一種微型機械式可控撲旋翼飛行器及其製造方法和控制方法

2023-05-09 16:31:51 2

專利名稱：一種微型機械式可控撲旋翼飛行器及其製造方法和控制方法
技術領域：
本發明涉及飛行器領域，更具體的說，本發明涉及一種微型機械式可控撲旋翼飛行器及其製造方法和控制方法。
背景技術：
微型飛行器是20世紀90年代中期發展起來的一種新型飛行器。近二十年來， 隨著傳統飛行器設計技術的不斷提高，微電子技術的飛速發展及人們對動物飛行和遊動機理的不斷探索和深入了解，這些原理和技術正在應用於迅速發展起來的微型飛行器 (Micro-air-vehicle，簡稱MAV)設計領域。微型飛行器一般是指翼展和長度在15釐米左右，重量在幾十克至上百克，有效載荷20克，航速64 80千米/小時，留空時間20 60 分鐘，航程10千米的微型飛行機器，它應有實時成像、導航及通信能力。由於體積小，重量輕，MAV具有良好的隱蔽性和機動性，適於在較小的空間範圍內飛行，並可在某些惡劣環境條件下完成偵察、通訊、勘探、協助救援等任務。因此，發展微型飛行器對未來國家安全和國民經濟建設等方面將起到非常重要的作用，正在世界範圍內引起極大的關注，美國、英國等國家已設計出某些方案及模型。目前，國內外已初步形成的MAV設計方案主要有三種第一是固定翼MAV，一般由一個較大面積的機翼和一個較小的機身組成，甚至沒有機身；第二是旋翼MAV，一般由一個或多個旋翼(按一定方式布置)組成；第三是拍動翼MAV，即仿生飛行器。這三種布局的MAV 各自有優點也有一定的技術局限。固定翼式布局無法實現懸停。單旋翼式布局設計簡單， 機構實現方便，但需額外的反向配平扭矩；雙旋翼(多旋翼)式布局結構複雜很難實現尺寸微型化。撲翼式布局借鑑生物飛行原理，能夠在低雷諾數下產生相對較大的升力，但是運動實現機構複雜，難於控制。在專利「撲旋翼設計方法及利用此方法設計的微小型撲旋翼飛行器」(專利公開號 CN101492093)中提出了一種撲旋翼飛行器的布局。但該專利中提出的設計方案和裝置，僅能實現垂直起降和懸停，不能實現轉向及前飛。

發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種微型機械式可控撲旋翼飛行器及其製造方法和控制方法，實現機翼振蕩，繼而旋轉，產生升力，實現垂直起降和空中懸停；通過機翼旋轉產生的下洗氣流設計控制機構，實現飛行器在懸停狀態下的轉向及自由前飛控制功能。—種微型機械式可控撲旋翼飛行器，包括機翼、機身、動力裝置、傳動機構、轉向控制系統和前飛控制系統；所述機翼為兩個相同的薄膜翼，機翼根部圓孔與傳動機構的機翼連杆相連，機翼根部與傳動機構中內杆軸承鉸接；
所述機身為圓柱型，包括底座、端蓋和側壁；側壁固定在圓形底座上，頂端由端蓋
覆蓋；所述動力裝置包括微型電源、微型電機和電源輸出控制器，微型電源、微型電機與電源輸出控制器用導線連成控制迴路；微型電源、電源輸出控制器安裝在機身的底座上，微型電機固定在傳動機構的齒輪支架上，微型電機輸出軸與傳動裝置中的小齒輪固連；微型電源用於給微型電機、電源輸出控制器、轉向控制系統及前飛控制系統供電，微型電機用於驅動機翼的運動，電源輸出控制器用於控制微型電機的輸出功率及轉速；所述傳動機構包括齒輪支架、小齒輪、大齒輪、套筒、內杆、傳動連杆、機翼連杆、套筒軸承和內杆軸承，齒輪支架固定在機身底座上；小齒輪固定在微型電機輸出軸上，大齒輪安裝在齒輪支座的齒輪固定軸上，小齒輪和大齒輪在同一平面內嚙合並垂直於底座 』傳動連杆一端與大齒輪的偏心孔相連，另一端穿過套筒側壁溝槽與內杆上的圓孔相連；將套筒開有溝槽的一端垂直固定在機身底座上；內杆置於在套筒內，與傳動連杆連接後能夠在套筒內垂直滑動；套筒軸承安裝於套筒頂部；內杆軸承安裝於內杆頂部；內杆軸承與機翼的主梁的根部鉸接；機翼連杆一端與套筒軸承鉸接，另一端與機翼的主梁的根部孔相連；所述轉向控制系統包括兩個轉向控制面、兩根驅動軸、兩根舵機連杆、兩個舵機以及與前飛控制系統共用的舵機控制器，轉向控制面採用對稱翼型；驅動軸一端穿過機身側壁上的圓孔並與轉向控制面連接，另一端嵌在套筒的圓孔上；舵機連杆一端與舵機舵盤連接，另一端與驅動軸金屬片上的圓孔連接；舵機固定在機身底座上並用導線連接舵機控制器；所述轉向控制系統通過舵機同步等幅控制兩個轉向控制面同向偏轉實現轉向控制；所述前飛控制系統包括兩個前飛控制面、一根驅動軸A、一個舵機連杆A和一個舵機A，前飛控制面採用對稱翼型；驅動軸A分別從機身側壁的一組圓孔和套筒上的一組圓孔穿過，兩端與前飛控制面連接；舵機連杆A —端與舵機A舵盤連接，另一端與驅動軸A金屬片上的圓孔連接；舵機A固定在機身底座上；舵機A與舵機控制器採用導線連接；所述前飛控制系統通過舵機A同步等幅控制兩個前飛控制面反向偏轉實現前飛控制。