一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面

摘要

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，中部舵机垂直插入架体中部；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。

权利要求

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)垂直插入架体中部；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。

说明书

一种用于扑旋翼飞行器的全动舵面

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 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，中部舵机垂直插入架体中部；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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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：

[0011] 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；

[0012] 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；

[0013] 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。

[0014] 本发明具有以下优点：

[0015] 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

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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；

[0019] 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

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 图4A和图4B图4所示大舵面的分解示意图。

[0026] 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。

[0027] 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。

[0028] 图中：

[0029] 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；

[0030] 301-小舵面框架；302-小舵面薄膜；401-舵机本体；402-舵臂。

[0031] 具体实施方法

[0032] 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。

[0033] 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。

[0034] 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垂直插入架体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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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。

[0038] 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。

[0039] 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：

[0040] 步骤一：制作架体；

[0041] 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。

[0042] 步骤二：安装舵机；

[0043] 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插入架体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。

[0044] 步骤三：安装舵面，包括一个大舵面2和两个小舵面3；

[0045] 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°。

[0046] 通过以上装配过程实现架体1与大舵面2间相互交叉。

[0047] 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：

[0048] 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。

[0049] 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。

[0050] 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。