專利名稱：一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛行器領(lǐng)域，更具體的說，本發(fā)明涉及一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)九十年代以來，隨著傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，人們對動物飛行和游動機(jī)理的不斷探索和深入了解，以及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，這些原理和技術(shù)正在應(yīng)用于迅速發(fā)展起來的微型飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域。微型飛行器在國家安全和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，可用于復(fù)雜環(huán)境條件下的偵察、通訊、勘探、協(xié)助救援等任務(wù)。在已有的微型飛行器結(jié)構(gòu)布局形式中，單旋翼布局的設(shè)計(jì)由于技術(shù)相對成熟，能夠懸停并沿任意方向前飛而得到了廣泛認(rèn)同和應(yīng)用。目前，基于一組單旋翼的設(shè)計(jì)均由于 需要解決扭矩平衡的問題而導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，不利于進(jìn)一步微型化發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有微型單旋翼飛行器利用尾槳平衡扭矩而導(dǎo)致尺寸不易進(jìn)一步微型化的問題，提出了一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法來平衡旋翼扭矩，實(shí)現(xiàn)航向操縱，并保持垂直起降、懸停和沿任意方向前飛的固有特性；通過對旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的下洗氣流的導(dǎo)流控制，改變導(dǎo)流片偏轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生扭矩，實(shí)現(xiàn)飛行器扭矩配平及航向控制。一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法，具體如下微型飛行器在飛行過程中，導(dǎo)流片利用旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的下洗氣流，產(chǎn)生反扭矩配平及實(shí)現(xiàn)航向控制；即當(dāng)旋翼旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的下洗氣流流過導(dǎo)流片時，在水平面內(nèi)導(dǎo)流片上產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)方向的力偶；當(dāng)其與旋翼反向扭矩相等時，飛行器實(shí)現(xiàn)扭矩配平，機(jī)體不自轉(zhuǎn)；當(dāng)其與旋翼反扭矩不等時，機(jī)體旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)航向操縱；在微型單旋翼飛行器垂直起降、懸停和沿任意方向前飛時均可采用上述配平與航向控制方法。應(yīng)用于上述微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法的微型單旋翼飛行器，包括整流罩、機(jī)體殼、支撐桿、起落架、導(dǎo)流片、連接軸、平衡控制器、機(jī)體組件、旋翼、旋翼軸、上端蓋和下
