变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置

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变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置。


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，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。
3.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带翼机构。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。
4.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，目前的扑翼飞行器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：

5.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、升力和推力可调的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置，以解决现有技术中存在的上述问题。
6.本发明公开了一种变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置，其特征在于包括带翼、连接件、传动机构和滑道，所述带翼连接在所述连接件上且可相对转动，所述连接件滑动连接在所述滑道上，所述滑道设置在飞行器上，所述带翼包括带翼框架，以及套装在带翼框架上的连续的软质带，所述带翼框架内还设置有带翼大带轮、带翼小带轮、张紧轮以及驱动电机，用于控制所述软质带围绕所述带翼框架运动，所述传动机构连接在所述连接件上。
7.进一步的是，所述带翼框架上有大带轮安装梁、小带轮安装梁、框架支撑杆、框架上连接杆、框架上横梁、框架纵梁、带翼转轴、框架下横梁、电机安装框架和框架下连接杆，所述软质带上有软质带迎风面、软质带通孔、软质带背风面，所述连接件上有滑道孔和带翼转轴孔，所述滑道孔的轴线和所述带翼转轴孔的轴线垂直，所述带翼转轴插装在所述带翼转轴孔内且可转动，所述滑道插装在所述滑道孔内且可滑动，所述框架支撑杆、所述框架上
连接杆和所述框架下连接杆分别连接所述前后框架上横梁和所述框架下横梁，所述框架纵梁连接所述框架上横梁和所述框架下横梁，所述带翼大带轮安装在所述大带轮安装梁处，所述带翼小带轮安装在所述小带轮安装梁处，所述驱动电机安装在所述电机安装框架处，所述张紧轮安装在所述框架上连接杆和所述框架下连接杆处。
8.进一步的是，所述传动机构包括连杆、曲柄和传动轴，所述连接件上设置有第二销轴孔，所述第二销轴孔的轴线分别与所述滑道孔的轴线、所述扑翼转轴孔的轴线垂直；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；还包括第一销轴和第二销轴，所述连接件和所述连杆通过第二销轴连接所述第二销轴孔和所述第二连杆孔，所述连杆和所述曲柄通过第一销轴连接所述第一连杆孔和所述第二曲柄孔；所述传动轴连接所述第二曲柄孔和设置在飞行器上的第二减速器。
9.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。
10.进一步的是，所述的连接件还设置有第一减速器和步进电机，所述带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。
11.进一步的是，所述传动轴安装在所述第二减速器的输出轴上，所述电动机的输出轴安装在所述第二减速器的输入孔内。
12.进一步的是，所述带翼还设置有带轮传动轴和第三减速器，所述带轮传动轴安装在所述第三减速器的输出轴上，所述驱动电机的输出轴安装在所述第三减速器的输入孔内。
13.进一步的是，所述带翼框架上设置有所述框架支撑杆、所述框架上连接杆、所述框架上横梁、所述框架纵梁、所述框架下横梁和所述框架下连接杆，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。
14.进一步的是，所述带翼大带轮与所述带翼小带轮数量各为4个，所述张紧轮数量共4个。
15.实现本发明目的的技术解决方案是提供一种变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置，其包括带翼、连接件、传动机构和滑道。带翼连接在连接件上且可相对转动，连接件滑动连接在滑道上，滑道设置在飞行器上，带翼包括带翼框架，带翼框架内还设置有带翼大带轮、带翼小带轮、张紧轮以及驱动电机，用于带翼工作状态与复位状态的切换，带翼框架上有大带轮安装梁、小带轮安装梁、框架上横梁、框架纵梁、带翼转轴和框架下横梁，软质带上有软质带迎风面、软质带通孔、软质带背风面，连接件上有滑道孔和带翼转轴孔，滑道孔的轴线和带翼转轴孔的轴线垂直，带翼转轴插装在带翼转轴孔内且可转动，滑道插装在滑道孔内且可滑动；框架支撑杆、框架上连接和框架下连接杆分别连接前后框架上横梁和框架下横梁，框架纵梁连接框架上横梁和框架下横梁，带翼大带轮安装在大带轮安装梁处，带翼小带轮安装在小带轮安装梁处，驱动电机安装在电机安装框架处，张紧轮安装在框架上连接杆和框架下连接杆处，传动机构包括连杆、曲柄、传动轴，连接件上设置有第二销轴孔，第二销轴孔的轴线分别与滑道孔的轴线、扑翼转轴孔的轴线垂直；连杆上设置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；还包括第一销轴和第二销轴，连