一種微型機械式可控撲旋翼飛行器的控制方法，具體如下(1)垂直起降及懸停通過調整微型電源輸出功率控制微型電機轉速，改變機翼的垂直振蕩頻率，從而改變機翼產生的力矩大小及旋轉速度，繼而產生可變升力；當升力大於飛行器重量時實現垂直起飛，當升力近似等於飛行器重量時實現空中懸停，當升力小於飛行器重量時實現垂直降落；(2)轉向控制利用機翼旋轉產生的下洗氣流，通過機身外側的轉向控制面實現轉向控制；當機翼在旋轉運動中產生的下洗氣流流過轉向控制面時，產生於轉向控制面上的力形成水平面內繞垂直振蕩軸的力偶，驅動機身旋轉，實現轉向控制；(3)前飛控制利用機翼旋轉產生的下洗氣流，通過機身外側的前飛控制面實現前飛控制；當機翼在旋轉運動中產生的下洗氣流流過前飛控制面時，產生於前飛控制面上的力形成水平面內沿某個方向的合力，驅動飛行器前飛，實現前飛控制。一種微型機械式可控撲旋翼飛行器的製造方法，其特徵在於，具體包括以下幾個步驟步驟一製作機翼機翼為兩個相同的薄膜翼，每個機翼均包括一根主梁、一根長輔梁、一根短輔梁和翼膜；主梁、短輔梁以及長輔梁採用碳纖維杆製作，翼膜採用聚乙烯薄膜製作；在主梁根部附近一側打一圓孔；主梁與長輔梁及短輔梁共面，短輔梁與主梁垂直，長輔梁在主梁與短輔梁之間，與主梁夾角在30°至60°之間；短輔梁及長輔梁根部與主梁連接，連接點位於主梁根部附近圓孔外靠近主梁尖部一側；翼膜粘在主梁和短輔梁及長輔梁所構成的平面上；步驟二製作機身機身為圓柱型，包括底座、端蓋和側壁；將一層輕木板與一層泡沫板平行粘貼作為底座和端蓋的材料；側壁採用輕質泡沫製作；在底座和端蓋輕木板和泡沫板粘貼材料上截取兩個圓形作為底座及端蓋；截取一段矩形泡沫材料，將其卷為圓柱形粘好作為側壁；在側壁距底部1/3處附近不同高度上沿截面直徑方向打兩組圓孔，同時兩組圓孔連線正交， 便於轉向控制系統的驅動軸和前飛控制系統的驅動軸A由此穿過；在底座上開一直徑等於傳動機構套筒的圓槽；在端蓋中心開一直徑等於套筒直徑的圓孔，並將端蓋沿直徑方向截為等面積兩部分；步驟三製作動力裝置動力裝置包括微型電源、微型電機和電源輸出控制器組成；微型電源採用可充電式鋰電池，微型電機採用無刷電機，電源輸出控制器採用帶有無線電收發裝置的控制電路板；微型電源、微型電機與電源輸出控制器用導線連成控制迴路；步驟四製作傳動裝置傳動機構包括齒輪支架、小齒輪、大齒輪、套筒、內杆、傳動連杆、機翼連杆、套筒軸承、內杆軸承；齒輪支架、小齒輪與大齒輪均採用塑料製作；套筒採用輕質碳纖維空心杆製作；內杆採用輕質碳纖維實心杆製作；傳動連杆與機翼連杆採用金屬鋁製作；套筒軸承與內杆軸承採用輕質金屬軸承；利用金屬鋁絲彎折出傳動連杆以及機翼連杆；截取輕質碳纖維空心杆作為套筒；在套筒側壁開一長度略大於內杆運動幅度、寬度略大於傳動連杆直徑的溝槽；在靠近套筒底部側壁與機身側壁所開兩組圓孔同高度位置上沿截面直徑方向打兩組對應圓孔，兩組圓孔連線正交；截取輕質碳纖維實心杆作為內杆，並在靠近其底端處側壁開一圓孔；在套筒軸承以及內杆軸承的外圈上粘貼鉸鏈支座；步驟五製作轉向控制系統轉向控制系統包括兩個轉向控制面、兩根驅動軸、兩根舵機連杆、兩個舵機以及與前飛控制系統共用的舵機控制器；轉向控制面採用泡沫材料製作，並採用對稱翼型；驅動軸和舵機連杆採用金屬鋁製作；舵機採用微型控制舵機；將兩塊長方體的泡沫材料磨製出兩個相同的帶有對稱翼型的轉向控制面；截取兩段鋁絲作為驅動軸；截取兩段鋁絲並彎折成兩個舵機連杆；步驟六製作前飛控制系統前飛控制系統包括兩個前飛控制面、一根驅動軸A、一個舵機連杆A和一個舵機A ； 前飛控制面採用泡沫材料製作，採用對稱翼型；驅動軸A和舵機連杆A採用金屬鋁製作；舵機A採用微型舵機；將兩塊長方體的泡沫材料磨製出兩個相同的帶有對稱翼型的前飛控制面；截取一段鋁絲作為驅動軸A ；截取一段鋁絲並彎折成舵機連杆A ；步驟七飛行器裝配將微型電源與微型電機，微型電源與電源輸出控制器，舵機與舵機控制器，舵機A 以及舵機控制器通過導線相連；將微型電源與電源輸出控制器並列安裝在機身底座上，微型電機固定在齒輪支座上；將小齒輪固定在微型電機的輸出軸上，大齒輪安裝在齒輪支座的齒輪固定軸上；將套筒軸承粘接固定在套筒不開縫的一端，並將套筒開縫的一端垂直固定在機身底座上；將內杆軸承粘接固定在內杆的頂端，並將內杆放置在套筒中；將傳動連杆一端與大齒輪偏心孔相連，一端透過套筒溝槽與內杆底端圓孔相連；將機翼的主梁根部與內杆軸承鉸接；將機翼連杆一端與機翼主梁根部靠近三根梁連接處的圓孔相連，另一端與套筒軸承鉸接；將驅動軸一端穿過機身側壁的一組圓孔安裝在套筒上對應的開孔處，另一端與轉向控制面連接，並利用熱縮橡膠管將驅動軸橫向固定；在驅動軸中間位置處垂直與驅動軸軸線粘貼一帶孔金屬片；用一舵機連杆將驅動軸上的金屬片和舵機舵盤連接；將舵機固定在機身底座上；採用同樣方法將另一個轉向控制面及其驅動軸、舵機連杆、舵機安裝在相對於套筒的對稱位置上；將驅動軸A —端與前飛控制面連接，另一端穿過機身側壁的另一組圓孔、套筒側壁的另一組圓孔及機身側壁對稱位置的另一個圓孔後，再與另一個前飛控制面連接，調整驅動軸A位置使前飛控制裝置關於套筒對稱；利用熱縮橡膠管將驅動軸A橫向固定；在驅動軸A距套筒約1/3軸長位置處垂直於驅動軸A軸線方向粘貼一帶孔金屬片；用舵機連杆A將驅動軸A上的金屬片和舵機A舵盤連接；將舵機A固定在機身底座上；將機身側壁粘在機身底座上，並將端蓋覆蓋粘接在機身側壁頂端。本發明的優點在於(1)本發明中設計了一套實現撲旋翼運動的機械裝置，裝置結構簡單、可靠，成本低。(2)本發明中設計了一種用於該飛行器的轉向及前飛控制系統，實現飛行器垂直起降、空中懸停、轉向控制及自由前飛的功能。


