CN114291254A - 一种用于扑旋翼飞行器的质心控制系统及扑旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，所述质心控制系统包括配重滑块和用于带动所述配重滑块在滑动平面上移动以调整位置的滑块驱动组件，所述滑块驱动组件包括可带动配重滑块沿第一方向移动的第一驱动机构和可带动配重滑块沿第二方向移动的第二驱动机构，所述第一方向所在的直线与所述第二方向所在的直线互不重合。本发明还公开了一种扑旋翼飞行器，所述扑旋翼飞行器包括上述的质心控制系统。本发明的质心控制系统及扑旋翼飞行器具有结构简单、重量轻、环境适应性好、控制效率高、可靠性强、无需反扭矩机构等优点，并可实现多个方向的灵活飞行。

Description

一种用于扑旋翼飞行器的质心控制系统及扑旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，具体涉及一种用于扑旋翼飞行器的质心控制系统及扑旋翼飞行器。

背景技术

微型飞行器(Micro-Air Vehicles，简称MAV)是指尺寸小于15厘米、重量低于100克、飞行速度在30-60公里/小时、续航时间20-60分钟，且具有独立推进系统的飞行器。由于微型飞行器体积小携带方便，且具有良好的机动性和隐蔽性。因此微型飞行器适于在狭窄空间和恶劣环境下完成勘探、侦查、救援等任务。正是由于微型飞行器在特殊条件下的应用需求和空缺，使得微型飞行器成为近二十年来航空领域的研究热点。

随着微机械电子系统(MEMS)技术、新型材料与驱动技术、空气动力学等领域的长足发展，微型飞行器取得了高速发展。相对于常见的大尺寸的飞行器，微型飞行器在结构布局，气动特性及控制原理等方面都产生了质的变化。传统尺寸下的飞行器所适用的设计、分析方法已不再适用，因此需研究总结微型飞行器的规律，探索出新的适用于微型飞行器的设计方法与理论。随着人们对微型飞行器研究的深入，微型飞行器发展出了多种多样的飞行方式。根据飞行方式的不同，微型飞行器大致分为三类：固定翼飞行器、旋翼飞行器及扑翼飞行器。

这三类飞行器各有优缺点，简单来说，固定翼飞行器具有高速飞行的传统优势，但是难以实现悬停或是垂直起降；旋翼飞行器能够实现垂直起降和悬停，但其为了平衡自身扭矩导致结构上较为复杂，而且也存在低雷诺数下气动效率低的缺点。微型扑翼飞行器是一种符合仿生学原理的新型飞行器，它具有高气动效率，高机动性的优点，能够实现垂直起降和悬停，极具发展的潜力，但其气动原理复杂，在理论和技术上都存在一定的困难。

为了成功研制微型飞行器，不同研究机构提出了许多能充分发挥各种气动布局的优势的复合气动布局，其中，扑旋翼布局则是近年来提出的一个典型代表。扑旋翼布局结合了旋翼与扑翼的特点，该布局将翼安装在一竖直杆上，并使其能绕杆自由旋转。当翼在驱动机构的作用下上下扑动时，类似于扑翼，能同时产生升力与推力，其中推力的作用将在翼上产生一个绕竖直杆旋转的力矩从而使得翼绕杆转动。当翼旋转起来后，翼又能通过类似于旋翼的方式产生升力。

从扑旋翼的原理来看，一方面，其升力的产生方式结合了旋翼与扑翼的特点，另一方面，推动翼旋转的力矩是气动力矩，属于外力矩，因此无需像旋翼飞行器那样设计反扭矩机构，这样能简化机构的设计并减小尺寸的需求。可见，扑旋翼气动布局结合了旋翼与扑翼的特点，并在一定程度上克服了旋翼与扑翼的缺点，因而是一种较有希望的微型飞行器气动布局形式。

专利“扑旋翼设计方法及利用此方法设计的微小型扑旋翼飞行器”(专利公开号CN101492093A)中提出了一种扑旋翼飞行器的布局。但该专利中提出的设计方案和装置，仅能实现垂直起降和悬停，不能实现转向及前飞。

专利“一种基于音圈电机驱动的微型扑旋翼飞行器及制作方法”(专利公开号CN106347661A)中提出了一种方向控制装置，该装置利用扑翼旋转产生的下洗气流，通过一对舵面实现转向控制。

