采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器以及操纵方法技术

本发明专利技术提供一种采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器以及操纵方法，扑翼飞行器包括机身、扑翼动力系统、旋翼动力系统和操纵系统；旋翼动力系统，用于提供垂直起降阶段的升力和操纵力矩；旋翼动力系统，包括左旋翼电机、右旋翼电机、后旋翼电机、左旋翼桨、右旋翼桨、后旋翼桨、左旋翼前撑杆、右旋翼前撑杆和旋翼尾撑杆。优点为：(1)本发明专利技术三旋翼与柔性扑动翼结合的布局形式，能够有效解决现有扑翼飞行器无法兼顾垂直起降与快速平飞的问题；(2)本发明专利技术去除了传统扑翼飞行器的尾翼，直接使用三旋翼中的尾桨来进行纵向配平与操纵，能有效提高扑翼飞行器的机动性，并通过利用三旋翼中的尾桨最大限度地降低了由于增加旋翼动力系统带来的重量代价。

Flapping wing vehicle with three rotor configuration and its maneuvering method

The invention provides a flapping-wing aircraft with a three-rotor hybrid configuration and a control method. The flapping-wing aircraft comprises a fuselage, a flapping-wing power system, a rotor power system and a control system; a rotor power system for providing lift and control torque during the vertical takeoff and landing phase; a rotor power system, including a left-wing motor, and a control system. Right rotor motor, rear rotor motor, left rotor blade, right rotor blade, rear rotor blade, left rotor front strut, right rotor front strut and rotor tail strut. The advantages of the invention are: (1) the layout form of the combination of the Tri-Rotor and the flexible flapping wing can effectively solve the problem that the existing flapping wing aircraft can not give consideration to both vertical take-off and landing and fast leveling; (2) the tail of the traditional flapping wing aircraft is removed, and the tail rotor of the Tri-Rotor is directly used for the longitudinal leveling and manipulation, thus effectively improving the performance of the flapping wing aircraft. The maneuverability of high flapping-wing aircraft is improved, and the weight cost caused by increasing the rotor power system is minimized by utilizing the tail rotor in the tri-rotor.

【技术实现步骤摘要】
采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器以及操纵方法
本专利技术属于扑翼飞行器
，具体涉及一种采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器以及操纵方法。
技术介绍
