CN110104177B - 一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面 - Google Patents
一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面,属于飞行器设计技术领域。所述全动舵面包括架体、大舵面、小舵面和舵机。所述架体用于安装三个舵机,两侧两个舵机同架体主体平行,中部舵机垂直***架体中部;大舵面安装于中间舵机的舵臂上;两片小舵面安装于两侧舵机的舵臂上;舵机用于接收控制指令转动舵臂驱动大舵面和两个小舵面转动,实现操纵控制。本发明的全动舵面实现扑旋翼飞行器前飞、侧飞及转向功能控制。本发明取消了安定面,并通过设计使三个舵面排布紧密,充分利用扑旋翼的尾流,在提升操纵效果的同时降低了整体高度,减少了零件数量,重量更轻、整体高度更低;使得扑旋翼飞行器的舵面响应速度快,操纵效果好。
Description
技术领域
本发明属于飞行器设计技术领域,具体涉及一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面。
背景技术
现今微型飞行器发展迅猛,其体积小、质量轻、机动灵活,未来应用前景广阔。现如今 的微型飞行器主要被划分为三种构型:微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器与微型扑翼飞行 器。这其中,微型固定翼飞行器研究开始较早,其优势在于巡航半径大、航速也较快。但其 起降需占用一定空间,舵面控制方式也限制了其灵活性的提高。微型旋翼飞行器方面的研究 最为丰富,其相较于固定翼飞行器,其优势在于可在较小的空间内完成垂直起降和悬停,灵 活性也较强。但旋翼飞行器飞行方式所固有的旋翼反扭力矩,需要使用尾桨或增加旋翼数量 的方式来抵消,导致整机结构复杂、质量大且气动效率低。微型扑翼飞行器则是靠模仿鸟类 或昆虫扑翼飞行运动形式,通过翼面扑动产生升力的飞行器,其在低雷诺数下产生升力优势 明显,是微型飞行器的理想构型。但是其运动形式较为复杂,同时受到材料性能、加工工艺、 控制集成等方面的限制。
在此背景下,一种结合了扑翼和旋翼的新概念飞行器,微型扑旋翼飞行器,进入了人们 的视野。微型扑旋翼飞行器通过一定的驱动形式使几片旋向安装的机翼扑动,机翼向上扑动 产生推力让机翼产生旋转,机翼向下扑动产生的升力和翼面旋转运动产生的升力共同带动飞 行器飞行。由于机翼旋转运动并非为主动运动,因而没有常规动力旋翼的反扭力矩,所以不 需要额外的尾桨或旋翼来抵消,进而减少了能量消耗。微型扑旋翼飞行器具备垂直起降悬停、 低速灵活飞行的能力,具有良好的应用前景。
目前存在的扑旋翼,如专利公开号为CN 105539839 A的中国专利申请在2015年12月30日 公开的“一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器”,中提出的扑旋翼飞行器的形式,存在着舵 面控制机构偏高、气动效率偏低、响应速度偏慢等问题。而且对于微型扑旋翼飞行器来说, 需要一种舵面尽可能贴近翼面以充分利用扑旋翼的尾流,快速响应控制指令,有益于提高扑 旋翼飞行器的机动性能,并且能进一步减小其整体尺寸,更有利于飞行器微型化的驱动机构。
发明内容
为了解决现有技术中扑旋翼飞行器存在的问题,本发明提供一种用于扑旋翼飞行器的全 动舵面,所述全动舵面包括架体、大舵面、小舵面和舵机。所述架体用于安装三个舵机,两 侧两个舵机同架体主体平行,中部舵机垂直***架体中部;大舵面安装于中间舵机的舵臂上; 两片小舵面安装于两侧舵机的舵臂上;舵机用于接收控制指令转动舵臂驱动大舵面和两个小 舵面转动,实现操纵控制。
所述架体为碳纤维板零件拼接而成,采用独特的框架结构以安装三个舵机,同时为保证 大舵面在正负30°范围内灵活运动布置有扇形框架。
所述大舵面分为大舵面框架和薄膜组成,大舵面框架用碳纤维板切割而成;薄膜裁剪成 相应形状,粘接在大舵面框架上。
所述小舵面分为小舵面框架和薄膜组成,小舵面框架用碳纤维板切割而成;薄膜裁剪成 相应形状,粘接在小舵面框架上。
所述舵机分为舵机本体和舵臂组成,舵臂粘接在舵机本体伸出的齿轮上。
本发明提供的全动舵面实现扑旋翼飞行器前飞、侧飞及转向功能的具体操作方式如下:
1、前飞控制:扑旋翼产生的下洗气流流过大舵面时,产生于大舵面上的力形成水平面内 沿某个方向的合力,改变大舵面角度,使机翼产生的升力在水平面上的分力驱动飞行器前飞, 实现前飞控制;
2、侧飞控制:扑旋翼产生的下洗气流流过小舵面时,产生于小舵面上的力形成水平面内 沿某个方向的合力,通过舵机同向改变两侧小舵面角度,使机翼产生的升力在水平面上的分 力驱动飞行器侧飞,实现侧飞控制;
3、转向控制:扑旋翼产生的下洗气流流过小舵面时,通过舵机对称改变两侧小舵面角度, 产生水平面内绕竖直内轴的力偶,驱动机身旋转,实现转向控制。
本发明具有以下优点:
1、本发明采用全动舵面的方式取消了安定面部分,并通过设计使三个舵面排布紧密,充
分利用扑旋翼的尾流,在提升操纵效果的同时降低了整体高度,减少了零件数量;
2、本发明将舵机转轴同时作为舵面转轴位置,减小了舵面转轴对舵机的负载;
3、本发明整体结构紧凑、简洁,扑旋翼舵面结构零件更少、重量更轻、整体高度更低;
4、本发明扑旋翼飞行器的舵面响应速度快,操纵效果好。
附图说明
图1是本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的扑旋翼飞行器组成图。
图2是本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的各部分组成图。
图3是本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的架体结构图。
图3A是本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的架体结构分解示意图。
图4是本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的大舵面组成图。
图4A和图4B图4所示大舵面的分解示意图。
图5是本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的小舵面组成图。
图6是本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的舵机组成图。
图中:
1-架体;2-大舵面;3-小舵面;4-舵机;201-大舵面框架;202-大舵面薄膜;
301-小舵面框架;302-小舵面薄膜;401-舵机本体;402-舵臂。
具体实施方法
本发明针对现有技术中提到的扑旋翼飞行器舵面控制机构偏高、气动效率偏低、响应速 度偏慢等问题,本发明提出一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面,本发明舍弃了早期设计中的 安定面部分,将舵面控制机构设计为全动舵面,合理布置三个舵面的位置关系,在提升操纵 效果的同时降低了整体高度,减少了零件数量,并通过合理布置转轴位置减小了飞行中舵机 所受的载荷。本发明结构简洁紧凑,制作方便,舵机响应速度快,整体高度低,都更加有利 于扑旋翼飞行器微型化的实现。
如图1和图2所示,是本发明所提供的一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面,安装在扑旋 翼的下方,包括架体1、大舵面2、小舵面3和舵机4。如图4所示,所述大舵面2包括:大舵面框架201和大舵面薄膜202;如图5所示,所述小舵面3包括:小舵面框架301和小舵 面薄膜302。如图6所示,所述舵机4包括:舵机本体401和舵臂402。大舵面薄膜202和小 舵面薄膜302均采用聚乙烯薄膜材料。
如图3~6所示,分别是本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的架体、大舵面、小舵 面和舵机组成图。所述架体1用于安装三个舵机4,两侧两个舵机4同架体1主体平行,中 部舵机4垂直***架体1中部;大舵面2安装于中间舵机4的舵臂402上;两片小舵面3安装于两侧舵机4的舵臂402上;舵机本体401用于接收控制指令转动舵臂402驱动大舵面2 和两个小舵面3。
