上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（专利资料）飞行仿生（2015）小型扑翼式涵道飞行器

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN104443378A (43)申请公布日2015.03.25 (21)申请号201410646229.2 (22)申请日2014.11.14 (71)申请人北京理工大学 地址100081北京市海淀区中关村南大街5 号北京理工大学 (72)发明人罗庆生周伟刚郑智鑫赵铖 (51)1nt.Cl. B64C3300(2006.01) 权利要求书1页说明书2页附图2页 (54)发明名称 小型扑翼式涵道飞行器 (57)摘要 本发明为一种小型扑翼式涵道飞行器。飞行 器将扑翼机构与涵道发动机有机结合，由三个涵 道发动机和扑翼机构共同提供动力，实现多姿态、 机动灵活飞行。扑翼机构采用基于曲柄摇杆的变 形机构实现仿生扑翼运动。三个涵道发动机呈三 角形气动布局，位于中间的涵道发动机为主涵道 发动机，固定不动：位于旁边的两个涵道发动机 为小涵道发动机，可倾转。飞行器可实现垂直起降 与悬停，此时三个涵道发动机提供竖直方向的动 力。当扑翼保持在水平位置不动，两个小涵道发动 机倾转到水平位置，提供水平方向的推力实现飞 行器的高速平飞或转向。采用扑翼运动飞行时可 实现飞行器缓慢巡航。采用该混合驱动和多姿态 飞行，可使飞行器的飞行效率和机动性得到较大 改善。 石

CN104443378A 权利要求书 1/1页 1.一种由变形曲柄摇杆机构及可倾转式涵道发动机组成的小型扑翼式涵道飞行器，主 要由机架、变形曲柄摇杆机构、同步带2、扑翼机构主驱动电机、舵机14、齿轮轴13、微型轴 承、电池、三个涵道发动机(10、11、12)、外层蒙皮以及各种固定元件组成，其特征在于，对称 的变形曲柄摇杆机构作为扑翼结构，采用仿生扑翼动作提供飞行器在低速飞行时的主要动 力，同时由涵道发动机提供额外的用于转向的动力，此时飞行器后部的两个小涵道发动机 (10、11)采取水平姿态，提供大小不同的推力以实现飞行器的差速转向，当飞行器高速飞 行时，扑翼结构展开到水平位置并固定不动，此时类似固定翼，两个小涵道发动机(10、11) 倾转到水平位置，提供水平推力。 2.根据权利要求1所述的小型扑翼式涵道飞行器，其特征在于，扑翼机构主驱动电机 固定在机架上，通过同步带2带动双联齿轮3转动，双联齿轮3作为变形曲柄摇杆机构的 曲柄，带动整个变形曲柄摇杆机构实现仿鸟的扑翼运动。 3.根据权利要求2所述的小型扑翼式涵道飞行器的变形曲柄摇杆机构，其特征在于， 双联齿轮3中心与机架连接，边缘凸起与主连杆5和两根副连杆(4、6)连接，副连杆6一端 与初级主骨7连接，另一端与初级副骨8连接，初级主骨7与初级副骨8的另一端与次级主 骨9连接，所有连接均要求可转动且互不干涉。 4.根据权利要求1所述的小型扑翼式涵道飞行器，其特征在于，舵机、电池、微型轴承 座均固定在机身板上，齿轮轴13通过微型轴承与轴承座连接，齿轮轴上的齿轮与舵机上的 齿轮啮合，齿轮轴13的两端与两个可倾转的小涵道发动机(10、11)固连，用于精确控制倾 转涵道发动机的转向。 2

