详情

原文传递一种组合式仿生自旋飞行器

专利名称：	一种组合式仿生自旋飞行器
摘要：	本发明提供了一种组合式仿生自旋飞行器。通过仿生自然界花朵、翅果的结构布局实现自旋式飞行与下落；采用橡皮筋与卡槽结构实现组合体与单翼体的组合与分离；组合体与单翼体均具有自由飞行、速降、滑翔、自旋下落四种滞空模式；采用动力桨与机翼提供主要升力实现自旋式机动飞行；通过周期性控制主翼、副翼安装角度与动力桨牵引力来实现不同滞空模式的转换。本发明组合式仿生自旋飞行器机动灵活、控制方便、滞空模式多、隐蔽性能好、能源消耗少、可实现载荷部署与集群化使用。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京理工大学
发明人：	郭锐;唐玉勇;王淑雯;杨永亮;江琳;张幸阳;王宇杰
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-15T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-03T00:00:00+0800
申请号：	CN202311025791.9
公开号：	CN116986024A
代理机构：	南京理工大学专利中心
代理人：	朱沉雁
分类号：	B64U10/10;B64U10/70;B64U20/40;B64U20/70;B64U20/00;B;B64;B64U;B64U10;B64U20;B64U10/10;B64U10/70;B64U20/40;B64U20/70;B64U20/00
申请人地址：	210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫200号
主权项：	1.一种组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：具有组合体与单翼体两种状态，由若干个单翼体周向排列构成组合体，飞行器组合体仿生自然界花朵结构，飞行器单翼体仿生自然界翅果结构，该飞行器采用的气动结构布局能够产生稳定的自旋来实现飞行与下落；单翼体的机身(2)头部具有束缚架(14)和卡槽(15)，将单翼体的机身(2)沿周向依次卡入卡槽(15)，并用橡皮筋(13)套住束缚架(14)，实现飞行器的组合安装与固定；机身(2)上装有分离控制器(11)，分离控制器(11)控制分离杆(12)摆动挑开橡皮筋(13)实现解锁，解锁后利用组合体自旋飞行时产生的离心力实现单翼体的散布。 2.根据权利要求1所述的组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：飞行器单翼体包括负载(1)、机身(2)、机翼、前缘配重(5)、动力桨(6)、翼尾配重(7)、副翼控制器(8)、主翼控制器(9)、飞行控制器(10)、分离控制器(11)、分离杆(12)；机翼为平板翼型，包括主翼(3)和副翼(4)；所述机身(2)用于组合体的组装与各零件的安装，在自旋下落时保持水平，机身(2)上装有负载(1)、飞行控制器(10)、分离控制器(11)，并通过主翼控制器(9)连接主翼(3)；负载(1)为仿生翅果的种子结构，为单翼体质量集中部位；飞行控制器(10)具有飞行控制、姿态解算、数据信号传输、传感监测功能，是飞行器的总体控制中心；主翼控制器(9)用于控制主翼(3)的安装角度，包括俯仰角θ0和滚转角θr，使其产生不同大小和方向的气动力来控制飞行器不同工作方式的转换；飞行控制器(10)分别与副翼控制器(8)、主翼控制器(9)、分离控制器(11)电连接；主翼(3)上装有前缘配重(5)、翼尾配重(7)、动力桨(6)、副翼控制器(8)；所述前缘配重(5)用于使机翼产生不平衡力，引导飞行器单翼体产生自旋；所述翼尾配重(7)用于匹配机翼的转动惯量，从而使飞行器单翼体产生稳定自旋；通过调整前缘配重(5)和翼尾配重(7)以使飞行器单翼体质量分布合理；所述副翼控制器(8)用于控制副翼(4)的摆动，副翼(4)用于对主翼(3)产生的气动力进行微调控制，通过改变机翼的局部气动力来保证稳定飞行与下落；所述动力桨(6)固定在主翼(3)的前缘，用于使飞行器自旋产生提供足够的升力。 3.根据权利要求1所述的组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：飞行器的组合体与单翼体均具有自由飞行、速降、滑翔、自旋下落四种滞空模式；通过对主翼(3)、副翼(4)、动力桨(6)的控制来实现不同模式之间的转换；飞行器在任何滞空状态都能够转换成自旋状态，自旋状态也能够转换成其他任何滞空状态，即不同滞空模式之间可以相互转换。 4.