CN113968341B - 一种使用仿生小翼的微型无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用仿生小翼的新型微型无人机，通过在主机翼的上表面靠近前缘位置加装一对仿生小翼，使无人机具有两种可切换的飞行模式，在中小迎角飞行模式下，仿生小翼与对应的主机翼的上表面贴合，与现有的微型无人机结构无异；在大迎角飞行模式下，仿生小翼与对应的主机翼的上表面呈上反角，可控制无人机在大迎角飞行时出现的流动分离现象，抑制自诱导滚转振荡，提高无人机的抗干扰能力和控制力；这样，上述使用仿生小翼的新型微型无人机能够适应不同的环境和任务，在设计迎角范围内使操控能力最大化，在非设计迎角范围内将有害影响最小化。并且，仿生小翼的体积小，且采用一体化设计，因此，不会增加无人机的额外重量，结构简单可靠。

Description

一种使用仿生小翼的微型无人机
技术领域
本发明涉及微型无人机技术领域，尤其涉及一种使用仿生小翼的微型无人机。
背景技术
微型无人机的最大飞行速度为5m/s～20m/s，其机身的最大设计长度一般为10cm～15cm，在军事、民用各科学研究等领域被越来越多的应用。微型无人机主要分为三大类，分别是固定翼微型无人机、旋翼微型无人机和扑翼微型无人机，其中，固定翼微型无人机的研究是目前微型无人机中研发种类最多、应用最广的类型。
固定翼微型无人机，考虑其小展弦比机翼的气动特性以及机身翼展的尺寸特点，其很容易受到不稳定气流的影响，造成无人机吸力面流场结构出现非对称效应，从而产生自诱导横向非稳定性现象，这一横向非稳定性现象会使无人机出现大振幅的滚转振动。并且，传统的固定翼微型无人机普遍采用普通矩形翼这种传统形状，在其大迎角飞行时容易发生失速，并且很容易受到阵风的影响出现自诱导滚转振荡，严重时甚至会导致无人机失控甚至坠毁。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种使用仿生小翼的微型无人机，用以针对传统的固定翼微型无人机，在大迎角飞行时容易发生流动分离，失去控制能力，以及在飞行时容易受到自诱导横向非稳定性现象的影响，出现自诱导滚转振荡，严重时甚至导致飞行器失控甚至坠毁的问题。
本发明提供的一种使用仿生小翼的微型无人机，包括：机身、在所述机身两侧对称安装的一对主机翼、在两个主机翼的前缘处对称安装的一对螺旋桨以及在两个主机翼的后缘处对称安装的一对副翼；还包括：位于两个主机翼的上表面且靠近前缘处对称安装的一对仿生小翼以及位于所述机身内的舵机；其中，
每个仿生小翼位于对应的主机翼前缘的一半处与所述机身之间，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的上反角大于0°且小于或等于45°，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的后掠角为0°，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的迎角为0°；
所述舵机，用于在实际迎角小于或等于所述主机翼的失速迎角时控制每个仿生小翼与对应的主机翼的上表面贴合，在实际迎角大于所述主机翼的失速迎角时控制每个仿生小翼与对应的主机翼的上表面呈上反角
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，每个仿生小翼的展长占对应的主机翼的展长的20％～30％，每个仿生小翼的弦长占对应的主机翼的弦长的5％～10％，每个仿生小翼的厚度占对应的主机翼的弦长的1％～2％。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，每个仿生小翼的前缘与对应的主机翼的前缘平齐，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的上反角为25°。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，还包括：位于所述机身内的信号接收发射装置，用于与地面人员通信，远程控制无人机。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，还包括：位于所述机身内与所述信号接收发射装置电性连接的电机驱动装置，用于在所述信号接收发射装置的控制下，驱动两个螺旋桨旋转。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，每个螺旋桨通过电机架安装在对应的主机翼的前缘处。
本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机，通过在主机翼的上表面靠近前缘位置加装一对仿生小翼，使得无人机具有两种可切换的飞行模式，在中小迎角飞行模式下，舵机控制仿生小翼折叠，即仿生小翼与对应的主机翼的上表面贴合，与现有的微型无人机结构无异；在大迎角飞行模式下，舵机控制仿生小翼向上偏转，使仿生小翼与对应的主机翼的上表面呈上反角，可控制无人机在大迎角飞行时出现的流动分离现象，抑制自诱导滚转振荡，提高无人机的抗干扰能力和控制力；这样，本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机能够适应不同的环境和任务，在设计迎角范围内使操控能力最大化，在非设计迎角范围内将有害影响最小化。并且，仿生小翼的体积小，且采用一体化设计，因此，不会增加无人机的额外重量，结构简单可靠。
