CN103991540B - 一种锥形旋转扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

一种锥形旋转扑翼飞行器，属飞行器技术领域。它由机身、起落架、能源系统、操控系统、左锥形旋转扑翼、右锥形旋转扑翼、尾杆、尾翼和配重平衡杆组成。能源系统包括左电机、左减速齿轮组、右电机、右减速齿轮组、方便充电的锂电池及电机调速控制装置，左电机和右电机参数相同，左减速齿轮组和右减速齿轮组的参数也相同；操控系统包括无线电导航装置和舵机；尾翼起平衡及俯仰飞行姿态控制作用；左锥形旋转扑翼和右锥形旋转扑翼结构相同，它们分别对称布置于机身的左右两侧并分别在左电机和右电机的驱动下提供推力。该飞行器可垂直升降和悬停，效率较高且机动灵活，带上拍摄设备可用于航拍、地理测量、交通执勤、军事侦查和抢险救灾等多种任务。

Description

一种锥形旋转扑翼飞行器

技术领域

一种锥形旋转扑翼飞行器，属飞行器技术领域，尤其涉及一种翼片作旋转运动的飞行器。

背景技术

传统的扑翼飞行器是靠曲轴连杆机构驱动扑翼，扑翼上下扑动而产生推力，其效率较低，不方便调整推力方向，较难垂直升降，且对扑翼材料的疲劳强度要求较高。

发明内容

本发明的目的是克服传统扑翼飞行器的上述缺陷，发明一种效率较高且机动灵活的锥形旋转扑翼飞行器。

本发明采用如下技术方案：一种锥形旋转扑翼飞行器包括机身、起落架、能源系统、操控系统、左锥形旋转扑翼、右锥形旋转扑翼、尾杆、尾翼和配重平衡杆。能源系统包括左电机、左减速齿轮组、右电机、右减速齿轮组、方便充电的锂电池及电机调速控制装置，左电机和右电机参数相同，左减速齿轮组和右减速齿轮组的参数也相同；操控系统包括无线电导航装置和舵机；机身为框架结构，用碳纤维复合材料制成；起落架为后三点式；尾杆水平布置，尾杆的前端与机身尾部相连，尾翼通过操控系统的一个舵机与尾杆相连于尾杆的后端，尾翼起平衡及俯仰飞行姿态控制作用；左锥形旋转扑翼和右锥形旋转扑翼结构相同，它们分别对称布置于机身的左右两侧并分别在左电机和右电机的驱动下提供推力。该飞行器可垂直升降和悬停，效率较高且机动灵活。

左锥形旋转扑翼由左主轴、左转臂、左翼轴定位器、左翼轴、左翼片、左导向杆和左导向器组成；右锥形旋转扑翼由右主轴、右转臂、右翼轴定位器、右翼轴、右翼片、右导向杆和右导向器组成；左主轴与右主轴在同一直线上，左主轴通过左减速齿轮组与左电机相连，右主轴通过右减速齿轮组与右电机相连，左电机和右电机分别单独驱动左锥形旋转扑翼和右锥形旋转扑翼转动，该结构简单，重量轻，效率较高且机动灵活。