圖1是本發明微型機械式可控撲旋翼飛行器的各系統組成圖；圖2是本發明微型機械式可控撲旋翼飛行器的機翼結構3是本發明微型機械式可控撲旋翼飛行器的傳動機構布置圖；圖4是本發明微型機械式可控撲旋翼飛行器的轉向控制系統與前飛控制系統布置圖；圖中1-機翼5-轉向控制系統101-主梁201-底座302-微型電機403-大齒輪407-機翼連杆502-驅動軸601-前飛控制面
具體實施例方式
2-機身3-動力裝置4-傳動機構6-前飛控制系統102-短輔梁103-長輔梁104-翼膜202-端蓋203-側壁301-微型電源303-電源輸出控制器401-齒輪支架402-小齒輪404-套筒405-內杆406-傳動連杆408-套筒軸承409-內杆軸承501-轉向控制面503-舵機連杆504-舵機505舵機控制器602-驅動軸A603--舵機連杆A604-舵機A
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明是一種微型機械式可控撲旋翼飛行器，如圖1所示，包括機翼1、機身2、動力裝置3、傳動機構4、轉向控制系統5和前飛控制系統6。所述機翼1如圖2所示，機翼1為兩個相同的薄膜翼，每個機翼1均由一根主梁 101、兩根輔梁(短輔梁102、長輔梁10 和翼膜104組成。主梁101、短輔梁102及長輔梁103採用碳纖維杆製作，翼膜104採用聚乙烯薄膜製作。主梁101與短輔梁102、長輔梁 103共面，短輔梁102與主梁101垂直，長輔梁103在主梁101與短輔梁102之間，與主梁 101夾角在30°至60°之間。短輔梁102及長輔梁103根部與主梁101連接，連接點位於主梁101根部附近圓孔外靠近主梁尖部一側。翼膜104粘在主梁101和短輔梁102及長輔梁103所構成的平面上。如圖3所示，安裝時，機翼1平面與水平面夾角在15°至20°之間。主梁101根部圓孔與傳動機構4的機翼連杆407相連。主梁101根部與傳動機構4中內杆軸承409鉸接。機翼1用於在垂直拍動及周向轉動過程中產生氣動力。如圖1所示，所述機身2為圓柱型，由底座201、端蓋202和側壁203組成。將一層輕木板與一層泡沫板平行粘貼作為底座201和端蓋202的材料。側壁203採用輕質泡沫製作。側壁203固定在圓形底座201上，頂端由端蓋202覆蓋。機身2的底座201用於固定動力裝置3、轉向控制系統5與前飛控制系統6中的部件，同時其還可用於安裝具有測量、拍照等功能的微小型裝置和任務載荷。所述動力裝置3由微型電源301、微型電機302和電源輸出控制器303組成，如圖 1所示。微型電源301採用可充電式鋰電池，微型電機302採用無刷電機，電源輸出控制器 303採用帶有無線電收發裝置的控制電路板。微型電源301、微型電機302與電源輸出控制器303用導線連成控制迴路。微型電源301、電源輸出控制器303安裝在機身2的底座201 上，微型電機302固定在傳動機構4的齒輪支架401上，微型電機輸出軸與傳動裝置4中的小齒輪402固連。微型電源301用於給微型電機302、電源輸出控制器303、轉向控制系統 5及前飛控制系統6供電，微型電機302用於驅動機翼1的運動，電源輸出控制器303用於控制微型電機302的輸出功率及轉速。所述傳動機構4由齒輪支架401、小齒輪402、大齒輪403、套筒404、內杆405、傳動連杆406、機翼連杆407、套筒軸承408、內杆軸承409組成，如圖3所示。齒輪支架401、 小齒輪402與大齒輪403均採用塑料製作。套筒404採用輕質碳纖維空心杆製作。內杆 405採用輕質碳纖維實心杆製作。傳動連杆406與機翼連杆407採用金屬鋁製作。套筒軸承408與內杆軸承409採用輕質金屬軸承。齒輪支架401固定在機身2底座201上。小齒輪402固定在微型電機302輸出軸上，大齒輪403安裝在齒輪支座401的齒輪固定軸上，小齒輪402和大齒輪403在同一平面內嚙合並垂直於底座201。傳動連杆406 —端與大齒輪 403的偏心孔相連，另一端穿過套筒404側壁溝槽與內杆405上的圓孔相連。將套筒404開有溝槽的一端垂直固定在機身2底座201上。內杆405置於在套筒404內，與傳動連杆406 連接後可在套筒404內垂直滑動。