一种基于动态滑翔的低功耗无人飞行器的制作方法

本发明涉及无人飞行器技术领域，具体而言，涉及一种基于动态滑翔的低功耗无人飞行器。

背景技术：

扑翼振荡现象广泛存在于自然界中，如鸟类，昆虫，鱼类以及鲸和海豚等海洋生物利用其翅膀或鳍的扑翼振荡产生升力和推力以实现运动。其中昆虫是最早进化出主动飞行能力的生物，在飞行机动性方面至今仍然未被其他生物或人造飞行器超越。理论研究表明，扑翼推进效率显著高于常规推进系统，最高可达85％，展现出了优秀的空气动力和水动力特性。由于具有以上显著优势和广泛的应用前景，扑翼飞行器成为了新型飞行器的研究热点。

虽然扑翼推进在理论上具有优异的推进效率，但是由于扑翼飞行往往需要相对较大的功率维持升力、平衡重力，导致现实中扑翼飞行是自然界中能耗最高的机动方式之一。目前扑翼飞行器的设计趋于小型化，在气动设计方面更趋近于昆虫，事实上这类扑翼飞行器研究重点在于实现类似于昆虫的高机动性，而不是发展扑翼飞行的高效性。

扑翼推进的优秀气动性能启发了研究人员模仿扑翼的沉浮俯仰运动采集流体的能量。早在70年代就有学者发现自由扑翼可以从不稳定的流体中吸收能量，自从扑翼能量采集原型机首次提出至今的30多年间，扑翼能量采集的效率从28％提高到了40％,扑翼的运动模式也从当初的主动运动发展成全被动运动。扑翼能量采集的相关研究[11]表明，扑翼运动不仅具有高效的推进性能，还可以具有优秀的能量采集性能。

事实上，大型鸟类往往在飞行过程中同时运用了扑翼推进和能量采集，阿根廷巨鹰便是一种典型的滑翔鸟类，这种距今600万年的鸟类重约70kg、翼展达7m，以今天常见鸟类的飞行能耗(60-150w/kg)来计算，这种鸟类是不具备飞行能力的。但是研究表明，这种鸟类通过滑翔实现了低能耗的飞行。如所示，巨鹰利用上升气流往上爬升，将气流的动能转化为自身的重力势能，之后在重力的作用下滑翔。现代的一些大型鸟类，如信天翁、秃鹫、猎鹰等，也是通过控制扑翼同时进行能量采集和推进，实现了低能耗的长途飞行或迁徙。

史前阿根廷巨鹰给当代飞行器设计的启示在于，扑翼飞行器的大型化及其低功耗推进和巡航完全具有可行性，其关键在于采用滑翔姿势完成大部分的推进过程。这是因为滑翔过程中有效攻角小、阻力低，是一种低损耗推进方式，较小的高度差即可实现较大距离的推进，滑翔所消耗的重力势能则转化自上升暖气流或侧风的动能。

无人飞行器种类繁多，既有像固定翼全球鹰无人机这样集侦查和打击于一体的空中巨擘，也有像旋翼无人机这样低空机动的空中助手。但是还缺少一种实际应用的低功耗、远距离、超长续航(数周甚至数月)的无人飞行器。这种飞行器在民用领域，可以解决大气信息(不同海拔的压力、温度、风速等)实时采集的问题，大气信息采集是风能资源评估、气候变化等研究的基础条件，发展长续航无人飞行器对于推进建立独立自主的、更高精度的大气信息数据库具有重要意义，此外，低功耗远航无人飞行器还可应用于地质测绘、资源勘测、环境监控等领域；在军事领域，无人飞行器可执行情报、监视、侦察(isr)等任务，长续航无人飞行器可拓展其执行任务的持续时间和覆盖范围。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现状中问题，旨在提供一种基于动态滑翔的低功耗无人飞行器，通过利用上升气流或者太阳能、通过动态滑翔实现低功耗、远距离巡航。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种基于动态滑翔的低功耗无人飞行器，包括

定形气囊，其内部由高强度骨架支撑，在放气的过程中可保持气囊形状不变；

变形气囊，其和所述定形气囊通过三通管连接，所述三通管的三个接口分别连接定形气囊和两个变形气囊，每个变形气囊的总体积为定形气囊体积的一半，所述定形气囊和所述变形气囊内填充气体的密度低于所述空气密度；

