RU43533U1

RU43533U1 - AUTONOMOUS MINIATURE AIRCRAFT

Info

Publication number: RU43533U1
Application number: RU2004127742/22U
Authority: RU
Inventors: С.А. Ерофеев; А.Б. Смирнов
Original assignee: Ерофеев Сергей Анатольевич; Смирнов Аркадий Борисович
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2005-01-27

Abstract

Полезная модель относится к малогабаритным авиационным системам с дистанционно пилотируемыми летательными аппаратами, в частности к летательным мини- и микроаппаратам с машущими крыльями общим весом до 0,03 кг, предназначенными для различного рода мониторингов земной поверхности. Полезная модель решает задачу упрощения конструкции летательного аппарата, повышения надежности его работы, а также увеличения его грузоподъемности. Для этого в летательном аппарате, содержащем фюзеляж с установленной подвижно относительно него по меньшей мере одной парой машущих крыльев и жестко закрепленными на нем по меньшей мере двумя пьезоэлектрическими двигателями, машущие крылья соединены с фюзеляжем с помощью сферических шарниров, а пьезоэлектрические двигатели выполнены в виде биморфных пьезоэлектрических преобразователей, связанных с машущими крыльями посредством упругих элементов.The utility model relates to small-sized aviation systems with remotely piloted aircraft, in particular to flying mini- and micro-devices with flapping wings with a total weight of up to 0.03 kg, designed for various kinds of monitoring of the earth's surface. The utility model solves the problem of simplifying the design of the aircraft, increasing the reliability of its operation, as well as increasing its carrying capacity. For this, in an aircraft containing a fuselage with at least one pair of flapping wings mounted movably relative to it and at least two piezoelectric engines rigidly fixed on it, flapping wings are connected to the fuselage using spherical joints, and piezoelectric engines are made in the form of bimorph piezoelectric transducers associated with flapping wings by means of elastic elements.

Description

Полезная модель относится к малогабаритным авиационным системам с дистанционно пилотируемыми летательными аппаратами, в частности к летательным мини- и микроаппаратам с машущими крыльями общим весом до 0,03 кг, предназначенными для различного рода мониторингов земной поверхности на небольшой высоте и на ограниченные расстояния.The utility model relates to small-sized aviation systems with remotely piloted aircraft, in particular to flying mini- and micro-devices with flapping wings with a total weight of up to 0.03 kg, designed for various kinds of monitoring of the earth's surface at low altitudes and for limited distances.

Известен автономно пилотируемый летательный микроаппарат для портативного комплекса авианаблюдений, содержащий фюзеляж с размещенными на нем винтовым движителем и рулевым управлением по курсу и тангажу; в фюзеляже выполнен приборный отсек, в корпусе которого установлены видеокамера с передатчиком видеоизображения, радиоуправляемое бортовая система обеспечения полета и бортовая приемопередающая аппаратура. При этом подъемная сила ЛА обеспечивается с помощью винтового движителя, выполненного в виде, по меньшей мере, одного винтового блока, воздушные винты которого приводятся в движение через редуктор электродвигателя, подключенного к общей аккумуляторной батарее (см. патент РФ №2232104, МПК В 64 С 29/02, G 01 V 9/00, 2003 г.).Known autonomously piloted aircraft microcircuit for a portable complex of aircraft observations, containing the fuselage with a screw propulsion and steering placed on it at the heading and pitch; the instrument compartment is made in the fuselage, in the housing of which a video camera with a video image transmitter, a radio-controlled on-board flight support system and on-board transceiver equipment are installed. In this case, the aircraft’s lifting force is provided by means of a screw propeller made in the form of at least one screw block, the propellers of which are driven through a gearbox of an electric motor connected to a common battery (see RF patent No. 2232104, IPC B 64 C 29/02, G 01 V 9/00, 2003).

Это устройство выполнено довольно компактным, в то же время позволяя автоматизировать управление и корректировку полета летательного аппарата благодаря использованию в радиоуправляемой бортовой системе обеспечения полета микромеханической бесплатформенной инерциальной навигационной системы и других микроэлектронных комплектующих. Однако наличие винтового блока с редуктором и электродвигателем не позволяет существенно снизить габариты и вес летательного аппарата, а также ухудшает его шумовые характеристики.This device is made quite compact, at the same time allowing automation of control and adjustment of the flight of the aircraft due to the use of a micromechanical strapdown inertial navigation system and other microelectronic components in the radio-controlled on-board flight support system. However, the presence of a screw block with a gearbox and an electric motor does not significantly reduce the dimensions and weight of the aircraft, and also worsens its noise characteristics.