套筒軸承408安裝於套筒404頂部，與機翼連杆407鉸接。內杆軸承409安裝於內杆405頂部，與機翼1的主梁101的根部鉸接。所述的傳動裝置4的功能是將微型電機302輸出的高速圓周運動進行減速，並將此圓周運動轉為機翼1 的垂直振蕩運動，以產生驅動機翼旋轉的氣動力。所述轉向控制系統5由兩個轉向控制面501、兩根驅動軸502、兩根舵機連杆503、兩個舵機504以及與前飛控制系統共用的舵機控制器505組成，如圖4所示。轉向控制面 501採用泡沫材料製作，並採用對稱翼型。驅動軸502和舵機連杆503採用金屬鋁製作。舵機504採用微型控制舵機。驅動軸502 —端穿過機身2側壁203上的圓孔並與轉向控制面 501連接，另一端穿過套筒404上的圓孔。舵機連杆503 —端與舵機504舵盤連接，另一端與驅動軸502金屬片上的圓孔連接。舵機504固定在機身2底座201上並用導線連接舵機控制器505。所述轉向控制系統5通過舵機504同步等幅控制兩個轉向控制面501同向偏轉(從機身2中心向外看，轉向控制面501均順時針或逆時針轉動)實現轉向控制。所述前飛控制系統6由兩個前飛控制面601、一根驅動軸A602、一個舵機連杆A603 和一個舵機A604組成，如圖4所示。前飛控制面601採用泡沫材料製作，採用對稱翼型。驅動軸A602和舵機連杆A603採用金屬鋁製作。舵機A604採用微型舵機。驅動軸A602分別從機身2側壁203的一組圓孔和套筒404上的一組圓孔穿過，兩端與前飛控制面601連接。 舵機連杆A603 —端與舵機A604舵盤連接，另一端與驅動軸A602金屬片上的圓孔連接。舵機A604固定在機身2底座201上。舵機A604與舵機控制器505採用導線連接。所述前飛控制系統6通過舵機A604同步等幅控制兩個前飛控制面601反向偏轉(從機身2中心向外看，前飛控制面601 —個順時針/逆時針轉動，另一個逆時針/順時針轉動)實現前飛控制。本發明通過微型電機302輸出高速圓周運動、通過傳動機構4將其減速並轉化為機翼1的垂直振蕩運動，利用空氣動力學原理(反卡門渦街的產生)產生驅動機翼旋轉的力矩，實現機翼1快速旋轉並產生升力，最終實現飛行器垂直起降運動和空中懸停運動。另外，通過舵機控制器505控制機身2外側的轉向控制面501和前飛控制面601並利用機翼旋轉產生的下洗氣流實現飛行器轉向控制及前飛控制。本發明的一種微型機械式可控撲旋翼飛行器的控制方法，具體如下(1)垂直起降及懸停通過調整微型電源301輸出功率控制微型電機302轉速，改變機翼1的垂直振蕩頻率，從而改變機翼1產生的力矩大小及旋轉速度，繼而產生可變升力。當升力大於飛行器重量時可實現垂直起飛，當升力近似等於飛行器重量時可實現空中懸停，當升力小於飛行器重量時可實現垂直降落。(2)轉向控制利用機翼1旋轉產生的下洗氣流，通過機身2外側的轉向控制面 501實現轉向控制。當機翼1在旋轉運動中產生的下洗氣流流過轉向控制面501時，由於兩控制面位於同向偏轉姿態，可在水平面內產生一對大小相等方向相反的氣動力，這與常規布局飛行器有迎角下機翼產生升力的原理類似。產生於轉向控制面501上的力形成水平面內繞垂直振蕩軸(套筒404)的力偶，驅動機身2旋轉，實現轉向控制。(3)前飛控制利用機翼1旋轉產生的下洗氣流，通過機身2外側的前飛控制面 601實現前飛控制。當機翼1在旋轉運動中產生的下洗氣流流過前飛控制面601時，由於兩控制面位於反向偏轉姿態，可在水平面內產生一對大小相等方向相同的氣動力，這與常規布局飛行器有迎角下機翼產生升力的原理類似。產生於前飛控制面601上的力形成水平面內沿某個方向的合力，驅動飛行器前飛，實現前飛控制。上述三個控制的具體實現步驟為(1)垂直起飛、空中懸停及垂直降落在地面靜止狀態下，通過微型電源輸出控制器303開啟微型電機302，並使電機轉說明書
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數逐漸增加，提高機翼1上下拍動頻率，機翼1旋轉並產生升力。當升力達到並超過重力時， 飛行器實現垂直起飛。在此過程中，機翼1的旋轉會在套筒軸承408及內杆軸承409中產生摩擦力偶，導致機身2旋轉。此時通過兩個轉向控制舵機504反向等幅偏轉改變轉向控制面501偏角產生水平面內的力偶來抵消上述摩擦力偶，保持機身2固定不轉。在飛行過程中，若要實現空中懸停，可通過電源輸出控制器303調節微型電機302 功率，控制電機轉速，改變機翼1旋轉速度，使飛行器產生的升力等於飛行器自重即可。在飛行過程中，若需垂直降落，可通過電源輸出控制器303逐漸減小微型電機302 功率，使電機轉數緩慢減小，降低機翼1拍動頻率，機翼1旋轉速度變慢，升力減小。當升力低於重力的時候，飛行器實現垂直降落。