CN105947196B - 一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，由主躯干、翅膀组件、微控制系统、供电系统组成。主躯干由前至后安装有伺服电机支架、后翅连接铰链、控制器连接支架与电池连接支架。分别用来安装翅膀组件的伺服电机、后翅以及微控制系统与供电系统。翅膀组件包括左翅膀组件和右翅膀组件,结构和尺寸参数相同，通过其中的伺服电机对称安装于主躯干左右两侧，通过伺服电机控制仿生蝴蝶飞行器左翅和右翅的扑打动作来产生升力及推力。本发明仿生蝴蝶实现了双翅双驱动的无舵面飞行器控制，独立控制两边翅膀的扑打频率、幅度以及始末相位，从而使蝴蝶高效稳定完成俯仰、偏航等动作，实现仿生飞行器的自主飞行。

Description

一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器

技术领域

本发明涉及一种仿生机器人及扑翼飞行器，属航空技术领域。具体来说，是一种模仿自然界中翼身比较大昆虫——鳞翅目蝴蝶外形及运动机理，通过双翼独立驱动飞行的新型仿生蝴蝶飞行器。

背景技术

人类生产实践中的不断应用使得仿生飞行器的发展逐渐向模拟鸟类或者模拟昆虫两个方向。

模拟鸟类飞行主要集中在大功率扑翼飞行器的研制上。其特点是：1.机翼主动运动；2.靠机翼拍打空气的反力作为升力及推进力；3.通过机翼扑打及尾舵偏转进行机动飞行。扑翼飞行器的优点有：机械效率高于固定翼飞机；动力系统和控制系统合为一体；无需跑道垂直起落，因此扑翼飞行器有很好的应用前景。由于扑翼空气动力学还未成熟，无法指导飞行器工程设计，难于高速化、大型化，对材料有特殊要求(质量轻，强度大)，且结构复杂，尽管Tod Reichert研制的SnowBird和FESTO公司的smartbird等扑翼飞行器取得了较大的成功，但是距离获得完善的扑翼机理论和高可靠性的扑翼飞行器结构还有很大距离。

模拟昆虫飞行的微型飞行器(Micro Aerial Vehicle，MAV)装有微型电动机作为驱动器，采用锂电池提供能源。MAV以MEMS(微电子机械系统)为基础，拥有对信息获取、传递和处理等设备。MAV的特点是：体积小而轻、携带方便、操作简单，便于单兵使用；制造成本低；扑翼推进噪声小隐蔽性好，机动灵活便于战场隐蔽侦察等，能够完成对生物或者化学武器战场以及有毒地区执行监测、侦察等非常规性任务。因此无论在军事领域还是在民用领域，都有十分诱人的应用前景，成为当今世界的研究热点。

目前对于以上两类扑翼飞行器的研究主要集中在理论分析上，且以扑翼鸟、蜻蜓和蜜蜂为主，对于蝴蝶的理论研究和结构设计都存在较大空缺，尽管FESTO公司的emotionbutterfly和以色列航空工业公司的机械蝴蝶都实现了基本飞行，但对于蝴蝶飞行机理和飞行器性能优化的研究仍不足。与国外相比，国内目前没有相关仿生蝴蝶的飞行器实物成果。本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器填补了国内这一空白。

发明内容

本发明以巴西大蓝闪蝶为仿生学原型，通过对大蓝闪碟进行大量的生物学结构分析、运动学规律观察，依据相似设计原理等比例放大，得到与实际蝴蝶生理结构相似的仿生蝴蝶关键参数和相应的几何模型，进而完成具体机械结构设计。

本发明双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，包括主躯干、翅膀组件、微控制系统与供电系统。翅膀组件包括左翅膀组件和右翅膀组件，分别通过伺服电机支架安装于主躯干的左右两侧。