附图说明
图1为本发明提供的一种使用仿生小翼的微型无人机在大迎角飞行模式下的结构示意图；
图2为本发明提供的一种使用仿生小翼的微型无人机在中小迎角飞行模式下的结构示意图；
图3为图1的俯视图、侧视图和正视图；
图4为本发明实施例1中使用仿生小翼的微型无人机中仿生小翼的示意图；
图5为本发明实施例1中使用仿生小翼的微型无人机中副翼的示意图；
图6为本发明实施例1中使用仿生小翼的微型无人机的自诱导滚转实验结果图。
附图标记说明：机身1；主机翼2；螺旋桨3；副翼4；仿生小翼5；电机架6。
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。
本发明提供的一种使用仿生小翼的微型无人机，如图1和图2所示，包括：机身1、在机身1两侧对称安装的一对主机翼2、在两个主机翼2的前缘处对称安装的一对螺旋桨3以及在两个主机翼2的后缘处对称安装的一对副翼4，一对主机翼2和机身1构成无人机的主体部分，一对螺旋桨3作为无人机的动力系统，一对副翼4作为无人机的气动舵面；本发明提供的一种使用仿生小翼的微型无人机，还包括：位于两个主机翼2的上表面且靠近前缘处对称安装的一对仿生小翼5以及位于机身1内的舵机；其中，
每个仿生小翼5位于对应的主机翼2前缘的一半处与机身1之间，如图1所示的虚线框即为仿生小翼5的设置范围；每个仿生小翼5相对于对应的主机翼2的上反角大于0°且小于或等于45°，每个仿生小翼5相对于对应的主机翼2的后掠角为0°，每个仿生小翼5相对于对应的主机翼2的迎角为0°；需要注意的是，两个仿生小翼5需对称设置，即两个仿生小翼5相对于对应的主机翼2的上反角/>相同，两个仿生小翼5相对于对应的主机翼2的后掠角相同，且两个仿生小翼5相对于对应的主机翼2的迎角相同；
舵机，用于在实际迎角小于或等于主机翼2的失速迎角时控制每个仿生小翼5与对应的主机翼2的上表面贴合(如图2所示)，在实际迎角大于主机翼2的失速迎角时控制每个仿生小翼5与对应的主机翼2的上表面呈上反角(如图1所示)；也就是说，本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机存在两种可切换的飞行模式：在中小迎角飞行模式下，即实际迎角小于或等于主机翼2的失速迎角时，舵机控制仿生小翼5折叠，即仿生小翼5与对应的主机翼2的上表面贴合，与现有的微型无人机结构无异，通过一对副翼4控制无人机的飞行姿态；在大迎角飞行模式下，即实际迎角大于主机翼2的失速迎角时，舵机控制仿生小翼5向上偏转，使仿生小翼5与对应的主机翼2的上表面呈上反角/>可控制无人机在大迎角飞行时出现的流动分离现象，抑制自诱导滚转振荡，提高无人机的抗干扰能力和控制力；这样，本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机能够适应不同的环境和任务。由于仿生小翼的体积小，且采用一体化设计，因此，不会增加无人机的额外重量，结构简单可靠。
需要说明的是，主机翼的失速迎角为没有仿生小翼时主机翼的失速迎角。
为了便于理解本发明，本发明还给出了图1的俯视图、侧视图和正视图，如图3所示。图3中的(a)为图1的俯视图，图3中的(b)为图1的侧视图，图3中的(c)为图1的正视图。
在具体实施时，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，可以对仿生小翼的尺寸设计如下：每个仿生小翼的展长占对应的主机翼的展长的20％～30％，每个仿生小翼的弦长占对应的主机翼的弦长的5％～10％，每个仿生小翼的厚度占对应的主机翼的弦长的1％～2％。
较佳地，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，可以将每个仿生小翼的前缘设计为与对应的主机翼的前缘平齐，将每个仿生小翼相对于对应的主机翼的上反角设计为25°，经简化模型风洞实验证明，如此设计仿生小翼的位置和上反角，抑制自诱导滚转振荡的效果最佳。
在具体实施时，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，还可以包括：位于机身内的信号接收发射装置，信号接收发射装置可以与地面人员通信，远程控制无人机完成飞行任务。
在具体实施时，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，还可以包括：位于机身内与信号接收发射装置电性连接的电机驱动装置，电机驱动装置可以在信号接收发射装置的控制下，驱动两个螺旋桨旋转。一对螺旋桨和电机驱动装置构成无人机的动力系统，通过两个螺旋桨差动进行航向控制。
在具体实施时，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，还可以包括：位于机身内的电池，电池可以为无人机提供电能。
在具体实施时，在本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机中，如图1和图2所示，每个螺旋桨3可以通过电机架6安装在对应的主机翼2的前缘处。螺旋桨3的安装位置以与仿生小翼5互不干涉为准。