左锥形旋转扑翼的具体结构为：左主轴一端通过轴承与机身相连，左转臂的一端与左主轴的另一端垂直固连，左转臂的另一端与左翼轴的一端固连，左翼轴与左转臂的夹角为锐角，在30°~45°之间，左翼轴、左转臂和左主轴处于同一平面内；左翼轴的另一端通过轴承与左翼片相连于左翼片前缘处，左翼轴与左翼片前缘平行，左翼片能绕左翼轴灵活转动；左翼片的靠近左转臂的端面即左翼片的根部端面与左翼片的前缘垂直。左翼轴定位器在左翼片和左转臂之间，左翼轴穿过左翼轴定位器并被左翼轴定位器套住，左翼轴能绕左翼轴定位器中心转摆，但不能作轴向移动。左翼轴定位器采用旋转关节轴承。左导向杆由左圆杆、左U形叉和左销轴组成；左圆杆的一端与左U形叉的封闭端固连，左圆杆与左U形叉连成一条直线，左导向杆通过其左U形叉的开口端安装的与左圆杆垂直的左销轴与左翼片活连于左翼片的根部并靠近左翼轴处，左销轴垂直过左翼片前缘和后缘的平面，左U形叉厚度方向的开口大小确保夹着的左翼片能在左U形叉内灵活地作左翼片平面方向的摆动。左导向器由左直线轴承固定镶入左万向轴承中而构成；左导向器通过其左万向轴承的外壳与机身相连。左圆杆的另一端穿过左导向器的左直线轴承，左圆杆能在左直线轴承中灵活地作往复直线运动，左圆杆能绕左导向器的中心灵活转摆。组成左导向杆的左U形叉有足够的长度，以确保左翼片整个转动过程不会被卡住；左圆杆有足够的长度以确保在左翼片整个转动过程中左圆杆不脱出左导向器；左导向器尽可能靠近左翼轴定位器安装，但应确保在左翼片整个转动过程中左翼片和左U形叉不会碰触到左导向器；左主轴和左翼轴定位器分别在左转臂旋转平面的两侧，左翼轴定位器在左主轴的延长线上，左导向器与左翼轴定位器在左转臂旋转平面的同一侧；左导向器到左转臂旋转平面的距离在左翼轴定位器到左转臂旋转平面的距离的1.8倍~2.5倍之间。

左锥形旋转扑翼的工作原理是：左电机经左减速齿轮组减速后将动力传递给左主轴，左主轴转动带动左转臂旋转，左转臂带动左翼轴转动，在左翼轴的牵引下左翼片转动，由于左导向杆和左导向器的限制，左导向器始终处于过左翼片前缘和后缘的平面内或附近，左翼片旋转时其攻角在一个工作周期即旋转一圈内会发生有规律的变化，符合高升力机制，有利于产生推力。由于左导向器接近左翼轴定位器安装，在一个周期内，左翼片下扑产生的效果远大于上扑，产生升力的效率较高。改变转速会改变推力的大小，推力的方向是通过改变左导向器与左主轴的相对方位及高度来实现的。由于左翼轴与左转臂的夹角为锐角，且受左翼轴定位器的限制，在左翼轴定位器的左右两侧，左翼轴的旋转轨迹为锥形，仅需较短的左转臂，左翼片的扑动范围较大，效率高，该结构简单紧凑，结构重量轻；由于左翼片作锥形圆周转动，转速可较高，能产生较大的推力，且对材料的疲劳强度要求不高。

右锥形旋转扑翼的具体结构和工作原理与左锥形旋转扑翼的相同。左主轴与左减速齿轮组的从动轮相连，左减速齿轮组的主动轮与左电机输出轴相连；右主轴与右减速齿轮组的从动轮相连，右减速齿轮组的主动轮与右电机输出轴相连。左电机和右电机分别单独驱动左锥形旋转扑翼和右锥形旋转扑翼转动。

附图说明

图1是本发明一种锥形旋转扑翼飞行器的俯视示意图。

图中，1-机身，2-起落架，3-能源系统，31-左电机，32-左减速齿轮组，33-右电机，34-右减速齿轮组，4-操控系统，5-左锥形旋转扑翼，51-左主轴，52-左转臂，53-左翼轴定位器，54-左翼轴，55-左翼片，56-左导向杆，561-左圆杆，562-左U形叉，563-左销轴，57-左导向器，571-左直线轴承，572-左万向轴承，6-右锥形旋转扑翼，7-尾杆，8-尾翼，9-配重平衡杆；左主轴51处带箭头的椭圆弧表示左主轴51在动力的驱动下的转动方向。

具体实施方式

现结合附图1举例对本发明加以说明：一种锥形旋转扑翼飞行器包括机身1、起落架2、能源系统3、操控系统4、左锥形旋转扑翼5、右锥形旋转扑翼6、尾杆7、尾翼8和配重平衡杆9。能源系统3包括左电机31、左减速齿轮组32、右电机33、右减速齿轮组34、方便充电的锂电池及电机调速控制装置；操控系统4包括无线电导航装置和舵机；机身1为框架结构，用碳纤维复合材料制成；起落架2为后三点式；尾杆7水平布置，尾杆7的前端与机身1尾部相连，尾翼8通过操控系统4的一个舵机与尾杆7相连于尾杆7的后端，尾翼8起平衡及俯仰飞行姿态控制作用，配重平衡杆9起配重及平衡的作用；左锥形旋转扑翼5和右锥形旋转扑翼6结构相同，它们分别对称布置于机身1的左右两侧并分别在左电机31和右电机33的驱动下提供推力。该飞行器可垂直升降和悬停，效率较高且机动灵活。