机翼，其俯仰轴与设置在所述三通管底部的轴承座通过轴承连接。

进一步，所述三通管上设有压气机，所述压气机可控制定形气囊和变形气囊之间气体的流动，定形气囊和变形气囊之间还连接有连通管，所述连通管内安装有控制阀。

进一步，所述定形气囊和变形气囊均设有开口，所述定形气囊的开口设置在腰部，变形气囊的开口设置在端部。

进一步，所述定形气囊两侧分别通过第一帆布与每个变形气囊连接，所述两个第一帆布之间通过第二帆布连接，所述第二帆布将三通管包裹其中。

进一步，所述定形气囊和一个变形气囊中充满气时，此时所有气囊提供的浮力刚好平衡飞行器的重力。

进一步，所述轴承座底部固定连接配重杆，所述配重杆端部设有配重，配重和所述配重杆之间通过螺纹配合连接。

进一步，所述机翼表面铺设有太阳能发电膜，所述太阳能发电膜获取的电能可存储在可充电电源中，压气机由电源供电工作。

进一步，所述机翼上设有俯仰角限位器，机翼的俯仰运动中心位于机翼的气动中心和前缘之间，重心与俯仰运动中心重合，所述机翼的俯仰运动受到俯仰角限位器的限制。

与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

1.本发明飞行器利用滑翔前进，滑翔过程中有效攻角小、阻力低，是一种低功耗推进方式，较小的高度差即可实现较大距离的推进。飞行器在下沉和上浮过程中分别利用重力势能和浮力势能推进，实现了不间断的动态滑翔推进。

2.本发明模仿鱼类通过改变鱼鳔的体积来进行沉浮运动，飞行器与外界不存在质量的交换，本身的重力基本不变，降低了飞行器气囊漏气的可能性。定形气囊内外气压差始终不超过0.5个大气压，进一步减小气囊漏气的可能性。

3.本发明机翼俯仰运动完全由气动力驱动，俯仰角的大小由俯仰角限位器进行限制，无需俯仰运动驱动机构及复杂的控制机构，降低了飞行器的重力及能耗。

4.本发明飞行器仅仅在压气机工作时消耗电源的电能，在滑翔过程中大部分时间不消耗能量，而电源的电能来自于机翼上表面的发电膜，飞行器通过利用太阳能实现了超长续航。

5.本发明气囊的布置以及配重的设计保证飞行器的重心在飞行器的浮心之下且远离飞行器的浮心，浮力和重力从相反的方向拉扯飞行器从而保证了飞行器的稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明飞行器下沉时受力及运动状态，其中(a)为飞行器下沉时受力及运动状态正视图，(b)为飞行器下沉时受力及运动状态侧视图；

图3为本发明飞行器上浮时受力及运动状态，其中(c)为飞行器上浮时受力及运动状态正视图，(d)为飞行器上浮时受力及运动状态侧视图；

图中，1-机翼；2-三通管；3-变形气囊；4-压气机；5-定形气囊；6-第一帆布；7-第二帆布，8-轴承座；9-俯仰角限位器；10-俯仰轴；11-配重。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请提供动态滑翔的低功耗无人飞行器，包括

定形气囊5，其内部由高强度骨架支撑，在放气的过程中可保持气囊形状不变；

变形气囊3，其和所述定形气囊5通过三通管2连接，所述三通管2的三个接口分别连接定形气囊5和两个变形气囊3，每个变形气囊3的总体积为定形气囊5体积的一半，所述定形气囊5和所述变形气囊3内填充气体的密度低于所述空气密度；

机翼1，其俯仰轴10与设置在所述三通管2底部的轴承座8通过轴承连接。

如图1所示，本实施例中定形气囊5在充放气过程中体积基本不变、气体压力变化，变形气囊3在充放气过程中体积变化、气体压力基本不变。不同的气囊出口通过三通管2连接，三通管2内安转有双向压气机4和控制阀，压气机4可控制定形气囊5和变形气囊3之间气体的流动。在优选方案中，压气机4为容积式压气机，一个定形气囊5容积和两个变形气囊3容积之和基本相等，定形气囊5和变形气囊3均设有开口，所述定形气囊5的开口设置在腰部，变形气囊3的开口设置在端部，变形气囊3和定形气囊5均为圆柱形，可以减小空气阻力，定形气囊5位于变形气囊3的上方，两种气囊侧面通过第一帆布6连接，保证变形气囊3放气后两端不下坠且迎风面积也相应变小。两个第一帆布6之间通过第二帆布7连接，所述第二帆布7将三通管2包裹其中，起到保护及减小阻力作用。