Известно бионическое устройство с электромагнитным приводом машущих крыльев, являющееся миниатюрным летательным аппаратом, содержащее фюзеляж, одну пару плоских крыльев, электромагнитный привод и систему управления (см. патент КНР №CN1453185, МПК В 64 С 33/02, 2003г.). Каждое крыло в этом устройстве сформировано плоским рамочным каркасом с пленкой, прикрепленной к нему. При этом плоский рамочный каркас снабжен тремя параллельными приводными стержнями, перпендикулярными центральной осевой линии летательного аппарата. Каждое плоское крыло имеет отдельный вибрационный блок, прикрепленный к переднему углу и A bionic device with an electromagnetic drive of flapping wings is known, which is a miniature aircraft containing a fuselage, one pair of flat wings, an electromagnetic drive and a control system (see PRC patent No. CN1453185, IPC B 64 C 33/02, 2003). Each wing in this device is formed by a flat frame frame with a film attached to it. In this case, the flat frame frame is equipped with three parallel drive rods perpendicular to the center axis of the aircraft. Each flat wing has a separate vibration unit attached to the front corner and

передающий движение к каждому приводному стержню. В устройстве имеется по меньшей мере два (а для обеспечения достаточной подъемной силы в преимущественном варианте выполнения - двенадцать) независимых параллельных электромагнитных привода, установленных симметрично фюзеляжу. Оси катушки, пружины и постоянного магнита привода совпадают друг с другом и перпендикулярны поверхности крыла и приводным стержням. Такая конструкция позволяет осуществлять движение летательного аппарата по управляемой траектории за счет раздельной работы каждого из 12 электромагнитов, согласование действия и размещения которых является сложной технической задачей. Кроме того, наличие сложных кинематических цепей ухудшает надежность устройства, а электромагнитные приводы имеют достаточно большой вес, что увеличивает общую массу и, тем самым, приводит к снижению грузоподъемности летательного аппарата.transmitting movement to each drive shaft. The device has at least two (and to provide sufficient lifting force in the preferred embodiment twelve) independent parallel electromagnetic drives mounted symmetrically to the fuselage. The axes of the coil, spring and permanent magnet of the drive coincide with each other and are perpendicular to the surface of the wing and the drive rods. This design allows the aircraft to move along a controlled trajectory due to the separate operation of each of the 12 electromagnets, the coordination of the action and placement of which is a difficult technical task. In addition, the presence of complex kinematic chains degrades the reliability of the device, and electromagnetic drives have a sufficiently large weight, which increases the total mass and, thereby, reduces the carrying capacity of the aircraft.

Известны результаты научных исследований в области создания микроминиатюрных летательных аппаратов, опубликованные в трудах конференции ICRA (Международной конференции по робототехнике и автоматизации). В частности, известен миниатюрный летательный аппарат с машущими крыльями общей массой 1,05·10^-2 кг, содержащий фюзеляж, электрические двигатели, механические передачи и крылья, выполненные в виде рамочного каркаса с пленкой (см. статью Т.Nick Pornsin-Sirirak, Y. - C. Tai, H. Nassef, C. - M. Но, " Titanium - Alloy MEMS Wing Technology for A Micro Aerial Vehicle Application," Sensors and Actuators, A: Physical, vol.89, Issue 1-2, Mar 20, 2001, pp.95-103). В нем вращение от электродвигателя постоянного тока передается через редуктор и четырехзвенные кривошипно-шатунные механизмы на крылья, установленные на фюзеляже при помощи цилиндрических шарниров. Такое техническое решение позволяет осуществлять полет по прямой линии или по окружности, однако оно не позволяет управлять горизонтальной скоростью аппарата. Кроме того, редуктор и кривошипные механизмы имеют относительно большой вес, что также увеличивает общую массу устройства и снижает полезную грузоподъемность летательного аппарата.The results of scientific research in the field of microminiature aircraft creation are known, published in the proceedings of the ICRA conference (International Conference on Robotics and Automation). In particular, a miniature flying vehicle with flapping wings with a total weight of 1.05 · 10 ^-2 kg is known, containing a fuselage, electric motors, mechanical transmissions and wings made in the form of a frame frame with a film (see article T. Nick Pornsin-Sirirak, Y. - C. Tai, H. Nassef, C. - M. But, "Titanium - Alloy MEMS Wing Technology for A Micro Aerial Vehicle Application," Sensors and Actuators, A: Physical, vol. 89, Issue 1-2, Mar 20, 2001, pp. 95-103). In it, rotation from the DC motor is transmitted through the gearbox and four-link crank mechanisms to the wings mounted on the fuselage with the help of cylindrical hinges. This technical solution allows you to fly in a straight line or in a circle, but it does not allow you to control the horizontal speed of the device. In addition, the gearbox and crank mechanisms have a relatively large weight, which also increases the total mass of the device and reduces the payload of the aircraft.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство «Микромеханическое летающее насекомое», содержащее фюзеляж, установленные на нем машущие крылья, выполненные в виде упругих рамочных каркасов с пленкой, и пьезоэлектрические двигатели, соединенные с крыльями с помощью механических передач (см. статью J. Yan, R.J. Wood, S. Avadhanula, M. Sitti, and R.S. Fearing: Towards flapping Wing Control for a Micromechanical Flying Insect. Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2001, pp. 3901-3908, Seoul, Korea, May 21-26, 2001). В качестве пьезоэлектрических двигателей в нем используются мономорфные пьезоэлектрические преобразователи, состоящие из одного слоя The closest in technical essence to the claimed is the device "Micromechanical flying insect", containing the fuselage, mounted on it flapping wings, made in the form of elastic frame frames with a film, and piezoelectric motors connected to the wings using mechanical gears (see article J. Yan, RJ Wood, S. Avadhanula, M. Sitti, and RS Fearing: Towards flapping Wing Control for a Micromechanical Flying Insect. Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2001, pp. 3901-3908, Seoul, Korea, May 21-26, 2001). As piezoelectric motors it uses monomorphic piezoelectric transducers, consisting of one layer