左锥形旋转扑翼5由左主轴51、左转臂52、左翼轴定位器53、左翼轴54、左翼片55、左导向杆56和左导向器57组成；右锥形旋转扑翼6由右主轴、右转臂、右翼轴定位器、右翼轴、右翼片、右导向杆和右导向器组成；左主轴51与右主轴在同一直线上，左主轴51通过左减速齿轮组32与左电机31相连，右主轴通过右减速齿轮组34与右电机33相连，左电机31和右电机33分别单独驱动左锥形旋转扑翼5和右锥形旋转扑翼6转动，该结构简单，重量轻，效率较高且机动灵活。

左锥形旋转扑翼5的具体结构为：左主轴51一端通过轴承与机身1相连，左转臂52的一端与左主轴51的另一端垂直固连，左转臂52的另一端与左翼轴54的一端固连，左翼轴54与左转臂52的夹角α在30°~45°之间，左翼轴54、左转臂52和左主轴51处于同一平面内；左翼轴54的另一端通过轴承与左翼片55相连于左翼片55前缘处，左翼轴54与左翼片55前缘平行，左翼片55能绕左翼轴54灵活转动，但左翼片55不能在左翼轴54上作轴向直线运动；左翼片55的靠近左转臂52的端面即左翼片55的根部端面与左翼片55的前缘垂直。左翼轴定位器53在左翼片55和左转臂52之间，左翼轴54穿过左翼轴定位器53并被左翼轴定位器53套住，左翼轴54能绕左翼轴定位器53中心转摆，转摆的最大锥度大于120°，但不能作轴向移动。左翼轴定位器53采用旋转关节轴承。左导向杆56由左圆杆561、左U形叉562和左销轴563组成；左圆杆561的一端与左U形叉562的封闭端固连，左圆杆561与左U形叉562连成一条直线，左导向杆56通过其左U形叉562的开口端安装的与左圆杆561垂直的左销轴563与左翼片55活连于左翼片55的根部并靠近左翼轴54处，左销轴563垂直过左翼片55前缘和后缘的平面，左U形叉562厚度方向的开口大小确保夹着的左翼片55能在左U形叉562内灵活地作左翼片55平面方向的摆动。左导向器57由左直线轴承571固定镶入左万向轴承572中而构成；左导向器57通过其左万向轴承572的外壳与机身1相连。左圆杆561的另一端穿过左导向器57的左直线轴承571，左圆杆561能在左直线轴承571中灵活地作往复直线运动，左圆杆561能绕左导向器57的中心灵活转摆。组成左导向杆56的左U形叉562有足够的长度，以确保左翼片55整个转动过程不会被卡住；左圆杆561有足够的长度以确保在左翼片55整个转动过程中左圆杆561不脱出左导向器57；左导向器57尽可能靠近左翼轴定位器53安装，但应确保在左翼片55整个转动过程中左翼片55和左U形叉562不会碰触到左导向器57；左主轴51和左翼轴定位器53分别在左转臂52旋转平面的两侧，左翼轴定位器53在左主轴51的延长线上，左导向器57与左翼轴定位器53在左转臂52旋转平面的同一侧；左导向器57到左转臂52旋转平面的距离在左翼轴定位器53到左转臂52旋转平面的距离的1.8倍~2.5倍之间。

