本發(fā)明涉及微型飛行器領(lǐng)域，具體來說是一種雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器。

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(dòng)物飛行和游動(dòng)機(jī)理的探索越來越深入，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致微型飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展越來越迅速，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，被應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境條件下的偵察、通訊、勘探和協(xié)助救援等任務(wù)。

公開號為cn101492093的專利申請：“撲旋翼設(shè)計(jì)方法及利用此方法設(shè)計(jì)的微小型撲旋翼飛行器”中公開了一種微小型撲旋翼飛行器，升力靠一對上下拍動(dòng)并可旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼提供。微型飛行器質(zhì)量輕，尺寸小，因此機(jī)載動(dòng)力裝置的質(zhì)量、尺寸也同樣受到極大約束，所能攜帶的能量也相對有限。如何在給定動(dòng)力裝置下，將盡可能多的能量傳輸至機(jī)翼，以有效產(chǎn)生飛行需要的氣動(dòng)力或者氣動(dòng)力矩，對顯著提高微型撲旋翼的氣動(dòng)特性以及微型撲旋翼的負(fù)載性能有著積極的作用。

目前公開的撲旋翼設(shè)計(jì)都普遍采用雙翼布局，且一對撲旋翼沿豎直旋轉(zhuǎn)軸呈軸對稱分布。當(dāng)撲旋翼拍動(dòng)過程時(shí)，雙翼同向拍動(dòng)，即：一個(gè)翼向上拍動(dòng)，另一個(gè)翼也同樣向上運(yùn)動(dòng)；反之，一翼向下拍動(dòng)，另一翼也向下拍動(dòng)。撲旋翼的特點(diǎn)決定了其氣動(dòng)力產(chǎn)生和能量消耗主要發(fā)生在下拍過程中。同向拍動(dòng)的雙翼在下拍時(shí)產(chǎn)生較大的翼升力的同時(shí)也需要極大的瞬態(tài)功率輸入；相反，上拍過程中盡管升力產(chǎn)生較小但瞬態(tài)能量需求也極少?？偟目?，同向拍動(dòng)的上下拍過程中升力產(chǎn)生和瞬態(tài)能量消耗差別極大，這一方面導(dǎo)致基于雙翼同向拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器整個(gè)拍動(dòng)周期內(nèi)升力會產(chǎn)生較大的波動(dòng)，增加了飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度；另一方面又使得一個(gè)運(yùn)動(dòng)內(nèi)功率消耗分布極為不均，飛行器整體能量利用率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有微型撲旋翼飛行器采用雙翼同向拍動(dòng)，造成的下拍時(shí)機(jī)翼升力及瞬態(tài)能耗極大，而上拍升力及瞬態(tài)能量耗能極少，上下拍過程升力貢獻(xiàn)及瞬態(tài)能量消耗差別極大，系統(tǒng)升力波動(dòng)較大、整體能量利用率較低的問題，提出了一種雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器。

所述的微型撲旋翼飛行器包括機(jī)翼、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置及底座。底座上固定動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端分別各固定一個(gè)機(jī)翼；

所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括齒輪減速組、套筒、內(nèi)桿、傳動(dòng)連桿、兩個(gè)機(jī)翼連桿、套筒軸承、內(nèi)桿軸承、套筒軸承環(huán)以及內(nèi)桿軸承環(huán)；

所述兩個(gè)機(jī)翼攻角可控；機(jī)翼a的外伸端鉸接在套筒軸承環(huán)上；中間鉸接機(jī)翼連桿a的根部，機(jī)翼連桿a的另一端根部鉸接內(nèi)桿軸承環(huán)；機(jī)翼b的外伸端鉸接在內(nèi)桿軸承環(huán)上，同時(shí)中間鉸接機(jī)翼連桿b的根部，機(jī)翼連桿b的另一端根部鉸接套筒軸承環(huán)；