所述主躯干上由前至后依次固定安装伺服电机支架、后翅连接铰链、控制器连接支架与电池连接支架。

所述翅膀组件中，左翅膀组件和右翅膀组件外形为仿蝴蝶左翅膀与右翅膀外形，结构与尺寸参数相同，包括前翅、后翅与翅膜。前翅与后翅具有由翅脉构成的骨架结构，骨架结构上铺设有翅膜；且前翅具有主驱动杆，通过伺服电机驱动主驱动杆摆动，带动前翅扑动，后翅随动。左翅膀组件与右翅膀组件中的伺服电机分别安装在伺服电机支架左侧与右侧设计的电机安装位上，后翅的翅脉通过后翅连接铰链左侧与右侧设计的铰接孔铰接。由此，通过伺服电机控制仿生蝴蝶飞行器左翅和右翅的扑打动作来产生升力及推力。

所述微控制系统安装在控制器连接支架上，用于向翅膀组件中的伺服电机发送控制指令，并实时接收仿生蝴蝶飞行器的姿态及航迹。所述供电系统安装在电池连接支架上，用于为仿生蝴蝶飞行器供电。

本发明双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，实现了双翅双驱动的无舵面飞行器控制，通过控制系统独立控制两边翅膀的扑打频率、幅度以及始末相位，从而使蝴蝶高效稳定完成俯仰、偏航等动作，实现仿生飞行器的自主飞行。

本发明的优点在于：

1、本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，设计了翼展是80cm，长度为38cm，整机重量为40g左右的轻盈紧凑结构，仿生效果明显，在自然环境飞行时具有低速高机动性的特点，且隐蔽性较高，拥有一定军事侦察能力；

2、本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，分析了自然界蝴蝶飞行的空气动力学模型，将蝴蝶飞行中前后翅的扑打简化为左右双翅2自由度上下扑打模型，伺服电机直接驱动主驱动杆带动前翅完成扑打运动，同时通过翅根连接件及后翅连接铰链将伺服电机输出的旋转扭矩传递给后翅，使前后翅伴随上下扑打，实现了和真实蝴蝶极其相似的飞行运动模式；

3、本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，左右翅膀组件均设计了铺设有翅膜的柔性前翅和后翅，翅膀在扑打过程中，由于前后翅翅脉的设计分布不同使得前后翅结构的柔性存在差异，同步上下扑打时在空气阻力作用下产生的翅膀变形量也不相同，进而使前翅后缘与后翅前缘扑打时产生增升涡流，这对蝴蝶产生升力和推力有着至关重要的作用；

4、本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，每一个仿生蝴蝶都能通过微控制系统独立控制，同时通过能够独立控制的双翅来调整飞行姿态，按照预先编程的路径或指令飞行；

5、本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，左右翅膀中提高翅膀硬度的结构采用0.8mm碳纤维杆仿照自然蝴蝶翅脉分布设计并优化，使飞行器双翅在保证足够的有效气动面积的前提下，可以产生一定的被动变形，从而提高了推进力产生效率，最高平飞速度可达到1.5m/s；

6、本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，没有可以操纵偏航、俯仰的尾舵，仅靠一对翅膀上扑及下扑过程中受到的空气阻力之差产生飞行所需的升力，使机身伴随产生俯仰变化以获得飞行过程中机体的平衡，通过翅膀在空气中上扑时的被动变形产生推进力，动作模式简洁、轻盈，与真实蝴蝶几乎完全相同；

7、本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，以蝴蝶为灵感设计的仿生飞行机器人，仿生蝴蝶比其他现有的模拟昆虫的仿生飞行器美观、精致，可观赏性极强。

