CN106927041A - 一种具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器，属于微型仿生飞行器技术领域。电路集成模块和机体架固定在机身上，电机减速机构和超薄深沟球轴承固定于机体架上，曲柄摇杆机构首尾两端分别固定在螺旋推进机构和机体架上，尾翼固定于机身上；螺旋推进机构安装在超薄深沟球轴承上，扭转机构固定于曲柄摇杆机构的执行末端，扑翼翅膀固定于扭转机构上，升降机构固定于机身尾部。优点在于：整体飞行器由三个电机构成，增加了飞行器的灵活性，有效增加了飞行的推进效率，受外部环境影响较小，同时增加了飞行器的机动性。
Description
技术领域
本发明涉及微型仿生飞行器技术领域，尤其是涉及一种具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器。
背景技术
仿生扑翼飞行器是模仿鸟类和昆虫飞行、基于仿生学原理设计制造的一种新型飞行器。它与固定翼和旋翼飞行器相比，有着不可比拟的优势和特点：如原地或小场地起飞，极好的机动性和一定的空中悬停能力，可以用较少的能量进行长时间飞行。研究发现，当微型飞行器特征尺寸减小到15cm，仅扑翼飞行器能保证优异的飞行能力，同时兼具固定翼和旋翼的优点，这使扑翼飞行器在微型化方面更具优势。此外，扑翼飞行器具备一定的仿生性，可以造成视觉忽略，达到隐形的效果。研究扑翼微型飞行器的目标是提高其自身的稳定性和灵活性，尽可能地缩小微型扑翼飞行器的尺寸，以适应未来军事中多任务作战的目的。
随着微机电技术(MEMS)的发展，扑翼飞行器逐渐成为人们研究的热点，以美国为首的麻省理工学院、哈佛大学、佐治亚理工学院、加州大学伯克利分校，荷兰代尔夫特大学，德国的费斯托公司，日本千叶大学，新加坡国立大学以及国内的南航、西北工大、北航等在气动机理、飞行动作路径规划、能源效率利用和驱动机构效率方面均取得了一定的成果。较为有代表意义的：美国国防先进预研局(DARPA)资助下的蜂鸟，被列为2011年全球50大发明之一；美国哈佛的电子蝇成功列入《SCIENCE》杂志期刊；德国发明的仿生智能鸟(SmartBird)、仿生蜻蜓也成功的在汉诺威工业博览会上展出，被认为是工业革命4.0时代下的新型产物；国内昂海松为代表发明的仿鸟类扑翼飞行器也极大地引起了人们广泛关注，推进我国扑翼飞行器的发展。
经过对现有技术文献检索发现：专利US 20160159477，名称为Resonance MotorDirect Drive Flapping Wing Micro Air Vehicle System(共振式电机直驱扑翼微型飞行器系统)，以两个电机直接为驱动源驱动一对翅膀的扑翼动作，该机构具有传递效率较高、驱动灵活等特点；专利CN 102887224A，名称为昆虫仿真扑翼飞行器，该飞行器可以进行多种动作路径扑动，飞行机动性较强。对于现有的扑翼飞行器机构多为一维空间下单纯扑动，存在飞行模式较为固化，飞行不稳定等问题；在三维空间下设计的扑动机构，虽然飞行较为灵活，但难以完全模仿扑翼生物的飞行，多数机构其推进效率和飞行灵活性不能兼得，因此需要在推进效率和扑翼灵活性方面进行更深一步的探索研究。本发明设计主要针对以上两方面进行设计，在推进效率方面，巧妙地利用机构自身的耦合性，将齿轮传动内部设计成螺旋桨叶的形状，在机构传动的过程中，不额外的增加动力源的情况下，利用自身桨叶的旋转产生推力；在飞行灵活性方面，在现有曲柄摇杆机构的设计基础上增加了一组齿轮，使整体的扑动动作由一维空间变换为三维空间，使之具有更高的气动效率；综上所述，该机构的飞行灵活，推进效率较高，方便设计制造，实用性更强。
发明内容
本发明提供一种具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器，为目前扑翼飞行器关于推进装置和新型机构设计提供了一种新的思路，增加飞行灵活性的同时也提高了推进效率。