CN104443378A 说明书 1/2页 小型扑翼式涵道飞行器 技术领域 [0001]本发明涉及一种小型仿生飞行器，特别是关于将仿生扑翼结构与可倾转式涵道发 动机相结合的一种新型飞行器。 背景技术 [0002]普通固定翼飞行器具备高速航行功能，但其不能垂直起降与悬停：旋翼飞行器能 垂直起降，但又不能高速飞行。可倾转涵道飞行器解决了上述问题，实现了飞行器既能垂直 起降又能高速平飞。此类涵道飞行器具有推力大、航速高的特点，但其突出缺点是噪声大、 效率低、续航时间短。相比而言，扑翼式飞行器具有效率高、噪声小等优点，然而其航速低、 推力小的缺点也限制了其应用。 发明内容 [0003]针对上述问题，本发明的目的在于提供一种飞行效率高、续航时间长、航速较高、 噪声较低的飞行姿态机动灵活的小型飞行器。 [0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：将飞行器的扑翼机构与可倾转式涵 道发动机巧妙结合，采取合理的气动布局，从而实现飞行器的灵活飞行。其特征在于一种基 于曲柄摇杆机构的变形机构与三个涵道发动机的有机组合。 [0005]所述扑翼机构是一种基于曲柄摇杆机构的变形机构。图示双联齿轮3作为曲柄， 主连杆5、副连杆4、副连杆6这三者构成一“三角形结构”。摇杆包含两级，第一级为初级摇 杆（初级主骨7、初级副骨8)，第二级为次级摇杆（次级主骨9)。 [0006]所述三个涵道发动机由一个大涵道发动机12与两个小涵道发动机(10、11)构成。 大涵道发动机12固定不动，提供飞行器的主要升力：两个小涵道发动机(10、11)可倾转，在 竖直状态时提供升力，倾转到水平状态时则提供飞行器前进和转向时的推力。 [0007]所述飞行器气动布局合理、高效，大涵道发动机12位于两扑翼机构中间，两个可 倾转小涵道发动机(10、11)则位于扑翼机构后侧，三个涵道发动机构成三角形气动布局。 附图说明 [0008]图1是本发明的外形示意图。 [0009] 图2是本发明的内部结构示意图。 [0010] 图3是本发明的扑翼机构示意图 具体实施方式 [0011]下面结合附图对本发明进行详细描述。 [0012]扑翼机构主驱动电机带动同步带轮1旋转，同步带轮1通过同步带2带动双联齿 轮3（与大同步带轮同体）旋转，双联齿轮3带动主连杆5、副连杆4、副连杆6运动，主连杆 5、副连杆4、副连杆6三者构成“三角形结构”，三者相对不动。主连杆5、副连杆4、副连杆 3

CN104443378A 说 明书 2/2页 6三者带动初级摇杆（初级主骨7、初级副骨8）运动，初级摇杆再带动次级摇杆（次级主骨 9)运动。初级摇杆与次级摇杆共同完成仿生扑翼运动。 [0013]舵机14转动，带动齿轮轴13转动，实现安装在齿轮轴上的两个小涵道发动机10、 11倾转。 [0014]本发明装置的工作过程，包括以下步骤： [0015]飞行器垂直起降过程中，扑翼机构主驱动电机带动同步带轮1旋转，从而通过同 步带2带动双联齿轮3旋转，转到一定角度使扑翼机构呈折叠状，并保持不动。与此同时，三 个涵道发动机10、11、12垂直向下提供飞行器向上的升力，使飞行器快速上升到指定高度。 [0016]飞行器到达指定高度后，此时扑翼机构主驱动电机转到一定角度使扑翼机构展开 到水平位置并保持不动，同时舵机14带动齿轮轴13转动使两个小涵道发动机10、11倾转 到水平位置。此时两个小涵道发动机10、11提供飞行器前进的推力，实现飞行器的高速平 飞。 [0017]飞行器到达预定目标地点后，扑翼机构主驱动电机带动同步带轮1周期性旋转， 实现扑翼机构的扑翼运动，为飞行器提供主要的升力：为避免升力不足，此时大涵道发动机 12也会提供部分升力。涵道发动机10、11依然保持在水平位置，在飞行器需要转向时提供 大小不同的推力，实现差速转向，从而使得飞行器在指定目标区域内的缓慢巡航飞行功能。 4

CN104443378A 说明书附图 1/2页 图1 图2 5

CN104443378A 说明书附图 2/2页 图3 6