异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的制作方法

1.本发明涉及可动翼飞行器和飞行机器人领域，特别是一种用于无人机的异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置。


背景技术：

2.飞行器飞行方式有固定翼、旋翼和扑翼三种飞行类型，旋翼和扑翼都属于可动翼。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；
3.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。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或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。
4.旋翼飞行是以旋翼(包括螺旋桨)的拉力提供飞行器的升力，飞行器的前进拉力来源于旋翼矢量的小角度偏转所产生的水平分量。目前发展迅速的多旋翼小型飞行器的姿态控制和水平运动是靠多旋翼的差动拉力来实现的。旋翼飞行器的特点是具有垂直起降和空中悬停功能，并具有在比较小的区域中飞行的能力。但由于旋翼飞行器的旋翼相对于其旋翼中心轴是不动的，因此前进阻力较大，所以能量消耗大，气动效率偏低，大功率长航时飞行较为困难。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种非常显著的减小飞行器飞行阻力大、提升气动效率、同时提供升力和推力、不同于旋翼飞行和扑翼飞行的异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置，以解决现有扑翼和旋翼技术中存在的上述问题。
6.实现本发明目的的技术解决方案是：提供一种异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置，包括旋转动翼、传动机构、伺服电机、角度传感器、旋转轴、电动机和控制器，所述旋转动翼固定连接在所述旋转轴上，设置在飞行器上的所述电动机连接所述旋转轴，并使所述旋转轴连续旋转。
7.进一步的是，所述旋转动翼包括旋转框架，以及安装在所述旋转框架内的可转动的异形叶片，所述伺服电机设置在所述旋转框架内，所述飞行器和所述旋转框架之间设置有所述角度传感器，所述角度传感器、所述伺服电机、所述控制器和所述传动机构用于控制所述成对的两组异形叶片的转动和复位，其中一组异形叶片正向转动，另一组异形叶片反向转动；
8.进一步的是，所述异形叶片远离所述旋转轴的一端面积大，靠近旋转轴的一端的面积小。
9.进一步的是，根据所述角度传感器获得所述旋转框架相对所述飞行器的旋转角度，所述控制器控制所述伺服电机正转或反转；
10.进一步的是，所述传动机构包括互相啮合的齿条和齿轮，所述伺服电机连接所述齿轮，所述齿轮连接所述异形叶片，所述齿条设置在所述旋转框架内且可相对移动。
11.进一步的是，所述旋转框架上设置有中心孔，所述旋转轴固定在连接所述中心孔内。
12.进一步的是，所述旋转框架上设置有直梁，所述直梁的方向与所述中心孔的轴线平行，所述直梁上开有叶片安装孔，所述叶片安装孔的轴线与所述中心孔的轴线正交，所述异形叶片包括叶片转轴；所述叶片转轴插装在所述叶片安装孔内且可转动，所述叶片转轴插装固定在所述齿轮中心。
13.进一步的是，所述旋转框架上设置有齿条安装孔，所述齿条安装孔的轴线与所述中心孔的轴线平行，所述齿条上设置有齿条圆柱，所述齿条圆柱插装在所述齿条安装孔内且可相对滑动。
14.进一步的是，所述旋转框架上有所述控制器的安装孔且设置有支撑梁，所述支撑梁上开有伺服电机安装孔，所述伺服电机固定在伺服电机安装孔内。
15.进一步的是，所述旋转框架上还包括外加强曲梁和内加强曲梁中的至少一种，用于加强所述旋转框架的强度。
16.进一步的是，所述直梁、所述外加强曲梁和所述内加强曲梁均为空心结构；所述直梁、所述外加强曲梁和所述内加强曲梁为工程塑料材质或碳素纤维材质。
17.进一步的是，所述直梁、所述齿条孔和所述支撑梁都在所述中心孔的周向均匀分布，所述直梁的数量大于1个，所述齿条孔的数量、所述支撑梁的数量与所述直梁的数量相同。
18.使用时，将本发明“异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置”中的电动机、角度传感器都安装固定在无人机上。
19.本发明的工作原理是：当电动机启动时，带动旋转轴、旋转框架，异形叶片连续转动，根据所述角度传感器获得所述旋转框架相对所述飞行器的旋转角度，所述控制器控制伺服电机，当伺服电机接受到信号并正转时，通过齿轮齿条啮合传动，从而带动异形叶片正向转动，异形叶片与气流方向垂直，气流直接作用在叶片正面上使叶片获得最大的气体推动力，气流作用在叶片正面上的正压力可分解为升力和推力，此时为工作状态；当伺服电机接受到信号并反转复位时，通过齿轮齿条啮合传动，从而带动异形叶片反向转动，异形叶片正面又回到与气流方向平行，回到复位状态。本发明与现有技术相比，其显著优点是：
20.1.本发明所述的异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置，通过将旋转动翼中异形叶片设置为连续旋转，保持了旋翼连续旋转的优点，克服了扑翼需要往复运动的弱点。
21.2.本发明所述的异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置，通过伺服电机控制异形叶片连续自转，并通过电动机实现异形叶片绕中心旋转轴转动，使叶片在工作状态时以最大面积迎风运动获得最大气动力，而在复位状态时与气流方向平行从而阻力大大降
低，达到提高气动效率的目的，使其气动效率远高于现有旋翼和扑翼飞行器。
22.3.本发明所述的异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置，通过两组异形叶片同步反向转动，解决了叶片同步同向转动产生的力矩不平衡问题，使飞行状态更加稳定可靠。
23.4.本发明所述的异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置，通过采用角度传感器加控制器控制伺服电机驱动异形叶片的转动，使整个装置结构简单、异形叶片的旋转角度有更多的可能性、控制更加精准且可靠性较好。
24.5.本发明所述的异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置，通过伺服电机直接带动异形叶片连续旋转，叶片工作状态气流直接作用在其表面上的正压力可同时产生升力和推力，通过伺服电机正反旋转达到控制旋转动翼产生正向推力和反向推力的目的。
25.6.本发明所述的异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置，结构简单，加工工艺性好，生产成本低，并且装置在无人机上进行简单改造就可使用，安装简单。
