CN102167160A - 一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器,包括机身、仿生扑翼、驱动机构、弹跳机构、控制系统和尾翼，所述机身用于固定及安装其余各部件；所述仿生扑翼为凸起式设计且左右对称，其前端连接驱动机构，后端固定于机身末端；所述驱动机构安装于机身前部，通过齿轮传动将微型直流电机的转动转化为仿生扑翼的扑动；所述弹跳装置安装于机身下部，通过其蓄能–触发动作带动实现飞行器自主起飞及平稳降落；所述控制系统安装于机身上腹部，通过导线与驱动机构和弹跳装置相连；所述尾翼安装于机身尾部，保持机体飞行的平衡。该扑翼飞行器可实现自主起飞和平稳降落，并能循环工作，适应相对复杂的工作环境。

Description

一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及扑翼飞行器和弹跳机器人技术领域，特别涉及一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器。

技术背景

微型扑翼飞行器(Flapping-Wing Micro Air Vehicle ,简称FMAV)是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，与固定翼和旋翼飞行器相比，其主要特点是将举升、悬停和推进功能集成于一体，无需螺旋桨或喷气装置，具有很强的机动性和灵活性。在军事上，微型扑翼飞行器可以装备到士兵班，进行敌情侦察及战场破坏评估；可作为反辐射和微型攻击武器，摧毁敌方雷达等电子设施；可以携带微型战斗部件执行攻击任务，用于目标搜索和通信中继；可方便地监测化学、核或生物武器，并标定危险区域；可用于侦察建筑物内部情况，适用于城市、丛林等多种作战环境；还可用于边境或海防缉私巡逻，用于监视、监听、辅助解救人质。同时，微型扑翼飞行器也可推广至民用领域，可用于山区、城市或室内等复杂环境下的侦察、跟踪任务；可在化学或辐射等有害环境下进行侦察、干扰、救护、救生定位等特殊任务；可用于搜寻灾难幸存者和有毒气体或化学污染源；也可用于森林防火和测量农业生产中氨的浓度、监测病虫害；同时可用于地质勘探、野外考察、旅游探险、鸟瞰摄影、高空广告拍摄等诸多方面。

目前常用的微型扑翼飞行器需要辅助的方式自主起飞，如用弹射器弹射或手置飞行器来起飞，而且不能稳定降落，易损害飞行器，同时无法实现飞行器的自主起飞–降落–起飞的工作循环，导致扑翼飞行器的应用受到较大限制。

弹跳机器人是一项集成控制技术、机械传动技术、能量存储／释放技术、传感器技术的机器人系统，可通过自身的蓄能、触发等动作实现自主循环跳跃，研究将弹跳机器人技术应用到微型扑翼飞行器的设计，为扑翼飞行器的自主起飞及循环工作提供可能性。

发明内容

为克服现有微型扑翼飞行器技术的不足，本发明提供一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器。

一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器, 包括机身、仿生扑翼、驱动机构、弹跳装置、控制系统和尾翼，机身为其余各部件的安装固定基础；仿生扑翼为凸起式设计且左右对称，其前端连接驱动机构，后端固定于机身末端，飞行器飞行的升力和推进力由两翼扑动产生；驱动机构安装于机身前部，通过齿轮传动将微型直流电机的转动转化为仿生扑翼的扑动；弹跳装置安装于机身下部，带动飞行器实现自主起飞，飞行器降落时对其缓冲；控制系统安装于机身上腹部，通过导线与驱动机构和弹跳装置连接，提供弹跳装置蓄能、触发及微型扑翼飞行器飞行的能量，同时控制微型扑翼飞行器的动作；尾翼安装于机身尾部，保持机体飞行的平衡。

所述的机身由面部、上梁、下梁及连接上、下梁的胸肋、腰肋和腹肋组成，面部截面为三角星形，上梁前端垂直连接于面部中上部，下梁前端连接于面部下端，上梁、下梁后端相交于机身末端。

