CN103381886B - 一种多维动态主动变体扑翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
一种多维动态主动变体扑翼飞行器，包括机身、扑翼、尾翼、作动***和控制***，主要仿鸟翼骨骼在飞行扑动周期中的复杂变形。所述作动***中的扑翼变体机构，包括翼蒙皮、肱骨支杆、桡骨支杆、尺骨支杆、掌骨支杆、变体舵机、变体拉杆及支杆间连接的铰链；变体机构与扑翼上下扑动机构在控制***程序控制下作同步运转：当扑翼向下扑动时，扑翼前缘骨架呈平直展开状态，扑翼面积增大，增加升力；当扑翼向上扑动时，扑翼前缘骨架呈多折和展向收缩变形状态，扑翼面积减小，减小阻尼力；在每次扑动周期中，实现扑翼动态变体扑动，从而可以实现仿大鸟的高效率飞行。
Description
技术领域
本发明涉及一种多维动态主动变体扑翼飞行器，其属于特种飞行器领域。
背景技术
目前的飞行器主要是固定翼形式，鸟类扑动翼的飞行原理不同于固定翼飞机，其不用螺旋桨或喷气推进，靠扑翼的拍动就可以既产生升力又产生推力，它改变了人们传统上飞行器设计的观念。
单纯地模仿鸟扑动飞行的微型扑翼飞行器虽已获得成功，但是现有的扑翼飞行器仅仅是上下单自由度扑动，机翼基本形状不变，蒙皮在惯性力和气动力作用下产生的“被动柔性变形”，扑动机构耗能大，气动效率低。实际鸟翅膀不仅有扑动，且有复杂的形状“收放”大变形。特别是大鸟，扑动频率低，特殊的翅膀结构变形消耗能量很小，飞行距离远。
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容
本发明提供一种仿大鸟扑翼骨骼变形的多维动态主动变体扑翼飞行器，以提高飞行效率和减少能耗。
本发明采用如下技术方案：一种多维动态主动变体扑翼飞行器，包括机身、位于所述机身两侧的扑翼、位于机身后侧的尾翼、安装于所述机身中的控制***及由电路与所述控制***相连的作动***，所述扑翼包括翼蒙皮和扑翼前缘骨架，所述扑翼前缘骨架包括摆杆、肱骨支杆、桡骨支杆、尺骨支杆和掌骨支杆。
所述作动***包括扑翼上下扑动机构、位于所述扑翼上下扑动机构两侧的扑翼俯仰机构、尾翼俯仰偏转舵机和扑翼变体机构，所述扑翼上下扑动机构、扑翼俯仰机构和尾翼俯仰偏转舵机位于所述机身中，所述扑翼上下扑动机构位于所述控制***的前侧并与控制***相连，所述尾翼俯仰偏转舵机位于所述控制***的后侧并与控制***相连，所述扑翼变体机构位于所述机身的两侧。
所述扑翼变体机构包括肱骨支杆根部铰链、肱骨支杆与尺骨支杆连接的铰链、尺骨支杆与掌骨支杆连接的铰链、肱骨支杆曲臂、变体拉杆、肱骨支杆曲臂与变体拉杆及桡骨支杆连接的球铰链、桡骨支杆曲臂与掌骨支杆曲臂连接的球铰链、变体舵机、变体舵机摇臂、变体拉杆与变体舵机摇臂连接的球铰链；摆杆通过铰链与肱骨支杆相连，肱骨支杆通过铰链与尺骨支杆相连，尺骨支杆通过铰链与掌骨支杆相连，肱骨支杆曲臂通过铰链与变体拉杆及桡骨支杆相连，桡骨支杆曲臂通过铰链与掌骨支杆曲臂相连，变体拉杆通过铰链与变体舵机摇臂相连；所述变体舵机与所述控制***相连，变体舵机与扑翼上下扑动机构在控制***程序控制下作同步运转：当扑翼向下扑动时，变体舵机摇臂向机身方向偏转，扑翼前缘骨架呈平直展开状态，扑翼面积增大；当扑翼向上扑动时，变体舵机摇臂向外展方向偏转，扑翼前缘骨架呈多折和展向收缩变形状态，扑翼面积减小；在每次扑动周期中，实现扑翼动态变体扑动。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明多维动态主动变体扑翼飞行器可提高下扑时的升力，减小扑翼飞行器上扑时的阻尼力，能够低频率扑动飞行，从而大大减少能量的消耗；
（2）本发明多维动态主动变体扑翼飞行器能够主动改变扑翼俯仰角度，从而调节升力与阻力，并能够控制尾翼俯仰角，具有灵活机动飞行能力。
附图说明
图1为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的总体结构示意图。
图2为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器展开时的布局图。
图3为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼上仰状态控制示意图。
图4为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼下俯状态控制示意图。
图5为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼骨架结构示意图。