为减小空气的阻力，提高升阻比，提高扑动效率，左翼片55和右翼片的翼型均采用上凸下平型或上凸下凹型。

左锥形旋转扑翼的工作原理是：左电机31经左减速齿轮组32减速后将动力传递给左主轴51，左主轴51转动带动左转臂52旋转，左转臂52带动左翼轴54转动，在左翼轴54的牵引下左翼片55转动，由于左导向杆56和左导向器57的限制，左导向器57始终处于过左翼片55前缘和后缘的平面内或附近，左翼片55旋转时其攻角在一个工作周期即旋转一圈内会发生有规律的变化，符合高升力机制，有利于产生推力。左翼片55旋转一周时其攻角具体变化过程为：假设左导向器57与左主轴51处于同一水平面，此时左导向器57与左主轴51的相对高度为零，假设左翼片55旋转的起始位置为左翼片55最靠近左导向器57的位置，此时左翼片55的攻角为负90°，随着左翼轴54的转动牵引，左翼片55向上运动，攻角的绝对值迅速减小到0°，此时左导向杆56在过左主轴51的水平面的上方与左翼轴54的旋转圆锥相切，而后左翼轴54继续旋转，左翼片55的攻角由0°较慢地变为90°，此时左导向杆56水平，左翼片55远离左导向器57，随着左翼轴54的继续牵引，左翼片55向下运动，攻角由90°较慢地变为0°，此时左导向杆56在过左主轴51的水平面的下方与左翼轴54的旋转圆锥相切，随着左翼轴54的继续旋转，左翼片55的攻角由0°迅速变成负90°，此时回到起始位置，完成一个旋转周期。由于左导向器57接近左翼轴54定位器安装，在一个周期内，左翼片55下扑产生的效果远大于上扑，产生升力的效率较高。改变转速会改变推力的大小，推力的方向是通过改变左导向器57与左主轴51的相对方位及高度来实现的。由于左翼轴54与左转臂52的夹角为锐角，且受左翼轴定位器53的限制，在左翼轴定位器53的左右两侧，左翼轴54的旋转轨迹为锥形，仅需较短的左转臂52，左翼片55的扑动范围较大，效率高，该结构简单紧凑，结构重量轻；由于左翼片55作锥形圆周转动，转速可较高，能产生较大的推力，且对材料的疲劳强度要求不高。

右锥形旋转扑翼6的具体结构和工作原理与左锥形旋转扑翼5的相同。左主轴51与左减速齿轮组32的从动轮相连，左减速齿轮组32的主动轮与左电机31输出轴相连；右主轴与右减速齿轮组34的从动轮相连，右减速齿轮组34的主动轮与右电机33输出轴相连。左电机31和右电机33分别单独驱动左锥形旋转扑翼5和右锥形旋转扑翼6转动。从该飞行器的左侧往右看，左翼片55与右翼片的转动方向相同，都是作逆时针旋转。

下面就该发明一种锥形旋转扑翼飞行器的飞行姿态对该发明作进一步说明。

起飞：同时起动左电机31和右电机33，同时驱动左锥形旋转扑翼5和右锥形旋转扑翼6扑动，同时利用控制系统4调整左导向器57和右导向器的高度，使左锥形旋转扑翼5和右锥形旋转扑翼6产生的合力向上，当电机转速达到一定值时，升力大于机体重量，该锥形旋转扑翼飞行器垂直升空。

前飞：起飞后，将左导向器57和右导向器同时向前上方移动，推力方向将向前上方，同时提高电机转速使推力的垂直向上方向的分力等于机体重量，该飞行器向前平飞。

后飞：在空中飞行器时，将左导向器57和右导向器同时向下方移动，使得推力方向向后上方，同时调整电机转速使推力的垂直向上方向的分力等于机体重量，实现向后平飞。

转弯飞行：在前飞时，单独将右导向器往前上方移动小许该飞行器将向左转弯；单独将左导向器57往前上方移动小许该飞行器将向右转弯。

悬停：在空中飞行时，将左导向器57和右导向器调整至适当的同样的高度位置，调整好电机的转速，使得左锥形旋转扑翼5和右锥形旋转扑翼6产生的合力垂直向上且等于机体重量，消除飞行惯性后该飞行器将处于悬停位置。

降落：将该飞行器调整至悬停位置后，慢慢降低电机的转速，该飞行器将缓缓垂直降落。

以上说明是在没有气流干扰的工况下作出的，如果有气流干扰的存在，则应根据气流的方向和流速进行修偏。

本发明一种锥形旋转扑翼飞行器带上拍摄设备可用于航拍、地理测量、交通执勤、军事侦查和抢险救灾等多种任务。

Claims (3)