附图说明
26.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。
27.图1是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的整体结构示意图。
28.图2是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的详细结构图。
29.图3是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置对开状态详细结构图。
30.图4是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置复位状态详细结构图。
31.图5是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置工作状态详细结构图。
32.图6是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的旋转框架的结构示意图。
33.图7是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的异形叶片的结构示意图。
34.图8是本发明异形叶片接触式自转控制的旋转动翼装置的异形叶片形状和驱动效率计算公式坐标系图。
35.图9是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的双向齿条的结构示意图。
36.图10是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的齿轮的结构示意图。
37.图11是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的控制器的结构示意图。
38.图12是本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的角度传感器的结
构示意图。
具体实施方式
39.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做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。
40.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。
41.实施例1：
42.结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图 12，采用异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置的高压电线巡检无人机，包括旋转动翼、传动机构、伺服电机5、角度传感器6、旋转轴7、电动机8和控制器9，旋转动翼固定连接在旋转轴7上，设置在飞行器上的电动机8连接旋转轴7，并使旋转轴7 连续旋转；旋转动翼包括旋转框架1，以及安装在旋转框架1内的可转动的异形叶片2，异形叶片2形状函数由下面分段函数确定：公式ⅰ：
[0043][0044]
公式ⅱ：
[0045]
式中：
[0046]
a——分段函数中叶片的长度系数；
[0047]
l——异形叶片的长度；
[0048]
x1——异形叶片起始点的x坐标值，原点在动翼飞轮的圆心处，x坐标正方向从飞轮的圆心指向飞轮的圆周；
[0049]
π——圆周率，π＝3.1415926；
[0050]
y1——异形叶片第一段的宽度值的一半；
[0051]
y3——异形叶片第三段的宽度值的一半；
[0052]
单一异形叶片产生的驱动力fh为：公式ⅲ：
[0053]
[0054]
式中：
[0055]
p——无人机所在高度的大气压；
[0056]
γ——绝热指数；
[0057]
ω——动翼飞轮的旋转角速度；
[0058]
c——无人机所在高度的大气音速值；
[0059]
单一矩形叶片的驱动力f
h0
为：公式ⅳ：
[0060][0061]
式中：
[0062]fh0
——矩形叶片单一叶片的驱动力；
[0063]
所述异形叶片2的驱动力效率η为：公式
ⅴ
：
[0064][0065]
取如下设计算例：
[0066]
取y1＝6mm＝0.006m，动翼飞轮的半径为x3＝200mm＝0.2m，
[0067]
叶片长度为l＝160mm＝0.16m，x1＝x
3-l＝200-160＝40mm＝0.04m 取则由公式ⅱ可得：
[0068][0069]
于是公式ⅰ中的分段函数叶片形状的参数完全确定。
[0070]
再由公式ⅲ、公式ⅳ、公式
ⅴ
计算可得新型叶片驱动效率η为：
[0071]
η＝32.8％
[0072]
若取a＝0.2，则：
[0073][0074]
η＝42.3％
[0075]
伺服电机5设置在旋转框架1内，所述飞行器和所述旋转框架之间设置有所述角度传感器6，所述角度传感器6、所述伺服电机5、所述控制器9和所述传动机构用于控制所述成对的两组异形叶片的转动和复位，其中一组异形叶片正向转动，另一组异形叶片反向转动；异形叶片2远离旋转轴7的一端面积大，靠近旋转轴7的一端的面积小；根据所述角度传感器6获得所述旋转框架1相对所述飞行器的旋转角度，所述控制器9控制所述伺服电机5正转或反转；传动机构包括互相啮合的齿条3和齿轮4，伺服电机5 连接齿轮4，齿轮4连接异形叶片2，齿条3设置在旋转框架1内且可相对移动。旋转框架1上设置有中心孔101，旋转轴7固定在连接中心孔101内。旋转框架1上设置有直梁102，直梁102的方向与中心孔101的轴线平行，直梁102上开有叶片安装孔103，叶片安装孔103的轴线与中心孔101的轴线正交，异形叶片2包括叶片转轴202；叶片转轴202插装在叶片安装孔103内且可转动，叶片转轴202插装固定在齿轮4中心。旋转框架1上设置有齿条安装孔104，齿条安装孔104的轴线与中心孔101的轴
线平行，齿条3上设置有齿条圆柱301，齿条圆柱301插装在齿条安装孔104内且可相对滑动。旋转框架上有控制器9的安装孔107且设置有支撑梁108，支撑梁108上开有伺服电机安装孔109，伺服电机5固定在伺服电机安装孔109内。旋转框架1上还包括外加强曲梁105和内加强曲梁106中的至少一种，用于加强旋转框架1的强度。直梁102、外加强曲梁105和内加强曲梁106均为空心结构且工程塑料材质或碳素纤维材质。直梁102、齿条孔104和支撑梁108都在中心孔101的周向均匀分布，直梁102的数量大于1个，齿条孔104的数量、支撑梁108的数量与直梁102的数量相同。高压电线巡检无人机采用本发明异形叶片传感器平衡自转控制的旋转动翼装置后，由于旋转动翼阻力小、气动效率高，能完成各项检测和拍照工作，相对于带翼无人机，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。
[0076]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。