低阻力同步直动式双扑翼飞行器的制作方法

本发明涉及扑翼型飞行器和飞行机器人领域，特别是一种低阻力同步直动式双扑翼飞行器。

背景技术：

飞行器飞行方式有固定翼、旋翼和扑翼三种飞行类型，其中扑翼飞行是自然界飞行生物采用的飞行方式，主要利用双翅的上下扑动同时产生升力和推力，其主要特点是将举升、悬停和推进功能基于一体，同时具有很强的机动性和灵活性，更适合于执行绕过障碍物等的飞行。对于小尺寸和低速飞行状态的飞行器，属于低雷诺数下飞行，扑翼产生的非定常升力比固定翼的定常升力大得多；从推力方面来看，扑翼推进效率比螺旋桨推进效率高。

目前扑翼飞行器研究主要集中在模拟大自然中飞行生物的飞行姿态设计各种扑翼机构。扑翼驱动机构划可以分为多自由度扑翼驱动机构与单自由度扑翼驱动机构，前者能实现复杂的运动形式，但机构相对庞大复杂，后者驱动机构只需要实现拍打运动，通过固定机翼的后缘形成一个随机翼拍打而变化的迎角来实现扭转运动。

但这些扑翼机构的共同问题是总体气动效率偏低，甚至低于同尺度的固定翼微型飞行器。扑翼飞行器总体效率低下的主要原因是目前研究中大多是简单的仿造鸟类或昆虫翅膀的外形和扑动运动，却很难实现飞行生物扑翼上下扑动过程中利用翼翅自身姿态和结构的改变减小空气阻力并产生非定常气动力，由此产生的气动效率较低问题严重制约了扑翼式飞行器的普及应用。同时，目前的扑翼飞行棋大多无法实现垂直起降和空中悬停，灵活性和机动性还不够好。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种非常显著的减小扑翼型飞行器扑翼复位过程阻力、提升气动效率、两侧扑翼同步、方便实现垂直起降、空中悬停、前进后退、转弯等功能的低阻力同步直动式双扑翼飞行器，以解决现有技术中存在的上述问题。

实现本发明目的的技术解决方案是：提供一种低阻力同步直动式双扑翼飞行器，包括扑翼、滑道、连接件、第一减速器、步进电机、传动机构、第二减速器、电动机和机身框架，所述机身框架两侧对称的安装固定有两个竖直方向的所述滑道，两个个所述连接件分别滑动连接在两个所述滑道上，两个所述扑翼分别连接在两个所述连接件上且可相对转动，所述扑翼包括扑翼框架，以及安装在所述扑翼框架内的可转动的叶片，所述扑翼框架内还设置有扭簧用于所述叶片的复位，所述传动机构连接在两个所述连接件上，设置在所述机身框架上的所述电动机通过设置在所述机身框架上的所述第二减速器减速后带动所述传动机构运动使两个连接件同步上下滑动，分别设置在两个所述连接件上的两个所述步进电机分别通过设置在两个所述连接件上的两个第一减速器减速后分别带动两个所述扑翼转动。

进一步的是，所述扑翼框架上设置有叶片安装孔、叶片限位梁和扑翼转轴，所述叶片包括相对设置的叶片迎风面、叶片背风面以及设置在所述叶片上的叶片转轴，所述连接件设置有滑道孔和扑翼转轴孔，所述滑道孔的轴线与所述扑翼转轴孔的轴线垂直，所述滑道插装在所述滑道孔内且可滑动，所述扑翼转轴插装在所述扑翼转轴孔内且可转动；所述叶片转轴插装在所述叶片安装孔内且可转动，所述扭簧套装在所述叶片转轴上，所述扭簧两端分别靠近所述扑翼框架和所述叶片迎风面设置；当所述扭簧处于压缩状态，所述叶片背风面靠近所述叶片限位梁。

进一步的是，所述传动机构包括推杆、凸轮、传动轴、所述推杆上设置有推杆轴和推杆支架，所述凸轮上设置有凸轮转孔和凸轮曲面，竖直方向的所述推杆轴的顶尖朝下紧靠在所述凸轮曲面上，两个所述连接件设置在所述推杆支架上，所述传动轴连接所述凸轮转孔和所述第二减速器。

