上方翼尾迹影响性能损失的问题，本发明提出了一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器。该飞行器上下两对翼同频率反向拍动并同向同速旋转，通过在两翼打开合拢的过程中增加水平方向的推力矩，实现翼旋转力矩平衡状态下获得更快的被动旋转速度，实现升力增加和气动效率提升。

本发明中应用的打开合拢机制是扑翼高升力机制的一种，其作用原理为：两扑翼在上拍过程结束时两翼靠近贴合，并在下拍开始时快速打开。两翼合拢后快速打开时，在两翼上各自产生了一个环量；由于两翼打开时没有启动涡的脱落，从而避免了启动涡脱落对最大升力的延迟效应，使翼在拍动之初就立刻产生了较大的气动力。打开合拢机制主要增加垂直于打开合拢运动方向上的力，昆虫主要应用该机制增加升力，研究表明，借助打开合拢机制能够使平均升力增加约8％-19％。本发明中，扑旋翼竖直拍动，因此将上下两翼设计为反向拍动，即上方翼下拍时下方翼进行上拍运动，打开合拢运动设计在竖直方向，因此该效应主要用于增强水平方向的推力和推力矩，以提高扑旋翼的旋转速度。扑旋翼旋转速度的提高会进一步增强升力产生并提高气动效率。

本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器，其特征在于，包括上机翼、下机翼、底座、传动装置和微型电机。微型电机安装在底座上，输出动力，驱动传动装置带动上机翼和下机翼竖直往复拍动。上机翼与下机翼均为一对，共轴布置，分别安装在传动装置上下两端，随传动装置以相同拍动频率一同竖直拍动，并在拍动产生的推力矩作用下分别在上下两个水平面内同速同向被动旋转。

所述上机翼与下机翼结构相同，均分别包括一根主梁、两根辅梁和翼膜。所述主梁的一端固定连接于传动装置末端摇臂的安装孔内，且与所述两根辅梁的翼根端相连，所述主梁和辅梁粘贴于所述翼膜上。上下机翼初始安装时，当上机翼与下机翼的主梁拍动至水平面时，上机翼与下机翼所在平面均与水平面夹角设计在15°至25°之间，一对上机翼关于旋转轴反对称布置，下机翼安装要求与上机翼相同。

所述底座用于固定微型电机及传动装置，其中底座上表面开一柱形空腔，用于固定微型电机，所述柱形空腔后方为支撑结构，用于定位和支撑传动装置减速器以及执行机构。

所述微型电机固定在底座的预留柱形空腔中。

所述传动装置包括主轴齿轮、减速器和执行机构。主轴齿轮固定在微型电机输出轴上，与减速器啮合传动将电机输出的高速旋转运动进行减速。所述执行机构包括振荡组件、拍动组件及旋转组件。所述减速器与执行机构振荡组件相连，将减速后的圆周运动变为振荡组件的上下竖直振荡运动。所述振荡组件驱动拍动组件，带动上机翼和下机翼进行反向往复拍动运动，即上机翼进行上拍运动时，下机翼同步进行下拍运动。上机翼和下机翼的拍动幅度相同，为保证两翼靠近时贴合的面积足够大，打开合拢效应显著，上机翼与下机翼的拍动幅度(定义为一个拍动周期内上机翼或下机翼到达上下两极限位置时主梁所在位置之间形成的角度)限制在20°-30°。所述上机翼和下机翼通过拍动运动产生推力矩后开始随执行机构旋转组件一起被动旋转，并通过所述旋转组件限制维持上机翼与下机翼同速转动。

所述上机翼和下机翼在一个拍动周期内反向拍动，即当上机翼进行下拍时，下机翼进行上拍，当上机翼结束下拍时两翼贴合，且下拍过程结束状态下两翼距离最近，当上机翼开始上拍时两翼快速打开。为了能够在上机翼由下拍转为上拍的过程中利用打开合拢效应增加水平推力获得高转速，上机翼下拍过程结束时两翼尖之间的距离不大于上机翼平均几何弦长(定义为单翼面积除以单翼展长)的4倍。

一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器运动过程及上下机翼利用打开合拢效应提升气动性能的工作原理为：飞行器供电后，微型电机输出高速旋转，经减速器减速后借由振荡组件、拍动组件驱动上下机翼进行往复拍动，待拍动运动产生推力矩后上下机翼均借助旋转组件维持同向同速旋转直至旋转稳定。在一个完整的拍动周期内，上机翼与下机翼之间的运动关系与气动力产生过程为：