根据权利要求3所述的组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：自由飞行模式亦称有动力模式，飞行器通过配合升降动作和平移动作来实现，此时需开启动力桨(6)；所述飞行器组合体自由飞行模式与飞行器单翼体自由飞行模式，需控制主翼(3)前缘上倾，即主翼俯仰角θ0<0，由动力桨(6)带动机翼旋转从而提供升力，通过控制主翼(3)与副翼(4)安装角度与动力桨(6)动力来调整升力大小实现升降，通过对主翼(3)、副翼(4)、动力桨(6)的周期循环控制使得飞行器产生周向不平衡力，从而实现平动；速降、滑翔、自旋下落三种滞空模式亦称无动力模式，均需关闭动力桨(6)并使主翼(3)前缘下倾，即主翼俯仰角θ0>0，此时飞行器仿生下落，噪声降低，隐蔽性和伪装性提高；飞行器组合体速降模式：控制所有主翼(3)向上折起，即较大的主翼滚转角θr，使飞行器自旋失速，进而以最小阻力快速下落；飞行器单翼体速降模式：控制飞行器主翼(3)或副翼(4)安装角度变大，即主翼俯仰角θ0、主翼滚转角θr、副翼摆动角θ2三者任一角度过大，使飞行器单翼体无法产生稳定自旋，从而因自转失速升力不足导致速降；飞行器组合体与飞行器单翼体滑翔模式：通过使主翼(3)和副翼(4)的安装角度周期性变化，使得飞行器产生沿某一水平方向上的牵引力，并确保飞行器不会自旋失速，从而实现同时下落和平动即为滑翔模式；飞行器自旋下落模式：即固定主翼(3)和副翼(4)的安装角度，飞行器会自动进入自旋下落状态，主翼(3)和副翼(4)的安装角度不同对应飞行器的固有自转角速度和下落速度的不同。 5.根据权利要求3所述的组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：飞行器具有多种组合与配置方式；飞行器组合体由若干个飞行器单翼体组成，不限于一种数量的组合方式；飞行器单翼体可以去除部分零件，组成简化版结构，进而使相应功能减少，但不影响最基本仿生功能，即自旋减速稳定下落；简化方式包括但不限于：去除分离控制器(11)与相关结构进而失去组合能力；或去除动力桨(6)进而失去动力飞行模式；或去除副翼(4)仅保留主翼(3)进而失去滑翔平动能力；或去除主翼控制器(9)进而失去对固有转速落速的控制。 6.根据权利要求1所述的组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：对于飞行器组合体，由于各单翼体沿周向均匀分布，故其质量中心和旋转中心均位于组合体的中心位置，气动力分布在各机身(2)与机翼上，固有自旋性能的实现依靠各机翼的俯仰倾斜；对于飞行器单翼体，由于机身(2)附近质量较为集中，机翼附近质量较为分散，质心与旋转中心靠近机身，由于机翼产生主要气动力，气动中心位置靠近机翼的形心，由重力和气动力共同产生的效应会使飞行器单翼体由于力不平衡而产生自旋；根据翅果的结构和气动特性，仿生翅果飞行器单翼体自旋运动时旋转近似水平，旋转面近似飞行器平面；负载(1)、机身(2)、主翼控制器(9)、飞行控制器(10)以及分离控制器(11)均位于机身部B；主翼(3)分为翼颈部W1、翼腹部W2、翼尾部W2；质心位于机身(2)和主翼(3)之间的区域G内，由于自旋中心位于质心位置，且翼颈部W1的部分气动力矩用于抵消机身部B的气动力矩，因此不考虑机身部B和翼颈部W1引起的自旋；由于翼尾部W2弦向长度收缩，在自旋运动时气流会在此处向外扩散，因此不考虑翼尾部W2所产生的气动力；飞行器单翼体产生固有自旋的主要气动区域主要位于翼腹部W2，此部位对仿生翅果飞行器单翼体的气动特性影响最大；副翼(4)位于翼腹部W2区域内的后缘位置，用于对飞行器翼腹部W2的气动特性进行微调，在自旋的同时对副翼(4)进行循环控制还能够实现飞行器的平动；动力桨(6)位于翼腹部W2区域内的前缘靠近翼尾的位置，此处由动力桨(6)产生的牵引力作用效果最佳；前缘配重5位于机翼的前缘，翼尾配重(7)位于翼尾部W2。 7.根据权利要求6所述的组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：飞行器机翼的后缘曲线称为包络线，包络线用于表征机翼的几何形状和气动特性，由弦长函数c(l)表示；弦长函数c(l)由弦随展向位置l变化的傅里叶级数近似表示：其中：an为第n阶权重系数；中文名N取3～6；为保证机身(2)与主翼(3)的平稳过渡，初始弦长a0为机身(2)的宽度。 8.根据权利要求7所述的组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：翅果种子结构分为果、脊、翅三个主要部位，分别对应飞行器单翼体的机身部分、前缘部分、机翼部分；机身部分包括负载(1)、机身(2)、主翼控制器(9)、飞行控制器(10)、分离控制器(11)，其中负载(1)占主要质量，用于运输一定量的货物；前缘部分包括前缘配重(5)和动力桨(6)；机翼部分包括主翼(3)、副翼(4)、翼尾配重(7)、副翼控制器(8)。 9.根据权利要求8所述的组合式仿生自旋飞行器，其特征在于：为保证飞行器单翼体有效的仿生功能以及产生有效的固有自旋，机身部分质量应占总质量的80％～90％，前缘部分和机翼部分各占其余质量的50％；副翼(4)面积越大，其对机翼整体气动特性的调节能力越强，但飞行器的稳定性越差，因此副翼(4)的面积应占机翼翼腹部W2的15％～40％，且副翼(4)面积越大，副翼摆动角θ2的取值空间越小；当改变负载(1)的质量时，通过调节前缘配重(5)和翼尾配重(7)的质量和安装位置，进而保证飞行器的稳定飞行能力。
所属类别：	发明专利