(2)改變方向在飛行過程中，如需轉向，可通過兩個轉向控制舵機504驅動轉向控制面501同向旋轉，等幅改變轉向控制面501偏角，使其產生的水平面內的氣動力偶，且該力偶不等於套筒軸承408及內杆軸承409中產生的摩擦力偶，則可實現機身2轉向。轉至預定方向後，反向重複上述過程可使機身2重新固定不轉。(3)向前飛行懸停飛行中，如需沿某一方向前飛，可先通過轉向控制系統5將機身2轉到預定飛行方向上，然後通過前飛控制舵機A604驅動前飛控制面601反向旋轉，等幅改變前飛控制面601偏角，使其產生沿預定方向的合力，在此力的作用下即可實現前飛運動，力的大小決定前飛速度。本發明的一種微型機械式可控撲旋翼飛行器的製造方法，具體包括以下幾個步驟步驟一製作機翼1機翼1為兩個相同的薄膜翼，每個機翼均由一根主梁101、一根短輔梁102、一根長輔梁103和翼膜104組成；主梁101和輔梁102及103採用碳纖維杆製作，翼膜104採用聚乙烯薄膜製作。在主梁101根部附近一側打一圓孔；主梁101與長輔梁103及短輔梁102 共面，短輔梁102與主梁101垂直，長輔梁103在主梁101與短輔梁102之間，與主梁101 夾角在30°至60°之間；短輔梁102及長輔梁103根部與主梁101連接，連接點位於主梁 101根部附近圓孔外靠近主梁尖部一側；翼膜104粘在主梁101和短輔梁102及長輔梁103 所構成的平面上；步驟二 製作機身2機身2為圓柱型，由底座201、端蓋202和側壁203組成。將一層輕木板與一層泡沫板平行粘貼作為底座201和端蓋202的材料。側壁203採用輕質泡沫製作。在底座201 和端蓋202輕木板和泡沫板粘貼材料上截取兩個圓形作為底座201及端蓋202。截取一段矩形泡沫材料，將其卷為圓柱形粘好作為側壁203。在側壁203距底部1/3處附近不同高度上沿截面直徑方向打兩組圓孔，同時兩組圓孔連線正交，便於轉向控制系統5的驅動軸502 和前飛控制系統6的驅動軸A602由此穿過。在底座201上開一直徑等於傳動機構套筒404 的圓槽。在端蓋202中心開一直徑等於套筒直徑的圓孔，並將端蓋202沿直徑方向截為等面積兩部分，便於後面裝配。步驟三製作動力裝置3
動力裝置3由微型電源301、微型電機302和電源輸出控制器303組成。微型電源 301採用可充電式鋰電池，微型電機302採用無刷電機，電源輸出控制器303採用帶有無線電收發裝置的控制電路板。微型電源301、微型電機302與電源輸出控制器303用導線連成控制迴路。微型電源301、微型電機302以及電源輸出控制器303採用市場上銷售的常用、 輕質、小體積的同類產品。步驟四製作傳動裝置傳動機構4由齒輪支架401、小齒輪402、大齒輪403、套筒404、內杆405、傳動連杆 406、機翼連杆407、套筒軸承408、內杆軸承409組成。齒輪支架401、小齒輪402與大齒輪 403均採用塑料製作。套筒404採用輕質碳纖維空心杆製作。內杆405採用輕質碳纖維實心杆製作。傳動連杆406與機翼連杆407採用金屬鋁製作。套筒軸承408與內杆軸承409 採用輕質金屬軸承。齒輪支架401、小齒輪402、大齒輪403、套筒軸承408以及內杆409採用市場上已有的常用、輕質、小體積的同類產品。利用金屬鋁絲彎折出傳動連杆406以及機翼連杆407。截取輕質碳纖維空心杆作為套筒404。在套筒404側壁開一長度略大於內杆運動幅度、寬度略大於傳動連杆406直徑的溝槽。在靠近套筒404底部側壁與機身2側壁 203所開兩組圓孔同高度位置上沿截面直徑方向打兩組對應圓孔，兩組圓孔連線正交。截取輕質碳纖維實心杆作為內杆405，並在靠近其底端處側壁開一圓孔。在套筒軸承408以及內杆軸承409的外圈上粘貼鉸鏈支座。步驟五製作轉向控制系統5轉向控制系統5由兩個轉向控制面501、兩根驅動軸502、兩根舵機連杆503、兩個舵機504以及與前飛控制系統6共用的舵機控制器505組成。轉向控制面501採用泡沫材料製作，並採用對稱翼型。驅動軸502和舵機連杆503採用金屬鋁製作。舵機504採用微型控制舵機。將兩塊長方體的泡沫材料磨製出兩個相同的帶有對稱翼型的轉向控制面501。 截取兩段鋁絲作為驅動軸502。截取兩段鋁絲並彎折成兩個舵機連杆503。舵機504以及舵機控制器505採用市場上銷售的常用、輕質、小體積的同類產品。步驟六製作前飛控制系統6前飛控制系統6由兩個前飛控制面601、一根驅動軸A602、一個舵機連杆A603和一個舵機A604組成。前飛控制面601採用泡沫材料製作，採用對稱翼型。驅動軸A602和舵機連杆A603採用金屬鋁製作。舵機A604採用微型舵機。將兩塊長方體的泡沫材料磨製出兩個相同的帶有對稱翼型的前飛控制面601。截取一段鋁絲作為驅動軸A602。截取一段鋁絲並彎折成舵機連杆A603。舵機A604採用市場上銷售的常用、輕質、小體積的同類產品。步驟七飛行器裝配將微型電源301與微型電機302，微型電源301與電源輸出控制器303，舵機504與舵機控制器505，舵機604以及舵機控制器505通過導線相連。