所述的仿生扑翼由机翼骨架和蒙皮组成，左右扑翼对称，机翼骨架前端与驱动机构相连，机翼骨架为凸起式设计；蒙皮外缘形状与机翼骨架一致，并粘附在机翼骨架上，蒙皮后端套装于机身末端；机翼骨架由轻质直杆构成，蒙皮由轻质塑料薄膜制成。

所述的驱动机构安装于机身前部，由微型直流电机、齿轮及杆件构成，微型直流电机转轴安装有下齿轮，下齿轮与上齿轮之间设有同心同轴双齿轮，下齿轮与同心同轴双齿轮的大齿轮啮合，同心同轴双齿轮的小齿轮与上齿轮啮合，上齿轮连接有摇杆，摇杆另一端与两根连杆相互铰接，两连杆上分别平行固定有圆柱管，圆柱管内部安插机翼骨架前端的连接杆。

所述的弹跳装置由蓄能记忆合金弹簧、前臂、蓄能扭簧、后臂、第一挂钩、触发扭簧、稳定杆、触发记忆合金弹簧、第二挂钩组成，前臂一端固定于机身腰肋下端并连接蓄能记忆合金弹簧，另一端连接蓄能扭簧，蓄能扭簧的另一端与后臂连接，后臂尾部连接触发扭簧底部，触发扭簧顶部安装第二挂钩，第二挂钩另一端连接触发记忆合金弹簧，触发记忆合金弹簧另一端连接在稳定杆中部，稳定杆中部固定于后臂末端且与后臂垂直，蓄能记忆合金弹簧的另一端连接第一挂钩。

所述的控制系统由电源、开关、控制电路及导线组成，控制电路包括电源电路、单片机电路和驱动电路。

所述的尾翼左右对称，断面为倒T型，由连接杆、平尾骨架、平尾薄膜、垂尾组成，连接杆固定于机身尾端；平尾骨架由两根等长轻质侧直杆构成；等腰三角形轻质平尾薄膜外缘粘附在平尾骨架上；垂尾呈直角三角形，由轻质薄板制成并垂直粘于平尾中轴线处。

本发明的有益效果是：该飞行器体积小、重量轻、操作方便；机翼骨架为凸起式设计，相对现有的平直设计其续航能力更强；将弹跳装置应用到微型扑翼飞行器的设计，飞行器起飞时，利用弹跳装置的蓄能–触发动作使机体随之弹跳获得一定高度与初速度，随即仿生扑翼扑动产生升力与推进力，从而实现微型扑翼飞行器的自主弹跳起飞，飞行器降落时弹跳装置起到一定的缓冲作用，使其平稳降落；飞行器通过蓄能–触发–弹跳–飞行–降落–蓄能的循环工作，提高了自主特性使其更能适应相对复杂的环境。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的机身结构示意图；

图3为本发明实施例的仿生扑翼结构示意图；

图4为本发明实施例的驱动机构结构示意图；

图5为本发明实施例的弹跳装置结构示意图；

图6 为本发明实施例的控制系统电源电路示意图；

图7为本发明实施例的控制系统单片机电路示意图；

图8 为本发明实施例的控制系统驱动电路示意图；

图9为本发明实施例的尾翼结构示意图；

图1中：1.机身，2.仿生扑翼，3.驱动机构，4.弹跳装置，5.控制系统，6.尾翼；

图2中：11.面部，111. 中齿轮轴，112. 大齿轮轴，113. 面部左顶点，114.面部右顶点，12.上梁，121.左球形凸起，122.右球形凸起，13.下梁，14.胸肋，15.腰肋，16.腹肋；

图3中：21.机翼骨架， 211.肩部，212.大臂，213.中臂，214.小臂，215.内脊，216.外脊，217. 左连接杆，218. 右连接杆，N.脊顶，P.颈部，Q.腋部，22.蒙皮，221.左连接孔，222.右连接孔；