(1)当上机翼下拍时，此时下机翼上拍，二者通过拍动和旋转运动产生各自的气动力，其工作过程与传统单平面的扑旋翼类似；

(2)当上机翼下拍运动结束转上拍运动时，此时上机翼与下机翼从逐渐贴合合拢过渡至快速打开，该过程中翼水平方向的气动力增加显著，上下机翼也因此获得更大的水平旋转力矩；

(3)在上机翼继续上拍时，下机翼进行下拍，两翼分离相互间干扰减小直至新一个拍动周期开始；

(4)翼获得更高的水平旋转力矩后两翼的旋转速度会显著提升，尽管由于加工制造、尾迹干扰等因素的影响上机翼和下机翼产生的旋转力矩有所差别，但是旋转组件将上机翼与下机翼的转速限制为相同值，这使得打开合拢运动在每个拍动周期内均能够发生。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器上机翼与下机翼在一个拍动周期内利用打开合拢效应，增加翼水平方向推力和旋转力矩，使翼获得更快的旋转速度从而使其升力和气动效率提升。

(2)本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器相较单平面构型扑旋翼飞行器，翼所获得的高旋转速度增加了上拍过程翼的升力，使得翼载荷变化趋缓；翼数量的提升降低了单翼载荷，使飞行器的气动效率提升。

(3)本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器相较过去的共轴双扑旋翼飞行器，充分利用了多翼之间的流动干扰效应，避免了传统多翼布置方案中多翼干扰不能提供气动收益的问题。

附图说明

图1是本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器的整体示意图；

图2是本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器的上机翼示意图；

图3是本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器的底座示意图；

图4是本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器的传动装置底座示意图；

图5是本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器的微型电机示意图；

图中：

1-上机翼                   2-下机翼                   3-底座

4-传动装置                 5-微型电机

101-主梁                   102-短梁                   103-斜梁

104-翼膜                   401-主轴齿轮               402-大齿轮

403-传动连杆               404-内杆                   405-大支座

406-大轴承                 407-小支座                 408-小轴承

409-机翼连杆               410-摇臂

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。下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明一种共轴同向旋转的双扑旋翼微型飞行器的整体示意图，包括上机翼1、下机翼2、底座3、传动装置4、微型电机5。

图2示出了上机翼1和下机翼2的一示例性实施方式，所述一根主梁101和所述两根辅梁102、103由碳纤维杆制成，所述翼膜104由聚乙烯薄膜制成。初始安装时，当上机翼1与下机翼2的主梁位于水平面内时，上机翼1与下机翼2所在平面均与水平面夹角设计在15°至25°之间，主梁101根部的圆柱固定安装在传动装置4的摇臂410的预留孔中。如图1所示，一对上机翼1关于旋转轴反对称布置，下机翼2安装要求与上机翼相同。上机翼1和下机翼2的拍动幅度相同，为保证两翼靠近时贴合的面积足够大，打开合拢效应显著，上机翼1与下机翼2的拍动幅度限制在20°-30°。为了能够在上机翼1由下拍转为上拍的过程中利用打开合拢效应增加水平推力获得高转速，上机翼1下拍过程结束时上机翼1与下机翼2翼尖之间的距离不大于上机翼1弦长的4倍。

图3示出了底座3的一示例性实施方式，由树脂材料或聚乳酸材料通过3D打印整体制成。底座3为对称结构，上表面中心预留柱形空腔，空腔后上下两侧对称地分别布置齿轮机架，起支撑大齿轮402a和402b的作用。机架后侧预留空间，用于定位主轴齿轮401。其后竖直方向对称地布置了两个套筒，分别开中心孔和开侧面槽，用于限位内杆404a和404b。