接件和连杆通过第二销轴连接第二销轴孔和第二连杆孔，连杆和曲柄通过第一销轴连接第一连杆孔和第二曲柄孔；传动轴连接第二曲柄孔和设置在飞行器上的第二减速器，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，的连接件还设置有第一减速器和步进电机，带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，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的输入孔内，带轮传动轴安装在第三减速器的输出轴上，驱动电机的输出轴安装在第三减速器的输入孔内，带翼框架上设置有框架支撑杆、框架上连接杆、框架上横梁、框架纵梁、框架下横梁和框架下连接杆，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。
16.使用时，将本技术中的滑道、减速器和电动机都安装固定在飞行器或无人机上。
17.本发明的工作原理是：其利用变迎风面积变倾角连续带翼来降低直线往复运动带翼在复位过程的空气阻力，从而提高带翼气动效率，并通过调节带翼倾角达到控制升力和推力的目的，即电动机启动后，经过第二减速器减速后带动传动轴和曲柄转动，因此带动连接在连杆上的带翼框架作往复平动，当带翼框架靠近传动轴运动时时为工作状态，此时在所述驱动电机的驱动下，所述带翼大带轮开始运动，驱动所述软质带传动，使得所述软质带迎风面正对气流，所述软质带通孔运动到两侧避开气流，而所述软质带迎风面与气流运动方向垂直，气流直接作用在所述软质带迎风面上获得最大的推动力，同时，通过步进电机经过第一减速器减速后带动带翼框架转动，改变带翼的倾角，气流作用在软质带迎风面上的正压力可分解为升力和推力，带翼倾角的改变可以调节升力和推力的大小；当带翼框架远离传动轴运动时为复位状态，此时所述软质带通孔运动到正对气流处，气流直接从所述软质带通孔处流出，因此所述软质带在复位过程中所受的空气阻力最小，因此所述软质带在往返平动过程中能量利用效率高；复位行程结束时，气流作用力降低，在所述驱动电机的作用下，所述带翼大带轮运动，驱动所述软质带转动到工作状态。本发明与现有技术相比，其显著优点是：
18.1.本发明所述的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置，将直动带翼设置为直线平动，并设计由驱动电机控制的软质带，工作行程中软质带以最大面积迎风运动，表面获得较大且分布均匀压力，工作行程推力大且稳定，并且连续带翼在工作状态时迎风面积可变，因此驱动能量可调；在复位行程中所述软质带通孔运动到正对气流处，气流直接从所述软质带通孔处流出，风力作用面积小，因此带翼复位阻力最小，从而达到大幅度提高带翼气动效率的目的。
19.2.本发明所述的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置，所述软质带在工作状态与复位状态之间的切换是在驱动电机控制下，带轮带动完成，控制精度高且可靠性好。
20.3.本发明所述的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置，通过一个曲柄滑块机构将电机输出轴的连续转动转化为带翼的上下往复直动，通过步进电机控制带翼倾角，同时产生可调的升力和推力，在无人机上进行简单改造就可使用，安装简单。
21.4.本发明所述的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置，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
22.图1是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置的整体结构示意图。
23.图2是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置工作状态详细结构示意图。
24.图3是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置复位状态详细结构示意图。
25.图4是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置工作状态剖视图。
26.图5是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置复位状态剖视图。
27.图6是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置的带翼框架的结构示意图。
28.图7是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置的软质带的结构示意图。
29.图8是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置的连接件的结构示意图。
30.图9是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置的连杆的结构示意图。
31.图10是本发明的变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置的曲柄的结构示意图。
具体实施方式
32.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。