定形气囊5和一个变形气囊3中充满气时，此时所有气囊提供的浮力刚好平衡飞行器的重力。当控制阀打开且压气机4不工作时，即所有气囊完全连通时，气囊内气体的压力等于大气压，变形气囊3的总体积为定形气囊5体积的一半，此时所有气囊提供的浮力刚好平衡飞行器的重力。当压气机4驱动变形气囊3的气体流向定形气囊5时，变形气囊3的体积减小，压气机4可将变形气囊3中绝大部分气体压入定形气囊5，变形气囊3的体积趋近于零，气囊的浮力约等于重力的三分之二，垂直方向浮力和重力的合力向下，驱动飞行器下沉；当压气机4驱动定形气囊5的气体流向变形气囊3时，变形气囊3的体积增大，压气机4可将定形气囊5中一半质量的气体压入变形气囊3，变形气囊3的体积接近于定形气囊5的体积，气囊的浮力约等于重力的三分之四倍，垂直方向浮力和重力的合力向上，驱动飞行器上浮。飞行器机翼1可改变俯仰角，当飞行器上浮时机翼1保持正攻角，飞行器下沉时机翼1保持负攻角，机翼1的气动力将推动飞行器前进。根据理想气体状态方程，定形气囊5体积和温度基本不变，其内部气体压力和气体质量近似成正比。当飞行器浮力等于重力时，定形气囊5内气体质量约等于2/3m，m为气囊内气体的总质量；当变形气囊3体积最小时，定形气囊5内质量约为m，定形气囊5内压力约为1.5个大气压；当变形气囊3体积最大时，定形气囊5内质量约为1/3m，定形气囊5内压力约为0.5个大气压。由此可见，定形气囊5内外气压始终不超过0.5个大气压，进一步减小气囊漏气的可能性。

本发明进一步优选的实施例在于，连通管底部设计有可拆卸的轴承座8，轴承座8用于安装机翼1的俯仰轴10，俯仰轴10可在轴承座8上自由旋转。机翼1的俯仰运动中心位于机翼1的气动中心和前缘之间，重心与俯仰运动中心重合。其俯仰运动受到俯仰角限位器9的限制。如此设计可保证机翼1受到的重力力矩为零。当飞行器沉浮运动时，机翼1上的气动力将驱动机翼1的俯仰运动。

本发明进一步优选的实施例在于，轴承座8的底部固定连接有配重杆，配重杆端部为配重11。配重杆和配重11可以使飞行器重心下移，进一步增加飞行器的稳定性。由于气囊位于三通管2及机翼1的上方，飞行器的浮力中心也位于重心的上方，浮力垂直向上，重力垂直向下，当重力和浮力不在一条垂直线上时，重力和浮力将形成一个力矩，该力矩可以调整飞行器的姿态，直到重力和浮力位于一条垂直线上，从而保持飞行器的稳定。浮心和重心距离越远，飞行器越稳定。配重杆和配重11可以使飞行器重心下移，进一步增加飞行器的稳定性。

本发明进一步优选的实施例在于，机翼1表面铺设有太阳能发电膜，太阳能发电膜获取的电能可存储在可充电电源中，压气机4由电源供电工作。

三通管2底部设计有可拆卸的轴承座8，轴承座8用于安装机翼1的俯仰轴10，轴承座8和俯仰轴10之间有轴承，轴承可减小机翼1俯仰运动的摩擦阻力。飞行器的运动过程如图2中(a)和(b)所示，当飞行器下沉时，由于机翼1的气动中心位于俯仰运动中心的左边，此时以俯仰轴10为中心的气动力矩m为顺时针，将驱动机翼1顺时针旋转，形成负攻角，由于受到俯仰角限位器9的限制，攻角将维持在一个定值，此时机翼1受到的升力如图2(a)所示，升力fl和浮力与重力的合力f合在x方向作用力向右，驱动飞行器向右滑翔，飞行器合速度u如图所示；如图3(c)和(d)所示，当飞行器上浮时，以俯仰轴10为中心的气动力矩m为逆时针，将驱动机翼1逆时针旋转，形成正攻角，同样受到俯仰角限位器9的的限制，正攻角将维持在一个定值，此时机翼1受到的升力如图3(c)所示，升力fl和浮力与重力的合力f合在x方向作用力也向右，驱动飞行器继续向右滑翔，飞行器的合速度u如图所示。本方案将这种依次利用重力和浮力驱动的滑翔称之为动态滑翔。当环境中存在上升气流时，可调节飞行器的浮力，使得飞行器的升力、浮力和重力相平衡，飞行器在上升气流的驱动下水平飞行。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。