专利“一种微型机械式可控扑旋翼飞行器及其制造方法和控制方法”(专利公开号CN102390530A)提出了一种控制系统，利用扑旋翼产生的下洗气流，通过控制机身外侧的转向舵面产生水平面内饶垂直振荡轴的力偶，驱动机身旋转，实现转向控制。

上述后两种微型扑旋翼飞行器的控制系统都是利用扑旋翼产生的下洗气流，通过机身外侧的控制舵产生水平面内绕垂直轴的力矩，实现飞行器的转向控制。但是这种控制系统设计制造较为复杂，由于飞行器机身外侧存在控制舵面，会导致微型扑旋翼飞行器在飞行时产生较大的阻力，并且更易受到侧向风的影响。同时由于大气环境中风向与风速是随机变化的，会对扑旋翼产生的下洗气流流场产生一定的干扰，利用扑旋翼产生下洗气流的控制方法的控制效率会受到较大的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种用于扑旋翼飞行器的质心控制系统及扑旋翼飞行器，其具有结构简单、重量轻、环境适应性好、控制效率高、可靠性强、无需反扭矩机构等优点，并可实现多个方向的灵活飞行。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，所述质心控制系统包括配重滑块和用于带动所述配重滑块在滑动平面上移动以调整位置的滑块驱动组件，所述滑块驱动组件包括可带动配重滑块沿第一方向移动的第一驱动机构和可带动配重滑块沿第二方向移动的第二驱动机构，所述第一方向所在的直线与所述第二方向所在的直线互不重合。

上述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，优选的，所述第一方向所在的直线与所述第二方向所在的直线相互垂直。

上述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，优选的，所述第一驱动机构包括第一连杆、第一曲柄和第一转轮，所述第一连杆的一端与所述配重滑块相连，第一连杆的另一端与所述第一曲柄的一端相连，第一曲柄的另一端偏心设于所述第一转轮上。

上述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，优选的，所述第二驱动机构包括第二连杆、第二曲柄和第二转轮，所述第二连杆的一端与所述配重滑块相连，第二连杆的另一端与所述第二曲柄的一端相连，第二曲柄的另一端偏心设于所述第二转轮上。

上述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，优选的，所述第一转轮上设有用于控制第一转轮转动的第一控制电机，所述第一控制电机的输出轴与第一转轮相连，所述第二转轮上设有用于控制第二转轮转动的第二控制电机，所述第二控制电机的输出轴与第二转轮相连。

上述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，优选的，所述配重滑块与所述第一连杆和第二连杆的连接点重合。

上述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，优选的，所述配重滑块具有初始位置，且配重滑块位于所述初始位置时，飞行器的质心位于中心位置不发生偏移。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种扑旋翼飞行器，所述扑旋翼飞行器包括上述的质心控制系统。

上述的扑旋翼飞行器，优选的，所述扑旋翼飞行器不设置反扭矩机构。

上述的扑旋翼飞行器，优选的，所述扑旋翼飞行器还包括飞行器底座，所述飞行器底座内部设有容置腔，所述质心控制系统设于所述容置腔内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统能够通过改变飞行器的质心实现飞行器多方向的飞行以及空中悬停和垂直起降，具有结构简单、动作灵活、适用性广等优点。

2.本发明采用第一驱动机构和第二驱动机构配合控制配重滑块移动的方式，提高了飞行器飞行方向的全面覆盖，且质心控制调节精度高、范围广，从而有效提高了飞行器的机动性和灵活度，且这种质心调节方式控制效率更高，尤其是在方向调节幅度较大的情况下(如需要将质心从飞行器的竖直对称面的一侧调整到另一侧)，配重滑块直线运动以最短的路径快速到位，调节效率高，可降低调节过程中的影响，保证调节过程姿态的稳定和飞行精度及灵活度。

3.本发明的扑旋翼飞行器将质心控制系统与扑旋翼结构结合，利用飞行器配重位置的改变来变换飞行器的质心，实现飞行器的方向控制，而不是采用机身外侧的控制舵面，通过扑旋翼旋转的下洗气流实现飞行器的转向，能够减小飞行器飞行状态的气动阻力，降低飞行器控制系统的质量，同时降低环境变化对飞行器的影响，提升飞行器对于大气环境的适应能力。