端蓋;所述整流罩為圓筒型，在機(jī)體殼外側(cè)，與機(jī)體殼同高、同軸；整流罩與機(jī)體殼通過頂端和底部兩組沿整流罩直徑方向布置的支撐桿固連；所述支撐桿共兩組，每組兩根，一組支撐桿位于整流罩頂部，一組支撐桿位于整流罩底部，四根支撐桿均位于同一豎直面內(nèi)；所述起落架固定在整流罩底部，相互成為120°夾角；所述導(dǎo)流片為一對矩形薄板，位于整流罩與機(jī)體殼之間垂向中部，分別與兩側(cè)支撐桿成90°夾角；所述連接軸一端與導(dǎo)流片相連，另一端穿過機(jī)體殼通孔，與機(jī)體殼內(nèi)的平衡控制器相連；所述平衡控制器控制導(dǎo)流片同向偏轉(zhuǎn)以產(chǎn)生用于反扭矩配平和航向控制的力偶；機(jī)體組件包括傳動機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電機(jī)控制器、電源，其中傳動機(jī)構(gòu)底部部分、電機(jī)、電機(jī)控制器、電源均固定在機(jī)體殼內(nèi)部，傳動機(jī)構(gòu)頂部部分與旋翼及旋翼軸的頂端相連，旋翼軸的另一端與機(jī)體組件中的傳動機(jī)構(gòu)底部部分相連；所述機(jī)體殼與旋翼軸同軸，上下端分別由上端蓋和下端蓋覆蓋。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一種采用導(dǎo)流片對微型單旋翼飛行器進(jìn)行控制的方法，實(shí)現(xiàn)旋翼反扭矩配平和航向操縱，并保持飛行器垂直起降、懸停與沿不同方向前飛的能力不變；(2)本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一種采用導(dǎo)流片對微型單旋翼飛行器進(jìn)行控制的方法，使應(yīng)用此控制方法的微型單旋翼飛行器結(jié)構(gòu)緊湊，有利于微型化。


圖I是利用本發(fā)明一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法的微型單旋翼飛行器的正視圖；
圖2是利用本發(fā)明一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法的微型單旋翼飛行器的俯視圖；圖中I-整流罩2-機(jī)體殼3-支撐桿4-起落架5-導(dǎo)流片6-連接軸7-平衡控制器8-機(jī)體組件9-旋翼10_旋翼軸11_上端蓋12_下端蓋
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖I、圖2所示的實(shí)施例，為應(yīng)用本發(fā)明控制方法進(jìn)行扭矩配平和航向控制的微型單旋翼飛行器，包括整流罩I、機(jī)體殼2、支撐桿3、起落架4、導(dǎo)流片5、連接軸6、平衡控制器7、機(jī)體組件8、旋翼9、旋翼軸10、上端蓋11和下端蓋12。所述整流罩I為圓筒型，在機(jī)體殼2外側(cè)，與機(jī)體殼2同高、同軸；整流罩I與機(jī)體殼2通過頂端和底部兩組沿整流罩I直徑方向布置的支撐桿3固連；所述支撐桿3共兩組，每組兩根，一組支撐桿3位于整流罩I頂部，另一組支撐桿3位于整流罩I底部，四根支撐桿3均位于同一豎直面內(nèi)(頂部的兩根支撐桿3共線，沿直徑方向?qū)ΨQ布置；底部的兩根支撐桿3也共線，同樣沿直徑方向?qū)ΨQ布置，此時，上下兩組支撐桿3的位置關(guān)系就靠頂部的支撐桿3連線與底部的支撐桿3連線共面(豎直面)保證);所述起落架4固定在整流罩I底部，相互成為120°夾角。所述導(dǎo)流片5為一對矩形薄板，位于整流罩I與機(jī)體殼2之間垂向中部，分別與兩側(cè)支撐桿3成90°夾角；所述連接軸6 —端與導(dǎo)流片5相連，另一端穿過機(jī)體殼2通孔，與機(jī)體殼2內(nèi)的平衡控制器7相連；所述平衡控制器7控制導(dǎo)流片5同向偏轉(zhuǎn)以產(chǎn)生用于反扭矩配平和航向控制的力偶。所述旋翼9、旋翼軸10、機(jī)體組件8(傳動機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電機(jī)控制器、電源)與現(xiàn)有帶尾槳的微型單旋翼飛行器相同；機(jī)體組件8包括傳動機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電機(jī)控制器、電源，其中傳動機(jī)構(gòu)底部部分、電機(jī)、電機(jī)控制器、電源均固定在機(jī)體殼2內(nèi)部,傳動機(jī)構(gòu)頂部部分與旋翼9及旋翼軸10的頂端相連，旋翼軸10的另一端與機(jī)體組件8中的傳動機(jī)構(gòu)底部部分相連，機(jī)體組件各部分之間以及機(jī)體組件與旋翼、旋翼軸的連接方式和控制方式與現(xiàn)有帶尾槳的微型單旋翼飛行器相同。