CN117429642A - 一种多模态可重复切换的机翼展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明面向跨介质无人飞行器，提出了一种多模态可重复切换的机翼展开机构，可以满足跨介质飞行器在不同工作环境下对快速可控地切换气动构型的需求，同时也能够在满足尺寸约束的前提下提高飞行器升阻比。通过开展大量研究工作，本发明也进一步解决了切换式升力机构常存在的工作流程复杂，载荷和飞行振动条件复杂等问题，为日后的设计工作提供了良好的基础。

Description

一种多模态可重复切换的机翼展开机构

技术领域

本发明属于跨介质无人机应用领域，具体涉及一种多模态可重复切换的机翼展开机构，其遵循模块化设计原则，可以作为单独模块完成与飞行器本体的机械与电气连接。

背景技术

近十年来无人机发展迅速，并在多个领域中都扮演着越来越重要的角色。现在，军事领域的水下侦察作战，民用领域的水下探索、考古等工作都越来越需要一种能够跨介质行动的无人飞行器。一种能够空、水两用，跨域执行任务的无人飞行器可以极大地提升工作效率，减少所需设备数量，进一步降低设备生产、采购、维护的成本。

但是，跨介质无人机在具备极大优势的同时也存在着诸多技术难题。例如，跨介质无人机在不同介质下的任务环境不同，需要具备多种气动构型以满足不同任务需求，并要求能够快速可控且可重复地在不同构型之间切换。为了满足这一需求，已经有其他设计者设计出多种机翼的变形或折叠展开机构并投入应用。但这种机构本身存在着诸多问题，例如：工作流程复杂、气动载荷和飞行振动条件复杂、往复作动装置大功率与紧凑尺寸约束存在矛盾的难题。

另一方面，为了能够在满足尺寸约束的前提下提高跨介质飞行器在空中飞行的升阻比，也已经有多种伸缩翼机构出现，但这类机构同样存在设计空间紧凑、大展弦比伸缩翼翼面刚度与伸缩机构设计耦合影响以及伸出时间约束不易解决等问题。

为了解决以上的问题，面向跨介质无人机提出一种多模态可重复切换的机翼展开机构，以满足跨介质无人机对多种气动构型的便利切换需求。

发明内容

本发明面向跨介质无人机对于气动构型的多样化需求，并且旨在解决该类飞行器在切换多种气动构型时存在的诸多问题,例如，折叠机构工作流程复杂、气动载荷和飞行振动条件复杂、往复作动装置大功率与紧凑尺寸约束存在矛盾；大展弦比伸缩翼翼面刚度与伸缩机构设计耦合影响，机翼伸缩时间约束等。

为了解决这些问题，本发明经过大量研究工作，提出以下技术解决方案：

一种多模态可重复切换的机翼展开机构，其特殊之处在于：包括控制模块、安装底座、左机翼、右机翼、重复可控的展开与折叠模块(称为A)、以及两套重复可控的伸缩翼模块(称为B)；

所述左机翼和右机翼均包括内翼和外翼，其中，内翼与外翼通过滑动组件连接，在伸缩翼模块的作用下，内翼能够收缩在外翼内部空腔中或伸出外翼，所述内翼翼根处设置有连接环，连接环呈三角形；

所述重复可控的展开与折叠模块用于控制左机翼和右机翼的同步展开与同步折叠，包括推杆电机、机翼转动轴以及两个连杆；

所述推杆电机和机翼转动轴均设置在所述安装底座上；所述左机翼和右机翼的翼根沿机翼转动轴轴向依次安装在机翼转动轴上(因此，折叠后处于上下叠合的状态)；两个连杆的一端通过同一竖杆与推杆电机的推杆连接(即两个连杆和推杆自上而下安装在竖杆上，且推杆位于两者之间)，另一端分别与左机翼和右机翼的外翼翼根板面来连接，形成曲柄结构；在机翼折叠或展开的状态下，收到展开或折叠命令时，推杆电机启动，驱动推杆，通过连杆带动左机翼和右机翼的外翼绕机翼转动轴同步反向转动，实现同步展开或同步折叠，同时利用推杆电机的自锁特性锁定推杆位置；