下面给出一个具体的实施例，并通过自诱导滚转实验对本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机在大迎角飞行模式下抑制自诱导滚转振荡的性能进行验证。
实施例1：
无人机，如图1和图2所示，包括：机身1、在机身1两侧对称安装的一对主机翼2、在两个主机翼2的前缘处对称安装的一对螺旋桨3、在两个主机翼2的后缘处对称安装的一对副翼4、位于两个主机翼2的上表面且与主机翼2的前缘齐平的对称安装的一对仿生小翼5以及位于机身1内的电池、舵机、信号接收发射装置、与信号接收发射装置电性连接的电机驱动装置；每个螺旋桨3通过电机架6安装在对应的主机翼2的前缘。一对主机翼2和机身1构成无人机的主体部分，一对螺旋桨3和电机驱动装置作为无人机的动力系统，通过两个螺旋桨差动进行航向控制，一对副翼4作为无人机的气动舵面，用于在中小迎角情况下控制飞行姿态。
主机翼采用固定20°后掠翼，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的后掠角为0°，即仿生小翼的后掠角也为20°，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的迎角为0°。仿生小翼的展长占对应的主机翼的展长的30％，每个仿生小翼的弦长占对应的主机翼的弦长的7％，每个仿生小翼的厚度占对应的主机翼的弦长的1.4％。仿生小翼的厚度为2mm，仿生小翼的弦长为10mm，仿生小翼的展长为35mm(如图4所示)，图4中的(a)、(b)、(c)分别为仿生小翼的俯视图、侧视图和正视图，在此展长下仿生小翼可以稳定一部分大迎角下本该分离的前缘剪切层和翼梢涡，并将其融合。副翼的弦长为60mm，副翼的展长为115mm(如图5所示)，图5中的(a)、(b)、(c)分别为副翼的俯视图、侧视图和正视图。
仿生小翼设计两个位置，分别为对应主机翼前缘的一半处和靠近机身的1/4处。仿生小翼的上反角设计5个，分别为5°、15°、25°、35°和45°。如图6所示，横坐标为迎角α，纵坐标为滚转角均方根base代表未设计仿生小翼，side代表仿生小翼位于对应主机翼前缘靠近机身的1/4处，mid代表仿生小翼位于对应主机翼前缘的一半处，5、15、25、35和45分别代表仿生小翼的上反角分别为5°、15°、25°、35°和45°。由图6可以看出，上反角为25°的仿生小翼可以显著增大自诱导滚转现象的发生迎角，抑制滚转振幅。
本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机，通过在主机翼的上表面靠近前缘位置加装一对仿生小翼，使得无人机具有两种可切换的飞行模式，在中小迎角飞行模式下，舵机控制仿生小翼折叠，即仿生小翼与对应的主机翼的上表面贴合，与现有的微型无人机结构无异；在大迎角飞行模式下，舵机控制仿生小翼向上偏转，使仿生小翼与对应的主机翼的上表面呈上反角，可控制无人机在大迎角飞行时出现的流动分离现象，抑制自诱导滚转振荡，提高无人机的抗干扰能力和控制力；这样，本发明提供的上述使用仿生小翼的微型无人机能够适应不同的环境和任务，在设计迎角范围内使操控能力最大化，在非设计迎角范围内将有害影响最小化。并且，仿生小翼的体积小，且采用一体化设计，因此，不会增加无人机的额外重量，结构简单可靠。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种使用仿生小翼的微型无人机，包括：机身、在所述机身两侧对称安装的一对主机翼、在两个主机翼的前缘处对称安装的一对螺旋桨以及在两个主机翼的后缘处对称安装的一对副翼；其特征在于，还包括：位于两个主机翼的上表面且靠近前缘处对称安装的一对仿生小翼以及位于所述机身内的舵机；其中，
每个仿生小翼位于对应的主机翼前缘的一半处与所述机身之间，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的上反角φ大于0°且小于或等于45°，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的后掠角为0°，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的迎角为0°；
所述舵机，用于在实际迎角小于或等于所述主机翼的失速迎角时控制每个仿生小翼与对应的主机翼的上表面贴合，在实际迎角大于所述主机翼的失速迎角时控制每个仿生小翼与对应的主机翼的上表面呈上反角φ；
每个仿生小翼的展长占对应的主机翼的展长的20％～30％，每个仿生小翼的弦长占对应的主机翼的弦长的5％～10％，每个仿生小翼的厚度占对应的主机翼的弦长的1％～2％；
每个仿生小翼的前缘与对应的主机翼的前缘平齐，每个仿生小翼相对于对应的主机翼的上反角φ为25°；
每个螺旋桨通过电机架安装在对应的主机翼的前缘处。
2.如权利要求1所述的使用仿生小翼的微型无人机，其特征在于，还包括：位于所述机身内的信号接收发射装置，用于与地面人员通信，远程控制无人机。
3.如权利要求2所述的使用仿生小翼的微型无人机，其特征在于，还包括：位于所述机身内与所述信号接收发射装置电性连接的电机驱动装置，用于在所述信号接收发射装置的控制下，驱动两个螺旋桨旋转。
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