內(nèi)桿軸承環(huán)外套在內(nèi)桿軸承上，內(nèi)桿軸承安裝在內(nèi)桿頂部；內(nèi)桿置于在套筒內(nèi)；套筒垂直固定在底座上；內(nèi)桿與套筒交接的部位設(shè)有套筒軸承，外套套筒軸承環(huán)。套筒側(cè)壁上開有一段溝槽，傳動(dòng)連桿的一端穿過溝槽與內(nèi)桿相連，另一端連接齒輪減速組的輸出端；齒輪減速組固定在底座上，輸入端接動(dòng)力裝置；

動(dòng)力裝置固定在底座上，包括微型電機(jī)、微型電源和電源輸出控制器；微型電機(jī)固定在齒輪減速組上，并將輸出軸與齒輪減速組的輸入端相連。

飛行器工作時(shí)，微型電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪減速組運(yùn)動(dòng)，從而傳動(dòng)連桿在套筒溝槽內(nèi)上下滑動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)內(nèi)桿上下升降。兩個(gè)機(jī)翼連桿同時(shí)向相反方向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)對稱布置的一對機(jī)翼其中一個(gè)向下拍動(dòng)，而另一個(gè)機(jī)翼向上拍動(dòng)。隨著內(nèi)桿上下升降，兩個(gè)機(jī)翼連桿交替向下和向上運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)一對機(jī)翼交替下拍和上拍，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)拍動(dòng)；拍動(dòng)相差約180度，下拍過程產(chǎn)生升力，能量消耗較大；而上拍過程升力產(chǎn)生和能耗消耗較小。兩個(gè)機(jī)翼交替上下拍在保證機(jī)翼相同頻率拍動(dòng)的過程中平均升力不變時(shí)，機(jī)翼瞬態(tài)升力波動(dòng)明顯減小，升力在整個(gè)拍動(dòng)周期內(nèi)更為均勻，能耗變化也較為平緩。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、一種雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器，通過雙翼差動(dòng)拍動(dòng)，保證一個(gè)機(jī)翼在上拍過程時(shí)另一個(gè)機(jī)翼處于下拍運(yùn)動(dòng)，相比原有飛行器雙翼同步拍動(dòng)的方案可使得每個(gè)運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)飛行器總的氣動(dòng)升力波動(dòng)較小，有利于飛行器保持穩(wěn)定，減小了控制方案設(shè)計(jì)的難度。

2、一種雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器，通過雙翼差動(dòng)拍動(dòng)，使得拍動(dòng)過程中電機(jī)輸出功率主要用于克服下拍翼的功率消耗，有效降低了對電機(jī)輸出功率的要求，顯著提高能量利用效率。

3、原有飛行器雙翼同步拍動(dòng)的方案，電機(jī)在機(jī)翼同時(shí)下拍時(shí)要克服兩個(gè)下拍機(jī)翼的能耗，這對電機(jī)的最大輸出功率要求更高。而本發(fā)明一種雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器中電機(jī)最大輸出功率只需稍大于單機(jī)翼下拍時(shí)的最大功率即可，有效降低了一個(gè)拍動(dòng)過程中機(jī)翼最大功率消耗，從而顯著提高飛行器能量利用效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器的示意圖；

圖2是本發(fā)明一種雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器的機(jī)翼結(jié)構(gòu)。

圖中：

1-機(jī)翼2-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-動(dòng)力裝置4-底座

101-主梁102-短梁103-斜梁104-翼膜

105-變形片106-限位梁201-齒輪減速組202-套筒

203-內(nèi)桿204-傳動(dòng)連桿205-機(jī)翼連桿206-套筒軸承

207-內(nèi)桿軸承208-套筒軸承環(huán)209-內(nèi)桿軸承環(huán)301-微型電機(jī)