附图说明

图1是实施例的飞行器的轴测图。

图2是实施例的飞行器的主视图。

图3是实施例的飞行器的俯视图。

图4是实施例的飞行器的右视图。

图5是实施例中质心控制系统的俯视图。

图6是实施例中质心控制系统的主视图。

图例说明：

1、飞行器升力系统；2、飞行器传动系统；3、飞行微型电机；4、飞行器底座；5、质心控制系统；6、飞行器动力系统；7、配重滑块；8、第一连杆；9、第一曲柄；10、第一转轮；11、第二连杆；12、第二曲柄；13、第二转轮；14、第一控制电机；15、第二控制电机。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

如图1至图4所示，本实施例的扑旋翼飞行器包括飞行器升力系统1、飞行器传动系统2、飞行器动力系统6、飞行器底座4和质心控制系统5，飞行器升力系统1、飞行器传动系统2、飞行器动力系统6和质心控制系统5均设于飞行器底座4上。其中飞行器升力系统1为一对相反安装的扑旋翼，飞行器动力系统6的输出轴与飞行器传动系统2相连，飞行器传动系统2将动力传递给飞行器升力系统1，本实施例的微型扑旋翼飞行器通过扑旋翼上下运动，继而扑旋翼旋转，产生升力，实现飞行器垂直起降和空中悬停；通过质心控制系统5改变扑旋翼飞行器的质心位置，实现微型扑旋翼飞行器在悬停状态的转向以及平飞状态的方向控制功能。

本实施例的扑旋翼飞行器不设置反扭矩机构。基于质心控制系统和扑旋翼结构的结合，本实施例的扑旋翼飞行器无需设置反扭矩机构即可实现飞行器的正常起降、悬停、偏航飞行等动作，简化了飞行器的结构，有利于降低飞行器的成本和设计难度。

本实施例中，飞行器动力系统6包括微型电机、微型电源和电源输出控制器，微型电机包括飞行微型电机3和两个控制微型电机(第一控制电机14和第二控制电机15)；微型电源、微型电机与电源输出控制器用导线连成回路；微型电源、电源输出控制器安装在飞行器底座4上，飞行微型电机3安装在中间传动齿轮组的齿轮支架上，第一控制电机14和第二控制电机15分别与第一转轮10和第二转轮13固连；微型电源用于给微型电机、电源输出控制器供电；电源输出控制器用于控制微型电机的输出功率及转速。具体的，飞行微型电机3、第一控制电机14和第二控制电机15均为微型步进电机，配合齿轮传动和连杆传动，提高了系统的可靠性和控制准确度。

本实施例中，飞行器底座4内部设有容置腔，质心控制系统5设于容置腔内。具体的，飞行器底座4为圆形，且飞行器底座4的内部为空壳，配重滑块7和滑块驱动组件均设于飞行器底座4的内部。

如图5和图6所示，本实施例的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统5包括配重滑块7和用于带动配重滑块7在滑动平面上移动以调整位置的滑块驱动组件，滑块驱动组件包括可带动配重滑块7沿第一方向移动(对应图5中的前后方向移动)的第一驱动机构和可带动配重滑块7沿第二方向移动(对应图5中的左右方向移动)的第二驱动机构，第一方向所在的直线与第二方向所在的直线互不重合，为了均衡配重滑块7到各位置的移动速度，本实施例中第一方向所在的直线与第二方向所在的直线相互垂直。将配重滑块7与第一驱动机构和第二驱动机构相连，使配重滑块7可在第一驱动机构和第二驱动机构的作用下滑动改变配重滑块7的所在位置，从而改变了飞行器飞行时的质心位置，实现飞行器的方向控制功能，增强了飞行器对于复杂环境的适应能力，同时减少了方向控制系统的设计难度和结构质量；由于同时用第一驱动机构和第二驱动机构配合控制配重滑块7移动的方式，提高了飞行器飞行方向的全面覆盖，且质心控制调节精度高、范围广、效率高、灵活性好，可快速调整配重滑块7到预设位置，避免路径过长移动时影响飞行器飞行姿态的稳定，从而有效提高了飞行器的机动性、灵活度以及飞行姿态调节的稳定性。