將微型電源301與電源輸出控制器303並列安裝在機身2底座201上，微型電機302固定在齒輪支座401上。將小齒輪402固定在微型電機302的輸出軸上，大齒輪403安裝在齒輪支座401的齒輪固定軸上。 將套筒軸承408粘接固定在套筒404不開縫的一端，並將套筒404開縫的一端垂直固定在機身2底座201上。將內杆軸承409粘接固定在內杆405的頂端，並將內杆405放置在套筒404中。將傳動連杆406 —端與大齒輪403偏心孔相連，一端透過套筒404溝槽與內杆 405底端圓孔相連。將機翼1的主梁101根部與內杆軸承409鉸接。將機翼連杆407 —端與機翼1主梁101根部靠近三根梁連接處的圓孔相連，另一端與套筒軸承408鉸接。將驅動軸502 —端穿過機身2側壁203的一組圓孔安裝在套筒404上對應的開孔處，另一端與轉向控制面501連接，並利用熱縮橡膠管將驅動軸502橫向固定。在驅動軸502中間位置處垂直與驅動軸502軸線粘貼一帶孔金屬片。用一舵機連杆503將驅動軸502上的金屬片和舵機504舵盤連接。將舵機504固定在機身2底座201上。採用同樣方法將另一個轉向控制面501及其驅動軸502、舵機連杆503、舵機504安裝在相對於套筒的對稱位置上。將驅動軸A602 —端與前飛控制面601連接，另一端穿過機身2側壁203的另一組圓孔、套筒 404側壁的另一組圓孔及機身側壁203對稱位置的另一個圓孔後，再與另一個前飛控制面 601連接，調整驅動軸A602位置使前飛控制裝置關於套筒404對稱。利用熱縮橡膠管將驅動軸A602橫向固定。在驅動軸A602距套筒404約1/3軸長位置處垂直於驅動軸A602軸線方向粘貼一帶孔金屬片。用舵機連杆A603將驅動軸A602上的金屬片和舵機A604舵盤連接。將舵機A604固定在機身2底座201上。將機身2側壁203粘在機身2底座201上， 並將端蓋202覆蓋粘接在機身2側壁203頂端。步驟八試飛在地面靜止狀態下，通過微型電源輸出控制器303開啟微型電機302，並使電機轉數逐漸增加，提高機翼1上下拍動頻率，機翼1旋轉並產生升力。當升力達到並超過重力時，飛行器實現垂直起飛。在此過程中，機翼1的旋轉會在套筒軸承408及內杆軸承409中產生摩擦力偶，導致機身2旋轉。此時通過兩個轉向控制舵機504反向等幅偏轉改變轉向控制面501偏角產生水平面內的力偶來抵消上述摩擦力偶，保持機身2固定不轉。起飛後， 若要實現空中懸停，可通過電源輸出控制器303調節微型電機302功率，控制電機轉速，改變機翼1旋轉速度，使飛行器產生的升力等於飛行器自重即可。在飛行過程中，如需轉向， 可通過兩個轉向控制舵機504驅動轉向控制面501同向旋轉，等幅改變轉向控制面501偏角，使其產生的水平面內的氣動力偶，且該力偶不等於套筒軸承408及內杆軸承409中產生的摩擦力偶，則可實現機身2轉向。轉至預定方向後，反向重複上述過程可使機身2重新固定不轉。當要沿某一方向前飛時，可先通過上述方法將飛行器轉到預定飛行方向上，然後通過前飛控制舵機A604驅動前飛控制面601反向旋轉，等幅改變前飛控制面601偏角，使其產生沿預定方向的合力，在此力的作用下即可實現前飛運動。最後為實現垂直降落，可通過電源輸出控制器303逐漸減小微型電機302功率，使電機轉數緩慢減小，降低機翼1拍動頻率，機翼1旋轉速度變慢，升力減小。當升力低於重力的時候，飛行器實現垂直降落。
權利要求
1.一種微型機械式可控撲旋翼飛行器，其特徵在於，包括機翼、機身、動力裝置、傳動機構、轉向控制系統和前飛控制系統；所述機翼為兩個相同的薄膜翼，機翼根部圓孔與傳動機構的機翼連杆相連，機翼根部與傳動機構中內杆軸承鉸接；所述機身為圓柱型，包括底座、端蓋和側壁；側壁固定在圓形底座上，頂端由端蓋覆蓋；所述動力裝置包括微型電源、微型電機和電源輸出控制器，微型電源、微型電機與電源輸出控制器用導線連成控制迴路；微型電源、電源輸出控制器安裝在機身的底座上，微型電機固定在傳動機構的齒輪支架上，微型電機輸出軸與傳動裝置中的小齒輪固連；微型電源用於給微型電機、電源輸出控制器、轉向控制系統及前飛控制系統供電，微型電機用於驅動機翼的運動，電源輸出控制器用於控制微型電機的輸出功率及轉速；所述傳動機構包括齒輪支架、小齒輪、大齒輪、套筒、內杆、傳動連杆、機翼連杆、套筒軸承和內杆軸承，齒輪支架固定在機身底座上；小齒輪固定在微型電機輸出軸上，大齒輪安裝在齒輪支座的齒輪固定軸上，小齒輪和大齒輪在同一平面內嚙合並垂直於底座；傳動連杆一端與大齒輪的偏心孔相連，另一端穿過套筒側壁溝槽與內杆上的圓孔相連；將套筒開有溝槽的一端垂直固定在機身底座上；內杆置於在套筒內，與傳動連杆連接後能夠在套筒內垂直滑動；套筒軸承安裝於套筒頂部；內杆軸承安裝於內杆頂部；內杆軸承與機翼的主梁的根部鉸接；機翼連杆一端與套筒軸承鉸接，另一端與機翼的主梁的根部孔相連；所述轉向控制系統包括兩個轉向控制面、兩根驅動軸、兩根舵機連杆、兩個舵機以及與前飛控制系統共用的舵機控制器，轉向控制面採用對稱翼型；驅動軸一端穿過機身側壁上的圓孔並與轉向控制面連接，另一端嵌在套筒的圓孔上；舵機連杆一端與舵機舵盤連接，另一端與驅動軸金屬片上的圓孔連接；舵機固定在機身底座上並用導線連接舵機控制器；所述轉向控制系統通過舵機同步等幅控制兩個轉向控制面同向偏轉實現轉向控制；所述前飛控制系統包括兩個前飛控制面、一根驅動軸A、一個舵機連杆A和一個舵機 