图6为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的作动***示意图。
图7为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼上下扑动机构示意图。
图8为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的下扑展开时翼骨结构图。
图9为本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的上扑收缩时翼骨结构图。
其中：
1-机身；2-扑翼；3-尾翼；4-控制***；5-翼蒙皮；6-扑翼上下扑动机构；7-肱骨支杆；8-桡骨支杆；9-尺骨支杆；10-掌骨支杆；11-扑翼俯仰机构；12-尾翼俯仰偏转舵机；13-扑翼变体机构；14-无刷电动机；15-小主动齿轮；16-肱骨支杆根部铰链；17-肱骨支杆与尺骨支杆连接的铰链；18-尺骨支杆与掌骨支杆连接的铰链；19-肱骨支杆曲臂；20-肱骨支杆曲臂与变体拉杆及桡骨支杆连接的球铰链；21-桡骨支杆曲臂与掌骨支杆曲臂连接的球铰链；22-变体拉杆；23-变体拉杆与变体舵机摇臂连接的球铰链；24-变体舵机摇臂；25-变体舵机；26-掌骨支杆曲臂；27-减速齿轮（左右两个）；28-转臂（左右两个）；29-拉杆（左右两个）；30-扑动铰链（左右两个）；31-摆杆。
具体实施方式
请参照图1和图2所示，本发明多维动态主动变体扑翼飞行器总体结构由机身1、扑翼2、尾翼3、控制***4和作动***（未标示）组成；其中扑翼由翼蒙皮5和扑翼前缘骨架组成，其中翼蒙皮5为具有弹性的有机膜材料制成；控制***4安装在机身中，并由电路与作动***的各个机构相连。
请参照图1和图2所示，本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼2下扑展开时形状如图2所示，扑翼2上扑收缩时形状如图1所示。由于扑翼下扑展开时面积增大，并且扑翼前缘平直，从空气动力学原理，不但气动绕流升力增大，下扑的反作用力也增加升力；而扑翼上扑收缩时面积减小，并且扑翼前缘与来流有斜角，从空气动力学原理，不但气动绕流力减小，上扑的阻尼力也显著减小，从而减小每个扑动周期的能量消耗；扑翼上下扑动的整体升阻比（升力与阻力之比）增大，气动效率大大提高。
请参照图3和图4所示，本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼不但具有上下扑动机构，而且具有调节扑翼俯仰角的扑翼俯仰机构11。扑翼俯仰机构11通过安装在机身两侧的舵机和定位转盘，可以精确地改变扑翼俯仰角；爬升时，可以增大扑翼仰角以提高升力；下降时，可以减小扑翼仰角以减小升力；着落时，可以通过扑翼增大仰角，增加阻力，迅速着陆。
请参照图5所示，本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼前缘骨架由肱骨支杆7、桡骨支杆8、尺骨支杆9和掌骨支杆10以及相应的连接、作动装置组成。上述支杆由强度和韧性好的复合材料杆件制造，肱骨支杆7强度最大，尺骨支杆9强度次之，桡骨支杆8可以更细，掌骨支杆10用韧性好的细杆制作。
请参照图6所示，本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的作动***由扑翼上下扑动机构6、扑翼俯仰机构11、尾翼俯仰偏转舵机12和扑翼变体机构13所组成；尾翼俯仰偏转舵机12安装在机身1后部，控制尾翼俯仰角，从而改变整个飞行器的迎角，实现升降运动。作动***的所有机构的驱动由控制***4通过电线发出的指令控制。
请参照图7所示，本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼上下扑动机构由无刷电动机14、小主动齿轮15、左右两个减速齿轮27、左右两个转臂28、左右两个拉杆29和左右两个扑动铰链30所组成。首先由无刷电动机14带动小主动齿轮15，小主动齿轮15带动左侧减速齿轮，左侧减速齿轮带动构造相同的左侧减速齿轮，左右两个减速齿轮带动与其固连的左右两个转臂，左右两个转臂带动左右两个拉杆，拉杆通过左右两个扑动铰链带动左右两个摆杆31带动扑翼上下扑动。
请参照图8和图9所示，本发明多维动态主动变体扑翼飞行器的扑翼变体机构由扑翼骨架的肱骨支杆7、桡骨支杆8、尺骨支杆9、掌骨支杆10、肱骨支杆根部铰链16、肱骨支杆与尺骨支杆连接的铰链17、尺骨支杆与掌骨支杆连接的铰链18、肱骨支杆曲臂19、变体拉杆22、肱骨支杆曲臂与变体拉杆及桡骨支杆连接的球铰链20、桡骨支杆曲臂与掌骨支杆曲臂连接的球铰链21、变体舵机25、变体舵机摇臂24和变体拉杆22与变体舵机摇臂24连接的球铰链23所组成。
