機(jī)械電子風(fēng)箏的設(shè)計(jì)

趙南生　東星倩　陳文毅　吳　楠　　陳　嘯　　趙　磊　　曹　陽(yáng)　/.南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心 .南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

機(jī)械電子風(fēng)箏的設(shè)計(jì)

趙南生1東星倩2陳文毅2吳楠2陳嘯2趙磊2曹陽(yáng)2/1.南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心 2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

【摘 要】本文介紹一款基于傳統(tǒng)風(fēng)箏改進(jìn)升級(jí)后的新式機(jī)械電子風(fēng)箏。解決了普通風(fēng)箏無(wú)風(fēng)環(huán)境無(wú)法起飛的問(wèn)題，具有低空遙控控制、操作簡(jiǎn)單、可折疊可拆卸、便于攜帶等特點(diǎn)；結(jié)合電子燈光技術(shù)，具有較好的夜間觀賞效果。

【關(guān)鍵詞】娛樂(lè)機(jī)械；風(fēng)箏；飛行器

【Abstract】This paper introduces a based on traditional kite improvement after the new breed of mechanical electronic kite. To solve the ordinary kite wind enviro nment can not take off, with low altitude remote control, simple operation, can be folded detachable, easy carrying, etc.; combined with the electronic lighting technology, with better effect at night to watch.

【Key words】amusement machine; kite; aircraft

0 引言

放風(fēng)箏作為一項(xiàng)傳統(tǒng)戶外項(xiàng)目老少咸宜，自古以來(lái)就受到人們的青睞。然而由于風(fēng)箏本身結(jié)構(gòu)的限制導(dǎo)致其無(wú)法克服風(fēng)力不足起飛困難的問(wèn)題，夜間無(wú)法放飛觀賞。傳統(tǒng)的風(fēng)箏除了材料的革新之外在結(jié)構(gòu)研究方面進(jìn)展緩慢[1]，雖然市場(chǎng)上已出現(xiàn)夜光風(fēng)箏，只是簡(jiǎn)單的將風(fēng)箏和發(fā)光光源相組合，圖案單調(diào)且笨重，增加了放飛難度，同時(shí)造價(jià)昂貴，難以普及。在無(wú)風(fēng)起飛方面，雖然已經(jīng)有極少部分如盤(pán)鷹風(fēng)箏、特技風(fēng)箏等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但普遍造價(jià)昂貴且掌控困難，需要很強(qiáng)的技巧性，不易學(xué)會(huì)；且目前風(fēng)箏普遍集成程度較低，娛樂(lè)功能及方式單一。針對(duì)以上不足，本文意在設(shè)計(jì)一種在結(jié)構(gòu)方面有所改進(jìn)，并增加夜間光源的新型風(fēng)箏，從而達(dá)到娛樂(lè)健身放松身心的目的。

1．機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理分析

機(jī)械電子風(fēng)箏主要由三個(gè)部分組成：動(dòng)力推進(jìn)部分、風(fēng)箏主體部分和獨(dú)立的發(fā)光光源部分。各個(gè)部分在不同的風(fēng)力環(huán)境情況下均可組裝可拆卸。

其中，動(dòng)力推進(jìn)部分由一個(gè)軸端連接葉片的直流電機(jī)和用來(lái)滑行助跑的車(chē)體組成，并將動(dòng)力推進(jìn)部分和風(fēng)箏固定在一起，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械電子風(fēng)箏總體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生推力F1推動(dòng)車(chē)體向前運(yùn)動(dòng)，風(fēng)箏主體與車(chē)體保持一定的角度，在一定的速度下，因與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)而能產(chǎn)生足夠的向上的推力F2，帶動(dòng)風(fēng)箏整體向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到起飛的目的。

起飛原理結(jié)合了傳統(tǒng)風(fēng)箏的受力分析及普通固定翼飛行器的受力分析，將作用于普通風(fēng)箏上由風(fēng)箏線所提供的拉力F（見(jiàn)圖2）改由①螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)使得②風(fēng)箏上下表面產(chǎn)生的壓力差所產(chǎn)生的力，如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)風(fēng)箏受力分析圖