图4中：31.微型直流电机，32.下齿轮，33.中齿轮，34.上齿轮，35.摇杆，36.左连杆，37.右连杆，38.左圆柱管，39.右圆柱管；

图5中：41.蓄能记忆合金弹簧，42.前臂，43. 蓄能扭簧，44.后臂，45.第一挂钩，46.触发扭簧，47.稳定杆，48.触发记忆合金弹簧，49.第二挂钩；

图9中：61.连接杆，62.平尾骨架，63.平尾薄膜，64.垂尾。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，弹跳起飞的微型扑翼飞行器, 包括机身1、仿生扑翼2、驱动机构3、弹跳机构4、控制系统5和尾翼6。机身1用于固定及安装其余各部件；仿生扑翼2左右对称，其前端连接驱动机构3，后端固定于机身1末端，飞行器飞行的升力和推进力由仿生扑翼2扑动产生；驱动机构3安装于机身1前部，通过齿轮传动将微型直流电机的转动转化为仿生扑翼2的扑动；弹跳装置4安装于机身1下部，通过其蓄能–触发动作带动飞行器实现自主起飞及平稳降落；控制系统5安装于机身1上腹部，通过导线与驱动机构3和弹跳装置4连接，提供弹跳装置4蓄能、触发及微型扑翼飞行器飞行的能量，同时控制微型扑翼飞行器的动作；尾翼6安装于机身1尾部，保持机体飞行的平衡。

如图2所示，所述的机身1，包括面部11、上梁12、下梁13及连接上、下梁的胸肋14、腰肋15、腹肋16；上梁12前端垂直连接于面部11中上部，下梁13长于上梁12，下梁13前端连接于面部11下端，上梁12、下梁13后端相交于机身1末端，上梁12、下梁13分别由胸肋14、腰肋15、腹肋16连接，以保证机身1强度并便于各部件的安装；面部11截面为三角星形，其几何中心设有中齿轮轴111，中齿轮轴111下方偏右侧设有大齿轮轴112；面部左顶点113、面部右顶点114分别安装驱动机构3中左连杆36、右连杆37的轴；机身1尾部上方设有对称的左球形凸起121和右球形凸起122，用于连接仿生扑翼2；保证机身骨架上所有轴均平行于上梁12。

如图3所示，所述的仿生扑翼2由机翼骨架21及其上附的蒙皮22组成，保证左右扑翼对称；机翼骨架21由六段碳纤维杆通过强力胶粘连而成，六段轻质直杆位于骨架外缘自内至外侧的四段分别为肩部211、大臂212、中臂213、小臂214，肩部211与大臂212相交处为腋部Q，保证肩部211、大臂212、中臂213、小臂214在同一平面内，该平面为扑翼基面；另两段轻质直杆为内脊215、外脊216，内脊215前端连接于颈部P处，外脊216前端连接于腋部Q处，内、外脊后端连接于脊顶N处，脊顶N高于扑翼基面，肩部211与大臂212夹角保证在120°~130°之间；机翼骨架21前端设有左连接杆217、右连接杆218，为保证扑翼的可拆卸性，两连接杆安插于驱动机构3上部的圆柱管中；蒙皮22由聚乙烯薄膜制成，其外缘形状与机翼骨架21一致，并与机翼骨架21粘连，蒙皮22后端设有左连接孔221、右连接孔222，左、右连接孔分别套装在机身1末端的左球形凸起121、右球形凸起122根部。

如图4所示，所述的驱动机构3由微型直流电机31、齿轮及杆件构成，微型直流电机31安装于机身1下梁12头部下端，其转轴平行于机身上梁11，转轴端向前并安装有下齿轮32；中齿轮33为同心同轴双齿轮，安装于机身面部中齿轮轴111上，其中小齿轮与下齿轮32啮合，大齿轮与上齿轮34啮合；上齿轮34连接摇杆35，摇杆35另一端与左连杆36、右连杆37末端相互铰接，左连杆36、右连杆37上分别平行固定有左圆柱管38、右圆柱管39，左、右圆柱管内部安插仿生扑翼骨架21前端的左连接杆217、右连接杆218。