33.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，采用变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置的高压电线巡检无人机。包括带翼、连接件8、传动机构和滑道9，带翼连接在连接件8上且可相对转动，连接件8滑动连接在滑道9上，滑道9设置在飞行器上，带翼包括带翼框架1，以及套装在带翼框架1上的连续的软质带2，带翼框架1内还设置有带翼大带轮4、带翼小带轮5、张紧轮3以及驱动电机17，用于控制软质带2围绕带翼框架1运动，传动机构连接在连接件8上；带翼框架1上有大带轮安装梁101、小带轮安装梁102、框架支撑杆103、框架上连接杆104、框架上横梁105、框架纵梁106、带翼转轴107、框架下横梁108、电机安装框架109和框架下连接杆110，软质带2上有软质带迎风面201、软质带通孔202、软质带背风面203，连接件8上有滑道孔801和带翼转轴孔803，滑道孔801的轴线和带翼转轴孔803的轴线垂直，带翼转轴107插装在带翼转轴孔803内且可转动，滑道9插装在滑道孔801内且可滑动，框架支撑杆103、框架上连接杆104和框架下连接杆110分别连接前后框架上横梁105和框架下横梁108，框架纵梁106连接框架上横梁105和框架下横梁108，带翼大带轮4安装在大带轮安装梁101处，带翼小带轮5安装在小带轮安装梁102处，驱动电机17安装在电机安装框架109处，张紧轮3安装在框架上连接杆104和框架下连接杆110处，传动机构包括连杆10、曲柄12和传动轴13，连接件8上设置有第二销轴孔802，第二销轴孔802的轴线分别与滑道孔801的轴线、扑翼转轴孔803的轴线垂直；连杆10上设置有第一连杆孔1001和第二连杆孔1002，曲柄12上设置有第一曲柄孔1201和第二曲柄孔1202；还包括第一销轴
11和第二销轴16，连接件8和连杆10通过第二销轴16连接第二销轴孔802和第二连杆孔1002，连杆10和曲柄12通过第一销轴11连接第一连杆孔1001和第二曲柄孔1202；传动轴13连接第二曲柄孔1202和设置在飞行器上的第二减速器15，第一连杆孔1001的轴线和第二连杆孔1002的轴线平行，第一曲柄孔1201的轴线和第二曲柄孔1202的轴线平行，第一连杆孔1001的轴线和第二连杆孔1002的轴线之间的距离大于第一曲柄孔1201的轴线和第二曲柄孔1202的轴线之间的距离，连接件8还设置有第一减速器6和步进电机7，带翼转轴107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，传动轴13安装在第二减速器15的输出轴上，电动机14的输出轴安装在第二减速器15的输入孔内，带翼还设置有带轮传动轴19和第三减速器18，带轮传动轴19安装在第三减速器18的输出轴上，驱动电机17的输出轴安装在第三减速器18的输入孔内，带翼框架1上设置有框架支撑杆103、框架上连接杆104、框架上横梁105、框架纵梁106、框架下横梁108和框架下连接杆110，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。高压电线巡检无人机采用本发明变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置后，由于带翼阻力小、气动效率高，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。
34.实施例2：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10，采用变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置的高层建筑灭火专用无人机。包括带翼、连接件8、传动机构和滑道9，带翼连接在连接件8上且可相对转动，连接件8滑动连接在滑道9上，滑道9设置在飞行器上，带翼包括带翼框架1，以及套装在带翼框架1上的连续的软质带2，带翼框架1内还设置有带翼大带轮4、带翼小带轮5、张紧轮3以及驱动电机17，用于控制软质带2围绕带翼框架1运动，传动机构连接在连接件8上；带翼框架1上有大带轮安装梁101、小带轮安装梁102、框架支撑杆103、框架上连接杆104、框架上横梁105、框架纵梁106、带翼转轴107、框架下横梁108、电机安装框架109和框架下连接杆110，软质带2上有软质带迎风面201、软质带通孔202、软质带背风面203，连接件8上有滑道孔801和带翼转轴孔803，滑道孔801的轴线和带翼转轴孔803的轴线垂直，带翼转轴107插装在带翼转轴孔803内且可转动，滑道9插装在滑道孔801内且可滑动，框架支撑杆103、框架上连接杆104和框架下连接杆110分别连接前后框架上横梁105和框架下横梁108，框架纵梁106连接框架上横梁105和框架下横梁108，带翼大带轮4安装在大带轮安装梁101处，带翼小带轮5安装在小带轮安装梁102处，驱动电机17安装在电机安装框架109处，张紧轮3安装在框架上连接杆104和框架下连接杆110处，传动机构包括连杆10、曲柄12和传动轴13，连接件8上设置有第二销轴孔802，第二销轴孔802的轴线分别与滑道孔801的轴线、扑翼转轴孔803的轴线垂直；连杆10上设置有第一连杆孔1001和第二连杆孔1002，曲柄12上设置有第一曲柄孔1201和第二曲柄孔1202；还包括第一销轴11和第二销轴16，连接件8和连杆10通过第二销轴16连接第二销轴孔802和第二连杆孔1002，连杆10和曲柄12通过第一销轴11连接第一连杆孔1001和第二曲柄孔1202；传动轴13连接第二曲柄孔1202和设置在飞行器上的第二减速器15，第一连杆孔1001的轴线和第二连杆孔1002的轴线平行，第一曲柄孔1201的轴线和第二曲柄孔1202的轴线平行，第一连杆孔1001的轴线和第二连杆孔1002的轴线之间的距离大于第一曲柄孔1201的轴线和第二曲柄孔1202的轴线之间的距离，连接件8还设置有第一减速器6和步进电机7，带翼转轴107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，传动轴13
安装在第二减速器15的输出轴上，电动机14的输出轴安装在第二减速器15的输入孔内，带翼还设置有带轮传动轴19和第三减速器18，带轮传动轴19安装在第三减速器18的输出轴上，驱动电机17的输出轴安装在第三减速器18的输入孔内，带翼框架1上设置有框架支撑杆103、框架上连接杆104、框架上横梁105、框架纵梁106、框架下横梁108和框架下连接杆110，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。高层建筑灭火专用无人机采用本发明变迎风面积变倾角驱动能量可调连续带翼装置后，由于带翼工作行程推力大、旋翼阻力小、气动效率高，因此有较强的机动性，能快速响应高层建筑的紧急情况，快速飞行到高层建筑失火点进行灭火。