本发明是通过以下技术方案实现的，电路集成模块和机体架固定在机身上，电机减速机构和超薄深沟球轴承固定于机体架上，曲柄摇杆机构首尾两端分别固定在螺旋推进机构和机体架上，尾翼固定于机身上；螺旋推进机构安装在超薄深沟球轴承上，扭转机构固定于曲柄摇杆机构的执行末端，扑翼翅膀固定于扭转机构上，升降机构固定于机身尾部；
所述扭转机构的结构是：机体架上粘接有机架固定齿轮，机架固定齿轮啮合有摆动齿轮，摆动齿轮的轴向上固定有扑翼翅膀，扑翼翅膀轴接于曲柄摇杆机构的末端，轴肩挡圈固定在扑翼翅膀上，曲柄摇杆机构末端绕微型轴销往复转动；
所述升降机构的结构是：直线驱动装置固定于电路集成模块上，控制杆的两端分别轴接于升降舵和直线驱动装置，升降舵的尾端轴接于机身尾部的风口处；
所述螺旋推进机构的结构是：顺向螺旋桨叶齿轮和逆向螺旋桨叶齿轮的两个叶片结构旋向相反。
本发明的优点在于：整体飞行器由三个电机构成，其中两个直流电机分别驱动左右扑翼提供推升力，左右扑翼的结构相同，且每个结构均可实现扑翼的复合动作，增加了飞行器的灵活性；在不增加额外动力源的基础上，将传动齿轮的内部设计成螺旋桨叶的形状，不仅较好利用了机构的耦合特性，而且有效增加了飞行的推进效率；此外机身内部做成流体形状，可平稳地导出气流，增加机体的稳定性；机身的尾部装有升降舵面，利用机身内部风流可快速地改变扑翼飞行器的升降，受外部环境影响较小，同时增加了飞行器的机动性。
本发明以扑翼飞行器驱动机构和推进方式为主要研究内容，针对扑翼飞行器在飞行时的动作路径轨迹，根据仿生学原理，设计出的一种可扭转的扑动翅翼及具有高推进效率的扑翼机构，通过这样的发明可以使飞行效率更高，机动性更强。已有研究表明，扑翼飞行器翅翼在扭转扑动时比单纯上下扑动具有更高的气动效率。本发明基于该原则进行设计，在以曲柄摇杆机构为基础机构上，增加了一对齿轮机构，实现扭转运动新型传动机构；在此基础上，将齿轮传动内部设计成螺旋桨叶的形状，较好的利用了机构的耦合性，产生更大的推力。通过两者的配合，实现扑翼飞行器的高效飞行。
附图说明
图1为本发明的总体结构轴测图；
图2为本发明的传动装置机构简图；
图3为本发明的螺旋桨叶齿轮结构示意图；
图4为本发明的扭转机构局部示意图；
图5为本发明的总体机构侧视图；
图6为本发明的电路集成模块示意图正面；
图7为本发明的电路集成模块示意图反面；
图中：1、电路集成模块，101、锂电池，102、直流电机接口，103、电机驱动模块，104、电路固定板，105、中央处理模块及无线模块，106、三轴陀螺仪，2、机体架，3、螺旋推进机构，301、顺向螺旋桨叶齿轮，302、逆向螺旋桨叶齿轮，4、超薄深沟球轴承，5、曲柄摇杆机构，6、扭转机构，601、摆动齿轮，602、机架固定齿轮，603、轴肩挡圈，604、微型轴销，7、扑翼翅膀，8、电机减速机构，801、左扑翼电机，802、输入齿轮，9、机身，10、升降机构，1001、升降舵，1002、控制杆，1003、直线驱动装置，11、尾翼。
具体实施方式
电路集成模块1和机体架2固定在机身9上，电机减速机构8和超薄深沟球轴承4固定于机体架2上，曲柄摇杆机构5首尾两端分别固定在螺旋推进机构3和机体架2上，尾翼11固定于机身9上；螺旋推进机构3安装在超薄深沟球轴承4上，扭转机构6固定于曲柄摇杆机构5的执行末端，扑翼翅膀7固定于扭转机构6上，升降机构10固定于机身9尾部；
所述扭转机构6的结构是：机体架2上粘接有机架固定齿轮602，机架固定齿轮602啮合有摆动齿轮601，摆动齿轮601的轴向上固定有扑翼翅膀7，扑翼翅膀7轴接于曲柄摇杆机构5的末端，轴肩挡圈603固定在扑翼翅膀7上，曲柄摇杆机构5末端绕微型轴销604往复转动；
所述升降机构10的结构是：直线驱动装置1003固定于电路集成模块1上，控制杆1002的两端分别轴接于升降舵1001和直线驱动装置1003，升降舵1001的尾端轴接于机身9尾部的风口处；
所述螺旋推进机构3的结构是：顺向螺旋桨叶齿轮301和逆向螺旋桨叶齿轮302的两个叶片结构旋向相反。