附图说明

图1为本发明双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器整体结构示意图；

图2为本发明双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器中主躯干结构示意图；

图3为主躯干中伺服电机支架结构示意图；

图4为主躯干中后翅连接铰链结构示意图；

图5为主躯干中控制器连接支架结构示意图；

图6为主躯干中电池连接支架结构示意图；

图7为本发明双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器中翅膀组件结构示意图；

图8为翅膀组件中翅根连接件结构示意图。

图中：

1-主躯干 2-翅膀组件 3-微控制系统

4-供电系统 101-主杆 102-伺服电机支架

102a-电机支架安装孔 102b-伺服电机安装孔 103-后翅连接铰链

103a-铰链安装孔 103b-后翅连接孔 103c-减重孔

104-控制器连接支架 104a-控制器支架安装孔 104b-控制器安装位

105-电池连接支架 105a-电池支架安装孔 105b-卡头

201-伺服电机 202-电机摇臂 203-翅根连接件

204-主驱动杆 205-前翅 206-后翅

207-翅膜 203a-通孔 203b-第一盲孔

203c-第二盲孔 203d-第三盲孔 203e-第四盲孔

203f-第五盲孔 205a-前翅前缘翅脉 205b-前翅侧部翅脉

205c-加固翅脉 205d-前翅翅脉连接件 206a-后翅翅脉

206b-后翅翅脉连接件 206c-后翅加固翅脉

具体实施方案

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，采用组件化设计，包括1、翅膀组件2、微控制系统3、供电系统4，如图1、图2所示。其中,翅膀组件2包括左翅膀组件和右翅膀组件，分别通过伺服电机支架安装于主躯干1的左右两侧，且镜像对称。

所述主躯干1包括主杆101、伺服电机支架102、后翅连接铰链103、控制器连接支架104与电池连接支架105，如图2所示。其中，主杆101采用截面为2mm边长正方形的空心碳纤维杆，长度为260mm。伺服电机支架102为PLA塑料结构件，如图3所示；伺服电机支架102中心开有与主杆101截面匹配的电机支架安装孔102a，通过电机支架安装孔102a将伺服电机支架102套在主杆101前端紧配合固定。上述伺服电机支架102左右两侧的上下对称位置均沿主杆101轴向设计有伺服电机安装孔102b，分别用来固定左翅膀组件、右翅膀组件中的伺服电机。后翅连接铰链103为PLA塑料结构件，呈一字形，如图4所示；后翅连接铰链103中心位置设计有与主杆101截面匹配的铰链安装孔103a，通过铰链安装孔103a将后翅连接铰链103套在主杆101前部紧配合固定，固定位置靠近主杆101中心位置。后翅连接铰链103两端设计有后翅连接孔103b，分别用来连接左翅膀组件与右翅膀组件中的后翅。上述铰链安装孔103a与两个后翅连接孔103b间还设计有减重孔103c。控制器连接支架104为两个，均为PLA塑料结构件，如图5所示，一端设计有与主杆101截面匹配的控制器支架安装孔104a，通过控制器支架安装孔104a将两个控制器连接支架104套在主杆101后部紧配合固定。两个控制器连接支架104底部具有控制器安装位104b，用来固定微控制系统3。电池连接支架105为两个，均为ABS塑料结构件，呈倒写U形，如图6所示；电池连接支架105上部设计有与主杆101截面匹配的电池支架安装孔105a，通过电池支架安装孔105a将两个电池连接支架105套在主杆101末端紧配合固定。上述两个电池连接支架105的U型结构内部用来放置供电系统4，并通过在电池连接支架105两端朝内向设计有卡头105b，将供电系统4卡紧固定。上述伺服电机支架102、后翅连接铰链103、控制器连接支架104与电池连接支架105在主躯干1轴向上位置可调，进而使翅膀组件2、微控制系统3、供电系统4位置可调，可根据本发明仿生蝴蝶飞行器的翅膀组件2扑打受到的气动力和自身重力等综合因素进行调节。