所述機(jī)體殼2與旋翼軸10同軸，上下端分別由上端蓋11和下端蓋12覆蓋。所述的平衡控制器7采用微型控制舵機(jī)。本發(fā)明的一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法，具體如下微型飛行器在飛行過程中，導(dǎo)流片5利用旋翼9旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的下洗氣流，產(chǎn)生反扭矩配平及實(shí)現(xiàn)航向控制；即當(dāng)旋翼9旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的下洗氣流流過導(dǎo)流片5時，在水平面內(nèi)導(dǎo)流片5上產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)方向的力偶；當(dāng)其與旋翼9反向扭矩相等時，飛行器實(shí)現(xiàn)扭矩配平，機(jī)體不自轉(zhuǎn)；當(dāng)其與旋翼9反扭矩不等時，機(jī)體旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)航向操縱；在微型單旋翼飛行器垂直起降、懸停和沿任意方向前飛時均可采用上述配平與航向控制方法。本發(fā)明的一種微型單旋翼帶飛行器導(dǎo)流控制方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)反扭矩配平微型單旋翼飛行器在垂直起飛、懸停和沿不同方向前飛時，帶反饋控制的平衡控制器7根據(jù)電機(jī)輸出扭矩和旋翼下洗氣流速度大小驅(qū)動導(dǎo)流片5同向偏轉(zhuǎn)一定角度(該偏轉(zhuǎn)角度小于30° )，使導(dǎo)流片5上產(chǎn)生的力偶與旋翼9反扭矩相等，即實(shí)現(xiàn)扭矩配平，機(jī)體不自轉(zhuǎn)。(2)航向控制微型單旋翼飛行器在垂直起飛、懸停和沿不同方向前飛時，帶反饋控制的平衡控制器7根據(jù)電機(jī)輸出扭矩、旋翼下洗氣流速度及機(jī)身預(yù)期旋轉(zhuǎn)角速度驅(qū)動導(dǎo)流片5同向偏轉(zhuǎn)一定角度(該偏轉(zhuǎn)角度小于30° )，使導(dǎo)流片5上產(chǎn)生的力偶大于或小于旋翼9的反扭矩，使機(jī)體自轉(zhuǎn)所需角度，然后再重復(fù)上述反扭矩配平控制，使機(jī)體不自轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)航向操縱。實(shí)例中應(yīng)用本發(fā)明控制方法進(jìn)行扭矩配平和航向控制的微型單旋翼飛行器可通過以下步驟制造步驟一制作機(jī)體殼2如圖1所示，機(jī)體殼2為圓筒型，與旋翼軸10同軸，機(jī)體殼2外壁直徑和高度至少保證能夠容納機(jī)體組件8。機(jī)體殼2外壁用厚度為2mm的泡沫材料粘接而成。在機(jī)體殼2外壁豎直高度1/2處沿直徑方向打一組圓孔，便于連接軸6通過；取一厚度2mm輕木板截取兩個直徑等于機(jī)體殼2內(nèi)徑的圓片，作為上端蓋11及下端蓋12，用于覆蓋機(jī)體殼2上下端，根據(jù)機(jī)體殼2內(nèi)旋翼軸10等部件的安裝位置及尺寸要求適當(dāng)在圓片上打孔、開槽。將機(jī)體殼2底部粘接下端蓋12。步驟二 改造帶尾槳的單旋翼飛行器將帶尾槳的單旋翼飛行器的尾槳及尾部去除，保留原有的機(jī)體組件8 (電源、傳動機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電機(jī)控制器等)、旋翼9、旋翼軸10,并將原有機(jī)體組件8固定在機(jī)體殼2內(nèi)，下端蓋12上表面。步驟三制作整流罩1、支撐桿3及起落架4整流罩1為圓筒型，與機(jī)體殼2同高，整流罩1外徑介于旋翼9翼尖距旋轉(zhuǎn)軸10中心距離的2/3與旋翼9展向長度。截取一段厚約2mm的矩形泡沫板，將其卷為圓柱形粘好作為整流罩1。取一段直徑2mm碳纖維桿，截取等長四段，每段長度同整流罩1與機(jī)體殼2外壁間距，作為支撐桿3。取一段直徑2mm細(xì)鋁絲，截取等長三段，每段長約6cm。將每段鋁絲折成“V”型，作為起落架4。