进一步的是，所述凸轮曲面为直纹面且直纹面素线与所述凸轮转孔的轴线平行。

进一步的是，还包括用于使所述连接件复位的弹簧，两个所述弹簧分别套装在两个所述滑道上，所述弹簧两端分别靠近所述接件和所述机身框架设置，所述弹簧为压缩状态。

进一步的是，所述扑翼转轴安装在所述第一减速器的输出轴上，所述步进电机的输出轴安装在所述第一减速器的输入孔内。

进一步的是，所述电动机的输出轴安装在所述第二减速器输入孔内。

进一步的是，所述扑翼框架上还包括用于加强所述扑翼框架的强度的加强竖梁、加强横梁和加强斜梁中的至少一种。

进一步的是，所述的叶片限位梁、所述加强竖梁、所述加强横梁和所述加强斜梁均为空心结构；

和/或，

所述的叶片限位梁、所述加强竖梁、所述加强横梁和所述加强斜梁为工程塑料材质；

和/或，

所述的叶片限位梁、所述加强竖梁、所述加强横梁和所述加强斜梁为碳素纤维材质。

进一步的是，每个所述扑翼框架内安装的所述叶片的数量大于1个。

一种低阻力同步直动式双扑翼飞行器，其特征在于包括扑翼框架、叶片、扭簧、滑道、连接件、第一减速器、步进电机、弹簧、推杆、凸轮、传动轴、第二减速器、电动机和机身框架，扑翼框架上有叶片安装孔、叶片限位梁和扑翼转轴，叶片上有叶片迎风面、叶片转轴和叶片背风面，连接件上有滑道孔和扑翼转轴孔，滑道孔的轴线与扑翼转轴孔的轴线垂直，推杆上有推杆轴和推杆支架，凸轮上有凸轮转孔和凸轮曲面，机身框架两侧对称的安装固定有两个竖直方向的滑道，两个连接件通过滑道孔分别套装在两个滑道上且可滑动，两个弹簧分别套装在两个滑道上，弹簧一端紧靠在接件的上端面上，另一端紧靠在机身框架上，弹簧为压缩状态，两侧扑翼框架通过扑翼转轴分别插装在两个连接件的扑翼转轴孔内且可转动，叶片转轴插装在叶片安装孔内且可转动，扭簧套装在叶片转轴上，扭簧一端靠在扑翼框架上，另一端靠在叶片迎风面上，扭簧处于压缩状态，叶片背风面靠在叶片限位梁上，每个扑翼框架内安装的叶片的数量为个，扑翼转轴安装在第一减速器的输出轴上，步进电机的输出轴安装在第一减速器的输入孔内，两个第一减速器和两个步进电机分别安装固定在两个连接件上，两个连接件安装固定在推杆支架上，竖直方向的推杆轴的顶尖朝下紧靠在凸轮曲面上，传动轴插装固定在凸轮转孔内，传动轴安装在第二减速器的输出轴上，电动机的输出轴安装在第二减速器输入孔内，第二减速器和电动机都安装固定在机身框架上，凸轮曲面为直纹面且直纹面素线与凸轮转孔的轴线平行，凸轮曲面的直纹面素线与凸轮转孔轴线距离的最大值与最小值之差为扑翼框架工作行程，扑翼框架上有加强竖梁、加强横梁和加强斜梁，叶片限位梁、加强竖梁、加强横梁和加强斜梁都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。