пьезокерамики и одного слоя металла, которые позволяют получить частоту колебаний крыльев до 120 Гц, необходимую для обеспечения полета аппарата Для передачи колебаний от пьезоэлектрических преобразователей к крыльям в устройстве использованы четырехзвенные механизмы с упругими шарнирами и дифференциальными механизмами, благодаря которым размах крыльев может достигать 90°, что в принципе обеспечивает полет при массе устройства не более 10^-4 кг Однако такая конструкция летательного аппарата, основанная на применении мономорфных пьезоэлектрических преобразователей и четырехзвенных механизмов, не может обеспечить полет аппарата с большей массой, например, с полезной нагрузкой (микровидеокамерой, микросхемами устройства управления и т.п.), а именно, с массой 1,0·^-2-2,0·10^-2 кг Это связано с тем, что амплитуды мономорфных пьезоэлектрических преобразователей малы, а для повышения грузоподъемности при сохранении требуемых частот колебаний крыльев масса звеньев механических передач должна быть увеличена более чем на порядок, что приведет к возникновению паразитных колебаний в самих механических передачах и не позволит обеспечить необходимого для создания подъемной силы размаха крыльев порядка 90°. Кроме того, в указанном устройстве кинематическая схема механических передач содержит большое количество элементов и сложна в изготовлении, что влечет за собой снижение надежности работы устройства, а дополнительные силы сопротивления в упругих шарнирах, пропорциональные амплитудам колебаний крыльев, требуют увеличения мощности приводов.piezoelectric ceramics and one metal layer, which make it possible to obtain a wing vibration frequency of up to 120 Hz, necessary to ensure the flight of the apparatus. Four-link mechanisms with elastic hinges and differential mechanisms are used in the device to transmit oscillations from piezoelectric transducers to the wings, due to which the wingspan can reach 90 °, that basically provides flight mass when the device is not more than 10 ^-4 kg However, such an aircraft structure based on the application monomorphic pezoe ektricheskih inverters and four-link mechanisms may not provide the flight apparatus with a large mass, such as a payload (mikrovideokameroy, controller chips, etc.), namely, a weight of 1.0 · 10 ^-2 -2.0 · ^-2 kg This is due to the fact that the amplitudes of the monomorphic piezoelectric transducers are small, and in order to increase the load capacity while maintaining the required wing vibration frequencies, the mass of the mechanical transmission links should be increased by more than an order of magnitude, which will lead to spurious oscillations in mechanical gears themselves and will not allow to provide the wingspan of the order of 90 ° necessary to create a lifting force. In addition, in the specified device, the kinematic scheme of mechanical transmissions contains a large number of elements and is difficult to manufacture, which entails a decrease in the reliability of the device, and additional resistance forces in elastic joints proportional to the oscillation amplitudes of the wings require an increase in drive power.

Заявленная полезная модель решает задачу упрощения конструкции летательного аппарата и тем самым повышения надежности его работы, а также увеличения его грузоподъемности за счет повышения мощности двигателей и уменьшения сопротивления в упругих шарнирах.The claimed utility model solves the problem of simplifying the design of the aircraft and thereby increasing the reliability of its operation, as well as increasing its carrying capacity by increasing engine power and reducing resistance in elastic joints.

Для достижения этих целей в летательном аппарате, содержащем фюзеляж с установленной подвижно относительно него по меньшей мере одной парой машущих крыльев и жестко закрепленными на нем по меньшей мере двумя пьезоэлектрическими двигателями, машущие крылья соединены с фюзеляжем с помощью сферических шарниров, а пьезоэлектрические двигатели выполнены в виде биморфных пьезоэлектрических преобразователей, связанных с машущими крыльями посредством упругих элементов При этом каждое машущее крыло соединено с фюзеляжем по меньшей мере одним сферическим шарниром, либо по меньшей мере двумя шарнирами, хотя бы один из которых является сферическим, а другой может быть, например, цилиндрическим Сферические шарниры каждой пары машущих крыльев соединены попарно таким образом, что общие оси каждой пары шарниров параллельны друг другу и расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии фюзеляжа To achieve these goals in an aircraft containing a fuselage with at least one pair of flapping wings mounted movably relative to it and at least two piezoelectric engines rigidly fixed on it, flapping wings are connected to the fuselage using spherical hinges, and piezoelectric engines are made in the form bimorph piezoelectric transducers associated with flapping wings by means of elastic elements. Each flapping wing is connected to the fuselage of at least one spherical hinge, or at least two hinges, at least one of which is spherical, and the other can be, for example, cylindrical. The spherical hinges of each pair of flapping wings are connected in pairs so that the common axes of each pair of hinges are parallel to each other and are located in plane perpendicular to the plane of symmetry of the fuselage

фюзеляж аппарата выполнен в виде продольного несущего элемента, на котором жестко установлены указанные выше шарниры, а также жестко укреплен по меньшей мере один держатель пьезоэлектрических преобразователей. При этом несущий элемент выполнен в виде удлиненного полого элемента произвольного сечения, симметричного относительно вертикальной оси, например, круглого, треугольного или многоугольного. В частном случае несущий элемент выполнен в виде трубки круглого сечения.the fuselage of the apparatus is made in the form of a longitudinal bearing element on which the above hinges are rigidly mounted, and at least one holder of piezoelectric transducers is rigidly fixed. In this case, the supporting element is made in the form of an elongated hollow element of arbitrary cross section, symmetrical about the vertical axis, for example, round, triangular or polygonal. In the particular case, the supporting element is made in the form of a tube of circular cross section.