A，前飛控制面採用對稱翼型；驅動軸A分別從機身側壁的一組圓孔和套筒上的一組圓孔穿過，兩端與前飛控制面連接；舵機連杆A —端與舵機A舵盤連接，另一端與驅動軸A金屬片上的圓孔連接；舵機A固定在機身底座上；舵機A與舵機控制器採用導線連接；所述前飛控制系統通過舵機A同步等幅控制兩個前飛控制面反向偏轉實現前飛控制。
2.根據權利要求1所述的一種微型機械式可控撲旋翼飛行器，其特徵在於，所述的機翼包括主梁、長輔梁、短輔梁和翼膜；主梁與短輔梁、長輔梁共面，短輔梁與主梁垂直，長輔梁在主梁與短輔梁之間，與主梁夾角在30°至60°之間；短輔梁及長輔梁根部與主梁連接，連接點位於主梁根部附近圓孔外靠近主梁尖部一側；翼膜粘在主梁和短輔梁及長輔梁所構成的平面上；機翼平面與水平面夾角在15°至20°之間；主梁根部圓孔與傳動機構的機翼連杆相連；主梁根部與傳動機構中內杆軸承鉸接。
3.根據權利要求1所述的一種微型機械式可控撲旋翼飛行器，其特徵在於，所述的微型電源採用可充電式鋰電池，微型電機採用無刷電機，電源輸出控制器採用帶有無線電收發裝置的控制電路板。
4.根據權利要求1所述的一種微型機械式可控撲旋翼飛行器，其特徵在於，所述的舵機、舵機A採用微型控制舵機。
5.一種微型機械式可控撲旋翼飛行器的控制方法，其特徵在於，具體如下(1)垂直起降及懸停通過調整微型電源輸出功率控制微型電機轉速，改變機翼的垂直振蕩頻率，從而改變機翼產生的力矩大小及旋轉速度，繼而產生可變升力；當升力大於飛行器重量時實現垂直起飛，當升力近似等於飛行器重量時實現空中懸停，當升力小於飛行器重量時實現垂直降落；(2)轉向控制利用機翼旋轉產生的下洗氣流，通過機身外側的轉向控制面實現轉向控制；當機翼在旋轉運動中產生的下洗氣流流過轉向控制面時，產生於轉向控制面上的力形成水平面內繞垂直振蕩軸的力偶，驅動機身旋轉，實現轉向控制；(3)前飛控制利用機翼旋轉產生的下洗氣流，通過機身外側的前飛控制面實現前飛控制；當機翼在旋轉運動中產生的下洗氣流流過前飛控制面時，產生於前飛控制面上的力形成水平面內沿某個方向的合力，驅動飛行器前飛，實現前飛控制。
6.根據權利要求5所述的一種微型機械式可控撲旋翼飛行器的控制方法，其特徵在於，三個控制的具體實現步驟為(1)垂直起飛、空中懸停及垂直降落在地面靜止狀態下，通過微型電源輸出控制器開啟微型電機，並使電機轉數逐漸增加， 提高機翼上下拍動頻率，機翼旋轉並產生升力；當升力達到並超過重力時，飛行器實現垂直起飛；在此過程中，機翼的旋轉會在套筒軸承及內杆軸承中產生摩擦力偶，導致機身旋轉； 此時通過兩個轉向控制舵機反向等幅偏轉改變轉向控制面偏角產生水平面內的力偶來抵消上述摩擦力偶，保持機身固定不轉；在飛行過程中，若要實現空中懸停，通過電源輸出控制器調節微型電機功率，控制電機轉速，改變機翼旋轉速度，使飛行器產生的升力等於飛行器自重；在飛行過程中，若需垂直降落，通過電源輸出控制器逐漸減小微型電機功率，使電機轉數緩慢減小，降低機翼拍動頻率，機翼旋轉速度變慢，升力減小；當升力低於重力的時候，飛行器實現垂直降落；(2)改變方向在飛行過程中，如需轉向，通過兩個轉向控制舵機驅動轉向控制面同向旋轉，等幅改變轉向控制面偏角，使其產生的水平面內的氣動力偶，且該力偶不等於套筒軸承及內杆軸承中產生的摩擦力偶，則實現機身轉向；轉至預定方向後，反向重複上述過程使機身重新固定不轉；(3)向前飛行懸停飛行中，如需沿某一方向前飛，先通過轉向控制系統將機身轉到預定飛行方向上， 然後通過前飛控制舵機驅動前飛控制面反向旋轉，等幅改變前飛控制面偏角，使其產生沿預定方向的合力，在此力的作用下即實現前飛運動，力的大小決定前飛速度。