本实施例中，第一驱动机构包括第一连杆8、第一曲柄9和第一转轮10，第一连杆8的一端与配重滑块7相连，第一连杆8的另一端与第一曲柄9的一端相连，第一曲柄9的另一端偏心设于第一转轮10上，第一转轮10上设有用于控制第一转轮10转动的第一控制电机14，第一控制电机14的输出轴与第一转轮10相连。具体的，第一曲柄9的另一端靠近第一转轮10的外缘设置，第一控制电机14为控制微型电机。

本实施例中，第二驱动机构包括第二连杆11、第二曲柄12和第二转轮13，第二连杆11的一端与配重滑块7相连，第二连杆11的另一端与第二曲柄12的一端相连，第二曲柄12的另一端偏心设于第二转轮13上，第二转轮13上设有用于控制第二转轮13转动的第二控制电机15，第二控制电机15的输出轴与第二转轮13相连。具体的，第二曲柄12的另一端靠近第二转轮13的外缘设置，第二控制电机15为控制微型电机。

本实施例可通过控制微型电机第一控制电机14和第二控制电机15来控制第一转轮10和第二转轮13的转动来精准地调节飞行器的质心位置，二者配合调节精度高、效率快，可实现多方向的飞行姿态调整，提高了质心控制系统5的可靠性和控制效率，同时也减少了研制成本和技术难度，增加了技术的可行性。

本实施例中，配重滑块7与第一连杆8和第二连杆11的连接点重合，连接点重合便于第一驱动机构和第二驱动机构更好地配合以高效省力地调整配重滑块7的位置，进一步提高质心控制调节的精度和效率。

本实施例中，配重滑块7具有初始位置，且配重滑块7位于初始位置时，飞行器的质心位于中心位置不发生偏移。具体的，配重滑块7的初始位置位于飞行器底座4的中心，此时可以实现扑旋翼飞行器的正常起降及悬停，需要改变扑旋翼飞行器的飞行方式时，仅需控制调整配重滑块7的位置改变质心，即可进一步实现各个方向的灵活控制。

本实施例的微型扑旋翼飞行器的工作原理为：微型扑旋翼飞行器在正常飞行状态时，扑旋翼产生的升力方向是竖直向上的，当通过质心控制系统5改变飞行器的质心位置时，微型扑旋翼飞行器的飞行姿态将会发生改变，整个飞行器将会向质心改变后的位置倾斜，扑旋翼产生的升力方向与竖直方向存在一定的夹角，扑旋翼产生的升力在竖直方向的分力仍然用来平衡飞行器的重力，另一个方向上的分力将会推动飞行器向质心改变的方向飞行，从而实现微型扑旋翼飞行器的方向控制功能。

本实施例的微型扑旋翼飞行器的飞行状态包括：垂直起降、空中悬停、向前(后)飞行以及向左(右)飞行等，当质心控制系统5处于初始状态，即配重滑块7处于初始位置时，飞行器质心位置位于飞行器底座4的圆心处，其各飞行状态的工作执行过程如下：

垂直起降：在地面静止状态下，通过微型电源输出控制机器开启飞行微型电机3，并使得电机转速逐渐增加，通过飞行器传动系统2使得飞行器的扑旋翼上下拍动，产生旋转力矩使得扑旋翼旋转并产生升力。当扑旋翼旋转产生的升力达到并且超过飞行器的重力时，飞行器实现垂直起飞。而垂直降落过程为减少扑旋翼拍动频率，使之旋转速率减小并减小产生的升力，当产生的升力小于飞行器的重力时，飞行器实现垂直降落。

空中悬停：微型扑旋翼飞行器的质心控制系统5处于初始状态，使得飞行器处于竖直飞行姿态。飞行微型电机3输出恒定的转速，使得飞行器的扑旋翼以恒定的频率上下拍动和恒定的速率旋转，产生恒定的升力，此时，升力刚好等于重力，飞行器实现空中悬停。