302-微型電源303-微型電機(jī)控制器

具體實(shí)施方式

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。

本發(fā)明一種雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器，左右兩機(jī)翼差動(dòng)拍動(dòng)，拍動(dòng)相差約180度，即當(dāng)一個(gè)機(jī)翼向下拍動(dòng)時(shí)另一個(gè)機(jī)翼處于向上拍動(dòng)。在保證機(jī)翼相同頻率拍動(dòng)過程中平均升力不變時(shí)，升力在整個(gè)拍動(dòng)周期內(nèi)更為均勻，且電機(jī)最大輸出功率只需稍大于單機(jī)翼下拍時(shí)的最大功率即可，有效降低了一個(gè)拍動(dòng)過程中機(jī)翼最大功率消耗和瞬態(tài)升力波動(dòng)，從而顯著提高飛行器能量利用效率。

所述的微型撲旋翼飛行器，如圖1所示，包括攻角可控的一對機(jī)翼1，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2，動(dòng)力裝置3以及底座4。

所述機(jī)翼1如圖2所示，包括機(jī)翼1a和機(jī)翼1b，均由梁、變形片105以及翼膜104結(jié)構(gòu)組成。

所述梁共四根，為主梁101、短梁102、斜梁103以及限位梁106，均采用碳纖維桿制作，主梁101與短梁102、斜梁103共面，短梁102與主梁101垂直，斜梁103在主梁101與短梁102之間，與主梁101夾角在30°至60°之間。短梁102和斜梁103根部固連，短梁102和斜梁103根部距離主梁101根部垂直距離約10％展長，機(jī)翼主梁101一端外伸與撲旋翼飛行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固連，限位梁106一端固定在距離主梁101根部距離約20％展長的位置，斜搭在斜梁103和短梁102上面，限制機(jī)翼下拍時(shí)斜梁103、短梁102以及翼膜104的變形。

所述翼膜104采用聚乙烯薄膜制作。

裁剪一長方形橡膠片作為變形片105，所述變形片105連接主梁101、短梁102和斜梁103，受力時(shí)可拉伸。變形片105一端粘結(jié)在主梁101根部上，另一端與短梁102和斜梁103的交接根部粘連。通過改變變形片105厚度或者調(diào)節(jié)短梁102根部和主梁101的垂直距離來控制機(jī)翼上拍時(shí)的翼型攻角。

所述機(jī)翼1初始安裝時(shí)，按照翼梁結(jié)構(gòu)在上、膜在下的方式安裝，并保證拍動(dòng)機(jī)構(gòu)水平時(shí)機(jī)翼1初始幾何攻角取在-10度～0度之間；在定義攻角時(shí)，撲旋翼翼面在水平面以上定義為負(fù)攻角，反之為正攻角。當(dāng)機(jī)翼1拍動(dòng)時(shí)，短梁102、斜梁103及翼膜104受到氣動(dòng)力和翼慣性力作用，使得變形片105變形，短梁102和斜梁103帶動(dòng)翼膜繞主梁101轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制機(jī)翼1攻角變化。

具體為：當(dāng)機(jī)翼1上拍時(shí)，短梁102、斜梁103以及翼膜104上的力使得變形片105變形，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼1向下翻轉(zhuǎn)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)至一定程度后，變形片105的彈性力限制機(jī)翼1進(jìn)一步向下翻轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)軸0.6～0.7倍展長位置處的翼型當(dāng)?shù)毓ソ亲畲笾悼刂圃谥械裙ソ?介于10度～30度之間)；而當(dāng)機(jī)翼1下拍時(shí)，翼膜104的張力和限位梁106限制機(jī)翼1向上的過度變形，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼1旋轉(zhuǎn)軸0.6～0.7倍展長位置處的翼型當(dāng)?shù)毓ソ亲钚≈悼刂圃?10度～0度之間。

所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2由齒輪減速組201、套筒202、內(nèi)桿203、傳動(dòng)連桿204、兩個(gè)機(jī)翼連桿205、套筒軸承206、內(nèi)桿軸承207、套筒軸承環(huán)208以及內(nèi)桿軸承環(huán)209組成，如圖1所示。

