低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的制作方法

本发明涉及扑翼型飞行器和飞行机器人领域，特别是一种低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机。

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。

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、方便实现垂直起降、能快速切换飞行方向、飞行灵活性和机动性非常好的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机，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：提供一种低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机，包括扑翼、摆动轴、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，所述机身框架四周对称的安装固定有四个水平方向的所述摆动轴，四个所述连接件分别连接在四个所述摆动轴上且相对转动，四个所述扑翼分别连接在四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翼片，所述扑翼框架内还设置有扭簧用于所述翼片的复位，四套所述传动机构分别铰接在四个所述连接件上，设置在所述机身框架上的四个所述电动机分别通过设置在所述机身框架上的四个所述第二减速器减速后分别带动四套所述传动机构运动分别使四个连接件上下摆动，分别设置在四个所述连接件上的四个所述步进电机分别通过设置在四个所述连接件上的四个第一减速器减速后分别带动四个所述扑翼转动。

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

进一步的是，所述传动机构包括连杆、曲柄、传动轴，所述连接件上设置有第一销轴孔，所述第一销轴孔的轴线与所述摆动轴孔的轴线平行；所述连杆上设置有第一连杆孔和第二连杆孔，所述曲柄上有第一曲柄孔和第二曲柄孔；所述连杆和所述连接件通过第一销轴连接所述第一销轴孔和所述第一连杆孔，所述连杆和所述曲柄通过第二销轴连接所述第二连杆孔和所述第一曲柄孔；所述传动轴连接所述第二曲柄孔和所述第二减速器。

进一步的是，所述第一连杆孔的轴线和所述第二连杆孔的轴线平行，所述第一曲柄孔的轴线和所述第二曲柄孔的轴线平行；所述第一连杆孔的轴线和所述第二连杆孔的轴线之间的距离大于所述第一曲柄孔的轴线和所述第二曲柄孔的轴线之间的距离。

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加强竖梁、加强横梁和加强斜梁中的至少一种，用于加强所述扑翼框架的强度。

进一步的是，所述的翼片限位梁、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，

所述的翼片限位梁、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，

所述的翼片限位梁、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翼片的数量大于1个。

一种低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机，其特征在于包括扑翼框架、翼片、扭簧、摆动轴、连接件、第一减速器、步进电机、连杆、曲柄、传动轴、第二减速器、电动机、第一销轴、第二销轴和机身框架，扑翼框架上有翼片安装孔、翼片限位梁和扑翼转轴，翼片上有翼片迎风面、翼片转轴和翼片背风面，连接件上有摆动轴孔、第一销轴孔和扑翼转轴孔，摆动轴孔的轴线与第一销轴孔的轴线平行，摆动轴孔的轴线与扑翼转轴孔的轴线垂直，连杆上有第一连杆孔和第二连杆孔，曲柄上有第一曲柄孔和第二曲柄孔，机身框架四周对称的安装固定有四个水平方向的摆动轴，四个连接件通过摆动轴孔分别套装在四个摆动轴上且可转动，四个扑翼框架通过扑翼转轴分别插装在四个连接件的扑翼转轴孔内且可转动，翼片转轴插装在翼片安装孔内且可转动，扭簧套装在翼片转轴上，扭簧一端靠在扑翼框架上，另一端靠在翼片迎风面上，扭簧处于压缩状态，翼片背风面靠在翼片限位梁上，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，四个第一减速器和四个步进电机分别安装固定在四个连接件上，第一销轴同时插装在第一销轴孔和第一连杆孔内且可转动，第二销轴同时插装在第二连杆孔和第一曲柄孔内且可转动，传动轴插装固定在第二曲柄孔内，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，四个第二减速器和四个电动机都安装固定在机身框架上，第一连杆孔的轴线和第二连杆孔的轴线平行，第一曲柄孔的轴线和第二曲柄孔的轴线平行，第一连杆孔的轴线和第二连杆孔的轴线之间的距离大于第一曲柄孔的轴线和第二曲柄孔的轴线之间的距离，扑翼框架上有加强竖梁、加强横梁和加强斜梁，翼片限位梁、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曲柄连续转动，因此带动连接在连杆上的连接件绕水平放置的摆动轴做往复摆动，插装在连接件上的扑翼框架也同时作上下作往复摆动，当扑翼框架向下摆动时为工作状态，此时翼片在扭簧的作用下翼片背风面紧靠在翼片限位梁上，翼片迎风面与气流运动方向垂直，气流直接作用在翼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，改变翼片的倾角，气流作用在翼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；当扑翼框架向上摆动时为复位状态，此时气流直接作用在翼片背风面上，使翼片克服扭簧的弹力后绕翼片转轴转动，直到翼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，翼片在扭簧的恢复弹力作用下绕翼片转轴转动初始状态即工作状态。当四个步进电机分别调节四个扑翼的翼面的倾角为零，同时四个电动机分别控制四个扑翼往返摆动频率一致时，即可实现垂直起降功能，若四个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；通过步进电机和电动机调整四个扑翼的扑翼倾角和往返运动频率，则可调整每一个扑翼产生的升力和推力大小，四组升力和推力能使无人机产生空间任意方向的合力和力偶，因此能使无人机快速切换到任意方向飞行。