所述两套重复可控的伸缩翼模块分别用于控制左机翼和右机翼的内翼伸缩(即内翼伸出与内翼收缩)；

每套重复可控的伸缩翼模块包括回收电机、拉簧、钢丝绳、滑轮以及电磁锁定组件；

每套重复可控的伸缩翼模块包括回收电机、第一钢丝绳、第二钢丝绳、滑轮、拉簧以及电磁锁定组件；所述回收电机设置在安装底座上；滑轮以及拉簧的一端安装在该伸缩翼模块控制的机翼外翼内壁上，且位于同一侧，其中，拉簧位于外翼内靠近后缘处，其与滑轮之间的距离大于其极限拉伸长度；第一钢丝绳的一端与回收电机的输出轴连接，另一端绕过机翼转动轴与内翼上的连接环中部连接；第二钢丝绳的一端与连接环上靠近滑轮一侧连接，另一端绕过滑轮与拉簧的自由端连接；

所述电磁锁定组件用于锁定内翼与外翼之间的位置；

该模块中，回收电机用于内翼收缩的动作过程，当收到指令时，电磁锁定组件解除，回收电机拉动钢丝绳，通过滑轮传力改变运动方向，将内翼拉回，同时拉簧受力逐渐拉紧处于拉伸状态，收缩到位后电磁锁定组件启动，锁定内翼和外翼的相对位置；当内翼处于收缩状态时，收到伸出指令，电磁锁定组件解除，拉簧由拉伸状态恢复原状(即自由状态)，产生拉力快速将内翼弹出到位，随后电磁锁定组件启动，锁定内翼和外翼的相对位置；

所述控制模块用于对重复可控的展开与折叠模块以及两套重复可控的伸缩翼模块下达动作指令，并控制其动作。

由此可见，上述多模态可重复切换的机翼展开机构的功能实现，主要是依靠重复可控的展开与折叠模块A和重复可控的伸缩翼模块B两部分。模块A与模块B可以单独工作，也可以顺序依次工作来完成机翼模态的切换，使飞行器可以按照不同的工作环境和要求处于全折叠状态、半展开状态以及全展开状态；其中，全折叠状态即左右机翼上下叠合，内翼完全收缩在外翼空腔中，拉簧处于拉紧状态，该状态下飞行器占据空间小，便于携带、存放和转移。半展开状态即左右机翼展开到位，内翼仍完全收缩在外翼空腔中，此时拉簧仍处于拉紧状态，该状态下飞行器翼展较小，可适用于水下滑翔等工作环境。全展开状态即左右机翼完全展开到位，且内翼伸出到位，此时拉簧处于松弛状态，该状态下飞行器展弦比和升阻比达到最大，可以适用于空中巡航工作。

在实际应用中，模块A和模块B通常将按照一定顺序进行作业。一般情况下，在全折叠状态时，模块A首先接受指令开始工作，驱动左右机翼完全展开，使飞行器处于半展开状态；随后若工作情况需要，则模块B接收指令开始工作，将内翼完全伸出，使飞行器处于全展开状态。反之，若处于全展开状态下，应先由模块B工作，将内翼收缩，随后再由模块A工作使左右机翼折叠。在这一工作流程中，能够使机翼转动时的翼展和转动惯量较小，易于保证安全和效率。

进一步地，所述重复可控的展开与折叠模块还包括限位组件；

所述限位组件设置在安装底座上，用于辅助推杆进行直线运动，进一步保证安全；

该限位组件可以为沿推杆运动方向设置的两个限位块。

进一步地，为了防止机翼转动过度发生损坏或影响飞行器执行任务，所述重复可控的展开与折叠模块还包括辅助锁定组件(采用现有的辅助锁定组件即可)，用于辅助推杆电机锁定推杆位置。

进一步地，为了支撑的同时减少机翼转动轴转动过程中的摩擦系数，保证回转精度，所述机翼转动轴通过平面推力滚针轴承安装在安装底座上。

进一步地，所述滑动组件包括滑轨和滑块(也可以是滑条)；

所述滑轨沿外翼长度方向设置在外翼内腔的下翼面中部；滑块相应地设置在内翼下翼面中部；

或，

所述滑轨沿内翼长度方向设置在内翼下翼面中部；滑块相应地设置在外翼内腔的下翼面中部；

无论是上述哪种，需保证滑块与滑轨相适配，滑动顺畅。

进一步地，为了使整体布局更加合理，占用空间小，所述两套重复可控的伸缩翼模块的回收电机分别设置在推杆电机的两侧。

同时，本发明还提供了上述多模态可重复切换的机翼展开机构的展开方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)由全折叠状态到半展开状态