步驟四制作導(dǎo)流片5及連接軸6，購置平衡控制器7導(dǎo)流片5采用泡沫材料制作，并采用NACA0012翼型。連接軸6采用金屬鋁材料。將兩塊長方體的泡沫材料磨制出兩個相同的帶有NACA0012翼型的導(dǎo)流片5，導(dǎo)流片5沿軸向長度比支撐桿3長度短5mm，寬度為整流罩I高度的1/4。取一直徑2mm鋁絲，作為連接軸6。平衡控制器7采用市場上銷售的常用、輕質(zhì)、小體積的微型控制舵機(jī)。步驟五飛行器裝配將連接軸6 —端與導(dǎo)流片5的一端連接，另一端穿過機(jī)體殼I中部所開通孔，當(dāng)導(dǎo)流片5靠近機(jī)體殼I外壁的一端與機(jī)體殼I外壁間距約2_時，利用熱縮橡膠管將連接軸6軸向固定。轉(zhuǎn)動連接軸6使初始時導(dǎo)流片5豎直放置，此時將連接軸6末端與一個平衡控制器7相連，并將平衡控制器7固定在機(jī)體殼I外壁內(nèi)，同樣的方法對稱安裝另一側(cè)的導(dǎo)流片5及平衡控制器7。將平衡控制器7電源線與機(jī)體組件8的電源相連。 將四根支撐桿3兩端沿整流罩I直徑方向分別水平粘接在整流罩I與機(jī)體殼2上，將二者固連，其中兩根固定在整流罩I頂端，另外兩根水平固定在整流罩I底部，四根支撐桿3固定后保持豎直共面。上下兩組支撐桿3均與連接軸6所在直線正交。將機(jī)體殼2上端用上端蓋11粘接。最后將三個起落架4 一端固定在整流罩I底部，相互成120°夾角。步驟六飛行器試飛在地面靜止?fàn)顟B(tài)下，按照微型單旋翼飛行器原有垂直起飛、懸停及沿任一方向前飛的飛行控制方法，操作飛行器垂直起降、懸?；蚯帮w。在上述飛行狀態(tài)下，調(diào)節(jié)平衡控制器7驅(qū)動導(dǎo)流片5同向偏轉(zhuǎn)一定角度，使導(dǎo)流片5上產(chǎn)生的力偶與旋翼9反扭矩相等，實(shí)現(xiàn)扭矩配平，機(jī)體不自轉(zhuǎn)。在上述飛行狀態(tài)下，如需轉(zhuǎn)向，平衡控制器7驅(qū)動導(dǎo)流片5同向偏轉(zhuǎn)一定角度，使導(dǎo)流片5上產(chǎn)生的力偶大于或小于旋翼9反扭矩，使機(jī)體自轉(zhuǎn)所需角度，然后再重復(fù)上述扭矩配平控制，使機(jī)體不自轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)航向操縱。試飛完成后，垂直降落至地面即可。
權(quán)利要求
1.一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法，其特征在于，具體如下 微型飛行器在飛行過程中，導(dǎo)流片利用旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的下洗氣流，產(chǎn)生反扭矩配平及實(shí)現(xiàn)航向控制；即當(dāng)旋翼旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的下洗氣流流過導(dǎo)流片時，在水平面內(nèi)導(dǎo)流片上產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)方向的力偶；當(dāng)其與旋翼反向扭矩相等時，飛行器實(shí)現(xiàn)扭矩配平，機(jī)體不自轉(zhuǎn)；當(dāng)其與旋翼反扭矩不等時，機(jī)體旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)航向操縱；在微型單旋翼飛行器垂直起降、懸停和沿任意方向前飛時均可采用上述配平與航向控制方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法，其特征在于，具體包括 (1)反扭矩配平 微型單旋翼飛行器在垂直起飛、懸停和沿不同方向前飛時，帶反饋控制的平衡控制器根據(jù)電機(jī)輸出扭矩和旋翼下洗氣流速度大小驅(qū)動導(dǎo)流片同向偏轉(zhuǎn)一定角度，使導(dǎo)流片上產(chǎn)生的力偶與旋翼反扭矩相等，即實(shí)現(xiàn)扭矩配平，機(jī)體不自轉(zhuǎn)； (2)航向控制 