本发明的工作原理是：当电动机启动后，经过第二减速器减速后带动传动轴和凸轮连续转动，在凸轮转动和压缩弹簧共同作用下，推杆带动连接件和两侧扑翼框架作往复同步平动，当扑翼框架作靠近传动轴的平动时为扑翼工作状态，此时叶片在扭簧的作用下叶片背风面紧靠在叶片限位梁上，叶片迎风面与气流运动方向垂直，气流直接作用在叶片迎风面上获得最大的气动力，同时，通过步进电机经过第一减速器减速后带动扑翼框架转动，改变叶片的倾角，气流作用在叶片迎风面上的正压力可分解为升力和推力，倾角的改变可以调节升力和推力的大小；当扑翼框架作远离传动轴的平动时为扑翼复位状态，此时气流直接作用在叶片背风面上，使叶片克服扭簧的弹力后绕叶片转轴转动，直到叶片背风面基本与气流运动方向平行，因此扑翼在复位过程中所受的空气阻力最小，在复位过程中，扭簧进一步压缩；当扑翼复位行程结束时，叶片在扭簧的恢复弹力作用下绕叶片转轴转动初始状态即工作状态。当两个步进电机调节两侧扑翼的翼面为水平状态时，即可实现垂直起降功能，若两侧扑翼产生的气动力与整机重量和阻力相等时，则可实现空中悬停；通过两个步进电机分别调整两侧扑翼的扑翼倾角，则可调整每一个扑翼产生的升力和推力大小，可实现前进、后退和转弯功能。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1.本发明所述的低阻力同步直动式双扑翼飞行器，将扑翼设置为直线平动，并设计由扭簧控制的可转动叶片，使叶片扑翼工作状态时以最大面积迎风运动获得最大气动力，而复位状态时在气流作用下自动转动到叶片与气流方向平行从而阻力大大降低，达到提高扑翼飞行气动效率的目的。

2.本发明所述的低阻力同步直动式双扑翼飞行器，可转叶片在工作状态与复位状态之间的切换是在扭簧和气流的作用下自动完成的，不需要复杂机械式机构和电子控制系统，结构简单且可靠性较好。

3.本发明所述的低阻力同步直动式双扑翼飞行器，通过一个电动机同步控制两侧扑翼的上下往返直动，两侧扑翼同步、动作一致性好、且控制系统较简单，通过步进电机独立控制每一个扑翼倾角，从而实现垂直起降、空中悬停、前进、后退、转弯等功能，因此该类型扑翼无人机的机动性较好。

4.本发明所述的低阻力同步直动式双扑翼飞行器，结构简单，加工工艺性好，生产成本低，可广泛应用于低雷诺数飞行的各类小型飞行器和无人机中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是低阻力同步直动式双扑翼飞行器的整体结构示意图。

图2是低阻力同步直动式双扑翼飞行器只安装一个扑翼在工作状态下详细结构示意图。

图3是低阻力同步直动式双扑翼飞行器只安装一个扑翼在复位状态下详细结构示意图。

图4是低阻力同步直动式双扑翼飞行器扑翼工作状态详细剖视图。

图5是低阻力同步直动式双扑翼飞行器扑翼复位状态详细剖视图。

图6是低阻力同步直动式双扑翼飞行器的扑翼框架的结构示意图。

图7是低阻力同步直动式双扑翼飞行器的叶片的结构示意图。

图8是低阻力同步直动式双扑翼飞行器的连接件的结构示意图。

图9是低阻力同步直动式双扑翼飞行器的推杆的结构示意图。

图10是低阻力同步直动式双扑翼飞行器的凸轮的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明作进一步描述，但不以任何方式限制本发明。

