一种微小型扑旋翼飞行器制造技术

本实用新型专利技术提出一种微小型扑旋翼飞行器，属于微小型飞行器技术领域。本实用新型专利技术设计的飞行器包括扑翼、电磁式驱动机构、连接轴、滚子轴承、电源、有效载荷、电动舵机、控制面、起落架、控制器、机体壳、滑环、电刷；其中，电磁式驱动机构驱动一对扑翼上下拍动。机体壳通过滚子轴承与旋转的连接轴连接，三个控制面均匀分布在机体壳下部，同时兼顾飞行器起落架功能。本实用新型专利技术扑旋翼具有很好气动效能，可以满足飞行器垂直起降和悬停的任务需求。同时飞行器扑翼的旋转是一种自驱动旋转，不需要外加抗扭转机构来抵消旋转。该设计结构简单、重量轻、飞行效率高，适于微型化飞行器设计要求。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术设计属于微小型飞行器
，特别涉及一种结合扑翼与旋 翼技术的自旋式飞行器。
技术介绍
1992年美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Project Agency,简称DARPA)第一次提出了微型飞行器(MicroAir Vehicles,简称MAV) 的概念。微型飞行器的主要特点是体积小，美国MRPA对微型飞行器的要求为 翼展和长度小于6英寸(152毫米)，总重量约为80-150克，有效载荷为20 克左右，续航时间为20-60分钟，飞行速度为30-60公里/小时，具有实时成 像、导航及通信能力。MAV具有极其广泛的应用前景和使用价值，已经成为当 今国际上一个新的研究热点。从现有的研究情况来看，微型飞行器按其飞行方式可分为固定翼、旋翼和 仿生翼三类。微型旋翼飞行器与固定翼飞行器相比，最大优点是能够垂直起降 和悬停，因此比较适宜于在室内等狭小空间或较复杂的地形环境中使用。其中 较典型的有美国Lutronix公司与Auburn大学联合研制的单旋翼与双旋翼两张 类型的"Kolibri"以及Stanford大学正在研究一种基于微电路制造技术的四 旋翼飞行器"Mesicopter"。微小型扑翼式飞行器是以昆虫飞行为仿生对象的新 型飞行器。扑翼飞行的主要特点是将举升、悬停和推进功能集中于一个扑翼系 统。仿生学和空气动力学研究结果表明，在微型飞行器的定义范围内，固定翼 和旋翼飞行的气动效率将急剧下降。而扑翼飞行将更适合于微型化且更具优势。 目前美国佐治亚技术研究院、英国剑桥大学等联合研制的基于往复式化学肌肉 (RCM)新技术的扑翼布局飞行器"Entomopter"，是一个既能飞又能爬行的机器 人。该项目重点是研究这种扑翼式飞行器能否像蜂鸟一样垂直飞行。国内外研 究结果表明，目前还未成功研制出具有垂直起降(VT0L)、旋停以及低速度飞行 的能力(FVLV)的微小型扑翼式飞行器。目前具有垂直起降和悬停功能的飞行器主要是旋翼飞行器。但是，不论是单旋翼还是多旋翼飞行器都需要电机或油机驱动旋翼主动旋转；单旋翼飞行器更是需要尾桨抵消旋翼对机体产生的扭力。这些都导致了飞行器结构比较复杂、偏重且气动效率低，不适于微型化。本技术的目的是为了解决传统旋翼飞行器由于需要电机驱动以及需要尾桨或尾翼等平衡扭矩装置所带来的飞行器结构复杂，升力与本体重量之比低，不易微型化的问题。提出了一种结合扑翼与旋翼技术，通过扑翼拍动产生的推力带动扑翼旋转而无须电机驱动的方法。这一方法具体解释为扑翼需设定一个初始攻角，扑翼向下拍动时，由于翼面的柔性变形，有效攻角在不断地变化，不但能产生向上的升力，还能产生向前的推力；另一个反对称安装的扑翼向下拍动时，产生方向相反的推力。扑翼拍动产生的推力会带动扑翼旋转。扑翼旋转速度的增加又会增加升力和推力，从而进一步提高扑翼的旋转速度和气动效能。目前具有垂直起降和悬停功能的飞行器主要是旋翼飞行器。但是，不论是单旋翼还是多旋翼飞行器都需要电机或油机驱动旋翼主动旋转；单旋翼飞行器 更是需要尾桨抵消旋翼对机体产生的扭力。这些都导致了飞行器结构比较复杂、 偏重且气动效率低，不适于微型化。
技术实现思路