Биморфные пьезоэлектрические преобразователи летательного аппарата консольно закреплены в держателе и расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии фюзеляжа, а держатель пьезоэлектрических преобразователей расположен в средней части фюзеляжа.Bimorphic piezoelectric transducers of the aircraft are cantilevered in the holder and located in a plane perpendicular to the plane of symmetry of the fuselage, and the holder of the piezoelectric transducers is located in the middle of the fuselage.

Каждое машущее крыло в заявленном устройстве выполнено в виде упругого рамочного каркаса с прикрепленной к нему тонкой пленкой из полимерного материала, в качестве которой может быть использована полимерная пленка с перфорированной структурой, пропускающая воздух только в одном направлении.Each flapping wing in the claimed device is made in the form of an elastic frame frame with a thin film of polymer material attached to it, which can be used as a polymer film with a perforated structure that allows air to pass in only one direction.

Каждое машущее крыло соединено по меньшей мере с одним биморфным пьезоэлектрическим преобразователем с помощью по меньшей мере двух упругих элементов, закрепленных симметрично относительно плоскости машущего крыла, по одному с каждой из сторон его каркаса, связанных с шарниром. В одном из вариантов выполнения каждое машущее крыло соединено с двумя биморфными пьезоэлектрическими преобразователями с помощью упругих элементов, закрепленных симметрично относительно плоскости машущего крыла по одному с каждой из противоположных боковых сторон его каркаса, соединенных со сферическим шарниром.Each flapping wing is connected to at least one bimorph piezoelectric transducer using at least two elastic elements fixed symmetrically with respect to the plane of the flapping wing, one on each side of its frame connected to the hinge. In one embodiment, each flapping wing is connected to two bimorph piezoelectric transducers using elastic elements mounted symmetrically relative to the plane of the flapping wing, one from each of the opposite sides of its frame connected to a spherical hinge.

Упругие элементы, соединяющие машущие крылья с пьезоэлектрическими преобразователями, выполнены в виде пружин или двухзвенных механических элементов. При этом в качестве упругих элементов могут быть использованы, например, цилиндрические пружины, или плоские фигурные пружины.The elastic elements connecting the flapping wings with piezoelectric transducers are made in the form of springs or two-link mechanical elements. In this case, for example, cylindrical springs or flat shaped springs can be used as elastic elements.

Для обеспечения симметричности нагрузки на машущие крылья между ними установлены дополнительные упругие элементы, соединяющие попарно соответствующие стороны каждой пары машущих крыльев, связанные с пьезоэлектрическими преобразователями. Эти дополнительные упругие элементы также могут быть выполнены в виде пружин или двухзвенных механических элементов. При этом в качестве дополнительных упругих элементов могут быть использованы, например, цилиндрические пружины, или плоские фигурные пружины.To ensure the symmetry of the load on the flapping wings, additional elastic elements are installed between them, connecting the corresponding sides of each pair of flapping wings in pairs, connected with piezoelectric transducers. These additional elastic elements can also be made in the form of springs or two-link mechanical elements. In this case, for example, cylindrical springs or flat shaped springs can be used as additional elastic elements.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых на фиг.1 показан предлагаемый автономный миниатюрный летательный аппарат; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - The utility model is illustrated by drawings, in which figure 1 shows the proposed autonomous miniature aircraft; figure 2 is the same side view; figure 3 -

то же, вид сверху; на фиг.4 - узел крепления биморфных пьезоэлектрических преобразователей; на фиг.5 - кинематическая схема одного из крыльев.same top view; figure 4 - mount the bimorph piezoelectric transducers; figure 5 is a kinematic diagram of one of the wings.

Летательный аппарат содержит фюзеляж 1, на котором установлены подвижно относительно него по меньшей мере одна пара машущих крыльев 2, соединенных с фюзеляжем 1 с помощью сферических шарниров 3, и жестко закрепленные на нем по меньшей мере два пьезоэлектрических двигателя, выполненных в виде биморфных пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5, связанных с машущими крыльями 2 посредством упругих элементов 6. При этом каждое машущее крыло 2 соединено с фюзеляжем 1 по меньшей мере одним сферическим шарниром, либо по меньшей мере двумя шарнирами, хотя бы один из которых является сферическим, а другой может быть, например, цилиндрическим. Для обеспечения симметричности расположения машущих крыльев корпуса 7 сферических шарниров 3 каждой пары крыльев 2 соединены попарно таким образом, что общие оси каждой пары шарниров параллельны друг другу и расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии фюзеляжа 1.The aircraft contains a fuselage 1 on which at least one pair of flapping wings 2 is mounted movably relative to it, connected to the fuselage 1 using spherical hinges 3, and at least two piezoelectric motors rigidly mounted on it, made in the form of bimorph piezoelectric transducers 4 and 5, connected to the flapping wings 2 by means of elastic elements 6. Moreover, each flapping wing 2 is connected to the fuselage 1 by at least one spherical hinge, or at least two hinges, at least one of which is spherical, and the other can be, for example, cylindrical. To ensure symmetrical arrangement of the flapping wings of the hull 7, the spherical hinges 3 of each pair of wings 2 are connected in pairs so that the common axes of each pair of hinges are parallel to each other and are located in a plane perpendicular to the plane of symmetry of the fuselage 1.

