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同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置。


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扑翼机构。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、升力和推力可调的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置，以解决现有技术中存在的上述问题。
6.本发明公开了一种同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置，其特征在于包括扑翼、连接件、传动机构和滑道，所述扑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，所述扑翼包括扑翼框架，以及安装在扑翼框架上的卷帘，所述扑翼框架内还设置有同步带，同步带轮以及驱动电机，用于控制所述卷帘的展开与收缩，所述传动机构连接在所述连接件上。
7.进一步的是，所述扑翼框架上有空心卷帘安装梁、实心卷帘安装梁、框架支撑杆、电机安装框架和扑翼转轴，所述卷帘上有卷帘迎风面、卷帘背风面、卷帘通孔，所述连接件上有滑道孔和扑翼转轴孔，所述滑道孔的轴线和所述扑翼转轴孔的轴线垂直，所述扑翼转轴插装在所述扑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，所述同步带轮安装在所述空心卷帘安装梁和实心卷帘安装梁上，所述驱动电机安装在所述电机安装框架处。
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一销轴孔，所述第一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，所述曲柄上设置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一销轴连接所述第一销轴孔和所述第二连杆孔，所述连杆和所述曲柄通过第二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三减速器和步进电机，所述扑翼转轴安装在所述第三减速器的输出轴上，所述步进电机的输出轴安装在所述第三减速器的输入孔内。
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，所述扑翼还设置第一减速器，所述驱动电机的输出轴安装在所述第一减速器的输入孔内。
13.进一步的是，所述扑翼框架上设置有所述空心卷帘安装梁、所述实心卷帘安装梁以及所述框架支撑杆，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，所述同步带轮数量为4个，所述同步带数量为2个。
15.实现本发明目的的技术解决方案是提供一种同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置，包括扑翼、连接件、传动机构和滑道，扑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，扑翼包括扑翼框架，以及安装在扑翼框架上的卷帘，扑翼框架内还设置有同步带，同步带轮以及驱动电机，用于控制卷帘的展开与收缩，传动机构连接在连接件上，扑翼框架上有空心卷帘安装梁、实心卷帘安装梁、框架支撑杆、电机安装框架和扑翼转轴，卷帘上有卷帘迎风面、卷帘背风面、卷帘通孔，连接件上有滑道孔和扑翼转轴孔，滑道孔的轴线和扑翼转轴孔的轴线垂直，扑翼转轴插装在扑翼转轴孔内且可转动，滑道插装在滑道孔内且可滑动，同步带轮安装在空心卷帘安装梁和实心卷帘安装梁上，驱动电机安装在电机安装框架处，传动机构包括连杆、曲柄和传动轴，连接件上设置有第一销轴孔，第一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，曲柄上设置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一销轴连接第一销轴孔和第二连杆孔，连杆和曲柄通过第二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，连接件还设置有第三减速器和步进电机，扑翼转轴安装在第三减速器的输出轴上，步进电机的输出轴安装在第三减速器的输入孔内，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，扑翼还设置第一减速器，驱动电机的输出轴安装在第一减速器的输入孔内，扑翼框架上设置有空心卷帘安装梁、实心卷帘安装梁以及框架支撑杆，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：其利用同步带传动卷帘式高效飞行扑翼来降低直线往复运动扑翼在复位过程的空气阻力，从而提高扑翼气动效率，并通过调节扑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扑翼框架作往复平动，当扑翼框架靠近传动轴运动时为工作状态，此时在驱动电机的驱动下，同步带轮开始运动，驱动同步带工作，使得卷帘随着同步带轮的正反转进行展开与收缩，此时卷帘迎风面正对气流，卷帘通孔处的卷帘缠绕在空心卷帘安装梁上，而卷帘迎风面与气流运动方向垂直，气流直接作用在卷帘迎风面上获得最大的推动力，同时，通过步进电机经过第三减速器减速后带动扑翼框架转动，改变扑翼的倾角，气流作用在卷帘迎风面上的正压力可分解为升力和推力，扑翼倾角的改变可以调节升力和推力的大小；当扑翼框架远离传动轴运动时为复位状态，此时卷帘通孔运动到正对气流处，气流直接从卷帘通孔处流出，因此卷帘在复位过程中所受的空气阻力最小，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，在驱动电机的作用下，同步带轮反转运动，驱动卷帘转动到工作状态。本发明与现有技术相比，其显著优点是：
18.1.本发明所述的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置，将直动扑翼设置为直线平动，并设计由驱动电机控制的卷帘，工作行程中卷帘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；在复位行程中卷帘通孔运动到正对气流处，气流直接从卷帘通孔处流出，风力作用面积小，因此扑翼复位阻力最小，从而达到大幅度提高扑翼气动效率的目的。
19.2.本发明所述的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置，卷帘在工作状态与复位状态之间的切换是在驱动电机控制下，同步带带动完成，控制精度高且可靠性好。