实施例1：

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10，采用低阻力同步直动式双扑翼飞行器的高压电线巡检无人机。如图1所示，低阻力同步直动式双扑翼飞行器包括扑翼框架1、叶片2、扭簧3、滑道4、连接件5、第一减速器6、步进电机7、弹簧8、推杆9、凸轮10、传动轴11、第二减速器12、电动机13和机身框架14，扑翼框架1上有叶片安装孔101、叶片限位梁102和扑翼转轴103，叶片2上有叶片迎风面201、叶片转轴202和叶片背风面203，连接件5上有滑道孔501和扑翼转轴孔502，滑道孔501的轴线与扑翼转轴孔502的轴线垂直，推杆9上有推杆轴901和推杆支架902，凸轮10上有凸轮转孔1001和凸轮曲面1002，所述凸轮曲面(1002)的直纹面素线与所述凸轮转孔(1001)轴线距离的最大值与最小值之差为所述扑翼工作行程。机身框架14两侧对称的安装固定有两个竖直方向的滑道4，两个连接件5通过滑道孔501分别套装在两个滑道4上且可滑动，两个弹簧8分别套装在两个滑道4上，弹簧8一端紧靠在接件5的上端面上，另一端紧靠在机身框架14上，弹簧8为压缩状态，两侧扑翼框架1通过扑翼转轴103分别插装在两个连接件5的扑翼转轴孔502内且可转动，叶片转轴202插装在叶片安装孔101内且可转动，扭簧3套装在叶片转轴202上，扭簧3一端靠在扑翼框架1上，另一端靠在叶片迎风面201上，扭簧3处于压缩状态，叶片背风面203靠在叶片限位梁102上，每个扑翼框架1内安装的叶片2的数量为四个，扑翼转轴103安装在第一减速器6的输出轴上，步进电机7的输出轴安装在第一减速器6的输入孔内，两个第一减速器6和两个步进电机7分别安装固定在两个连接件5上，两个连接件5安装固定在推杆支架902上，竖直方向的推杆轴901的顶尖朝下紧靠在凸轮曲面1002上，传动轴11插装固定在凸轮转孔1001内，传动轴11安装在第二减速器12的输出轴上，电动机13的输出轴安装在第二减速器12输入孔内，第二减速器12和电动机13都安装固定在机身框架14上，凸轮曲面1002为直纹面且直纹面素线与凸轮转孔1001的轴线平行，凸轮曲面1002的直纹面素线与凸轮转孔1001轴线距离的最大值与最小值之差为扑翼框架1工作行程，扑翼框架1上有加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106，叶片限位梁102、加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106都采用空心结构且采用碳素纤维材料。高压电线巡检无人机采用本发明装有可转叶片的直动式双扑翼无人机后，由于扑翼阻力小、气动效率高，并且机动性好、能实现空中悬停，因而能完成各项难度较大的检测和拍照工作，相对于旋翼无人机，在搭载摄影设备等相同的工作载荷后，一次飞行时间增加20％，实现了较长航时工作。

实施例2：

本实施例2提供一种高层灭火专用无人机，其结构同实施例1，不同的是：每个扑翼框架1内叶片2的数量为6个，叶片限位梁102、加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106都采用工程塑料。采用低阻力同步直动式双扑翼飞行器的高层灭火专用无人机。包括扑翼框架1、叶片2、扭簧3、滑道4、连接件5、第一减速器6、步进电机7、弹簧8、推杆9、凸轮10、传动轴11、第二减速器12、电动机13和机身框架14，扑翼框架1上有叶片安装孔101、叶片限位梁102和扑翼转轴103，叶片2上有叶片迎风面201、叶片转轴202和叶片背风面203，连接件5上有滑道孔501和扑翼转轴孔502，滑道孔501的轴线与扑翼转轴孔502的轴线垂直，推杆9上有推杆轴901和推杆支架902，凸轮10上有凸轮转孔1001和凸轮曲面1002，机身框架14两侧对称的安装固定有两个竖直方向的滑道4，两个连接件5通过滑道孔501分别套装在两个滑道4上且可滑动，两个弹簧8分别套装在两个滑道4上，弹簧8一端紧靠在接件5的上端面上，另一端紧靠在机身框架14上，弹簧8为压缩状态，两侧扑翼框架1通过扑翼转轴103分别插装在两个连接件5的扑翼转轴孔502内且可转动，叶片转轴202插装在叶片安装孔101内且可转动，扭簧3套装在叶片转轴202上，扭簧3一端靠在扑翼框架1上，另一端靠在叶片迎风面201上，扭簧3处于压缩状态，叶片背风面203靠在叶片限位梁102上，每个扑翼框架1内安装的叶片2的数量为六个，扑翼转轴103安装在第一减速器6的输出轴上，步进电机7的输出轴安装在第一减速器6的输入孔内，两个第一减速器6和两个步进电机7分别安装固定在两个连接件5上，两个连接件5安装固定在推杆支架902上，竖直方向的推杆轴901的顶尖朝下紧靠在凸轮曲面1002上，传动轴11插装固定在凸轮转孔1001内，传动轴11安装在第二减速器12的输出轴上，电动机13的输出轴安装在第二减速器12输入孔内，第二减速器12和电动机13都安装固定在机身框架14上，凸轮曲面1002为直纹面且直纹面素线与凸轮转孔1001的轴线平行，凸轮曲面1002的直纹面素线与凸轮转孔1001轴线距离的最大值与最小值之差为扑翼框架1工作行程，扑翼框架1上有加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106，叶片限位梁102、加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106都采用空心结构且采用工程塑料材料。高层灭火专用无人机采用本发明低阻力同步直动式双扑翼飞行器后，由于扑翼工作行程推力大、扑翼阻力小、气动效率高，因此有较强的机动性，能快速响应高层的紧急情况，快速飞行到高层失火点，并且具有空中悬停功能，能悬停在起火点进行准确的持续灭火。