扑翼飞行器是一种仅采用扑动翼的运动来实现飞行的特殊飞行器，研究表明，扑翼飞行方式在低雷诺数下的推进效率优于固定翼飞行器与旋翼飞行器。实际应用场景中，常要求扑翼飞行器能够在狭小空间中起降与飞行。现有技术中，能够实现垂直起降的扑翼飞行器通常尺寸极小，载荷、续航能力有限，且无法快速前飞，直接影响了扑翼飞行器的适用场景。因此，如何能够使扑翼飞行器同时具备垂直起降与快速平飞能力，是目前迫切需要解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器以及操纵方法，可有效解决上述问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器，包括机身(1)、扑翼动力系统、旋翼动力系统和操纵系统；所述操纵系统包括偏转电机座(9)和操纵舵机(8)；所述旋翼动力系统，用于提供垂直起降阶段的升力和操纵力矩；所述旋翼动力系统，包括左旋翼电机(6A)、右旋翼电机(6B)、后旋翼电机(6C)、左旋翼桨(7A)、右旋翼桨(7B)、后旋翼桨(7C)、左旋翼前撑杆(4A)、右旋翼前撑杆(4B)和旋翼尾撑杆(5)；其中，所述左旋翼前撑杆(4A)和所述右旋翼前撑杆(4B)固定安装于所述机身(1)头部对称的左右两侧；所述左旋翼前撑杆(4A)的末端固定安装所述左旋翼电机(6A)，所述左旋翼电机(6A)的枢轴上固定安装所述左旋翼桨(7A)，所述左旋翼电机(6A)带动所述左旋翼桨(7A)旋转产生升力；所述右旋翼前撑杆(4B)的末端固定安装所述右旋翼电机(6B)，所述右旋翼电机(6B)的枢轴上固定安装所述右旋翼桨(7B)，所述右旋翼电机(6B)带动所述右旋翼桨(7B)旋转产生升力；所述旋翼尾撑杆(5)固定安装于机身尾部；所述旋翼尾撑杆(5)的末端固定安装所述偏转电机座(9)，所述操纵舵机(8)安装于所述旋翼尾撑杆(5)上，且靠近所述偏转电机座(9)，并且，所述操纵舵机(8)的转动轴上固定安装所述偏转电机座(9)；所述偏转电机座(9)上面固定安装所述后旋翼电机(6C)，所述后旋翼电机(6C)的枢轴上固定安装所述后旋翼桨(7C)；所述操纵舵机(8)带动所述偏转电机座(9)左右偏转，从而产生飞行器所需的横航向操纵力矩；所述扑翼动力系统，用于提供平飞阶段的推力和升力；所述扑翼动力系统，包括扑翼驱动机构(2)、左柔性扑动翼(3A)和右柔性扑动翼(3B)；所述扑翼驱动机构(2)固定安装于所述机身(1)的中前部；所述左柔性扑动翼(3A)固定安装于所述扑翼驱动机构(2)的左输出摇臂上；所述右柔性扑动翼(3B)对称固定安装于所述扑翼驱动机构(2)的右输出摇臂上；所述扑翼驱动机构(2)带动所述左柔性扑动翼(3A)和所述右柔性扑动翼(3B)进行上下扑动运动。优选的，所述左旋翼电机(6A)和所述右旋翼电机(6B)位于同一安装平面；所述左旋翼电机(6A)的安装平面与所述后旋翼电机(6C)的安装平面具有10°夹角，且所述后旋翼电机(6C)的安装平面高于所述左旋翼电机(6A)的安装平面，高出距离为三旋翼轴距乘以10°的正切值，以保证旋翼模式加速飞行时，柔性扑动翼的迎角仍然为正。优选的，所述左旋翼桨(7A)、所述右旋翼桨(7B)和所述后旋翼桨(7C)的浆直径相等，均为D；所述左旋翼前撑杆(4A)和所述右旋翼前撑杆(4B)左右对称布置，分别向左前方和右前方伸出，所述左旋翼电机(6A)的旋转轴距离左柔性扑动翼(3A)的前缘距离为1/2*D*1.2；所述右旋翼电机(6B)的旋转轴距离右柔性扑动翼(3B)的前缘距离为1/2*D*1.2，用于减小旋翼桨与柔性扑动翼的气流相互干扰。优选的，所述左旋翼电机(6A)的轴距为1.5D；所述右旋翼电机(6B)的轴距为1.5D。优选的，所述后旋翼桨(7C)的偏转范围为±45°。优选的，所述扑翼驱动机构(2)安装于机身全长15％～20％处，进而将全机重心调整至柔性扑动翼焦点前，利于飞行器纵向配平。本专利技术还提供一种基于采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器的扑翼飞行器操纵方法，包括垂直起降操纵方法、垂直转平飞切换操纵方法、平飞转垂直切换操纵方法和平飞操纵方法：垂直起降操纵方法为：扑翼动力系统不工作，即不启动扑翼驱动机构(2)；扑翼飞行器为三旋翼飞行模式，由左旋翼桨(7A)、右旋翼桨(7B)、后旋翼桨(7C)提供飞行升力，其纵向操纵依靠尾部旋翼(7C)的升力变化提供，偏航操纵由尾部旋翼(7C)在操纵舵机(8)控制下的偏转提供，滚转操纵由左旋翼桨(7A)和右旋翼桨(7B)不同转速导致的升力差来提供；垂直转平飞切换操纵方法为：依据高度保持，水平速度增加的原则，启动扑翼动力系统，左柔性扑动翼(3A)和右柔性扑动翼(3B)进行上下扑动，进而产生推力与升力，控制旋翼动力系统中的左旋翼桨(7A)与右旋翼桨(7B)逐步降低转速以抵消左柔性扑动翼(3A)和右柔性扑动翼(