機(jī)翼1a的主梁101外伸端鉸接在套筒軸承環(huán)208上，同時(shí)通過中間孔鉸接機(jī)翼連桿205a的根部，機(jī)翼連桿205a的另一端根部鉸接內(nèi)桿軸承環(huán)209；機(jī)翼1b的主梁101外伸端鉸接在內(nèi)桿軸承環(huán)209上，同時(shí)通過中間孔鉸接機(jī)翼連桿205b的根部，機(jī)翼連桿205b的另一端根部鉸接套筒軸承環(huán)208；

內(nèi)桿軸承環(huán)209外套并粘結(jié)在內(nèi)桿軸承207上，內(nèi)桿軸承207粘接固定在內(nèi)桿203的頂端，內(nèi)桿軸承環(huán)209的一端與機(jī)翼連桿205a鉸接，另一端與機(jī)翼1b的主梁101外伸端根部鉸接。

內(nèi)桿203置于套筒202內(nèi)，套筒202垂直固定在底座4上，套筒202頂端粘接固定有套筒軸承206，外套并粘結(jié)套筒軸承環(huán)208，套筒軸承環(huán)208的一端與機(jī)翼1a的主梁101外伸端根部鉸接，另一端與機(jī)翼連桿205b鉸接。

套筒202側(cè)壁上開有溝槽并垂直固定在底座4上，傳動(dòng)連桿204的一端穿過套筒溝槽與內(nèi)桿203底端上的圓孔相連，傳動(dòng)連桿204的另一端偏心連接齒輪減速組201的輸出端；齒輪減速組201為塑料材料，采用三級齒輪減速設(shè)計(jì)，固定在底座4上；齒輪減速組201的輸入端接動(dòng)力裝置3的微型電機(jī)301輸出軸，輸出端接傳動(dòng)連桿204的一端。

套筒202、內(nèi)桿203、傳動(dòng)連桿204、機(jī)翼連桿205、套筒軸承環(huán)208以及內(nèi)桿軸承環(huán)209均采用樹脂材料通過3d打印而成；套筒軸承206與內(nèi)桿軸承207采用輕質(zhì)金屬軸承。內(nèi)桿203置于套筒202內(nèi)，與傳動(dòng)連桿204連接后可以在套筒202內(nèi)垂直滑動(dòng)。

所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2的功能是將微型電機(jī)301輸出的高速圓周運(yùn)動(dòng)減速后，轉(zhuǎn)化為機(jī)翼1的垂直拍動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)左右機(jī)翼的差動(dòng)拍動(dòng)。

所述動(dòng)力裝置3由微型電機(jī)301、微型電源302和電源輸出控制器303組成。微型電源302采用可充電式鋰電池，微型電機(jī)301采用無刷電機(jī)，電源輸出控制器303采用帶有無線電收發(fā)裝置的控制電路板。微型電源302、微型電機(jī)301和電源輸出控制器303固定在底座4上，且微型電機(jī)301輸出軸與齒輪減速組201的輸入端相連。

所述的雙翼差動(dòng)拍動(dòng)的微型撲旋翼飛行器具體安裝過程如下：

首先制作機(jī)翼；控制短梁102根部與主梁101的垂直距離使機(jī)翼1的根部固定時(shí)，但在機(jī)翼距離旋轉(zhuǎn)軸0.6～0.7倍展長(定義為撲旋翼尖部距離旋轉(zhuǎn)軸的距離)位置處翼型中點(diǎn)處施加微型撲旋翼飛行器一半的重量時(shí)，此位移翼型截面攻角最大值在10度～30度之間。

然后制作動(dòng)力裝置；將微型電源302與微型電機(jī)301，微型電源302與電源輸出控制器303通過導(dǎo)線相連。將微型電源302、電源輸出控制器303安裝在底座4上，