7.—種微型機械式可控撲旋翼飛行器的製造方法，其特徵在於，具體包括以下幾個步驟步驟一製作機翼機翼為兩個相同的薄膜翼，每個機翼均包括一根主梁、一根長輔梁、一根短輔梁和翼膜；主梁、短輔梁及長輔梁採用碳纖維杆製作，翼膜採用聚乙烯薄膜製作；在主梁根部附近一側打一圓孔；主梁與長輔梁及短輔梁共面，短輔梁與主梁垂直，長輔梁在主梁與短輔梁之間，與主梁夾角在30°至60°之間；短輔梁及長輔梁根部與主梁連接，連接點位於主梁根部附近圓孔外靠近主梁尖部一側；翼膜粘在主梁和短輔梁及長輔梁所構成的平面上； 步驟二 製作機身機身為圓柱型，包括底座、端蓋和側壁；將一層輕木板與一層泡沫板平行粘貼作為底座和端蓋的材料；側壁採用輕質泡沫製作；在底座和端蓋輕木板和泡沫板粘貼材料上截取兩個圓形作為底座及端蓋；截取一段矩形泡沫材料，將其卷為圓柱形粘好作為側壁；在側壁距底部1/3處附近不同高度上沿截面直徑方向打兩組圓孔，同時兩組圓孔連線正交，便於轉向控制系統的驅動軸和前飛控制系統的驅動軸A由此穿過；在底座上開一直徑等於傳動機構套筒的圓槽；在端蓋中心開一直徑等於套筒直徑的圓孔，並將端蓋沿直徑方向截為等面積兩部分；步驟三製作動力裝置動力裝置包括微型電源、微型電機和電源輸出控制器組成；微型電源採用可充電式鋰電池，微型電機採用無刷電機，電源輸出控制器採用帶有無線電收發裝置的控制電路板；微型電源、微型電機與電源輸出控制器用導線連成控制迴路； 步驟四製作傳動裝置傳動機構包括齒輪支架、小齒輪、大齒輪、套筒、內杆、傳動連杆、機翼連杆、套筒軸承、 內杆軸承；齒輪支架、小齒輪與大齒輪均採用塑料製作；套筒採用輕質碳纖維空心杆製作； 內杆採用輕質碳纖維實心杆製作；傳動連杆與機翼連杆採用金屬鋁製作；套筒軸承與內杆軸承採用輕質金屬軸承；利用金屬鋁絲彎折出傳動連杆以及機翼連杆；截取輕質碳纖維空心杆作為套筒；在套筒側壁開一長度略大於內杆運動幅度、寬度略大於傳動連杆直徑的溝槽；在靠近套筒底部側壁與機身側壁所開兩組圓孔同高度位置上沿截面直徑方向打兩組對應圓孔，兩組圓孔連線正交；截取輕質碳纖維實心杆作為內杆，並在靠近其底端處側壁開一圓孔；在套筒軸承以及內杆軸承的外圈上粘貼鉸鏈支座； 步驟五製作轉向控制系統轉向控制系統包括兩個轉向控制面、兩根驅動軸、兩根舵機連杆、兩個舵機以及與前飛控制系統共用的舵機控制器；轉向控制面採用泡沫材料製作，並採用對稱翼型；驅動軸和舵機連杆採用金屬鋁製作；舵機採用微型控制舵機；將兩塊長方體的泡沫材料磨製出兩個相同的帶有對稱翼型的轉向控制面；截取兩段鋁絲作為驅動軸；截取兩段鋁絲並彎折成兩個舵機連杆；步驟六製作前飛控制系統前飛控制系統包括兩個前飛控制面、一根驅動軸A、一個舵機連杆A和一個舵機A ；前飛控制面採用泡沫材料製作，採用對稱翼型；驅動軸A和舵機連杆A採用金屬鋁製作；舵機A 採用微型舵機；將兩塊長方體的泡沫材料磨製出兩個相同的帶有對稱翼型的前飛控制面； 截取一段鋁絲作為驅動軸A ；截取一段鋁絲並彎折成舵機連杆A ； 步驟七飛行器裝配將微型電源與微型電機，微型電源與電源輸出控制器，舵機與舵機控制器，舵機A以及舵機控制器通過導線相連；將微型電源與電源輸出控制器並列安裝在機身底座上，微型電機固定在齒輪支座上；將小齒輪固定在微型電機的輸出軸上，大齒輪安裝在齒輪支座的齒輪固定軸上；將套筒軸承粘接固定在套筒不開縫的一端，並將套筒開縫的一端垂直固定在機身底座上；將內杆軸承粘接固定在內杆的頂端，並將內杆放置在套筒中；將傳動連杆一端與大齒輪偏心孔相連，一端透過套筒溝槽與內杆底端圓孔相連；將機翼的主梁根部與內杆軸承鉸接；將機翼連杆一端與機翼主梁根部靠近三根梁連接處的圓孔相連，另一端與套筒軸承鉸接；將驅動軸一端穿過機身側壁的一組圓孔安裝在套筒上對應的開孔處，另一端與轉向控制面連接，並利用熱縮橡膠管將驅動軸橫向固定；在驅動軸中間位置處垂直與驅動軸軸線粘貼一帶孔金屬片；用一舵機連杆將驅動軸上的金屬片和舵機舵盤連接；將舵機固定在機身底座上；採用同樣方法將另一個轉向控制面及其驅動軸、舵機連杆、舵機安裝在相對於套筒的對稱位置上；將驅動軸A —端與前飛控制面連接，另一端穿過機身側壁的另一組圓孔、套筒側壁的另一組圓孔及機身側壁對稱位置的另一個圓孔後，再與另一個前飛控制面連接，調整驅動軸A位置使前飛控制裝置關於套筒對稱；利用熱縮橡膠管將驅動軸A 橫向固定；在驅動軸A距套筒約1/3軸長位置處垂直於驅動軸A軸線方向粘貼一帶孔金屬片；用舵機連杆A將驅動軸A上的金屬片和舵機A舵盤連接；將舵機A固定在機身底座上； 將機身側壁粘在機身底座上，並將端蓋覆蓋粘接在機身側壁頂端。
全文摘要
本發明公開了一種微型機械式可控撲旋翼飛行器及其製造方法和控制方法，本發明的飛行原理是通過電機驅動實現機翼振蕩，產生推力力偶而旋轉，再產生升力實現飛行。本發明提出的控制方法是通過調節電機功率，使機翼產生可變升力，實現垂直起降和懸停控制；利用機翼旋轉產生的下洗氣流，通過控制機身外側的轉向控制面產生水平面內繞垂直振蕩軸的力偶，驅動機身旋轉，實現轉向控制；通過控制機身外側的前飛控制面形成水平面內沿某個方向的合力，驅動飛行器前飛，實現前飛控制。本發明的裝置結構簡單、可靠，成本低。本發明的轉向及前飛控制系統，可實現飛行器垂直起降、空中懸停、轉向控制及自由前飛的功能。
文檔編號B64C33/00GK102390530SQ20111027776
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月19日 優先權日2011年9月19日
發明者吳江浩, 周超, 張豔來 申請人:北京航空航天大學