CN101323374A - 仿生昆虫微型飞行器 - Google Patents

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Abstract

一种仿生昆虫微型飞行器，其包括一个碳纤维主框架、四个压电陶瓷驱动器、四套连杆机构、两套翼连接关节、两片翼、一微型陀螺仪阵列、一个单片微型计算机、一个微型摄像头、一套照明灯、一套信号接收发射器、一套地面控制器及一套电源。本发明的目的在于提供一种模仿昆虫飞行的微型飞行器，该飞行器通过压电陶器驱动器驱动翼产生高升力，同时，采用由微型陀螺仪、单片微型计算机组成电控系统和由微型摄像机、信号接收发射器、地面控制器组成的控制系统来操纵仿生昆虫微型飞行器的飞行。

Description

仿生昆虫微型飞行器
技术领域
本发明是关于一种仿生飞行器，特别是指一种仿生昆虫微型飞行器。
背景技术
目前，仿生昆虫微型飞行器只是一种理论上的研究，还没有真正的产品问世。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模仿昆虫飞行的微型飞行器，该飞行器通过压电陶器驱动器驱动翼产生高升力，同时，采用由微型陀螺仪、单片微型计算机组成电控系统和由微型摄像机、信号接收发射器、地面控制器组成的控制系统来操纵仿生昆虫微型飞行器的飞行。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种仿生昆虫微型飞行器，其包括一个碳纤维主框架、四个压电陶瓷驱动器、四套连杆机构、两套翼连接关节、两片翼、一微型陀螺仪阵列、一个单片微型计算机、一个微型摄像头、一套照明灯、一套信号接收发射器、一套地面控制器及一套电源。每个压电陶瓷驱动器都由压电陶瓷层和钛合金层组成，其在加载电压后会产生变形，通过单片微型计算机控制压电陶瓷驱动器的变形量及频率，然后由连杆机构将压电陶瓷驱动器的微小运动转化为大幅度的转动，四套连杆机构分为两组，分别通过翼连接关节带动左翼和右翼拍动，产生高升力，从而实现飞行。翼的拍动包括上挥、下拍和转动，在本发明中，是通过控制连接在同一翼上的两个压电陶瓷驱动器的运动相位差来实现的。
在飞行过程中，通过由微型陀螺仪、单片微型计算机组成的电控系统时时监测飞行姿态，并根据姿态变化给出调整参数，通过单片微型计算机控制压电陶瓷驱动器，来迅速改变翼的拍动频率、拍动平均角和拍动攻角变化范围，使飞行器保持稳定的飞行姿态。
微型摄像头将动态图像时时传输给地面控制器，操纵者根据图像，通过地面控制器发出控制信号，改变仿生昆虫微型飞行器翼的拍动频率、拍动平均角和攻角变化范围，使飞行器改变飞行姿态，完成机动飞行。
附图说明
为进一步阐述本发明的特征和技术内容，以下结合有关本发明的附图与具体实施方式来说明，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明的权利范围加以限制。
图1是本发明仿生昆虫微型飞行器的飞行器构成图。
图2是本发明仿生昆虫微型飞行器的地面控制器构成图。
图3是本发明仿生昆虫微型飞行器的机械系统。
图4是本发明仿生昆虫微型飞行器的电控系统。
具体实施方式
如图1所示，本发明仿生昆虫微型飞行器的飞行器部分包括一个碳纤维主框架1、四个压电陶瓷驱动器2、四套连杆机构3、两套翼连接关节4、两片翼5、一微型陀螺仪阵列6、一个单片微型计算机7、一个微型摄像头8、一套照明灯9、一套信号接收发射器10及一套电源12。并建立如图所示的参考坐标系。
如图2所示，本发明仿生昆虫微型飞行器的地面控制器11包括一显示器13、两天线14、一启动按钮15、一悬停按钮16、一复位按钮17、一方向摇杆18、一升降摇杆19。
如图3所示，本发明仿生昆虫微型飞行器的机械系统包括四个压电陶瓷驱动器2.1、2.2、2.3、2.4，四套连杆机构3.1、3.2、3.3、3.4，两套翼连接关节4.1、4.2，两片翼5.1、5.2。其中，电陶瓷驱动器2.1、2.2、2.3、2.4分别与连杆机构3.1、3.2、3.3、3.4铰接，每个连杆机构分别将对应的压电陶瓷驱动器的微小运动转化为大幅度的转动，连杆机构3.1、3.2与翼连接关节4.1相连接，连杆机构3.3、3.4与翼连接关节4.2相连接，翼连接关节由四片碳纤维小薄片柔性连接而成，并且分别与翼5.1、5.2相连。这样，压电陶瓷驱动器的微小运动就可以转变为翼的拍动，包括上挥、下拍和转动。
如图4所示，本发明仿生昆虫微型飞行器的电控系统包括三个微型压电陀螺仪6.1、6.2、6.3，一个单片微型计算机7、一个微型摄像头8、一套照明灯9、一套信号接收发射器10及一套电源12。
本发明仿生昆虫微型飞行器的起飞/悬停过程：将飞行器置于启动姿态(采用理论分析的悬停姿态)；启动电控系统，并使三个微型压电陀螺仪6.1、6.2、6.3分别锁定图1所示参考坐标系的X、Y、Z三个坐标轴方向；启动机械系统，使翼按设计参数拍动，逐渐提高飞行升力，此时飞行器处于飞行临界状态；三个微型压电陀螺仪6.1、6.2、6.3将反馈信号传给单片微型计算机7，单片微型计算机7根据信号改变拍动参数，维持姿态，最终起飞，并达到悬停(或上升)状态。
本发明仿生昆虫微型飞行器的前(后)飞/转弯过程：将前(后)飞行或转弯的命令发送给电控系统，使飞行器通过调整翼5.1、5.2的拍动参数，令飞行器的飞行姿态向预设期望姿态改变；三个微型压电陀螺仪6.1、6.2、6.3时时比较现有姿态与预设期望姿态的差异，并将信息反馈给单片微型计算机7，单片微型计算机7通过调整翼5.1、5.2的拍动参数，使飞行器达到预设姿态，从而完成飞行动作。
本发明仿生昆虫微型飞行器维持飞行稳定的机理：由于昆虫的飞行是不稳定的，因此需要有维持飞行器稳定的电控系统，该电控系统由三个微型压电陀螺仪6.1、6.2、6.3，一个单片微型计算机7组成。仿生昆虫微型飞行器仅有绕X轴的前(后)翻转运动时，微型压电陀螺仪6.1给出翻转运动的偏移量(此时仅微型压电陀螺仪6.1有反馈信号)，通过单片微型计算机7处理，电控系统会根据预设参数做出翼5.1、5.2拍动平均角变大(缩小)的指令，使飞行器恢复稳定状态；仿生昆虫微型飞行器仅有绕Y轴的左(右)旋转运动时，微型压电陀螺仪6.2给出旋转运动的偏移量(此时仅微型压电陀螺仪6.2有反馈信号)，通过单片微型计算机7处理，电控系统会根据预设参数做出翼5.2下拍时攻角变小(变大)、上挥时攻角变大(变小)；翼5.1下拍时攻角变大(变小)、上挥时攻角变小(变大)的指令，使飞行器恢复稳定状态；仿生昆虫微型飞行器仅有绕Z轴的左(右)倾斜运动时，微型压电陀螺仪6.3给出倾斜运动的偏移量(此时仅微型压电陀螺仪6.3有反馈信号)，通过单片微型计算机7处理，电控系统会根据预设参数做出翼5.2的拍动频率升高(降低)；翼5.1的拍动频率降低(升高)的指令，并使总升力基本保持不变，令飞行器恢复稳定状态。在实际中，三个微型压电陀螺仪6.1、6.2、6.3同时工作，分别将仿生昆虫微型飞行器绕X、Y、Z坐标轴的偏移量传给单片微型计算机7，经单片微型计算机7处理后，改变翼5.1、5.2拍动频率、拍动平均角和拍动攻角变化范围，使仿生昆虫微型飞行器维持稳定飞行状态。