3B)产生的额外升力，后旋翼桨(7C)提供飞行器的纵向稳定力矩及操纵力矩，直至左旋翼桨(7A)与右旋翼桨(7B)停止转动，垂直转平飞阶段结束；平飞转垂直切换操纵方法为：依据高度保持，水平速度减小的原则，扑翼动力系统逐步降低输出，左柔性扑动翼(3A)和右柔性扑动翼(3B)进行上下扑动，进而产生推力与升力，控制旋翼动力系统中的左旋翼桨(7A)与右旋翼桨(7B)逐步增加转速以弥补扑翼动力系统减少的升力，后旋翼桨(7C)提供飞行器的纵向稳定力矩及操纵力矩，直至扑翼动力系统停止输出，平飞转垂直阶段结束；平飞操纵方法为：控制左旋翼桨(7A)与右旋翼桨(7B)停止转动，左柔性扑动翼(3A)和右柔性扑动翼(3B)进行上下扑动，进而提供飞行器平飞所需的升力和推力，飞行器纵向操纵由后旋翼桨(7C)的升力变化提供，飞行器横航向操纵由后旋翼桨(7C)在操纵舵机(8)控制下的偏转提供。本专利技术提供的采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器以及操纵方法具有以下优点：(1)本专利技术三旋翼与柔性扑动翼结合的布局形式，能够有效解决现有扑翼飞行器无法兼顾垂直起降与快速平飞的问题；(2)本专利技术去除了传统扑翼飞行器的尾翼，直接使用三旋翼中的尾桨来进行纵向配平与操纵，能有效提高扑翼飞行器的机动性，并通过利用三旋翼中的尾桨最大限度地降低了由于增加旋翼动力系统带来的重量代价；(3)本专利技术采用三旋翼平台与扑翼飞行器结合，具有良好的可实现性。附图说明图1为本专利技术提供的采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器的立体结构示意图；图2为本专利技术提供的采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器的俯视图；图3为本专利技术提供的采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器的侧视图。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。针对现有扑翼飞行器不能同时具备垂直起降与快速平飞能力的缺陷，本专利技术提供一种采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器，能够采用较少的重量代价有效解决上述问题。具体的，本专利技术包含三套旋翼电机与旋翼桨，用于提供悬停飞行时的升力和操纵力矩；柔性扑动翼用于提供平飞时的推力和升力，平飞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器，其特征在于，包括机身(1)、扑翼动力系统、旋翼动力系统和操纵系统；所述操纵系统包括偏转电机座(9)和操纵舵机(8)；所述旋翼动力系统，用于提供垂直起降阶段的升力和操纵力矩；所述旋翼动力系统，包括左旋翼电机(6A)、右旋翼电机(6B)、后旋翼电机(6C)、左旋翼桨(7A)、右旋翼桨(7B)、后旋翼桨(7C)、左旋翼前撑杆(4A)、右旋翼前撑杆(4B)和旋翼尾撑杆(5)；其中，所述左旋翼前撑杆(4A)和所述右旋翼前撑杆(4B)固定安装于所述机身(1)头部对称的左右两侧；所述左旋翼前撑杆(4A)的末端固定安装所述左旋翼电机(6A)，所述左旋翼电机(6A)的枢轴上固定安装所述左旋翼桨(7A)，所述左旋翼电机(6A)带动所述左旋翼桨(7A)旋转产生升力；所述右旋翼前撑杆(4B)的末端固定安装所述右旋翼电机(6B)，所述右旋翼电机(6B)的枢轴上固定安装所述右旋翼桨(7B)，所述右旋翼电机(6B)带动所述右旋翼桨(7B)旋转产生升力；所述旋翼尾撑杆(5)固定安装于机身尾部；所述旋翼尾撑杆(5)的末端固定安装所述偏转电机座(9)，所述操纵舵机(8)安装于所述旋翼尾撑杆(5)上，且靠近所述偏转电机座(9)，并且，所述操纵舵机(8)的转动轴上固定安装所述偏转电机座(9)；所述偏转电机座(9)上面固定安装所述后旋翼电机(6C)，所述后旋翼电机(6C)的枢轴上固定安装所述后旋翼桨(7C)；所述操纵舵机(8)带动所述偏转电机座(9)左右偏转，从而产生飞行器所需的横航向操纵力矩；所述扑翼动力系统，用于提供平飞阶段的推力和升力；所述扑翼动力系统，包括扑翼驱动机构(2)、左柔性扑动翼(3A)和右柔性扑动翼(3B)；所述扑翼驱动机构(2)固定安装于所述机身(1)的中前部；所述左柔性扑动翼(3A)固定安装于所述扑翼驱动机构(2)的左输出摇臂上；所述右柔性扑动翼(3B)对称固定安装于所述扑翼驱动机构(2)的右输出摇臂上；所述扑翼驱动机构(2)带动所述左柔性扑动翼(3A)和所述右柔性扑动翼(3B)进行上下扑动运动。...

