机械电子风筝的设计

赵南生　东星倩　陈文毅　吴楠　陈啸　赵磊　曹阳

【摘 要】本文介绍一款基于传统风筝改进升级后的新式机械电子风筝。解决了普通风筝无风环境无法起飞的问题，具有低空遥控控制、操作简单、可折叠可拆卸、便于携带等特点；结合电子灯光技术，具有较好的夜间观赏效果。

【关键词】娱乐机械；风筝；飞行器

【Abstract】This paper introduces a based on traditional kite improvement after the new breed of mechanical electronic kite. To solve the ordinary kite wind environment 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

放风筝作为一项传统户外项目老少咸宜，自古以来就受到人们的青睐。然而由于风筝本身结构的限制导致其无法克服风力不足起飞困难的问题，夜间无法放飞观赏。传统的风筝除了材料的革新之外在结构研究方面进展缓慢[1]，虽然市场上已出现夜光风筝，只是简单的将风筝和发光光源相组合，图案单调且笨重，增加了放飞难度，同时造价昂贵，难以普及。在无风起飞方面，虽然已经有极少部分如盘鹰风筝、特技风筝等已经实现，但普遍造价昂贵且掌控困难，需要很强的技巧性，不易学会；且目前风筝普遍集成程度较低，娱乐功能及方式单一。针对以上不足，本文意在设计一种在结构方面有所改进，并增加夜间光源的新型风筝，从而达到娱乐健身放松身心的目的。

1.机械结构的设计

1.1 机械结构及原理分析

机械电子风筝主要由三个部分组成：动力推进部分、风筝主体部分和独立的发光光源部分。各个部分在不同的风力环境情况下均可组装可拆卸。

其中，动力推进部分由一个轴端连接叶片的直流电机和用来滑行助跑的车体组成，并将动力推进部分和风筝固定在一起，其总体结构如图1所示。

电动机带动叶片旋转，产生推力F1推动车体向前运动，风筝主体与车体保持一定的角度，在一定的速度下，因与空气相对运动而能产生足够的向上的推力F2，带动风筝整体向上运动，达到起飞的目的。

起飞原理结合了传统风筝的受力分析及普通固定翼飞行器的受力分析，将作用于普通风筝上由风筝线所提供的拉力F（见图2）改由①螺旋桨叶片旋转使得②风筝上下表面产生的压力差所产生的力，如图3所示。

其中，升力系数为一个比较关键的参数，影响它的主要因素之一为迎角，也就是风筝整体与水平方向的夹角，当风筝与水平方向具有一定夹角的时候，流向风筝表面的气流产生一个垂直方向上的分力，故不同的迎角使得其具有不同的升力系数，通过改变风筝的迎角从而改变其上升和下落的力，达到控制其起飞及降落的目的。

实际上影响飞行效果的因素还有很多，但对于飞行要求并不复杂的风筝来说仅仅考虑以上因素已经足够。

1.2 重要零部件的受力分析与校核

车体所用的材料为尼龙塑料。经查表[3]，其许用拉伸应力[σ]≈100MPa，现假设风筝支架有足够的强度，忽略其与车体连接处的材料强度，现仅对车体上固定推进装置的竖直杆进行受力分析，其力学简化模型可用图4表示，其中F1为推进装置的推力，由试验可得F1=16N。

通过结构的改进使得风筝的可塑性和娱乐性更强。无风时可遥控起飞，有风时可拆卸动力部分单独放飞风筝，因其可控拓展性强，可携带摄像头，结合现代航拍技术，空气检测设备等，使风筝的应用更为广泛。

2.电路及控制部分设计

机械电子风筝所使用的电源为12V锂电池，其基本供电电路如图5所示。其中，BX8002为降压芯片，将锂电池输出的12V电压降低至5V给单片机提供电源。

电子灯光方面使用LED贴片灯组，相较于市场上已经出现的普通光源更为轻巧灵便减轻整体的重量。通过控制技术，图案多样可按照客户的需求进行扩展和设计。机械电子风筝的灯光由微控制单元单片机控制，也就是使用单片微型计算机，配合地址锁存器74LS373，其接线图如图6所示。

3.结语

基于以上结构设计，机械电子风筝具有如下特点：（1）设计新颖，结构简明，便于折叠拆装及携带；（2）适用于多种人群，继承传统具有较高的娱乐价值；（3）市场广阔，可塑性强，可与实际应用相结合用途广泛；（4）理念优，用户体验良好，给人们带来欢乐的新型科技风筝；（5）功能多元，帮助用户在放飞风筝的过程中强身健体。为传统风筝的创新与改革提供一种新的方式和想法。

参考文献：

[1]李婧航.潍坊国际风筝会的社会效应及发展对策研究[J].文体用品与科技，2013，（14）；18-18.

[2] 张新哲，李锋.柔性翼小型无人飞行器试验样机研究[J].飞行力学，2007，25（3）；71-74.

[3]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2010，185-188.

作者简介：东星倩（1995-），女，江苏镇江人，主要研究方向：机械电子工程。