本技术的目的是为了解决传统旋翼飞行器由于需要电机驱动以及需要 尾桨或尾翼等平衡扭矩装置所带来的飞行器结构复杂、升力与本体重量之比低 和不易微型化的问题而提供一种扑旋翼设计方法及利用此方法设计的微小型扑 旋翼飞行器。本技术利用扑翼上下拍动时，翼面柔性变形不但能产生向卜-的升力还 能产生向前的推力的原理，提出了一种结合扑翼与旋翼技术，通过扑翼拍动产 生的推力带动扑翼旋转而无须电机驱动的方法。这方法具体解释为扑翼需 设定一个初始攻角，扑翼向下拍动时，由于翼面的柔性变形，有效攻角在不断 地变化，不但能产生向上的升力，还能产生向前的推力；另一个反对称安装的扑翼向下拍动时，产生方向相反的推力。扑翼拍动产生的推力会带动扑翼旋转。 扑翼旋转速度的增加又会增加升力和推力，从而进一步提高扑翼的旋转速度和 气动效能。4利用这一方法设计的具有自旋能力的扑旋翼飞行器可通过下述技术方案实现。本技术的微小型扑旋翼飞行器，包括扑翼、电磁式驱动机构、连接轴、 滚子轴承、电源、有效载荷、电动舵机、控制面、起落架、控制器、机体壳、 滑环、电刷。其中， 一对扑翼参照直升机浆叶布局方式反对称安装在电磁式驱动机构上， 控制器控制电磁式驱动机构中缠绕在U形软铁外导线内电流的通断频率，有电流通过电磁铁2c时，产生的磁力吸合铁片2a，带动扑翼向下拍动，电流切断后， 弹簧2c产生的恢复力带动扑翼上拍。翼面上下拍动产生向上的升力与向前的推 力。两个翼面产生的推力带动扑翼、电磁式驱动机构、连接轴绕微小型扑旋翼 飞行器中心轴旋转。机体壳通过滚子轴承与连接轴相连，悬挂在扑翼下方。连接轴顶端与电磁 式驱动机构中铁片2a连接；其中，机体壳内装有电源、控制器、电动舵机以及 有效载荷。三片控制面安装在起落架上，控制器通过电动舵机使控制面偏转，控制飞 行器产生相应的机动；起落架装配在机体壳下部。本技术的微小型扑旋翼飞行器工作原理微小型扑旋翼飞行器扑翼的 旋转是一种垂直驱动产生的旋转。在电磁式驱动机构中U形电磁铁在周期性电 信号的作用下，产生垂直方向上的周期性的磁力吸合磁闭合铁片，驱动扑翼按 照其共振频率及设计振幅振动。弹性铁片2a和弹性翼根结构设计，可以使驱动 振幅增大到最佳设计值下最大的气动升力与推力。微小型扑旋翼飞行器扑翼需设定一个初始攻角，扑翼向下拍动时，由于翼 面的柔性变形，有效攻角在不断地变化，不但能产生向上的升力，还能产生向 前的推力，其现象如同人在扇动扇子时产生的气流与气动力；另一个反对称安 装的扑翼向下拍动时，产生方向相反的推力。扑翼拍动产生的推力会带动扑翼 旋转。扑翼旋转速度的增加又会增加升力和推力，从而进一步提高扑翼的旋转 速度和气动效能，最终满足扑旋翼飞行器垂直起降和悬停的任务需求。由于扑 翼的旋转是一种垂直驱动产生的旋转，即通过扑翼振动产生的推力带动扑翼旋 转，没有扭矩输入，也就不需要额外的尾桨以及额外的能量来抵消旋转力矩。如前面所述，机体壳通过滚子轴承与连接轴连接，由滚子轴承传递给机体壳的非常小的力矩可以由装配在机体上的控制面阻力产生的力矩抵消。有益效果(1) 本技术中的飞行器扑翼能够旋转，可以实现垂直起降和空中悬停；(2) 本技术中的飞行器扑翼旋转由翼面拍动产生的推力带动，不需要电 机驱动，无扭矩输入因而不需要尾桨或尾翼等平衡装置，结构简单、体积小、 重量轻；(3) 本技术中的飞行器具有一定带负载能力，适于在狭窄环境中做高机 动飞行使用。附图说明图l本技术的微型扑旋翼飞行器侧视图； 图2本技术的微型扑旋翼飞行器俯视图； 图3本技术的微型扑旋翼飞行器扑翼结构图； 图4本技术实施例的"W"形电磁式驱动机构；图5本技术实施例的"3W"形电磁式驱动机构。其中，1-扑翼、2-电磁式驱动机构、3-连接轴、4-滚子轴承、5-电源、6-有效载荷、7-电动舵机、8-控制面、9-起落架、10-控制器、11-机体壳、12-滑 环、13-电刷。具体实施方式以下结合附图和实施例对本实用新本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微小型扑旋翼飞行器，其特征在于：包括扑翼（１）、电磁式驱动机构（２）、连接轴（３）、滚子轴承（４）、电源（５）、有效载荷（６）、电动舵机（７）、控制面（８）、起落架（９）、控制器（１０）、机体壳（１１）、滑环（１２）、电刷（１３）；其中，一对扑翼（１）参照直升机浆叶布局方式反对称安装在电磁式驱动机构上，扑翼（１）在电磁式驱动机构（２）驱动下上下拍动，翼面上产生向上的升力与向前的推力，两个翼面产生的推力带动扑翼（１）、电磁式驱动机构（２）、连接轴（３）绕微小型扑旋翼飞行器中心轴旋转；　机体壳（１１）通过滚子轴承（４）与连接轴（３）相连，悬挂在扑翼（１）下方，连接轴（３）顶端与电磁式驱动机构（２）相连；其中，机体壳（１１）内装有电源（５）、控制器（１０）、电动舵机（７）以及有效载荷（６）；　三片控制 面（８）安装在起落架（９）上，控制器（１０）通过电动舵机（７）使控制面（８）偏转，控制飞行器产生相应的机动；起落架（９）装配在机体壳下（１１）部。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭士钧，王正杰，范宁军，王正平，吴炎烜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]