В вариантах выполнения на фюзеляже 1 может быть установлено две, три или более пары машущих крыльев (на чертежах не показано), каждая из которых должна быть соединена с двумя пьезоэлектрическими преобразователями, что обеспечивает не только вертикальный взлет, но и горизонтальное перемещение устройства. Каждое машущее крыло 2, в зависимости от геометрической формы крыльев, соединено с фюзеляжем 1 по меньшей мере одним сферическим шарниром 3, либо по меньшей мере двумя шарнирами, хотя бы один из которых является сферическим, а другой может быть, например, цилиндрическим. В преимущественном варианте выполнения устройства, показанном на чертежах, крылья 2 имеют прямоугольную форму и соединены с фюзеляжем 1 с помощью двух сферических шарниров 3.In embodiments, two, three or more pairs of flapping wings (not shown in the drawings) can be installed on the fuselage 1, each of which must be connected to two piezoelectric transducers, which ensures not only vertical take-off, but also horizontal movement of the device. Each flapping wing 2, depending on the geometric shape of the wings, is connected to the fuselage 1 by at least one spherical hinge 3, or at least two hinges, at least one of which is spherical and the other can be, for example, cylindrical. In an advantageous embodiment of the device shown in the drawings, the wings 2 have a rectangular shape and are connected to the fuselage 1 using two spherical hinges 3.

Фюзеляж 1 летательного аппарата выполнен в виде продольного несущего элемента 8, в средней части которого прикреплен держатель 9 пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5, снабженный опорными ножками 10. При этом несущий элемент 8 может быть выполнен в виде удлиненного полого элемента произвольного сечения, симметричного относительно вертикальной оси, например, в виде полой трубы, полой трехгранной или многогранной призмы. Однако выполнение несущего элемента 8 в виде полой трубки круглого сечения является предпочтительным, поскольку ее удельная жесткость выше, чем с любым другим сечением. Полость внутри несущего элемента 8 может быть использована для размещения полезной нагрузки, например, каких-либо датчиков, микрочипа управления полетом аппарата, элементов питания и т.п.The fuselage 1 of the aircraft is made in the form of a longitudinal bearing element 8, in the middle part of which is attached a holder 9 of the piezoelectric transducers 4 and 5, equipped with support legs 10. In this case, the bearing element 8 can be made in the form of an elongated hollow element of arbitrary section, symmetrical with respect to the vertical axis , for example, in the form of a hollow pipe, a hollow trihedral or multifaceted prism. However, the implementation of the carrier element 8 in the form of a hollow tube of circular cross section is preferable, since its specific stiffness is higher than with any other section. The cavity inside the supporting element 8 can be used to accommodate a payload, for example, of any sensors, a flight control microchip of an apparatus, batteries, etc.

В вариантах исполнения к несущему элементу 8 может быть прикреплен один держатель для всех пьезоэлектрических преобразователей, как это показано на чертежах, In embodiments, a single holder for all piezoelectric transducers can be attached to the supporting element 8, as shown in the drawings,

либо несколько держателей по одному или по два на каждый указанный преобразователь. Опорные ножки 10 предназначены для приземления летательного аппарата и для его установки на взлетной поверхности или на руке оператора.or several holders, one or two for each specified transducer. The support legs 10 are intended for the landing of the aircraft and for its installation on the take-off surface or on the hand of the operator.

Биморфные пьезоэлектрические преобразователи 4 и 5 консольно закреплены одними концами в пазу нижней части держателя 9 и расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии фюзеляжа 1. Биморфные пьезоэлектрические преобразователи 4 и 5 выполнены в виде прямоугольных пластинок, состоящих из двух слоев пьезокерамики, например, марки ЦТС или ЦТБС, на внешних поверхностях которых и между ними размещены тонкослойные металлические электроды. Как известно, удельная мощность биморфных пьезоэлектрических преобразователей более чем вдвое выше, чем мономорфных (см., например, Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезоэлектрические устройства вычислительной техники, систем контроля и управления: Справочник. - СПб.: Политехника, 1994. - 608 с; см. с.22).Bimorph piezoelectric transducers 4 and 5 are cantilevered at one end in a groove in the lower part of holder 9 and are located in a plane perpendicular to the plane of symmetry of the fuselage 1. Bimorph piezoelectric transducers 4 and 5 are made in the form of rectangular plates consisting of two layers of piezoelectric ceramics, for example, TsTS or TsTBS, on the outer surfaces of which and between them are thin-layer metal electrodes. As you know, the specific power of bimorph piezoelectric transducers is more than twice as high as monomorphic (see, for example, Dzhagupov R.G., Erofeev A.A. Piezoelectric devices of computer technology, monitoring and control systems: Reference book. - St. Petersburg: Polytechnic, 1994 .-- 608 s; see p.22).