所述翅膀组件2中，左翅膀组件和右翅膀组件外形为仿蝴蝶左翅膀与右翅膀外形，结构与尺寸参数相同，包括伺服电机201、电机摇臂202、翅根连接件203、主驱动杆204、前翅205、后翅206与翅膜207，如图7所述。其中，电机摇臂202与伺服电机201输出轴垂直设置，电机摇臂202的输入端通过齿啮合安装在伺服电机输出轴上，且通过螺钉旋入伺服电机201的输出轴轴心孔将电机摇臂202与伺服电机201的输出轴紧固；本发明中伺服电机201采用超微型超轻金属壳、金属齿高压舵机，型号为D0474HT 2S HV。主驱动杆204为直径1.5mm、长度350mm的实心碳纤维杆；主驱动杆204的输入端插入电机摇臂202的输出端端面上设计的与电机摇臂202对称轴同轴的1.8mm主驱动杆安装孔内固定；伺服电机201输出的动力，经电机摇臂202传递至主驱动杆204，由主驱动杆204驱动前翅205与后翅207的扑打运动。上述主驱动杆204的输入端处还套有翅根连接件203，如图8所示，翅根连接件203采用顶面为弧面，底面为平面的截面似扇形结构，厚度为2.0mm；翅根连接件203上开有贯通顶面与底面的直径2.0mm通孔203a，通过该通孔将翅根连接件203套在主驱动杆204上紧配合固定，且确保翅根连接件203的底面紧贴电机摇臂202的输出端。翅根连接件203的顶面上位于通孔203a的一侧设计有1个1.5mm的第一盲孔203b，另一侧依次设计有4个1.2mm的第二盲孔203c、第三盲孔203d、第四盲孔203e与第五盲孔203f。

所述前翅205包括前翅前缘翅脉205a、前翅侧部翅脉205b、前翅加固翅脉205c与3个前翅翅脉连接件，并令3个前翅翅脉连接件分别为第一前翅翅脉连接件205d、第二前翅翅脉连接件205e与第三前翅翅脉连接件205f，且第一前翅翅脉连接件205c、第二前翅翅脉连接件205d均为T型结构，第三前翅翅脉连接件205e为X型结构。其中，前翅前缘翅脉205a一端插入翅根连接件203上的第一盲孔203b紧配合固定，另一端穿过第一前翅翅脉连接件205c中贯通相对两端的通孔，在靠近第一前翅翅脉连接件205c处进行弧形弯折，随后穿入第二前翅翅脉连接件205d中贯通相对两端的通孔，并最终插入第三前翅翅脉连接件205e中A、B、C、D四端中A端设计的盲孔；上述第二前翅翅脉连接件205d的另一端紧配合固定于主驱动杆204的输出端，且靠近前翅前缘翅脉205a的弯折处。前翅侧部翅脉205b一端插入第一前翅翅脉连接件另一端设计的盲孔中紧配合固定，另一端穿过第三前翅翅脉连接件205e中贯通相对的C端与D端通孔后悬置。前翅加固翅脉205c一端插入翅根连接件203上的第二盲孔203c内紧配合固定，另一端插入第三前翅翅脉连接件205e中B端设计盲孔内紧配合固定。上述前翅前缘翅脉205a、前翅侧部翅脉205b与各个前翅翅脉连接件间均为紧配合固定。由此构成前翅205的骨架结构。

所述后翅206包括后翅翅脉206a、后翅翅脉连接件206b与后翅加固翅脉206c。其中，后翅翅脉206a一端插入翅根连接件203中第三盲孔203d内紧配合固定，另一端穿过后翅翅脉连接件206b中贯通相对两端的通孔后，插入翅根连接件203中第五盲孔203f。上述第二翅脉经两次弧形弯折后成形，且后翅翅脉连接件206b位于两个弯折处之间。后翅加固翅脉206c一端插入翅根连接件203中第四盲孔203e内紧配合固定，另一端插入后翅翅脉连接件206b另一端设计的盲孔内紧配合固定。由此构成后翅206的骨架结构。上述前翅205与后翅206中的翅脉均采用0.8mm实心碳纤维杆。