1.一种锥形旋转扑翼飞行器，包括机身（1）、起落架（2）、能源系统（3）、操控系统（4）、左锥形旋转扑翼（5）、右锥形旋转扑翼（6）、尾杆（7）、尾翼（8）和配重平衡杆（9），其特征在于：能源系统（3）包括左电机（31）、左减速齿轮组（32）、右电机（33）、右减速齿轮组（34）、方便充电的锂电池及电机调速控制装置；操控系统（4）包括无线电导航装置和舵机；机身（1）为框架结构，用碳纤维复合材料制成；起落架（2）为后三点式；尾杆（7）水平布置，尾杆（7）的前端与机身（1）尾部相连，尾翼（8）通过操控系统（4）的一个舵机与尾杆（7）相连于尾杆（7）的后端；左锥形旋转扑翼（5）和右锥形旋转扑翼（6）结构和工作原理均相同，它们分别对称布置于机身（1）的左右两侧；左锥形旋转扑翼（5）由左主轴（51）、左转臂（52）、左翼轴定位器（53）、左翼轴（54）、左翼片（55）、左导向杆（56）和左导向器（57）组成；右锥形旋转扑翼（6）由右主轴、右转臂、右翼轴定位器、右翼轴、右翼片、右导向杆和右导向器组成；左主轴（51）与右主轴在同一直线上，左主轴（51）通过左减速齿轮组（32）与左电机（31）相连，右主轴通过右减速齿轮组（34）与右电机（33）相连；左主轴（51）一端通过轴承与机身（1）相连，左转臂（52）的一端与左主轴（51）的另一端垂直固连，左转臂（52）的另一端与左翼轴（54）的一端固连，左翼轴（54）与左转臂（52）的夹角（α）在30°~45°之间，左翼轴（54）、左转臂（52）和左主轴（51）处于同一平面内；左翼轴（54）的另一端通过轴承与左翼片（55）相连于左翼片（55）前缘处，左翼轴（54）与左翼片（55）前缘平行；左翼片（55）的靠近左转臂（52）的端面即左翼片（55）的根部端面与左翼片（55）的前缘垂直；左翼轴定位器（53）在左翼片（55）和左转臂（52）之间，左翼轴（54）穿过左翼轴定位器（53）并被左翼轴定位器（53）套住，左翼轴（54）能绕左翼轴定位器（53）中心转摆，转摆的最大锥度大于120°，但不能作轴向移动；左导向杆（56）由左圆杆（561）、左U形叉（562）和左销轴（563）组成；左圆杆（561）的一端与左U形叉（562）的封闭端固连，左圆杆（561）与左U形叉（562）连成一条直线，左导向杆（56）通过其左U形叉（562）的开口端安装的与左圆杆（561）垂直的左销轴（563）与左翼片（55）活连于左翼片（55）的根部并靠近左翼轴（54）处，左销轴（563）垂直过左翼片（55）前缘和后缘的平面，左U形叉（562）厚度方向的开口大小确保夹着的左翼片（55）能在左U形叉（562）内灵活地作左翼片（55）平面方向的摆动；左导向器（57）由左直线轴承（571）固定镶入左万向轴承（572）中而构成；左导向器（57）通过其左万向轴承（572）的外壳与机身（1）相连；左圆杆（561）的另一端穿过左导向器（57）的左直线轴承（571），左圆杆（561）能在左直线轴承（571）中灵活地作往复直线运动，左圆杆（561）能绕左导向器（57）的中心灵活转摆；组成左导向杆（56）的左U形叉（562）有足够的长度，以确保左翼片（55）整个转动过程不会被卡住；左圆杆（561）有足够的长度以确保在左翼片（55）整个转动过程中左圆杆（561）不脱出左导向器（57）；左导向器（57）尽可能靠近左翼轴定位器（53）安装，但应确保在左翼片（55）整个转动过程中左翼片（55）和左U形叉（562）不会碰触到左导向器（57）；左主轴（51）和左翼轴定位器（53）分别在左转臂（52）旋转平面的两侧，左翼轴定位器（53）在左主轴（51）的延长线上，左导向器（57）与左翼轴定位器（53）在左转臂（52）旋转平面的同一侧；左导向器（57）到左转臂（52）旋转平面的距离在左翼轴定位器（53）到左转臂（52）旋转平面的距离的1.8倍~2.5倍之间。

2.根据权利要求1所述的一种锥形旋转扑翼飞行器，其特征在于：左翼片（55）和右翼片的翼型均采用上凸下平型或上凸下凹型。

3.根据权利要求1所述的一种锥形旋转扑翼飞行器，其特征在于：左翼轴定位器（53）采用旋转关节轴承。