图4示出了传动装置4的一示例性实施方式，包括主轴齿轮401、减速器(大齿轮402a和402b)、振荡组件(传动连杆403a和403b、内杆404a和404b)、拍动组件(机翼连杆409a-d、摇臂410a-d)、旋转组件(大支座405、大轴承406a和406b、小支座407a和407b、小轴承408a和408b)。内杆404由轻质碳纤维杆制成，大轴承406和小轴承408采用轻质金属轴承，其余零件均由树脂材料或聚乳酸材料通过3D打印整体制成。主轴齿轮401和大齿轮402a、402b在同一平面内啮合并垂直于底座3上下对称面。大齿轮402a和402b的位置保持两个偏心孔和关于主轴齿轮401的分度圆心中心对称。传动连杆403一端与大齿轮402的偏心孔用铆钉相连，另一端通过铆钉穿过底座3的套筒侧壁沟槽与内杆404相连。内杆404置于底座3的套筒内，可以在套筒内竖直滑动。大支座405安装在底座3的套筒顶部，与机翼连杆409铰接，大轴承406安装在大支座405预留孔中。小支座407安装在内杆404顶部，与摇臂410铰接，小轴承408安装在小支座407预留孔中。机翼连杆409与摇臂410铰接。传动装置4的作用是将电机输出的高速圆周运动，通过减速器减速，转化为振荡组件的上下运动，驱动拍动组件，带动上机翼1和下机翼2进行对称的反向往复拍动运动；上机翼1和下机翼2通过拍动运动产生推力矩后开始绕旋转组件旋转，并通过旋转组件限制维持同速转动。

图5示出了微型电机5的一示例性实施方式。微型电机5安装在底座3预留的柱形空腔中，输出轴与传动装置4中主轴齿轮401固连。

结合图1-图5说明本发明的一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器工作过程。飞行器供电后，微型电机5输出高速圆周运动，通过传动装置4减速并转化为上机翼1和下机翼2的反向往复拍动运动，产生驱动机翼旋转的力矩，上机翼1和下机翼2均借助旋转组件维持同向同速旋转直至旋转稳定，产生升力。在一个周期内，上机翼1与下机翼2必然会靠近一次，即上机翼1下拍运动结束转上拍运动时。此时上机翼1与下机翼2从逐渐贴合合拢过渡至快速打开，在打开合拢效应的作用下，该过程中翼水平方向的气动力增加显著，上机翼1与下机翼2也因此获得更大的水平旋转力矩，翼获得更高的水平旋转力矩后两翼的旋转速度会显著提升，使得来流动压增加，有利于产生更高的升力。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器，其特征在于，包括上机翼、下机翼、底座、传动装置和微型电机；

所述上机翼与下机翼均为一对，共轴布置，分别安装在传动装置上下两端，随传动装置以相同拍动频率一同竖直拍动，并在拍动产生的推力矩作用下分别在上下两个水平面内同速同向被动旋转；

所述上机翼和下机翼在一个拍动周期内反向拍动，当上机翼结束下拍时两翼贴合，且下拍过程结束状态下两翼距离最近，当上机翼开始上拍时两翼快速打开，在此过程中利用打开合拢效应增加水平方向的推力和推力矩，以使上机翼与下机翼同时获得更高的旋转速度，增强升力产生并提高气动效率；

所述传动装置包括主轴齿轮、减速器和执行机构；所述主轴齿轮固定在微型电机输出轴上，与减速器啮合传动，将电机输出的高速旋转运动进行减速；所述执行机构包括振荡组件、拍动组件及旋转组件；所述减速器与执行机构振荡组件相连，将减速后的圆周运动变为振荡组件的上下竖直振荡；所述振荡组件驱动拍动组件，带动上机翼和下机翼进行对称的反向往复拍动运动，即上机翼进行上拍运动时，下机翼同步进行下拍运动。

2.如权利要求1所述一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器，其特征在于，所述上机翼与下机翼结构相同，均分别包括一根主梁、两根辅梁和翼膜；所述上机翼与下机翼初始安装时，当上机翼与下机翼的主梁拍动至水平面时，上机翼与下机翼所在平面均与水平面夹角设计在15°至20°之间；所述上机翼关于旋转轴反对称布置，下机翼安装要求与上机翼相同。

3.如权利要求1所述一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器，其特征在于，所述上机翼和所述下机翼的拍动幅度相同，为保证两机翼距离最近时以更大的面积贴合，打开合拢效应显著，所述上机翼与所述下机翼的拍动幅度限制在20°-30°。

4.如权利要求1所述一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器，其特征在于，为了能够在上机翼由下拍转为上拍的过程中利用打开合拢效应增加水平推力获得高转速，上机翼下拍过程结束时两翼尖之间的距离不大于所述上机翼机翼平均几何弦长的4倍。

5.如权利要求1所述一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器，其特征在于，所述上机翼和下机翼通过拍动运动产生推力矩后开始随所述执行机构旋转组件一起被动旋转，并通过所述旋转组件限制维持上机翼与下机翼同速转动。

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