重复可控的展开与折叠模块接收指令，启动推杆电机，推动推杆直线运动，通过连杆传力带动机翼转动轴转动，从而带动左机翼和右机翼围绕机翼转动轴同步向外转动，进行展开动作，展开到位后，推杆电机进行自锁，达到半展开状态；

2)由半展开状态到全展开状态

重复可控的伸缩翼模块接收指令，电磁锁定组件解除锁定状态，拉簧约束力消失，开始恢复原状，同时拉动钢丝绳，通过滑轮传力，改变运动方向，使内翼从外翼的空腔中快速弹出；在内翼弹出到位后，电磁锁定组件启动对内翼与外翼之间进行锁定，达到全展开状态。

上述多模态可重复切换的机翼展开机构的折叠方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1.由全展开状态到半展开状态

重复可控的伸缩翼模块接收指令，电磁锁定组件解除锁定状态，回收电机启动，通过钢丝绳和滑轮机构传力，拉动内翼向内收缩，同时，拉簧在钢丝绳和滑轮的传力作用下逐渐拉紧，为下一次内翼弹出动作提供动力；待内翼完全收缩到外翼的空腔中，电磁锁定组件对内翼与外翼之间进行锁定，内翼收缩完毕，达到半展开状态；

S2.由半展开状态到全折叠状态

重复可控的展开与折叠模块接受指令，推杆电机启动，推动推杆直线运动，通过连杆传力带动机翼转动轴转动，从而带动左机翼和右机翼围绕机翼转动轴同步向内转动，开始折叠，折叠到位后，推杆电机进行自锁，达到全折叠状态。

除此之外，本发明提供了一种飞行器，其特殊之处在于：其上安装有上述多模态可重复切换的机翼展开机构。

本发明的优点是：

1.本发明中设计的重复可控的展开与折叠模块遵循模块化设计原则，可作为单独模块完成与飞行器本体的机械和电气连接，负责控制左右两机翼的展开与折叠动作，具备多种气动构型的快速、可控、可重复切换的功能，可以满足跨介质飞行器在水中低阻力和空中大升阻比飞行的不同需求，解决了该类机构工作流程复杂、气动载荷和飞行振动条件复杂、往复作动装置大功率与紧凑尺寸约束存在矛盾的难题；整体上提高了机构的装配工艺性、测试性和维修性。同时，该模块基于曲柄滑块机构原理，具有良好的张开一致性和技术成熟度，考虑到机构需要具备较高的可控度，采用推杆电机作为机翼展开和折叠的动力装置，通过连杆驱动机翼转动轴转动，进而带动左右机翼展开或折叠，并利用推杆电机的自锁特性完成机构到位后的锁定，具备较高的可控度并且具备自锁特性，可以完成机构到位后的锁定。

2.本发明中设计的重复可控的伸缩翼模块负责控制内翼的伸出和收缩动作，能够在满足升力机构折叠后的总体尺寸约束的前提下，提高跨介质飞行器在空中飞行的升阻比，解决了伸缩翼重复可控伸缩机构设计空间紧凑、大展弦比伸缩翼翼面刚度与伸缩机构设计耦合影响的难题。其中采用拉簧作为内翼弹出的动力装置，能够在极短时间内完成内翼的伸出动作，以满足严苛的伸出时间约束；滑轮和钢丝绳既能满足动作需求，又可以最大限度的节省空间。

3.本发明左机翼和右机翼在折叠状态时采用上下叠合的方式，以解决翼型弦长较大而机身宽度较小的矛盾。每个机翼都包括内翼和外翼，处于收缩状态时，内翼完全收缩在外翼内部空腔中，并与外翼通过滑动组件连接。为了满足机翼伸出的时间要求，在外翼空腔内设计内置拉簧作为伸出动力装置，通过钢丝绳和滑轮传递拉力将内翼快速伸出；由于机翼内空间较小，故在使用时将用作收缩动力装置的回收电机安装在位于机身内部的安装底座上，它通过钢丝绳、滑轮传递收缩力；同时内翼与外翼之间由电磁锁定组件进行锁定，防止机构动作过度。

