发明内容

为了解决传统扑旋翼这类扑翼与旋翼复合式微小型飞行器翼载过高、前飞时翼会产生不平衡气动力矩以及摩擦力矩驱动机身转动的问题，本发明提出了一种扑翼与旋翼复合式微小型飞行器。该飞行器主要的气动面仍为一对扑旋翼，而在扑旋翼旋转平面的下方引入一对被动水平旋转的小旋翼，该小旋翼旋转轴与扑旋翼旋转轴一致，飞行器运动过程中，小旋翼在扑旋翼下洗气流与前飞来流共同作用下反向旋转实现对飞行器升力的补充、减小不平衡力矩及摩擦力矩，以减轻扑旋翼的升力产生要求，减轻飞行器的飞行控制难度，从而提升飞行器性能。

具体地，本发明一种扑翼与旋翼复合式微小型飞行器，其特征在于，包括底座、传动装置、微型电机、扑旋翼、小旋翼。

所述底座用于固定微型电机及传动装置，其中底座上表面开一柱形空腔，用于固定微型电机，所述柱形空腔后方为支撑结构，用于定位和支撑传动装置减速器齿轮以及执行机构内杆。

所述的微型电机，固定在底座的预留柱形空腔中。所述微型电机输出动力，驱动传动装置带动扑旋翼竖直往复拍动并被动旋转。

所述扑旋翼安装在传动装置顶端，由所述传动装置的拍动组件与旋转组件一同拍动和旋转。所述扑旋翼包括一根主梁、两根辅梁和翼膜。所述主梁的一端固定连接于传动装置拍动组件末端，且与所述两根辅梁的翼根端相连，所述主梁和辅梁粘贴于所述翼膜上。初始安装时，当扑旋翼主梁拍动至水平面时，扑旋翼所在平面与水平面夹角设计在10°至15°之间，设置这一角度的主要目的一方面是提高扑旋翼自身的旋转速度以增加下洗气流大小以驱动小旋翼旋转，另一方面是将扑旋翼的攻角设置在高升力产生攻角的附近保证高升力产生。

所述小旋翼为轻质薄膜结构，与扑旋翼共轴，安装在扑旋翼下方，只做旋转运动。小旋翼的水平安装方向与扑旋翼相反，以实现反向旋转。小旋翼翼展为扑旋翼翼展的1/2-1/3，以保证小旋翼具有较小的转动惯量以快速旋转产生升力。小旋翼展弦比为5-7，保证小旋翼的高气动效率。小旋翼旋转平面水平，距离扑旋翼的旋转平面距离在0.5-0.75倍扑旋翼展长范围内，其旋转轴与扑旋翼的相同。所述小旋翼翼根与执行机构旋转组件粘接，实现同绕旋转轴与扑旋翼反向旋转。

所述传动装置包括主轴齿轮、减速器和执行机构。主轴齿轮固定在微型电机输出轴上，与减速器啮合传动将电机输出的高速旋转运动进行减速。所述执行机构包括振荡组件、拍动组件及旋转组件。所述减速器与执行机构振荡组件相连，将减速后的圆周运动变为振荡组件的上下竖直振荡。所述振荡组件驱动拍动组件，带动一对扑旋翼进行往复拍动运动；扑旋翼通过拍动运动产生推力矩后开始同旋转组件一同旋转，小旋翼受扑旋翼下洗气流和前飞来流共同作用绕旋转组件旋转，但旋转方向与扑旋翼相反。所述旋转组件可以实现扑旋翼与小旋翼绕相同的转轴反向不同速被动旋转。

一种扑翼与旋翼复合式微小型飞行器运动过程为：飞行器供电后，微型电机输出高速旋转，经减速器减速后借由振荡组件、拍动组件驱动扑旋翼进行往复拍动，待拍动运动产生推力矩后开始旋转。在悬停飞行时，小旋翼被动旋转是受扑旋翼尾迹气流驱动，而在前飞时是在扑旋翼尾迹气流与前飞来流共同作用下驱动，这一特征类似于风车或者儿童风车玩具。由于扑旋翼和小旋翼水平安装方向相反，因此二者运动时旋转方向相反。

一种扑翼与旋翼复合式微小型飞行器利用小旋翼提升气动性能、降低飞行控制难度的工作原理为：

(1)相较于传统的单对扑旋翼布局，本发明中在扑旋翼的下方增设小旋翼，小旋翼轻转动惯量、大展弦比的设计方案保证了旋翼能够在上方来流作用下进行快速旋转以产生额外升力，从而使扑旋翼载荷降低；

(2)前飞时，扑旋翼由于翼在前飞过程中前行和后行阶段来流速度不对称会存在较大的不平衡力矩。引入小旋翼后，快速前飞运动会带来小旋翼的高速旋转，小旋翼前飞时也会因为前行阶段和后行阶段的力不对称同样出现不平衡力矩。但由于扑旋翼与小旋翼旋转方向相反，二者的不平衡力矩也刚好反向，因此小旋翼的存在会减弱不平衡力矩的存在，降低控制系统设计难度。

(3)扑旋翼尽管翼旋转也是被动的，但仍在旋转时与传动机构件之间存在摩擦力矩，为实现机身稳定控制，需要在控制时克服机构摩擦力矩。小旋翼反向旋转运动的存在会引入反向的摩擦力矩，会在某种程度抵消扑旋翼的摩擦力矩，同样会降低控制系统设计难度。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种扑翼与旋翼复合式微小型飞行器降低每个翼载荷与功耗，小旋翼既可以补充升力产生，又无需额外提供动力，降低了电机的输出功率。

(2)本发明一种扑翼与旋翼复合式微小型飞行器减轻传统扑旋翼前飞时的不平衡力矩、较小机构间摩擦力矩，降低了控制系统设计难度。