如图3所示,为本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的架体结构。所述架体1采用 碳纤维板拼接而成,采用独特的框架结构以安装三个舵机4,同时为保证大舵面2在正负30 度范围内灵活运动布置有扇形的框架。具体地,如图3A所示,所述的架体1整体外观为平 面框架结构,包括一个扇形框架101和三个舵机安装位置102、103、104,所述的三个舵机安装位置设置在扇形框架101下方,安装舵机后,中间舵机垂直于扇形框架平面,舵机臂上连接大舵面2,并且大舵面2由扇形框架结构限定转动角度;左右两个舵机平行于扇形框架平面,舵机臂分别位于两侧,连接两个小舵面3,所述两个小舵面3连接后与扇形框架平面共面。为加强扇形框架101强度,在其两侧用两片侧框105进行加强;为了与扑旋翼飞行器上部的动力部分相连,扇形框架101上部与一带定位杆的框架106垂直拼接,再一同与十字形顶部框架107粘接;以上所有拼接均有插孔对接并通过胶水粘接固定。
如图4所示,为本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的大舵面结构。所述大舵面2 由大舵面框架201和大舵面薄膜202组成,大舵面框架201用碳纤维板切割而成,大舵面框 架201外形为大长方形,内部分成两个正方形和一个小长方形,两个正方形与小舵面框架301 面积相等,两个正方形内具有支撑杆;中间小长方形内侧设置两个定位凸起,用于连接舵机 的舵臂。大舵面薄膜202裁剪成相应形状,粘接在大舵面框架201上。大舵面框架201因需 要和架体1交叉布置而被拆分成两部分,如图4A和图4B所示,大长方形整体为第一部分, 中间小长方形开口形成第二部分,将大长方形整体与架体1扇面框架部分形成交叉后,将第 二部分进行粘接形成大舵面框架整体。
如图5所示,为本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的小舵面结构。所述小舵面3 由小舵面框架301和小舵面薄膜302组成,小舵面框架301用碳纤维板切割而成,外形为正 方形,中间具有支撑杆;小舵面薄膜302裁剪成相应形状,粘接在小舵面框架301上。小舵面3侧部两个定位凸起卡住舵臂402并粘接。
如图6所示,为本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的舵机结构。所述舵机4由舵 机本体401和舵臂402组成,舵臂402粘接在舵机伸出的齿轮上。中部舵机4垂直装入架体 1中部矩形孔洞中,两侧舵机4分别平行装入架体1两侧凹槽中。舵臂402用于连接大舵面2 和小舵面3。
本发明提供的一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面安装过程如下:
步骤一:制作架体;
架体1为碳纤维板零件拼接而成,主体框架包括一个扇形框架和三个舵机的安装位置; 为加强主体框架强度,在其两侧用两片侧框进行加强;为了与扑旋翼飞行器上部的动力部分 相连,主体框架上部与一带定位杆的框架垂直拼接,再一同与十字形顶部框架粘接;以上所 有拼接均有插孔对接并通过胶水粘接固定。
步骤二:安装舵机;
舵机4为控制舵面机构的动力部分,总共有三个,首先现将所有舵机的舵机本体401与 舵臂402进行结合,保证舵臂402在竖直状态时恰好为舵机4活动范围的中位;将控制大舵 面2运动的舵机4***架体1中部的矩形孔洞安装位置103中,在舵机4安装耳与架体1接 触时粘接固连;将两个控制小舵面3运动的舵机4侧向装入架体1两侧的安装位置102和104 中,保证舵机4带动小舵面3在中位时与架体1保持在同一个平面内。
步骤三:安装舵面,包括一个大舵面2和两个小舵面3;
将大舵面框架201、小舵面框架301分别与裁剪好形状的薄膜202、薄膜203进行粘接; 因为大舵面2需要与架体1交叉,因而在加工时分为两部分加工,将架体1的第一部分从下 到上叉入架体1扇面框架部分后,将第二部分粘接在第一部分的开口位置,形成完整大舵面 2,第二部分位于扇形框架内部,再将大舵面2中部的两个定位凸起卡住架体1中部舵机的舵 臂402两侧,并进行粘接固定;两个小舵面3则分别用侧部的两个定位凸起卡住架体1两侧 舵机的舵臂402两侧,并进行粘接固定。安装初始位置时保证大舵面2与两个小舵面3交叉 垂直。大舵面2可以的扇形框架内摆动,摆动角度为初始位置的正负30°。
通过以上装配过程实现架体1与大舵面2间相互交叉。
如图1为本发明一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面的扑旋翼飞行器组成,所述的全动舵 面位于扑旋翼下方,通过十字形顶部框架107与扑翼飞行器的本体部分连接,用于实现对扑 旋翼飞行器的操纵控制。本发明提供一种实现扑旋翼飞行器前飞、侧飞及转向功能的控制方 法,具体如下:
1、前飞控制:扑旋翼产生的下洗气流流过大舵面2时,产生于大舵面2上的力形成水平 面内沿某个方向的合力,改变大舵面2与机体所成角度,使机翼产生的升力在水平面上的分 力驱动飞行器前飞,实现前飞控制。
2、侧飞控制:扑旋翼产生的下洗气流流过小舵面3时,产生于小舵面3上的力形成水平 面内沿某个方向的合力,同向改变两侧小舵面3角度,使机翼产生的升力在水平面上的分力 驱动飞行器侧飞,实现侧飞控制。
3、转向控制:扑旋翼产生的下洗气流流过小舵面3时,对称改变两侧小舵面3角度,产 生水平面内绕竖直内轴的力偶,驱动飞行器整体旋转,实现转向控制。
Claims (2)
1.一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面,所述全动舵面包括架体(1)、大舵面(2)、小舵面(3)和舵机(4);所述架体(1)用于安装三个舵机(4),两侧两个舵机(4)同架体(1)主体平行,中部舵机(4)垂直***架体中部;大舵面(2)安装于中间舵机(4)的舵臂上;两片小舵面(3)安装于两侧舵机(4)的舵臂上,与架体共面;大舵面(2)和两个小舵面(3)交叉垂直布置;舵机(4)用于接收控制指令转动舵臂驱动大舵面(2)和两个小舵面(3)转动,实现操纵控制;
其特征在于:
所述架体(1)为碳纤维板零件拼接而成,所述架体(1)整体外观为平面框架结构,包括一个扇形框架(101)和三个舵机安装位置(102、103、104),所述的三个舵机安装位置(102、103、104)设置在扇形框架(101)下方,安装舵机后,中间舵机垂直于扇形框架(101)平面,舵机臂上连接大舵面(2),并且大舵面(2)由扇形框架(101)结构限定转动角度;左右两个舵机平行于扇形框架(101)平面,舵机臂分别位于两侧,连接两个小舵面(3),所述两个小舵面(3)连接后与扇形框架(101)平面共面;在扇形框架(101)两侧用两片侧框进行加强;扇形框架(101)上部与一带定位杆的框架(106)垂直拼接,再一同与十字形顶部框架(107)粘接;以上所有拼接均有插孔对接并通过胶水粘接固定;
所述大舵面(2)由大舵面框架(201)和大舵面薄膜(202)组成,大舵面框架(201)用碳纤维板切割而成,大舵面框架(201)外形为大长方形,内部分成两个正方形和一个小长方形,两个正方形与小舵面框架(301)面积相等,两个正方形内具有支撑杆;中间小长方形内侧设置两个定位凸起,用于连接舵机的舵臂;大舵面薄膜(202)裁剪成相应形状,粘接在大舵面框架(201)上;大舵面框架(201)因需要和架体交叉布置而被拆分成两部分,大长方形整体为第一部分,中间小长方形开口形成第二部分,将大长方形整体与架体扇面框架部分形成交叉后,将第二部分进行粘接形成大舵面框架整体;
所述小舵面(3)分为小舵面框架(301)和小舵面薄膜(302)组成,小舵面框架(301)用碳纤维板切割而成,外形为正方形,中间具有支撑杆;小舵面薄膜(302)裁剪成相应形状,粘接在小舵面框架(301)上;小舵面侧部两个定位凸起卡住舵臂并粘接。
2.根据权利要求1所述的一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面,其特征在于:所述的全动舵面实现扑旋翼飞行器前飞、侧飞及转向控制,具体如下:
前飞控制:扑旋翼产生的下洗气流流过大舵面(2)时,产生于大舵面(2)上的力形成水平面内沿某个方向的合力,改变大舵面(2)角度,使机翼产生的升力在水平面上的分力驱动飞行器前飞,实现前飞控制;
侧飞控制:扑旋翼产生的下洗气流流过小舵面(3)时,产生于小舵面(3)上的力形成水平面内沿某个方向的合力,通过舵机(4)同向改变两侧小舵面(3)角度,使机翼产生的升力在水平面上的分力驱动飞行器侧飞,实现侧飞控制;
转向控制:扑旋翼产生的下洗气流流过小舵面(3)时,通过舵机(4)对称改变两侧小舵面(3)角度,产生水平面内绕竖直内轴的力偶,驱动机身旋转,实现转向控制。
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Legal Events
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210126 |