Claims (10)

1、一种仿生昆虫微型飞行器，其包括一个碳纤维主框架、四个压电陶瓷驱动器、四套连杆机构、两套翼连接关节、两片翼、一微型陀螺仪阵列、一个单片微型计算机、一个微型摄像头、一套照明灯、一套信号接收发射器、一套地面控制器及一套电源。该飞行器通过压电陶器驱动器驱动翼产生高升力，同时，采用由微型陀螺仪、单片微型计算机组成电控系统和由微型摄像机、信号接收发射器、地面控制器组成的控制系统来操纵仿生昆虫微型飞行器的飞行。
2、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其特征在于：采用碳素纤维作为主框架。
3、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其特征在于：采用压电陶瓷作为驱动器。
4、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其特征在于：采用连杆机构来放大压电陶瓷的微小运动。
5、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其特征在于：连杆机构通过翼连接关节驱动翼拍动，包括上挥、下拍和转动。
6、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其特征在于：采用微型陀螺仪、单片微型计算机组成电控系统，自动维持飞行的稳定。
7、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其特征在于：采用微型摄像机、照明灯、信号接收发射器来时时传输图像，操纵者通过地面控制器来控制仿生昆虫微型飞行器的飞行。
8、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其起飞/悬停机理为：将飞行器置于启动姿态(采用理论分析的悬停姿态)；启动电控系统，并使三个微型压电陀螺仪锁定参考坐标系的X、Y、Z三个坐标轴方向；启动机械系统，使翼按设计参数拍动，逐渐提高飞行升力，此时飞行器处于飞行临界状态；微型压电陀螺仪将反馈信号传给单片微型计算机，单片微型计算机根据信号改变拍动参数，维持姿态，最终起飞，并达到悬停(或上升)状态。
9、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其前(后)飞/转弯机理为：将前(后)飞行或转弯的命令发送给电控系统，使飞行器通过调整翼的拍动参数，令飞行器的飞行姿态向预设期望姿态改变；三个微型压电陀螺仪时时比较现有姿态与预设期望姿态的差异，并将信息反馈给单片微型计算机，单片微型计算机通过调整翼的拍动参数，使飞行器达到预设姿态，从而完成飞行动作。
10、如权利要求1所述的仿生昆虫微型飞行器，其维持飞行稳定的机理为：当仿生昆虫微型飞行器的飞行偏离稳定状态时，微型压电陀螺仪将仿生昆虫微型飞行器的飞行偏移量传给单片微型计算机，经单片微型计算机处理后，根据预设参数，改变翼拍动频率、拍动平均角和拍动攻角，使仿生昆虫微型飞行器维持稳定飞行状态。
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