CN110104177B - 一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面 - Google Patents
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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
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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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 |