向前(后)飞行：微型扑旋翼飞行器在飞行过程中，若需要向前(后)飞行，可以通过第一控制电机14驱动第一转轮10转动，带着第一曲柄9转动，使得配重滑块7随着第一连杆8的运动而滑动，从而改变飞行器的质心位置，使之质心处于飞行器底座4圆心的前面(后面)，微型扑旋翼飞行器的飞行姿态发生变化，产生的升力方向与竖直方向存在一定的夹角，升力产生一个指向变化后质心位置的分量，实现飞行器向前(后)飞行的功能。

向左飞行：电源输出控制器给第二控制电机15通电，使之驱动第二转轮13转动，带着第二曲柄12转动，使得配重滑块7随着第二连杆11的运动而向左滑动，飞行器的质心向左运动，飞行器的飞行姿态向左倾斜，升力产生一个向左的分量，实现微型扑旋翼飞行器向左飞行的功能。

向右飞行：电源输出控制器给第二控制电机15通电，使之驱动第二转轮13转动，带着第二曲柄12转动，使得配重滑块7随着第二连杆11的运动而向右滑动，飞行器的质心向右运动，飞行器的飞行姿态向右倾斜，升力产生一个向右的分量，实现微型扑旋翼飞行器向右飞行的功能。

若飞行器需要向其他方向飞行，则需要通过第一控制电机14驱动第一转轮10转动，带着第一曲柄9转动，使得配重滑块7随着第一连杆8的运动而前后滑动，同时通过第二控制电机15驱动第二转轮13转动，带着第二曲柄12转动，使得配重滑块7随着第二连杆11的运动而左右滑动，通过两个连杆机构可以将飞行器的质心变换至需要飞行的方向，使得飞行器飞行姿态发生变化，升力产生一个沿着需要飞行方向的分量，推着飞行器朝着这个方向飞行，实现微型扑旋翼飞行器的方向控制功能。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。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的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，其特征在于：质心控制系统(5)包括配重滑块(7)和用于带动所述配重滑块(7)在滑动平面上移动以调整位置的滑块驱动组件，所述滑块驱动组件包括可带动配重滑块(7)沿第一方向移动的第一驱动机构和可带动配重滑块(7)沿第二方向移动的第二驱动机构，所述第一方向所在的直线与所述第二方向所在的直线互不重合。

2.根据权利要求1所述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，其特征在于：所述第一方向所在的直线与所述第二方向所在的直线相互垂直。

3.根据权利要求1或2所述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，其特征在于：所述第一驱动机构包括第一连杆(8)、第一曲柄(9)和第一转轮(10)，所述第一连杆(8)的一端与所述配重滑块(7)相连，第一连杆(8)的另一端与所述第一曲柄(9)的一端相连，第一曲柄(9)的另一端偏心设于所述第一转轮(10)上。

4.根据权利要求3所述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，其特征在于：所述第二驱动机构包括第二连杆(11)、第二曲柄(12)和第二转轮(13)，所述第二连杆(11)的一端与所述配重滑块(7)相连，第二连杆(11)的另一端与所述第二曲柄(12)的一端相连，第二曲柄(12)的另一端偏心设于所述第二转轮(13)上。

5.根据权利要求4所述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，其特征在于：所述第一转轮(10)上设有用于控制第一转轮(10)转动的第一控制电机(14)，所述第一控制电机(14)的输出轴与第一转轮(10)相连，所述第二转轮(13)上设有用于控制第二转轮(13)转动的第二控制电机(15)，所述第二控制电机(15)的输出轴与第二转轮(13)相连。

6.根据权利要求4所述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，其特征在于：所述配重滑块(7)与所述第一连杆(8)和第二连杆(11)的连接点重合。

7.根据权利要求1或2所述的用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，其特征在于：所述配重滑块(7)具有初始位置，且配重滑块(7)位于所述初始位置时，飞行器的质心位于中心位置不发生偏移。

8.一种扑旋翼飞行器，其特征在于：所述扑旋翼飞行器包括如权利要求1至7任一项所述的质心控制系统(5)。

9.根据权利要求8所述的扑旋翼飞行器，其特征在于：所述扑旋翼飞行器不设置反扭矩机构。

10.根据权利要求8或9所述的扑旋翼飞行器，其特征在于：所述扑旋翼飞行器还包括飞行器底座(4)，所述飞行器底座(4)内部设有容置腔，所述质心控制系统(5)设于所述容置腔内。

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