图8为扑翼变体机构展开时的状态，扑翼2下扑时变体舵机控制变体舵机摇臂24向机身方向偏转，变体舵机摇臂24通过变体拉杆22及肱骨支杆曲臂19推动肱骨支杆7至平直位置；同时肱骨支杆曲臂19拉动桡骨支杆8，桡骨支杆8拉动掌骨支杆10至平直位置。支杆间的带动是通过肱骨支杆根部铰链16、肱骨支杆与尺骨支杆连接的铰链17、尺骨支杆与掌骨支杆连接的铰链18、肱骨支杆曲臂与变体拉杆及桡骨支杆连接的球铰链20、桡骨支杆曲臂与掌骨支杆曲臂连接的球铰链21、变体舵机摇臂24和变体拉杆与变体舵机摇臂连接的球铰链23来传递的，其中肱骨支杆曲臂与变体拉杆及桡骨支杆连接的球铰链由上下两个连接点，上连接点实现肱骨支杆曲臂与变体拉杆铰连，下连接点实现肱骨支杆曲臂与桡骨支杆铰连。其中，肱骨支杆曲臂与变体拉杆及桡骨支杆连接的球铰链20、桡骨支杆曲臂与掌骨支杆曲臂连接的球铰链21、和变体拉杆与变体舵机摇臂连接的球铰链23为球型铰链，不影响所链接的支杆改变角度。
请参照图9所示，为扑翼变体机构收缩时的状态。扑翼上扑时变体舵机控制变体舵机摇臂24向外展方向偏转，变体舵机摇臂24通过变体拉杆22及肱骨支杆曲臂19拉动肱骨支杆7外端向后方倾斜位置，为此也带动尺骨支杆9内端向后倾斜；同时，肱骨支杆曲臂19推动桡骨支杆8，桡骨支杆8推动掌骨支杆10的外端至向后方倾斜位置。为此，扑翼形状呈前缘多斜折的收缩状态，扑翼上扑时扑翼面积显著变小。
控制***软件程序设置扑翼上下扑动时刻与变体舵机摇臂内外偏转时刻协调，就能够实现下扑时扑翼主动展开、下扑时扑翼主动收缩动态变形的新型仿生飞行器，实现更加接近大鸟的高效率飞行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些非原理改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种多维动态主动变体扑翼飞行器，包括机身（1）、位于所述机身（1）两侧的扑翼（2）、位于机身（1）后侧的尾翼（3）、安装于所述机身（1）中的控制***（4）及由电路与所述控制***（4）相连的作动***，其特征在于：所述扑翼（2）包括翼蒙皮（5）和扑翼前缘骨架，所述扑翼前缘骨架包括摆杆（31）、肱骨支杆（7）、桡骨支杆（8）、尺骨支杆（9）和掌骨支杆（10），所述作动***包括扑翼上下扑动机构（6）、位于所述扑翼上下扑动机构两侧的扑翼俯仰机构（11）、尾翼俯仰偏转舵机（12）和扑翼变体机构（13），所述扑翼上下扑动机构（6）、扑翼俯仰机构（11）和尾翼俯仰偏转舵机（12）位于所述机身（1）中，所述扑翼上下扑动机构（6）位于所述控制***（4）的前侧并与控制***相连，所述尾翼俯仰偏转舵机（12）位于所述控制***（4）的后侧并与控制***相连，所述扑翼变体机构（13）位于所述机身（1）的两侧，所述扑翼变体机构（13）包括肱骨支杆根部铰链（16）、肱骨支杆与尺骨支杆连接的铰链（17）、尺骨支杆与掌骨支杆连接的铰链（18）、肱骨支杆曲臂（19）、变体拉杆（22）、肱骨支杆曲臂与变体拉杆及桡骨支杆连接的球铰链（20）、桡骨支杆曲臂与掌骨支杆曲臂（26）连接的球铰链（21）、变体舵机（25）、变体舵机摇臂（24）、变体拉杆与变体舵机摇臂连接的球铰链（23）；摆杆（31）通过肱骨支杆根部铰链（16）与肱骨支杆（7）相连，肱骨支杆（7）通过肱骨支杆与尺骨支杆连接的铰链（17）与尺骨支杆（9）相连，尺骨支杆（9）通过尺骨支杆与掌骨支杆连接的铰链（18）与掌骨支杆（10）相连，肱骨支杆曲臂通过肱骨支杆曲臂与变体拉杆及桡骨支杆连接的球铰链（20）与变体拉杆及桡骨支杆（8）相连，桡骨支杆曲臂通过桡骨支杆曲臂与掌骨支杆曲臂连接的球铰链（21）与掌骨支杆曲臂相连，变体拉杆通过变体拉杆与变体舵机摇臂连接的球铰链（23）与变体舵机摇臂相连；所述变体舵机（25）与所述控制***（4）相连，变体舵机（25）与扑翼上下扑动机构（6）在控制***（4）程序控制下作同步运转：当扑翼向下扑动时，变体舵机摇臂（24）向机身方向偏转，扑翼前缘骨架呈平直展开状态，扑翼面积增大；当扑翼向上扑动时，变体舵机摇臂（24）向外展方向偏转，扑翼前缘骨架呈多折和展向收缩变形状态，扑翼面积减小；在每次扑动周期中，实现扑翼动态变体扑动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160518 Termination date: 20190712 |