На свободных концах биморфных пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5 закреплены стержни 11, соединенные с концами упругих элементов 6, которые могут быть выполнены, например, в виде различного типа пружин, в том числе цилиндрических или плоских фигурных пружин, или в виде двухзвенных механических элементов.At the free ends of the bimorph piezoelectric transducers 4 and 5, rods 11 are fixed, connected to the ends of the elastic elements 6, which can be made, for example, in the form of various types of springs, including cylindrical or flat shaped springs, or in the form of two-link mechanical elements.

Другие концы упругих элементов (пружин) 6 закреплены на машущих крыльях 2, выполненных в виде упругих рамочных каркасов 12 с прикрепленной к ним тонкой пленкой 13 из полимерного материала. При этом каждое машущее крыло 2 соединено с биморфными пьезоэлектрическими преобразователями 4 и 5 с помощью упругих элементов 6, закрепленных симметрично относительно плоскости машущего крыла по одному с каждой из противоположных боковых сторон его каркаса 12, соединенных со сферическим шарниром.The other ends of the elastic elements (springs) 6 are mounted on the flapping wings 2, made in the form of elastic frame frames 12 with a thin film 13 of polymer material attached to them. Moreover, each flapping wing 2 is connected to bimorph piezoelectric transducers 4 and 5 using elastic elements 6, mounted symmetrically relative to the plane of the flapping wing, one from each of the opposite sides of its skeleton 12 connected to a spherical hinge.

Упругие рамочные каркасы 12 имеют возможность поворачиваться в двух плоскостях относительно несущего элемента 8 с помощью двух сферических шарниров 3 на каждом машущем крыле. Корпуса 7 сферических шарниров закреплены на несущем элементе 8.The elastic frame frames 12 have the ability to rotate in two planes relative to the supporting element 8 using two spherical hinges 3 on each flapping wing. The housing 7 of the spherical joints are mounted on the supporting element 8.

Пленка 13 может быть выполнена, например, из полимера перилена (parylene) с перфорированной структурой, пропускающей воздух в одном направлении и препятствующей прохождению воздуха в обратную сторону. Это свойство перилена с перфорированной структурой описано в статье (см. Nick Pornsin-Sirirak, Matthieu Liger, Yu-Chong Tai Caltech Micromachining Laboratory Electrical. Flexible parylene-valved skin for adaptive flow control).The film 13 can be made, for example, from a polymer of perylene (parylene) with a perforated structure that allows air to pass in one direction and prevents the passage of air in the opposite direction. This property of perylene with perforated structure is described in the article (see Nick Pornsin-Sirirak, Matthieu Liger, Yu-Chong Tai Caltech Micromachining Laboratory Electrical. Flexible parylene-valved skin for adaptive flow control).

Для установки машущих крыльев в среднем положении относительно крайних положений и обеспечения симметричности нагрузки на машущие крылья 2 между ними установлены дополнительные упругие элементы 14, соединяющие попарно To install the flapping wings in the middle position relative to the extreme positions and to ensure symmetry of the load on the flapping wings 2, additional elastic elements 14 are connected between them, connecting in pairs

соответствующие стороны каркасов 12 каждой пары машущих крыльев, связанные с пьезоэлектрическими преобразователями. Эти дополнительные упругие элементы 14 также могут быть выполнены в виде пружин или двухзвенных механических элементов. При этом в качестве дополнительных упругих элементов могут быть использованы, например, цилиндрические пружины, или плоские фигурные пружины.the respective sides of the frames 12 of each pair of flapping wings associated with piezoelectric transducers. These additional elastic elements 14 can also be made in the form of springs or two-link mechanical elements. In this case, for example, cylindrical springs or flat shaped springs can be used as additional elastic elements.

Жесткость упругих элементов (пружин) 6 и 14 подбирается таким образом, чтобы резонанс машущих движений крыльев был в диапазоне 90-120 Гц. Эти частоты соответствуют оптимальным значениям, при которых к.п.д. работы крыльев (и грузоподъемность аппарата) максимален.The stiffness of the elastic elements (springs) 6 and 14 is selected so that the resonance of the flapping movements of the wings is in the range of 90-120 Hz. These frequencies correspond to the optimal values at which the efficiency the operation of the wings (and the capacity of the apparatus) is maximum.

Для обеспечения управления полетом миниатюрного летательного аппарата в фюзеляже 1 установлены микроэлектронное программируемое устройство управления 15. Устройство также снабжено блоком питания 16 (например, блоком аккумуляторных батарей), с помощью которого переменное напряжение прикладывается к пьезоэлектрическим преобразователям.To ensure flight control of a miniature aircraft, a microelectronic programmable control device 15 is installed in the fuselage 1. The device is also equipped with a power supply 16 (for example, a battery pack), with which an alternating voltage is applied to the piezoelectric transducers.