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倾角可变的摆动式四扑翼无人机，将扑翼设置为上下摆动，并设计由扭簧控制的可转动翼片，使翼片下扑时以最大面积迎风运动获得最大气动力，而上扑时在气流作用下自动转动到翼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倾角可变的摆动式四扑翼无人机，摆动式扑翼中的可转翼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倾角可变的摆动式四扑翼无人机，通过四个电动机和四个步进电机独立的控制四个扑翼的往返频率和倾角，从而实现垂直起降、空中悬停，特别是能快速切换到任意方向飞行，因此该类型扑翼无人机的灵活性和机动性非常好。

4.本发明所述的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机，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是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的整体结构示意图。

图2是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机只安装一个扑翼在工作状态下详细结构示意图。

图3是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机只安装一个扑翼在复位状态下详细结构示意图。

图4是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机工作状态剖视图。

图5是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机复位状态剖视图。

图6是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的扑翼框架的结构示意图。

图7是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的翼片的结构示意图。

图8是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的连接件的结构示意图。

图9是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的连杆的结构示意图。

图10是本发明实施例1的低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的曲柄的结构示意图。

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，采用低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的高压电线巡检无人机。如图1所示，低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机包括扑翼框架1、翼片2、扭簧3、摆动轴4、连接件5、第一减速器6、步进电机7、连杆8、曲柄9、传动轴10、第二减速器11、电动机12、第一销轴13、第二销轴14和机身框架15。如图6所示，扑翼框架1上有翼片安装孔101、翼片限位梁102和扑翼转轴103。如图7所示，翼片2上有翼片迎风面201、翼片转轴202和翼片背风面203。如图8所示，连接件5上有摆动轴孔501、第一销轴孔502和扑翼转轴孔503，摆动轴孔501的轴线与第一销轴孔502的轴线平行，摆动轴孔501的轴线与扑翼转轴孔503的轴线垂直。如图9所示，连杆8上有第一连杆孔801和第二连杆孔802。如图10所示，曲柄9上有第一曲柄孔901和第二曲柄孔902，机身框架15四周对称的安装固定有四个水平方向的摆动轴4，四个连接件5通过摆动轴孔501分别套装在四个摆动轴4上且可转动，四个扑翼框架1通过扑翼转轴103分别插装在四个连接件5的扑翼转轴孔503内且可转动，翼片转轴202插装在翼片安装孔101内且可转动，扭簧3套装在翼片转轴202上，扭簧3一端靠在扑翼框架1上，另一端靠在翼片迎风面201上，扭簧3处于压缩状态，翼片背风面203靠在翼片限位梁102上，每个扑翼框架1内安装的翼片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，四个第一减速器6和四个步进电机7分别安装固定在四个连接件5上，第一销轴13同时插装在第一销轴孔502和第一连杆孔801内且可转动，第二销轴14同时插装在第二连杆孔802和第一曲柄孔901内且可转动，传动轴10插装固定在第二曲柄孔902内，传动轴10安装在第二减速器11的输出轴上，电动机12的输出轴安装在第二减速器11输入孔内，四个第二减速器11和四个电动机12都安装固定在机身框架15上，第一连杆孔801的轴线和第二连杆孔802的轴线平行，第一曲柄孔901的轴线和第二曲柄孔902的轴线平行，第一连杆孔801的轴线和第二连杆孔802的轴线之间的距离大于第一曲柄孔901的轴线和第二曲柄孔902的轴线之间的距离，扑翼框架1上有加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106，翼片限位梁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低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机后，由于扑翼阻力小、气动效率高，并且机动性好，能完成各项检测和拍照工作，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：翼片2的数量为6个，翼片限位梁102、加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106都采用工程塑料。采用低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的高层灭火专用无人机。包括扑翼框架1、翼片2、扭簧3、摆动轴4、连接件5、第一减速器6、步进电机7、连杆8、曲柄9、传动轴10、第二减速器11、电动机12、第一销轴13、第二销轴14和机身框架15，扑翼框架1上有翼片安装孔101、翼片限位梁102和扑翼转轴103，翼片2上有翼片迎风面201、翼片转轴202和翼片背风面203，连接件5上有摆动轴孔501、第一销轴孔502和扑翼转轴孔503，摆动轴孔501的轴线与第一销轴孔502的轴线平行，摆动轴孔501的轴线与扑翼转轴孔503的轴线垂直，连杆8上有第一连杆孔801和第二连杆孔802，曲柄9上有第一曲柄孔901和第二曲柄孔902，机身框架15四周对称的安装固定有四个水平方向的摆动轴4，四个连接件5通过摆动轴孔501分别套装在四个摆动轴4上且可转动，四个扑翼框架1通过扑翼转轴103分别插装在四个连接件5的扑翼转轴孔503内且可转动，翼片转轴202插装在翼片安装孔101内且可转动，扭簧3套装在翼片转轴202上，扭簧3一端靠在扑翼框架1上，另一端靠在翼片迎风面201上，扭簧3处于压缩状态，翼片背风面203靠在翼片限位梁102上，每个扑翼框架1内安装的翼片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，四个第一减速器6和四个步进电机7分别安装固定在四个连接件5上，第一销轴13同时插装在第一销轴孔502和第一连杆孔801内且可转动，第二销轴14同时插装在第二连杆孔802和第一曲柄孔901内且可转动，传动轴10插装固定在第二曲柄孔902内，传动轴10安装在第二减速器11的输出轴上，电动机12的输出轴安装在第二减速器11输入孔内，四个第二减速器11和四个电动机12都安装固定在机身框架15上，第一连杆孔801的轴线和第二连杆孔802的轴线平行，第一曲柄孔901的轴线和第二曲柄孔902的轴线平行，第一连杆孔801的轴线和第二连杆孔802的轴线之间的距离大于第一曲柄孔901的轴线和第二曲柄孔902的轴线之间的距离，扑翼框架1上有加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106，翼片限位梁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。高层灭火专用无人机采用本发明低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机后，由于扑翼工作行程推力大、扑翼阻力小、气动效率高，且灵活性机动性非常好，能快速响应高层的紧急情况，快速飞行到高层失火点进行灭火。