所述翅膜207采用TPU高弹性薄膜，为仿蝴蝶前翅与后翅形状，铺设在上述前翅205与后翅206的骨架结构，且使前翅205后缘处的翅膜207与后翅206前缘具有部分重叠，由于前后翅翅脉的设计分布不同使得前后翅结构的柔性存在差异，由此飞行器两侧翅膀扑打过程中，上扑时在空气阻力作用下前翅205后缘在后翅206前缘的下方，飞行器上方气流从前后翅重叠处的缝隙中漏出，下扑时在空气阻力作用下前翅205后缘在后翅206前缘的上方，飞行器下方气流从前后翅重叠处的缝隙中高速挤出，因此产生了有助于飞行器飞行的增升涡流，至此形成仿蝴蝶的翅膀结构。

上述结构的左翅膀组件与右翅膀组件中，伺服电机201通过螺栓分别与主躯干1中伺服电机支架102左侧与右侧的伺服电机安装孔102b配合，将伺服电机201固定于伺服电机支架102上，且使伺服电机201的输出轴朝向支杆末端,同时左翅膀组件与右翅膀组件中伺服电机201的输出轴与机体纵轴线均成10°，该角度决定了两个翅膀组件2的前掠角度。同时，将后翅翅脉206中靠近主躯干侧的一段分别与后翅连接铰链103上的两个后翅安装孔103b铰接，最终形成仿生蝴蝶飞行器。

上述仿生蝴蝶飞行器，设计翼展为80cm，长度为35cm，整机重量为40g。通过两个伺服电机201输出扭矩直接驱动左翅膀组件与右翅膀组件中的主驱动杆204上下摆动，带动翅根连接件203摆动，进而带动与翅根连接件203相连的全部翅脉一起作动，使前翅205与后翅206同时输出上下扑打动作。

本发明中微控制系统3为长30mm、宽20mm、厚1.2mm的PCB印刷电路，集成有1个IMU(Inertial Measurement Unit)包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺、1个ZigBee超低功耗无线通讯模块，用来及时反馈当前蝴蝶姿态及航迹，通过调整双翅扑打规律，保证蝴蝶飞行的稳定性。左翅膀组件与右翅膀组件中的伺服电机201通过6根0.2mm导线与微控制系统3输出控制的焊盘焊接相连；通过螺钉与2个控制器连接支架相连，其位置可调，便于测试中调节飞行器重心。通过ZigBee超低功耗无线通讯模块微控制系统3输出不同的控制指令独立驱动左翅膀组件与右翅膀组件中的伺服电机201，进而控制本发明仿生蝴蝶飞行器的左翅膀与右翅膀，通过改变左右翅膀的扑打频率以及始末相位，使仿生蝴蝶飞行器高效稳定完成俯仰、偏航等动作，实现仿生蝴蝶飞行器的自主飞行。

本发明中供电系统4包括电池与稳压电路。电池采用2块120mAh的锂聚合物电池；2块120mAh的锂聚合物电池串联。电池与稳压模块间，以及稳压模块与微控制系统3间均通过0.2mm银制漆包线相连，通过稳压模块将锂电池输出的7V至7.6V电压分别稳定到伺服电机201所需要的7.4V电压及IMU及ZigBee模块所需要的3.3V。

本发明仿生蝴蝶飞行器通过俯仰姿态、推进效率的实验测试，获得最为高效的运动模式，即以每秒1-2次的频率扑打翅膀，开始扑打的位置是与主躯干1所在水平面夹角为60°的位置，下扑到夹角为-10°的位置，再上扑，以此形式上下扑打，经过实验测算，本发明仿生蝴蝶飞行器的最高速度可达到1.5m/s,飞行3-4分钟，供电系统4的电池需要充20分钟电。

Claims (2)

1.一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，其特征在于：包括主躯干、翅膀组件、微控制系统与供电系统；翅膀组件包括左翅膀组件和右翅膀组件，分别通过伺服电机支架安装于主躯干的左右两侧；