【技术特征摘要】
1.一种采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器，其特征在于，包括机身(1)、扑翼动力系统、旋翼动力系统和操纵系统；所述操纵系统包括偏转电机座(9)和操纵舵机(8)；所述旋翼动力系统，用于提供垂直起降阶段的升力和操纵力矩；所述旋翼动力系统，包括左旋翼电机(6A)、右旋翼电机(6B)、后旋翼电机(6C)、左旋翼桨(7A)、右旋翼桨(7B)、后旋翼桨(7C)、左旋翼前撑杆(4A)、右旋翼前撑杆(4B)和旋翼尾撑杆(5)；其中，所述左旋翼前撑杆(4A)和所述右旋翼前撑杆(4B)固定安装于所述机身(1)头部对称的左右两侧；所述左旋翼前撑杆(4A)的末端固定安装所述左旋翼电机(6A)，所述左旋翼电机(6A)的枢轴上固定安装所述左旋翼桨(7A)，所述左旋翼电机(6A)带动所述左旋翼桨(7A)旋转产生升力；所述右旋翼前撑杆(4B)的末端固定安装所述右旋翼电机(6B)，所述右旋翼电机(6B)的枢轴上固定安装所述右旋翼桨(7B)，所述右旋翼电机(6B)带动所述右旋翼桨(7B)旋转产生升力；所述旋翼尾撑杆(5)固定安装于机身尾部；所述旋翼尾撑杆(5)的末端固定安装所述偏转电机座(9)，所述操纵舵机(8)安装于所述旋翼尾撑杆(5)上，且靠近所述偏转电机座(9)，并且，所述操纵舵机(8)的转动轴上固定安装所述偏转电机座(9)；所述偏转电机座(9)上面固定安装所述后旋翼电机(6C)，所述后旋翼电机(6C)的枢轴上固定安装所述后旋翼桨(7C)；所述操纵舵机(8)带动所述偏转电机座(9)左右偏转，从而产生飞行器所需的横航向操纵力矩；所述扑翼动力系统，用于提供平飞阶段的推力和升力；所述扑翼动力系统，包括扑翼驱动机构(2)、左柔性扑动翼(3A)和右柔性扑动翼(3B)；所述扑翼驱动机构(2)固定安装于所述机身(1)的中前部；所述左柔性扑动翼(3A)固定安装于所述扑翼驱动机构(2)的左输出摇臂上；所述右柔性扑动翼(3B)对称固定安装于所述扑翼驱动机构(2)的右输出摇臂上；所述扑翼驱动机构(2)带动所述左柔性扑动翼(3A)和所述右柔性扑动翼(3B)进行上下扑动运动。2.根据权利要求1所述的采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器，其特征在于，所述左旋翼电机(6A)和所述右旋翼电机(6B)位于同一安装平面；所述左旋翼电机(6A)的安装平面与所述后旋翼电机(6C)的安装平面具有10°夹角，且所述后旋翼电机(6C)的安装平面高于所述左旋翼电机(6A)的安装平面，高出距离为三旋翼轴距乘以10°的正切值，以保证旋翼模式加速飞行时，柔性扑动翼的迎角仍然为正。3.根据权利要求1所述的采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器，其特征在于，所述左旋翼桨(7A)、所述右旋翼桨(7B)和所述后旋翼桨(7C)的浆直径相等，均为D；所述左旋翼前...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋笔锋，年鹏，杨文青，梁少然，薛栋，陈昂，宣建林，张红梅，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61