如图5所示，所述的弹跳机构4由蓄能记忆合金弹簧41、前臂42、蓄能扭簧43、后臂44、第一挂钩45、触发扭簧46、稳定杆47、触发记忆合金弹簧48、第二挂钩49组成，前臂42一端固定于机身腰肋15下端并连接蓄能记忆合金弹簧41，另一端连接蓄能扭簧43，蓄能扭簧43的另一端与后臂44连接，后臂44尾部连接触发扭簧46底部，触发扭簧46顶部安装第二挂钩49，第二挂钩49另一端连接触发记忆合金弹簧48，触发记忆合金弹簧48另一端连接在稳定杆47中部，稳定杆47中部固定于后臂44末端且与后臂44垂直，蓄能记忆合金弹簧41的另一端连接第一挂钩45；本实施例采用的记忆合金弹簧均为钛镍记忆合金弹簧。

所述的控制系统5安装于机身1上腹部，四角分别用螺栓锁紧于机身1的腰肋15、腹肋16的四个端点，控制系统5由电源、开关、控制电路和导线组成，控制电路包括电源电路、单片机电路和驱动电路。

如图6所示，所述控制系统的电源电路。本实施例采用一般锂聚合物电池，电池电压为3.7V，微处理器工作电压为2.7V至5.5V，加热记忆合金弹簧对电池端电压影响比较大，因此电源电路中采用可升压降压的稳压芯片REG710_3.3（SOT23封装，6引脚），实验表明这种芯片能在电源加热记忆合金弹簧的同时给单片机提供稳定的3.3V电源，保证整个电路正常工作，3.7V电源直接用于记忆合金弹簧的加热。

如图7所示，所述控制系统的单片机电路。为尽可能减轻飞行器的控制系统重量，本实施例采用飞思卡尔公司的8位微处理器MC9S08QD4（SOP_8封装），引脚7和引脚8为IO输出口，用于控制弹跳装置中两个记忆合金弹簧的加热；引脚6为PWM口，用于控制电机的转速；引脚5为AD口，用于采集脱钩处的电压值，未脱钩时采集信号点A与电池正极相连，AD值比较大，脱钩后采集信号点A相当于接地，AD值很小，由此测知第一挂钩45与第二挂钩49是否脱钩；引脚3和引脚4用于连接由稳压芯片输出的电源；引脚1和引脚2与下载端口相连，用于单片机的程序下载及调试。

如图8所示，所述控制系统的驱动电路。驱动芯片AO9926（SOIC-8封装）单片带2个MOS管，导通最大电流可达7.6A，且体积小、重量轻，本实施例的驱动电路采用两片AO9926，一片用于控制蓄能记忆合金弹簧41和触发记忆合金弹簧48的加热，另一片用于控制微型直流电机31的转速；第一片AO9926的SMA1和SMA2信号控制端分别与MC9S08QD4的引脚8和引脚7相连；第二片AO9926的Motor信号控制端与MC9S08QD4的引脚6相连；Capture信号端会在第一挂钩45与第二挂钩49脱钩时检测到电压AD值的大幅度下降，脱钩信号由单片机的引脚5采集。

如图9所示，所述的尾翼6左右对称，断面为倒T型，由连接杆61、平尾骨架62、平尾

薄膜63、垂尾64组成；平尾骨架62由互成锐角的两根等长碳纤维侧直杆62构成，等腰三角形聚乙烯平尾薄膜63外缘粘附在骨架上；垂尾64呈直角三角形，采用聚氯乙烯制成，垂直粘于平尾中轴线处；连接杆61固连于机身1尾端。