实施例3：

本实施例3提供一种农业植保无人机，其结构同实施例1，不同的是：翼片2的数量为8个，翼片限位梁102、加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106都采用工程塑料。采用低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机的农业植保无人机。包括扑翼框架1、翼片2、扭簧3、摆动轴4、连接件5、第一减速器6、步进电机7、连杆8、曲柄9、传动轴10、第二减速器11、电动机12、第一销轴13、第二销轴14和机身框架15，扑翼框架1上有翼片安装孔101、翼片限位梁102和扑翼转轴103，翼片2上有翼片迎风面201、翼片转轴202和翼片背风面203，连接件5上有摆动轴孔501、第一销轴孔502和扑翼转轴孔503，摆动轴孔501的轴线与第一销轴孔502的轴线平行，摆动轴孔501的轴线与扑翼转轴孔503的轴线垂直，连杆8上有第一连杆孔801和第二连杆孔802，曲柄9上有第一曲柄孔901和第二曲柄孔902，机身框架15四周对称的安装固定有四个水平方向的摆动轴4，四个连接件5通过摆动轴孔501分别套装在四个摆动轴4上且可转动，四个扑翼框架1通过扑翼转轴103分别插装在四个连接件5的扑翼转轴孔503内且可转动，翼片转轴202插装在翼片安装孔101内且可转动，扭簧3套装在翼片转轴202上，扭簧3一端靠在扑翼框架1上，另一端靠在翼片迎风面201上，扭簧3处于压缩状态，翼片背风面203靠在翼片限位梁102上，每个扑翼框架1内安装的翼片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，四个第一减速器6和四个步进电机7分别安装固定在四个连接件5上，第一销轴13同时插装在第一销轴孔502和第一连杆孔801内且可转动，第二销轴14同时插装在第二连杆孔802和第一曲柄孔901内且可转动，传动轴10插装固定在第二曲柄孔902内，传动轴10安装在第二减速器11的输出轴上，电动机12的输出轴安装在第二减速器11输入孔内，四个第二减速器11和四个电动机12都安装固定在机身框架15上，第一连杆孔801的轴线和第二连杆孔802的轴线平行，第一曲柄孔901的轴线和第二曲柄孔902的轴线平行，第一连杆孔801的轴线和第二连杆孔802的轴线之间的距离大于第一曲柄孔901的轴线和第二曲柄孔902的轴线之间的距离，扑翼框架1上有加强竖梁104、加强横梁105和加强斜梁106，翼片限位梁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。农业植保无人机采用本发明低阻力倾角可变的摆动式四扑翼无人机后，由于扑翼工作行程推力大、扑翼阻力小、气动效率高，且灵活性机动性非常好，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。