所述主躯干上由前至后依次固定安装伺服电机支架、后翅连接铰链、控制器连接支架与电池连接支架；

所述翅膀组件中，左翅膀组件和右翅膀组件外形为仿蝴蝶左翅膀与右翅膀外形，结构与尺寸参数相同，包括伺服电机、电机摇臂、翅根连接件、主驱动杆、前翅、后翅与翅膜；其中，电机摇臂与伺服电机输出轴垂直设置，电机摇臂的输入端通过齿啮合安装在伺服电机输出轴上，且通过螺钉旋入伺服电机的输出轴轴心孔将电机摇臂与伺服电机的输出轴紧固；主驱动杆的输入端插入电机摇臂的输出端端面上设计的与电机摇臂对称轴同轴的主驱动杆安装孔内固定；主驱动杆的输入端处还套有翅根连接件，翅根连接件采用顶面为弧面，底面为平面的截面似扇形结构；翅根连接件上开有贯通顶面与底面通孔，通过通孔将翅根连接件套在主驱动杆上紧配合固定，且确保翅根连接件的底面紧贴电机摇臂的输出端；翅根连接件的顶面上位于通孔的一侧设计有第一盲孔，另一侧设计第二盲孔、第三盲孔、第四盲孔与第五盲孔；

所述前翅包括前翅前缘翅脉、前翅侧部翅脉、前翅加固翅脉与3个前翅翅脉连接件，并令3个前翅翅脉连接件分别为第一前翅翅脉连接件、第二前翅翅脉连接件与第三前翅翅脉连接件，且第一前翅翅脉连接件、第二前翅翅脉连接件均为T型结构，第三前翅翅脉连接件为X型结构；其中，前翅前缘翅脉一端插入翅根连接件上的第一盲孔紧配合固定，另一端穿过第一前翅翅脉连接件中贯通相对两端的通孔，在靠近第一前翅翅脉连接件处进行弧形弯折，随后穿入第二前翅翅脉连接件中贯通相对两端的通孔，并最终插入第三前翅翅脉连接件中A、B、C、D四端中A端设计的盲孔；上述第二前翅翅脉连接件的另一端紧配合固定于主驱动杆的输出端，且靠近前翅前缘翅脉的弯折处；前翅侧部翅脉一端插入第一前翅翅脉连接件另一端设计的盲孔中紧配合固定，另一端穿过第三前翅翅脉连接件中贯通相对的C端与D端通孔后悬置；前翅加固翅脉一端插入翅根连接件上的第二盲孔内紧配合固定，另一端插入第三前翅翅脉连接件中B端设计盲孔内紧配合固定；由此构成前翅的骨架结构；

所述后翅包括后翅翅脉、后翅翅脉连接件与后翅加固翅脉；其中，后翅翅脉一端插入翅根连接件中第三盲孔内紧配合固定，另一端穿过后翅翅脉连接件中贯通相对两端的通孔后，插入翅根连接件中第五盲孔；上述后翅翅脉经两次弧形弯折后成形，且后翅翅脉连接件位于两个弯折处之间；后翅加固翅脉一端插入翅根连接件中第四盲孔内紧配合固定，另一端插入后翅翅脉连接件另一端设计的盲孔内紧配合固定；由此构成后翅的骨架结构；所述翅膜铺设在上述前翅与后翅的骨架结构；

上述结构的左翅膀组件与右翅膀组件中，伺服电机通过螺栓分别与主躯干中伺服电机支架左侧与右侧的伺服电机安装孔配合，将伺服电机固定于伺服电机支架上，且使伺服电机的输出轴朝向支架末端,同时左翅膀组件与右翅膀组件中伺服电机的输出轴与机体纵轴线均成10°；同时，将后翅翅脉中靠近主躯干侧的一段分别与后翅连接铰链上的两个后翅安装孔铰接，最终形成仿生蝴蝶飞行器。

2.如权利要求1所述一种双翼独立驱动的新型仿生蝴蝶飞行器，其特征在于：前翅后缘的翅膜与后翅前缘具有重叠部分。