本发明的工作过程如下：

（1）蓄能：打开电源开关，控制系统延时10秒，开始对蓄能记忆合金弹簧41加热，使其收缩至最短；收缩过程中蓄能记忆合金弹簧41会拉动前臂42克服蓄能扭簧43的弹性势能向后臂44方向旋转，并将能量以弹性势能的形式储存在蓄能扭簧43中。

（2）触发：蓄能完毕后，系统停止加热蓄能记忆合金弹簧41，开始加热触发记忆合金弹簧48，触发记忆合金弹簧48随之收缩，并克服触发扭簧46的弹性势能顺时针旋转，一部分能量以弹性势能的形式储存到触发扭簧46中，旋转到一定位置时，第一挂钩45和第二挂钩49脱钩。

（3）弹跳：触发完毕后，弹跳装置4开始在触发扭簧46所储存的能量的驱动下实现跳跃动作；同时，第一挂钩45与第二挂钩49脱钩时驱动电路的Capture信号端检测到采集信号点A电压AD值的大幅度下降，驱动芯片AO9926的引脚5采集到脱钩信号并反馈给控制系统5，控制系统5停止加热触发记忆合金弹簧49，触发记忆合金弹簧49将会冷却并在触发扭簧46所储存的能量的驱动下快速恢复到初始位置。

（4）飞行：弹跳完成后，控制系统5驱动微型直流电机31转动，通过下齿轮32、中齿轮33、上齿轮34的啮合传动，带动摇杆35牵引左连杆36、右连杆37分别绕机身面部11的左顶点114、右顶点115做往复运动，从而带动与连杆相连的仿生扑翼2上下扑动，完成飞行动作；同时由于触发前就停止了对蓄能记忆合金弹簧41的加热，蓄能记忆合金弹簧41温度逐渐降低，会在飞行时恢复原长，使第一挂钩45和第二挂钩49重新钩连。

（5）降落：飞行动作持续一段时间后，控制系统5控制微型直流电机31减慢转速，从而使仿生扑翼2动作频率逐渐降低，同时加热蓄能记忆合金弹簧41，在飞行器降落前完成步骤（1）的蓄能过程，最终飞行器平稳降落。

重复步骤（1）至（5），即可实现飞行器的起飞与降落动作循环。

Claims (3)

1.一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器, 包括机身、仿生扑翼、驱动机构、控制系统和尾翼，其特征在于：所述机身为其余各部件的安装固定基础；所述仿生扑翼为凸起式设计且左右对称，其前端连接驱动机构，后端固定于机身末端；所述驱动机构安装于机身前部；所述机身下部装有弹跳装置；所述控制系统安装于机身上腹部，通过导线与驱动机构和弹跳装置连接；所述尾翼安装于机身尾部。

2.根据权利要求1所述的一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器，其特征在于所述的仿生扑翼由机翼骨架和蒙皮组成，左右扑翼对称，机翼骨架前端与驱动机构相连，机翼骨架为凸起式设计；蒙皮外缘形状与机翼骨架一致，并粘附在机翼骨架上，蒙皮后端套装于机身末端。

3.根据权利要求1所述的一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器，其特征在于所述的弹跳装置由蓄能记忆合金弹簧、前臂、蓄能扭簧、后臂、第一挂钩、触发扭簧、稳定杆、触发记忆合金弹簧、第二挂钩组成，前臂一端固定于机身腰肋下端并连接蓄能记忆合金弹簧，另一端连接蓄能扭簧，蓄能扭簧的另一端与后臂连接，后臂尾部连接触发扭簧底部，触发扭簧顶部安装第二挂钩，第二挂钩另一端与触发记忆合金弹簧相连，触发记忆合金弹簧另一端连接在稳定杆中部，稳定杆中部固定于后臂末端且与后臂垂直，蓄能记忆合金弹簧的另一端连接第一挂钩。

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