Полет летательного аппарата с машущими крыльями осуществляется следующим образом. В начальный момент летательный аппарат покоится на опорных ножках 10 на поверхности земли или на руке оператора. Затем по команде от устройства управления 15 на электроды биморфных пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5 от блока питания 16 подаются гармонические напряжения U₁ и U₂ с одинаковой амплитудой и без сдвига фаз, что вызывает колебания незакрепленных концов биморфных пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5. Эти колебания передаются с помощью упругих элементов (пружин) 6 на упругие рамочные каркасы 12 машущих крыльев 2. Упругие элементы (пружины) 14 распределяют нагрузку на машущих крыльях симметрично, что улучшает устойчивость всего летательного аппарата. При частоте гармонических напряжений, близкой к резонансной частоте машущих движений крыльев, амплитуды машущих движений будут максимальны.The flight of an aircraft with flapping wings is as follows. At the initial moment, the aircraft rests on the support legs 10 on the surface of the earth or on the hand of the operator. Then, upon a command from the control device 15, harmonic voltages U ₁ and U ₂ with the same amplitude and without phase shift are applied to the electrodes of the bimorph piezoelectric transducers 4 and 5 from the power supply unit 16, which causes vibrations of the loose ends of the bimorph piezoelectric transducers 4 and 5. These vibrations are transmitted with the help of elastic elements (springs) 6 on the elastic frame frames 12 of the flapping wings 2. The elastic elements (springs) 14 distribute the load on the flapping wings symmetrically, which improves the stability of the entire flying new apparatus. When the frequency of harmonic stresses is close to the resonant frequency of the flapping movements of the wings, the amplitudes of the flapping movements will be maximum.

На фиг.5 показана кинематическая схема одного из крыльев. При подаче гармонического напряжения U₁ и U₂ на электроды биморфных пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5 их концы перемещаются в вертикальном направлении, растягивая или сжимая упругие элементы 6 и 14. В свою очередь эти элементы воздействуют на рамочные каркасы 12, заставляя их качаться вокруг сферических шарниров 3. В резонансном режиме амплитуды колебаний крыльев будут многократно превышать амплитуды колебаний концов биморфных пьезоэлектрических преобразователей 4, 5. Параметры пружин 6 и 14 можно рассчитать таким образом, чтобы они обеспечивали собственную частоту рассматриваемой колебательной системы в требуемом диапазоне Figure 5 shows the kinematic diagram of one of the wings. When applying a harmonic voltage U ₁ and U ₂ to the electrodes of the bimorph piezoelectric transducers 4 and 5, their ends move in the vertical direction, stretching or compressing the elastic elements 6 and 14. In turn, these elements act on the frame frames 12, causing them to swing around the spherical joints 3. In the resonant mode, the wing vibration amplitudes will be many times greater than the vibration amplitudes of the ends of the bimorph piezoelectric transducers 4, 5. The parameters of the springs 6 and 14 can be calculated so that they ensured the natural frequency of the considered oscillatory system in the required range

частот ƒ=90-120 Гц, а далее регулировкой частоты подаваемого напряжения можно добиться более точного попадания колебательной системы в резонанс.frequencies ƒ = 90-120 Hz, and then by adjusting the frequency of the applied voltage, it is possible to achieve a more accurate hit of the oscillatory system in resonance.

Подъемная сила, создаваемая машущими крыльями, увеличивается за счет пленки перилена с перфорированной структурой. При движении крыльев вниз перфорированные отверстия в пленке закрываются под действием напора воздуха, и возникает подъемная сила, отрывающая летательный аппарат от поверхности земли. При движении машущих крыльев вверх перфорированные отверстия в пленке открываются и пропускают поток воздуха через них, не вызывая сопротивления движению воздуха. Усредненная за период махания крыльев подъемная сила позволяет летательному аппарату подниматься в воздух.The lifting force created by flapping wings increases due to the perylene film with a perforated structure. When the wings move down, the perforated holes in the film are closed under the influence of air pressure, and a lifting force arises, tearing the aircraft off the surface of the earth. When the flapping wings move upwards, the perforated holes in the film open and pass the air flow through them, without causing resistance to air movement. The lift averaged over the period of the flapping of the wings allows the aircraft to rise into the air.

Для осуществления горизонтального полета на биморфные пьезоэлектрические преобразователи подаются гармонические напряжения U₁ и U₂, имеющие разные амплитуды и сдвинутые по фазе на регулируемый угол φ. В этом случае упругие рамочные каркасы деформируются, и плоскости крыльев наклоняются по отношению к горизонту, вызывая этим появление тяговой горизонтальной силы за счет разности сопротивлений движению воздуха, взаимодействующего с перфорированной структурой пленки перилена. Таким образом, за счет изменения комбинаций амплитуд гармонических напряжений и сдвига фаз φ можно раздельно управлять высотой полета и горизонтальной скоростью полета.To carry out a horizontal flight, harmonic voltages U ₁ and U ₂ having different amplitudes and phase-shifted by an adjustable angle φ are fed to the bimorph piezoelectric transducers. In this case, the elastic frame frames are deformed, and the wing planes are tilted with respect to the horizon, thereby causing the appearance of traction horizontal force due to the difference in resistance to air movement interacting with the perforated structure of the perylene film. Thus, by changing the combinations of the amplitudes of the harmonic stresses and the phase shift φ, it is possible to separately control the flight altitude and horizontal flight speed.