圖3 機(jī)械電子風(fēng)箏受力分析圖

通過(guò)不斷增大風(fēng)箏上下表面的總壓力差以提高升力，其升力滿足以下柔性翼升力關(guān)系式[2]：

S——面積(m2)；

CY——升力系數(shù)。

其中，升力系數(shù)為一個(gè)比較關(guān)鍵的參數(shù)，影響它的主要因素之一為迎角,也就是風(fēng)箏整體與水平方向的夾角，當(dāng)風(fēng)箏與水平方向具有一定夾角的時(shí)候，流向風(fēng)箏表面的氣流產(chǎn)生一個(gè)垂直方向上的分力，故不同的迎角使得其具有不同的升力系數(shù)，通過(guò)改變風(fēng)箏的迎角從而改變其上升和下落的力，達(dá)到控制其起飛及降落的目的。

實(shí)際上影響飛行效果的因素還有很多，但對(duì)于飛行要求并不復(fù)雜的風(fēng)箏來(lái)說(shuō)僅僅考慮以上因素已經(jīng)足夠。

1.2 重要零部件的受力分析與校核

車(chē)體所用的材料為尼龍塑料。經(jīng)查表[3]，其許用拉伸應(yīng)力[σ]≈100MPa,現(xiàn)假設(shè)風(fēng)箏支架有足夠的強(qiáng)度，忽略其與車(chē)體連接處的材料強(qiáng)度，現(xiàn)僅對(duì)車(chē)體上固定推進(jìn)裝置的豎直桿進(jìn)行受力分析，其力學(xué)簡(jiǎn)化模型可用圖4表示,其中F1為推進(jìn)裝置的推力，由試驗(yàn)可得F1=16N。根據(jù)圖4，可列出等式：

圖4 固定推進(jìn)裝置豎直桿受力分析圖

解得： F1=16N， F2=4N，F(xiàn)3=20N，F(xiàn)3＞F1＞F2，故F3所在截面為危險(xiǎn)截面。

尼龍棒的截面為矩形，其抗彎界截面系數(shù)為：

其中，b為尼龍棒的長(zhǎng)，h為尼龍棒的寬。b=25mm，h=20mm。

危險(xiǎn)截面處，彎矩M=0.2★16=32N★m，實(shí)際應(yīng)力

故在此截面處是安全的。

通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使得風(fēng)箏的可塑性和娛樂(lè)性更強(qiáng)。無(wú)風(fēng)時(shí)可遙控起飛，有風(fēng)時(shí)可拆卸動(dòng)力部分單獨(dú)放飛風(fēng)箏，因其可控拓展性強(qiáng)，可攜帶攝像頭，結(jié)合現(xiàn)代航拍技術(shù)，空氣檢測(cè)設(shè)備等，使風(fēng)箏的應(yīng)用更為廣泛。

2．電路及控制部分設(shè)計(jì)

機(jī)械電子風(fēng)箏所使用的電源為12V鋰電池，其基本供電電路如圖5所示。其中，BX8002為降壓芯片，將鋰電池輸出的12V電壓降低至5V給單片機(jī)提供電源。

圖5 供電接線圖

電子燈光方面使用LED貼片燈組，相較于市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)的普通光源更為輕巧靈便減輕整體的重量。通過(guò)控制技術(shù)，圖案多樣可按照客戶的需求進(jìn)行擴(kuò)展和設(shè)計(jì)。機(jī)械電子風(fēng)箏的燈光由微控制單元單片機(jī)控制，也就是使用單片微型計(jì)算機(jī)，配合地址鎖存器74LS373，其接線圖如圖6所示。

圖6 LED點(diǎn)陣電路圖

3．結(jié)語(yǔ)

基于以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械電子風(fēng)箏具有如下特點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，便于折疊拆裝及攜帶；（2）適用于多種人群，繼承傳統(tǒng)具有較高的娛樂(lè)價(jià)值；（3）市場(chǎng)廣闊，可塑性強(qiáng)，可與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合用途廣泛；（4）理念優(yōu)，用戶體驗(yàn)良好，給人們帶來(lái)歡樂(lè)的新型科技風(fēng)箏；（5）功能多元，幫助用戶在放飛風(fēng)箏的過(guò)程中強(qiáng)身健體。為傳統(tǒng)風(fēng)箏的創(chuàng)新與改革提供一種新的方式和想法。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：東星倩（1995-），女，江蘇鎮(zhèn)江人，主要研究方向：機(jī)械電子工程。