4.本发明所设计的工作流程中机翼在转动展开或折叠时转动惯量达到最小，易于保证机构以及各部件安全且有效率地进行作业。

5.本发明设计的多模态可重复切换的机翼展开机构可以满足跨介质飞行器在不同工作环境下对快速可控地切换气动构型的需求，同时也能够在满足尺寸约束的前提下提高飞行器升阻比。通过开展大量研究工作，本发明也进一步解决了切换式升力机构常存在的工作流程复杂，载荷和飞行振动条件复杂等问题，为日后的设计工作提供了良好的基础。

附图说明

图1为重复可控的展开与折叠模块示意图；

图2为单侧的重复可控的伸缩翼模块示意图；

图3为全折叠状态示意图；

图4为半展开状态示意图；

图5为全展开状态示意图；

图6为重复可控的展开与折叠模块细节图；

图7为重复可控伸缩翼机构细节图。

图中：

1-底座；2-推杆电机；3-推杆；4-连杆；5-机翼转动轴；6-左机翼；7-右机翼；8-回收电机；9-第一钢丝绳；10-外机翼；11-内机翼；12-滑轮；13-拉簧；14-第二钢丝绳；15-连接环。

具体实施方案

下面将结合附图进一步详细说明本发明的内容：

如图1、2所示，一种多模态可重复切换的机翼展开机构包括控制模块、安装底座、左机翼、右机翼、重复可控的展开与折叠模块A、以及两套重复可控的伸缩翼模块B。重复可控的展开与折叠模块A和重复可控的伸缩翼模块B可以单独工作，也可以顺序依次工作来完成机翼模态的切换，使飞行器可以按照不同的工作环境和要求处于全折叠状态、半展开状态以及全展开状态。

左机翼和右机翼均包括内翼和外翼，其中，内翼与外翼通过滑动组件连接，伸缩翼模块的作用下，内翼能够收缩在外翼内部空腔中或伸出外翼，所述内翼翼根处设置有连接环15，连接环呈三角形；滑动组件包括滑轨和滑块；滑轨沿外翼长度方向设置在外翼内腔的下翼面中部；滑块相应地设置在内翼下翼面中部。

如图6所示，重复可控的展开与折叠模块包括推杆电机2、两个连杆4、机翼转动轴5以及平面推力滚针轴承，其中，推杆电机2、推杆3、连杆4、机翼转动轴5为模块A的主要传动部件。推杆电机设置在安装底座上，机翼转动轴通过平面推力滚针轴承设置在安装底座上；左机翼和右机翼的翼根沿机翼转动轴轴向依次安装在机翼转动轴上；两个连杆的一端通过同一竖杆与推杆电机的推杆连接(即两个连杆和推杆自上而下安装在竖杆上，且推杆位于两者之间)，另一端分别与左机翼和右机翼的外翼翼根板面来连接，形成曲柄结构；在机翼折叠或展开的状态下，收到展开或折叠命令时，推杆电机启动，驱动推杆，通过连杆带动左机翼和右机翼的外翼绕机翼转动轴同步反向转动，实现同步展开或同步折叠，同时利用推杆电机的自锁特性锁定推杆位置。

重复可控的展开与折叠模块还包括限位组件和辅助锁定组件；其中限位组件设置在安装底座上用于辅助推杆进行直线运动，可以为沿推杆运动方向设置的两个限位块；辅助锁定组件选优现有组件，用于辅助推杆电机锁定推杆位置。

如图7所示，两套重复可控的伸缩翼模块分别用于控制左机翼和右机翼的内翼伸缩。每套重复可控的伸缩翼模块包括回收电机8、拉簧13、第一钢丝绳9、第二钢丝绳14、滑轮12以及电磁锁定组件(为现有组件，基本原理为电磁铁)，其中，回收电机8、第一钢丝绳9、第二钢丝绳14、滑轮12、拉簧13为模块B的主要传动部件。