Технический результат предлагаемого устройства состоит в том, что применение сферических шарниров, позволяющих крыльям совершать колебательные движения в разных плоскостях за счет наличия трех степеней свободы, в отличие от последовательно соединенных трех упругих шарниров с одной степенью свободы в известных устройствах, позволяет упростить конструкцию летательного миниаппарата и сократить количество элементов в его приводе, а тем самым повысить надежность его работы. Кроме того, упрощение конструкции влечет за собой уменьшение веса механических передач и всего устройства в целом, а, следовательно, повышение грузоподъемности. Вместе с тем, использование биморфных пьезоэлектрических преобразователей, вместо мономорфных, а также их связь с машущими крыльями с помощью однозвенных упругих элементов дает возможность увеличить грузоподъемность устройства за счет повышения мощности двигателей, уменьшения сопротивления в упругих шарнирах и оптимизации массогабаритных показателей.The technical result of the proposed device is that the use of spherical hinges that allow the wings to oscillate in different planes due to the presence of three degrees of freedom, in contrast to the series-connected three elastic hinges with one degree of freedom in the known devices, allows to simplify the design of the flying mini-device and reduce the number of elements in its drive, and thereby increase the reliability of its work. In addition, the simplification of the design entails a reduction in the weight of the mechanical gears and the entire device as a whole, and, consequently, an increase in carrying capacity. At the same time, the use of bimorph piezoelectric transducers instead of monomorphic ones, as well as their connection with flapping wings with the help of single-link elastic elements, makes it possible to increase the load-carrying capacity of the device by increasing engine power, reducing resistance in elastic joints and optimizing weight and size parameters.

Claims

1. An autonomous miniature aircraft comprising a fuselage with at least one pair of flapping wings mounted movably relative to it and at least two piezoelectric engines rigidly mounted on it, characterized in that the flapping wings are connected to the fuselage using spherical hinges and piezoelectric motors are made in the form of bimorph piezoelectric transducers associated with flapping wings by means of elastic elements.

2. The aircraft according to claim 1, characterized in that each flapping wing is connected to the fuselage with at least one spherical hinge.

3. The aircraft according to claim 1, characterized in that each flapping wing is connected to the fuselage with at least two hinges, at least one of which is spherical.

4. The aircraft according to claim 2 or 3, characterized in that the spherical hinges of each pair of flapping wings are connected in pairs, the common axes of each pair of hinges being parallel to each other and located in a plane perpendicular to the plane of symmetry of the fuselage.

5. The aircraft according to claim 1, characterized in that the fuselage is made in the form of a longitudinal bearing element with hinges rigidly mounted on it, on which at least one holder of the piezoelectric transducers is rigidly mounted.

6. The aircraft according to claim 5, characterized in that the bimorph piezoelectric transducers are cantilevered in the holder and located in a plane perpendicular to the plane of symmetry of the fuselage.

7. The aircraft according to claim 5, characterized in that the holder of the piezoelectric transducers is located in the middle part of the fuselage.

8. The aircraft according to claim 5, characterized in that the supporting element is made in the form of an elongated hollow element of arbitrary cross section, symmetrical about the vertical axis.

9. The aircraft of claim 8, characterized in that the supporting element is made in the form of a tube of circular cross section.

10. The aircraft according to claim 1, characterized in that the flapping wing is made in the form of an elastic frame frame with a thin film of polymer material attached to it.

11. Aircraft according to claim 10, characterized in that a polymer film with a perforated structure that allows air to pass in only one direction is used as a film of polymer material.

12. The aircraft according to claim 1, characterized in that each flapping wing is connected to at least one bimorph piezoelectric transducer using at least two elastic elements fixed symmetrically relative to the plane of the flapping wing, one from each of sides of its frame associated with the hinge.

13. The aircraft according to claim 12, characterized in that each flapping wing is connected to two bimorph piezoelectric transducers using elastic elements mounted symmetrically relative to the plane of the flapping wing, one from each of the opposite sides of its skeleton connected to a spherical hinge.

14. The aircraft according to claim 1, characterized in that the elastic elements connecting the flapping wings with piezoelectric transducers are made in the form of springs or two-link mechanical elements.

15. The aircraft according to claim 14, characterized in that cylindrical springs are used as the elastic elements connecting the flapping wings with piezoelectric transducers.

16. Aircraft according to claim 14, characterized in that flat curly springs are used as elastic elements connecting the flapping wings with piezoelectric transducers.

17. The aircraft according to claim 1, characterized in that to ensure symmetry of the load on the flapping wings, additional elastic elements are installed between them, connecting in pairs the corresponding sides of each pair of flapping wings, connected with piezoelectric transducers.

18. The aircraft according to claim 17, characterized in that the additional elastic elements connecting the respective sides of each pair of flapping wings are made in the form of springs or two-link mechanical elements.

19. The aircraft according to claim 17, characterized in that the additional elastic elements connecting the respective sides of each pair of flapping wings are made in the form of cylindrical springs.

20. The aircraft according to claim 17, characterized in that the additional elastic elements connecting the respective sides of each pair of flapping wings are made in the form of curly flat springs.