实施例3：

本实施例2提供一种农业植保无人机，其结构同实施例1，不同的是：每个扑翼框架1内叶片2的数量为8个，叶片限位梁102、加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106都采用工程塑料。采用低阻力同步直动式双扑翼飞行器的农业植保无人机。包括扑翼框架1、叶片2、扭簧3、滑道4、连接件5、第一减速器6、步进电机7、弹簧8、推杆9、凸轮10、传动轴11、第二减速器12、电动机13和机身框架14，扑翼框架1上有叶片安装孔101、叶片限位梁102和扑翼转轴103，叶片2上有叶片迎风面201、叶片转轴202和叶片背风面203，连接件5上有滑道孔501和扑翼转轴孔502，滑道孔501的轴线与扑翼转轴孔502的轴线垂直，推杆9上有推杆轴901和推杆支架902，凸轮10上有凸轮转孔1001和凸轮曲面1002，机身框架14两侧对称的安装固定有两个竖直方向的滑道4，两个连接件5通过滑道孔501分别套装在两个滑道4上且可滑动，两个弹簧8分别套装在两个滑道4上，弹簧8一端紧靠在接件5的上端面上，另一端紧靠在机身框架14上，弹簧8为压缩状态，两侧扑翼框架1通过扑翼转轴103分别插装在两个连接件5的扑翼转轴孔502内且可转动，叶片转轴202插装在叶片安装孔101内且可转动，扭簧3套装在叶片转轴202上，扭簧3一端靠在扑翼框架1上，另一端靠在叶片迎风面201上，扭簧3处于压缩状态，叶片背风面203靠在叶片限位梁102上，每个扑翼框架1内安装的叶片2的数量为8个，扑翼转轴103安装在第一减速器6的输出轴上，步进电机7的输出轴安装在第一减速器6的输入孔内，两个第一减速器6和两个步进电机7分别安装固定在两个连接件5上，两个连接件5安装固定在推杆支架902上，竖直方向的推杆轴901的顶尖朝下紧靠在凸轮曲面1002上，传动轴11插装固定在凸轮转孔1001内，传动轴11安装在第二减速器12的输出轴上，电动机13的输出轴安装在第二减速器12输入孔内，第二减速器12和电动机13都安装固定在机身框架14上，凸轮曲面1002为直纹面且直纹面素线与凸轮转孔1001的轴线平行，凸轮曲面1002的直纹面素线与凸轮转孔1001轴线距离的最大值与最小值之差为扑翼框架1工作行程，扑翼框架1上有加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106，叶片限位梁102、加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106都采用空心结构且采用工程塑料材料。农业植保无人机采用本发明低阻力同步直动式双扑翼飞行器后，由于扑翼工作行程推力大、扑翼阻力小、气动效率高，且两侧扑翼动作一致性好，有较强的机动性，能高效快速地完成播撒肥料，喷撒粉剂，辅助授粉等多样功能应，续航时间长，相对于旋翼无人机，在相同的工作载荷时，一次飞行时间增加20％，实现了较长航时工作。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。