回收电机设置在安装底座上(两个回收电机分别安装在推杆电机的左右两侧)；滑轮以及拉簧的一端安装在该伸缩翼模块控制的机翼外翼内壁上，且位于同一侧，其中，拉簧位于外翼内靠近后缘处，其与滑轮之间的距离大于其极限拉伸长度；第一钢丝绳的一端与回收电机的输出轴连接，另一端绕过机翼转动轴与内翼上的连接环中部连接；第二钢丝绳的一端与连接环上靠近滑轮一侧连接，另一端绕过滑轮与拉簧的自由端连接；电磁锁定组件用于锁定内翼与外翼之间的位置。

控制模块用于对重复可控的展开与折叠模块以及两套重复可控的伸缩翼模块下达动作指令，并控制其动作。

注意，在本发明中拉簧、滑轮以及回收电机均为左右成对出现，附图中为方便起见只展示了其中一侧。

当飞行器由全折叠状态(如图3)接收指令开始展开时，首先是模块A的推杆电机2启动，推杆3在限位块之间直线运动，并通过连杆4传力带动机翼转动轴5转动，这一过程的原理基于曲柄滑块机构，推杆3的直线运动转变为了机翼转动轴5的转动运动，带动左机翼6和右机翼7(此时内外机翼视作一个整体)围绕机翼转动轴5向外转动，同步展开。当展开到位，推杆电机的自锁定功能与辅助锁定组件发挥作用，将机构锁定，防止机翼因意外发生回转折叠。此时，飞行器处于半展开状态，如图4所示。

在上述展开过程中，机构具有很高的张开一致性，保证了左右两机翼在整个过程中以及最后展开到位的状态始终保持对称。

当处于半展开状态的飞行器接收到进一步展开的指令时，模块B开始工作，首先，两侧机翼的内翼和外翼之间的电磁锁定组件解除，拉簧13受到的约束消失，开始恢复原状，同时拉动钢丝绳9，通过滑轮12传力，改变运动方向，使内翼11以较快的速度从外翼10的空腔中弹出；在内翼11弹出到位后，电磁锁定组件将再次启动完成内翼和外翼之间的锁定。

在上述伸出动作过程中，由紧绷状态的拉簧13提供动力，使整个动作过程快速且稳定，能够满足机翼伸出过程较为严格的时间约束。完成该动作过程后，飞行器将处于全展开状态，如图5所示。该状态下的飞行器展弦比、升阻比均较大，可以胜任空中巡航的任务。

飞行器完成任务后进行折叠时，应当遵循以下工作顺序，以保证机构工作的安全与效率。

处于全展开状态下的飞行器在收到折叠指令时，首先是模块B动作，内翼和外翼之间的电磁锁定组件解除，回收电机8启动通过钢丝绳9和滑轮12机构传力，拉动内翼11向内收缩，同时，拉簧13在钢丝绳9和滑轮12的传力作用下逐渐拉紧，为下一次内翼弹出动作提供动力。待内翼11完全收缩到外翼10的空腔中，电磁锁定组件启动完成锁定，内翼收缩完毕。

之后，模块A开始动作，辅助锁定组件解除，推杆电机2启动，通过连杆4传力带动机翼转动轴5转动，使左机翼6和右机翼7同步转动开始折叠，待左机翼6和右机翼7转动至上下完全叠合，推杆电机2停止工作，辅助锁定组件配合推杆电机自锁定功能完成锁定。至此，飞行器恢复至全折叠状态。

在整个机构的全部工作流程中，应当明确：在模块A进行工作使左右机翼展开或折叠之前，需要确认内翼处于收缩状态3。这样可以使左右机翼转动时的转动惯量较小，对推杆电机的负荷也较小，机构工作的安全和效率能够得到保证。

Claims (9)

1.一种多模态可重复切换的机翼展开机构，其特征在于：包括控制模块、安装底座、左机翼、右机翼、重复可控的展开与折叠模块、以及两套重复可控的伸缩翼模块；

所述左机翼和右机翼均包括内翼和外翼，其中，内翼与外翼通过滑动组件连接，在伸缩翼模块的作用下，内翼能够收缩在外翼内部空腔中或伸出外翼，所述内翼翼根处设置有连接环；

所述重复可控的展开与折叠模块包括推杆电机、机翼转动轴以及两个连杆；

所述推杆电机和机翼转动轴均设置在所述安装底座上；所述左机翼和右机翼的翼根沿机翼转动轴轴向依次安装在机翼转动轴上；两个连杆的一端通过同一竖杆与推杆电机的推杆连接，另一端分别与左机翼和右机翼的外翼翼根板面来连接，形成曲柄结构；推杆电机的推杆通过连杆驱动左机翼和右机翼绕机翼转动轴同步反向转动，同时利用推杆电机的自锁特性锁定推杆位置；