進(jìn)一步制作傳動(dòng)裝置及底座；采用樹脂材料，利用3d打印成型技術(shù)打印出套筒202、內(nèi)桿203、傳動(dòng)連桿204、兩個(gè)機(jī)翼連桿205、套筒軸承環(huán)208、內(nèi)桿軸承環(huán)209以及底座4。套筒202側(cè)壁的溝槽長度略大于內(nèi)桿203的運(yùn)動(dòng)幅度、寬度略大于傳動(dòng)連桿的204直徑。

最后飛行裝配及試飛；

將機(jī)翼連桿205a的一端與機(jī)翼1a的主梁101根部靠近三根梁連接處的圓孔相連，另一端與內(nèi)桿軸承環(huán)209鉸接并保證機(jī)翼1a拍動(dòng)機(jī)構(gòu)拍動(dòng)至水平時(shí)，機(jī)翼1a攻角為-10度～0度。

將另一個(gè)機(jī)翼連桿205b的一端與機(jī)翼1b主梁101根部靠近三根梁連接處的圓孔相連，另一端與套筒軸承環(huán)208鉸接，同樣保證機(jī)翼1b拍動(dòng)機(jī)構(gòu)拍動(dòng)至水平時(shí)，機(jī)翼1b的攻角為-10度～0度。

試飛過程如下：在地面靜止?fàn)顟B(tài)下，通過微型電源輸出控制器303開啟微型電機(jī)301，并使電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)逐漸增加，微型電機(jī)301轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪減速組201轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出端相連的傳動(dòng)連桿204在套筒202側(cè)壁的溝槽內(nèi)垂直滑動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)桿203在套筒202內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，內(nèi)桿203向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)內(nèi)桿軸承207及內(nèi)桿軸承環(huán)209向上運(yùn)動(dòng)。內(nèi)桿軸承環(huán)209與機(jī)翼連桿205a鉸接，機(jī)翼連桿205a的另一端與機(jī)翼1a的外伸端中間孔鉸接。由于機(jī)翼1a外伸端外端孔與套筒軸承環(huán)208鉸接，且套筒軸承環(huán)208只能軸向旋轉(zhuǎn)而不能上下運(yùn)動(dòng)，因此在內(nèi)桿203的帶動(dòng)下，機(jī)翼1a向上拍動(dòng)；同時(shí)，在機(jī)翼連桿205b的帶動(dòng)下，對稱布置的機(jī)翼1b向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，機(jī)翼1a的產(chǎn)生升力有限但能耗也較小，向下拍動(dòng)的機(jī)翼1b產(chǎn)生較大的升力但耗功也較大，因此此時(shí)微型電機(jī)301的輸出功主要用于克服機(jī)翼1b能耗。

相同的道理，當(dāng)內(nèi)桿203向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)翼1a轉(zhuǎn)變拍動(dòng)方向，變?yōu)橄蛳逻\(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生較大升力并耗功較大，而機(jī)翼1b轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生有限升力并耗功較小，此時(shí)微型電機(jī)301的輸出功主要用于克服機(jī)翼1a的能耗。

總的來看，在一個(gè)拍動(dòng)周期內(nèi)，機(jī)翼1a和1b交替上拍和下拍，交替成為升力產(chǎn)生的主要部件，而微型電機(jī)301的始終主要克服下拍機(jī)翼的功耗即可。機(jī)翼1a和機(jī)翼1b拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生水平面內(nèi)的推力，驅(qū)動(dòng)機(jī)翼1的旋轉(zhuǎn)。

提高機(jī)翼1a和1b的上下拍動(dòng)頻率，機(jī)翼1a和1b旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生升力。當(dāng)升力達(dá)到并超過重力時(shí)，飛行器實(shí)現(xiàn)垂直起飛。

運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)翼在上拍至水平面內(nèi)時(shí)攻角維持在10度～30度之間，而下拍至水平面時(shí)攻角維持在-10度～0度左右。