微型單旋翼飛行器在垂直起飛、懸停和沿不同方向前飛時，帶反饋控制的平衡控制器根據(jù)電機(jī)輸出扭矩、旋翼下洗氣流速度及機(jī)身預(yù)期旋轉(zhuǎn)角速度驅(qū)動導(dǎo)流片同向偏轉(zhuǎn)一定角度，使導(dǎo)流片上產(chǎn)生的力偶大于或小于旋翼的反扭矩，使機(jī)體自轉(zhuǎn)所需角度，然后再重復(fù)上述反扭矩配平控制，使機(jī)體不自轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)航向操縱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法，其特征在于，所述的偏轉(zhuǎn)角度小于30°。
4.應(yīng)用于權(quán)利要求I或者權(quán)利要求2所述一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法的微型單旋翼飛行器，其特征在于，包括整流罩、機(jī)體殼、支撐桿、起落架、導(dǎo)流片、連接軸、平衡控制器、機(jī)體組件、旋翼、旋翼軸、上端蓋和下端蓋； 所述整流罩為圓筒型，在機(jī)體殼外側(cè)，與機(jī)體殼同高、同軸；整流罩與機(jī)體殼通過頂端和底部兩組沿整流罩直徑方向布置的支撐桿固連；所述支撐桿共兩組，每組兩根，一組支撐桿位于整流罩頂部，一組支撐桿位于整流罩底部，四根支撐桿均位于同一豎直面內(nèi)；所述起落架固定在整流罩底部，相互成為120°夾角；所述導(dǎo)流片為一對矩形薄板，位于整流罩與機(jī)體殼之間垂向中部，分別與兩側(cè)支撐桿成90°夾角；所述連接軸一端與導(dǎo)流片相連，另一端穿過機(jī)體殼通孔，與機(jī)體殼內(nèi)的平衡控制器相連；所述平衡控制器控制導(dǎo)流片同向偏轉(zhuǎn)以產(chǎn)生用于反扭矩配平和航向控制的力偶；機(jī)體組件包括傳動機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電機(jī)控制器、電源，其中傳動機(jī)構(gòu)底部部分、電機(jī)、電機(jī)控制器、電源均固定在機(jī)體殼內(nèi)部，傳動機(jī)構(gòu)頂部部分與旋翼及旋翼軸的頂端相連，旋翼軸的另一端與機(jī)體組件中的傳動機(jī)構(gòu)底部部分相連；所述機(jī)體殼與旋翼軸同軸，上下端分別由上端蓋和下端蓋覆蓋。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型單旋翼飛行器，其特征在于，所述的平衡控制器采用微型控制舵機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型單旋翼飛行器導(dǎo)流控制方法，本發(fā)明的控制原理是利用導(dǎo)流片控制旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的下洗氣流，產(chǎn)生反扭矩配平及實(shí)現(xiàn)航向控制；即當(dāng)旋翼旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的下洗氣流流過導(dǎo)流片時，在水平面內(nèi)導(dǎo)流片上產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)方向的力偶；當(dāng)其與旋翼反向扭矩相等時，飛行器實(shí)現(xiàn)扭矩配平，機(jī)體不自轉(zhuǎn)；當(dāng)其與旋翼反扭矩不等時，機(jī)體旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)航向操縱；在微型單旋翼飛行器垂直起降、懸停和沿任意方向前飛時均可采用上述配平與航向控制方法；本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，有利于微型化。
文檔編號B64C27/02GK102874405SQ20121033795
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者吳江浩, 周超, 張艷來 申請人:北京航空航天大學(xué)