所述两套重复可控的伸缩翼模块分别用于控制左机翼和右机翼的内翼伸缩；

每套重复可控的伸缩翼模块包括回收电机、第一钢丝绳、第二钢丝绳、滑轮、拉簧以及电磁锁定组件；所述回收电机设置在安装底座上；滑轮以及拉簧的一端安装在该伸缩翼模块控制的机翼外翼内壁上，且位于同一侧，其中，拉簧位于外翼内靠近后缘处；第一钢丝绳的一端与回收电机的输出轴连接，另一端绕过机翼转动轴与内翼上的连接环中部连接；第二钢丝绳的一端与连接环上靠近滑轮一侧连接，另一端绕过滑轮与拉簧的自由端连接；

所述电磁锁定组件用于锁定内翼与外翼之间的位置；

所述控制模块用于对重复可控的展开与折叠模块、两套重复可控的伸缩翼模块下达动作指令，并控制其动作。

2.根据权利要求1所述多模态可重复切换的机翼展开机构，其特征在于：

所述重复可控的展开与折叠模块还包括限位组件；

所述限位组件设置在安装底座上，用于辅助推杆进行直线运动。

3.根据权利要求1或2所述多模态可重复切换的机翼展开机构，其特征在于：

所述重复可控的展开与折叠模块还包括辅助锁定组件，用于辅助推杆电机锁定推杆位置。

4.根据权利要求1所述多模态可重复切换的机翼展开机构，其特征在于：

所述机翼转动轴通过平面推力滚针轴承安装在安装底座上。

5.根据权利要求1所述多模态可重复切换的机翼展开机构，其特征在于：

所述滑动组件包括滑轨和滑块；

所述滑轨沿外翼长度方向设置在外翼内腔的下翼面中部；滑块相应地设置在内翼下翼面中部；

或，

所述滑轨沿内翼长度方向设置在内翼下翼面中部；滑块相应地设置在外翼内腔的下翼面中部。

6.根据权利要求1所述多模态可重复切换的机翼展开机构，其特征在于：

所述两套重复可控的伸缩翼模块的回收电机分别设置在推杆电机的两侧。

7.权利要求1-6任一所述多模态可重复切换的机翼展开机构的展开方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)由全折叠状态到半展开状态

重复可控的展开与折叠模块接收指令，启动推杆电机，推动推杆直线运动，通过连杆传力带动机翼转动轴转动，从而带动左机翼和右机翼围绕机翼转动轴同步向外转动，进行展开动作，展开到位后，推杆电机进行自锁，达到半展开状态；

2)由半展开状态到全展开状态

重复可控的伸缩翼模块接收指令，电磁锁定组件解除锁定状态，拉簧约束力消失，开始恢复原状，同时拉动钢丝绳，通过滑轮传力，改变运动方向，使内翼从外翼的空腔中弹出；在内翼弹出到位后，电磁锁定组件对内翼与外翼之间进行锁定，达到全展开状态。

8.权利要求1-6任一所述多模态可重复切换的机翼展开机构的折叠方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.由全展开状态到半展开状态

重复可控的伸缩翼模块接收指令，电磁锁定组件解除锁定状态，回收电机启动，通过钢丝绳和滑轮传力，拉动内翼向内收缩，待内翼完全收缩到外翼的空腔中，电磁锁定组件对内翼与外翼之间进行锁定，达到半展开状态；

S2.由半展开状态到全折叠状态

重复可控的展开与折叠模块接受指令，推杆电机启动，推动推杆直线运动，通过连杆传力带动机翼转动轴转动，从而带动左机翼和右机翼围绕机翼转动轴同步向内转动，开始折叠，折叠到位后，推杆电机进行自锁，达到全折叠状态。

9.一种飞行器，其特征在于：其上安装有权利要求1-6任一所述多模态可重复切换的机翼展开机构。