機械電子風箏的設計

趙南生　東星倩　陳文毅　吳　楠　　陳　嘯　　趙　磊　　曹　陽　/.南通大學工程訓練中心 .南通大學機械工程學院

機械電子風箏的設計

趙南生1東星倩2陳文毅2吳楠2陳嘯2趙磊2曹陽2/1.南通大學工程訓練中心 2.南通大學機械工程學院

【摘 要】本文介紹一款基于傳統風箏改進升級后的新式機械電子風箏。解決了普通風箏無風環境無法起飛的問題，具有低空遙控控制、操作簡單、可折疊可拆卸、便于攜帶等特點；結合電子燈光技術，具有較好的夜間觀賞效果。

【關鍵詞】娛樂機械；風箏；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

放風箏作為一項傳統戶外項目老少咸宜，自古以來就受到人們的青睞。然而由于風箏本身結構的限制導致其無法克服風力不足起飛困難的問題，夜間無法放飛觀賞。傳統的風箏除了材料的革新之外在結構研究方面進展緩慢[1]，雖然市場上已出現夜光風箏，只是簡單的將風箏和發光光源相組合，圖案單調且笨重，增加了放飛難度，同時造價昂貴，難以普及。在無風起飛方面，雖然已經有極少部分如盤鷹風箏、特技風箏等已經實現，但普遍造價昂貴且掌控困難，需要很強的技巧性，不易學會；且目前風箏普遍集成程度較低，娛樂功能及方式單一。針對以上不足，本文意在設計一種在結構方面有所改進，并增加夜間光源的新型風箏，從而達到娛樂健身放松身心的目的。

1．機械結構的設計

1.1 機械結構及原理分析

機械電子風箏主要由三個部分組成：動力推進部分、風箏主體部分和獨立的發光光源部分。各個部分在不同的風力環境情況下均可組裝可拆卸。

其中，動力推進部分由一個軸端連接葉片的直流電機和用來滑行助跑的車體組成，并將動力推進部分和風箏固定在一起，其總體結構如圖1所示。

圖1 機械電子風箏總體結構

電動機帶動葉片旋轉，產生推力F1推動車體向前運動，風箏主體與車體保持一定的角度，在一定的速度下，因與空氣相對運動而能產生足夠的向上的推力F2，帶動風箏整體向上運動，達到起飛的目的。

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

圖2 傳統風箏受力分析圖

圖3 機械電子風箏受力分析圖

通過不斷增大風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系式[2]：

S——面積(m2)；

CY——升力系數。

其中，升力系數為一個比較關鍵的參數，影響它的主要因素之一為迎角,也就是風箏整體與水平方向的夾角，當風箏與水平方向具有一定夾角的時候，流向風箏表面的氣流產生一個垂直方向上的分力，故不同的迎角使得其具有不同的升力系數，通過改變風箏的迎角從而改變其上升和下落的力，達到控制其起飛及降落的目的。

實際上影響飛行效果的因素還有很多，但對于飛行要求并不復雜的風箏來說僅僅考慮以上因素已經足夠。

1.2 重要零部件的受力分析與校核

車體所用的材料為尼龍塑料。經查表[3]，其許用拉伸應力[σ]≈100MPa,現假設風箏支架有足夠的強度，忽略其與車體連接處的材料強度，現僅對車體上固定推進裝置的豎直桿進行受力分析，其力學簡化模型可用圖4表示,其中F1為推進裝置的推力，由試驗可得F1=16N。根據圖4，可列出等式：

圖4 固定推進裝置豎直桿受力分析圖

解得： F1=16N， F2=4N，F3=20N，F3＞F1＞F2，故F3所在截面為危險截面。

尼龍棒的截面為矩形，其抗彎界截面系數為：

其中，b為尼龍棒的長，h為尼龍棒的寬。b=25mm，h=20mm。

危險截面處，彎矩M=0.2★16=32N★m，實際應力

故在此截面處是安全的。

通過結構的改進使得風箏的可塑性和娛樂性更強。無風時可遙控起飛，有風時可拆卸動力部分單獨放飛風箏，因其可控拓展性強，可攜帶攝像頭，結合現代航拍技術，空氣檢測設備等，使風箏的應用更為廣泛。

2．電路及控制部分設計

機械電子風箏所使用的電源為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，相較于市場上已經出現的普通光源更為輕巧靈便減輕整體的重量。通過控制技術，圖案多樣可按照客戶的需求進行擴展和設計。機械電子風箏的燈光由微控制單元單片機控制，也就是使用單片微型計算機，配合地址鎖存器74LS373，其接線圖如圖6所示。

圖6 LED點陣電路圖

3．結語

基于以上結構設計，機械電子風箏具有如下特點：（1）設計新穎，結構簡明，便于折疊拆裝及攜帶；（2）適用于多種人群，繼承傳統具有較高的娛樂價值；（3）市場廣闊，可塑性強，可與實際應用相結合用途廣泛；（4）理念優，用戶體驗良好，給人們帶來歡樂的新型科技風箏；（5）功能多元，幫助用戶在放飛風箏的過程中強身健體。為傳統風箏的創新與改革提供一種新的方式和想法。

參考文獻：

[1]李婧航.濰坊國際風箏會的社會效應及發展對策研究[J].文體用品與科技,2013,(14);18-18.

[2] 張新哲,李鋒.柔性翼小型無人飛行器試驗樣機研究[J].飛行力學,2007,25(3);71-74.

[3]濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2010,185-188.

作者簡介：東星倩（1995-），女，江蘇鎮江人，主要研究方向：機械電子工程。