20.3.本发明所述的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置，通过一个曲柄滑块机构将电机输出轴的连续转动转化为扑翼的上下往复直动，通过步进电机控制扑翼倾角，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.本发明所述的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置，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是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置的整体结构示意图。
23.图2是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置工作状态详细结构示意图。
24.图3是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置复位状态详细结构示意图。
25.图4是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置工作状态剖视图。
26.图5是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置复位状态剖视图。
27.图6是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置的扑翼框架的结构示意图。
28.图7是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置的卷帘的结构示意图。
29.图8是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置的连接件的结构示意图。
30.图9是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置的连杆的结构示意图。
31.图10是本发明的同步带传动卷帘式高效飞行扑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，采用同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置的高压电线巡检无人机。包括扑翼、连接件8、传动机构和滑道7，扑翼连接在连接件8上且可相对转动，连接件8滑动连接在滑道7上，滑道7设置在飞行器上，扑翼包括扑翼框架1，以及安装在扑翼框架1上的卷帘2，扑翼框架1内还设置有同步带3，同步带轮6以及驱动电机5，用于控制卷帘2的展开与收缩，传动机构连接在连接件8上；扑翼框架1上有空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102、框架支撑杆103、电机安装框架104和扑翼转轴105，卷帘2上有卷帘迎风面201、卷帘背风面202、卷帘通孔203，连接件8上有滑道孔801和扑翼转轴孔803，滑道孔801的轴线和扑翼转轴孔803的轴线垂直，扑翼转轴105插装在扑翼转轴孔803内且可转动，滑道7插装在滑道孔801内且可滑动，同步带轮6安装在空心卷帘安装梁101和实心卷帘安装梁102上，驱动电机5安装在电机安装框架104处，传动机构包括连杆10、曲柄12和传动轴13，连接件8上设置有第一销轴孔802，第一销轴孔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9和第二销轴11，连接件8和连杆10通过第一销轴9连接第一销轴孔802和第二连杆孔1002，连杆10和曲柄12通过第二销轴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14，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还设置有第三减速器16和步进电机17，扑翼转轴105安装在第三减速器16的输出轴上，步进电机17的输出轴安装在第三减速器16的输入孔内，传动轴13安装在第二减速器14的输出轴上，电动机15的输出轴安装在第二减速器14的输入孔内，扑翼还设置第一减速器4，驱动电机5的输出轴安装在第一减速器4的输入孔内，扑翼框架1上设置有空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102以及框架支撑杆103，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同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置后，由于扑翼阻力小、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，采用同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置的高层灭火专用无人机。包括扑翼、连接件8、传动机构和滑道7，扑翼连接在连接件8上且可相对转动，连接件8滑动连接在滑道7上，滑道7设置在飞行器上，扑翼包括扑翼框架1，以及安装在扑翼框架1上的卷帘2，扑翼框架1内还设置有同步带3，同步带轮6以及驱动电机5，用于控制卷帘2的展开与收缩，传动机构连接在连接件8上；扑翼框架1上有空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102、框架支撑杆103、电机安装框架104和扑翼转轴105，卷帘2上有卷帘迎风面201、卷帘背风面202、卷帘通孔203，连接件8上有滑道孔801和扑翼转轴孔803，滑道孔801的轴线和扑翼转轴孔803的轴线垂直，扑翼转轴105插装在扑翼转轴孔803内且可转动，滑道7插装在滑道孔801内且可滑动，同步带轮6安装在空心卷帘安装梁101和实心卷帘安装梁102上，驱动电机5安装在电机安装框架104处，传动机构包
括连杆10、曲柄12和传动轴13，连接件8上设置有第一销轴孔802，第一销轴孔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9和第二销轴11，连接件8和连杆10通过第一销轴9连接第一销轴孔802和第二连杆孔1002，连杆10和曲柄12通过第二销轴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14，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还设置有第三减速器16和步进电机17，扑翼转轴105安装在第三减速器16的输出轴上，步进电机17的输出轴安装在第三减速器16的输入孔内，传动轴13安装在第二减速器14的输出轴上，电动机15的输出轴安装在第二减速器14的输入孔内，扑翼还设置第一减速器4，驱动电机5的输出轴安装在第一减速器4的输入孔内，扑翼框架1上设置有空心卷帘安装梁101、实心卷帘安装梁102以及框架支撑杆103，其都采用空心结构且采用工程塑料、碳素纤维等轻质材料。高层灭火专用无人机采用本发明同步带传动卷帘式高效飞行扑翼装置后，由于扑翼工作行程推力大、阻力小、气动效率高，因此有较强的机动性，能快速响应高层的紧急情况，快速飞行到高层失火点进行灭火。