所述的机体架，它是连接电机、传动机构和机身的重要连接组件，为整台微型扑翼飞行器提供了一个整体框架；
所述的螺旋推进机构，它由两个叶片旋向相反的桨叶齿轮构成，齿轮由两个直流电机分别驱动，其中两个电机的转向相反，这是为了保证桨叶产生向后的推力，螺旋桨叶风速的大小取决于叶片的曲率和转速，整个机构的转向是由扑翼作用力和螺旋桨叶的推力共同作用产生，灵活性较大；
所述的机身，它的作用一方面是为了平衡整个机体结构，更重要的是机身内部可以对螺旋桨叶产生的风速进行导流，稳定整个飞行器的平衡作用；
所述的尾部升降机构，它的升降舵用于控制风速的流向，调节风速的升降是通过改变螺旋桨叶产生的风速进行控制，与通过外部产生气动力控制转向的作用原理不同，好处是该机构受外部环境影响较小，通过自身产生的风速来调节升降，机动性较强；
所述的扭转机构，它是由锥形构成，一个齿轮固定于机体架上，摆动齿轮轴接于曲柄摇杆机构的执行末端，其中扑翼扭转角的大小与该组齿轮的传动比有关，最终通过曲柄摇杆机构和锥形齿轮的复合运动，完成三维空间的扑动动作。
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器，包括：电路集成模块1、机体架2、螺旋推进机构3、超薄深沟球轴承4、曲柄摇杆机构5、扭转机构6、扑翼翅膀7、电机减速机构8、机身9、升降机构10和尾翼11。其连接关系表示如下：电路集成模块1和机体架2固定在机身9上，电机减速机构8和超薄深沟球轴承4固定于机体架2上，螺旋推进机构3固定于超薄深沟球轴承4上，曲柄摇杆机构5两端首尾两端分别固定于螺旋推进机构3和机体架2上，扑翼翅膀7固定于扭转机构6上，扭转机构6固定于曲柄摇杆机构5的执行末端，升降机构10和尾翼11固定于机身9尾部。
在电路控制方面如图6和图7所示，电源采用3.7V锂电池101供电，直流电机接口102连接两个扑翼电机，其速度由电机驱动模块103进行调节，通过调节电机的快慢实现扑翼系统的转向，对于系统的升降是由直线驱动装置1003来控制，中央处理模块及无线模块105用于接收指令并控制三个电机的不同转速，此外三轴陀螺仪106对飞行器的整体状态进行自动控制，即扑翼飞行器在自主航行状态下，自动给中央处理模块105发送指令，使机体能保持原来的飞行状态。
该系统的扑翼传动装置机构简图如图2所示，由于左右扑翼结构完全对称，因此在本实施例中先讨论单侧扑翼运动情况，然后说明总体扑翼动作方式。首先锂电池101给电路模块1供电，通过遥控器发送指令，左扑翼电机801开始转动，随后输入齿轮802带动右旋螺旋桨叶齿轮302转动，一方面齿轮的转动使螺旋桨叶产生向后的推力，如图3所示，两个齿轮的旋向结构相反，为了平衡转动力矩同时产生向后的推力，右扑翼电机转速需要保持相反的转向；另一方面将转动传递到曲柄摇杆机构5中，此过程实现基本的扑翼动作；该扑翼飞行器的转向主要通过控制左右扑翼电机的差速来实现，即一侧电机转速相对较快，在内部螺旋桨叶转速较快产生推力较大，同时在外部扑翼频率较快，产生推升力较大，内外部共同作用使得该扑翼飞行器机动性更加灵活。
如图4所示，曲柄摇杆机构末端绕微型轴销604做往复摆动，其中机架固定齿轮602固定于机体架2上，摆动齿轮601轴接于曲柄摇杆机构5的执行末端，为了防止其轴向移动，用轴肩挡圈603固定于扑翼翅膀7的根部；通过曲柄摇杆机构5的往复摆动转化为扑翼翅膀7上下的扑动，通过锥形齿轮的啮合运动转化为扑翼翅膀7的扭转运动，最终实现扑翼的复合运动。
如图5所示为总体机构侧视图，升降机构10来控制机身内风速的方向，首先调节直线驱动装置1003，通过控制杆1002使升降舵1001绕着机身尾部轴转动，通过阻挡部分气流控制气流的整体流向，最终实现飞行器整体升降的控制动作。
Claims (4)
1.一种具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器，电路集成模块和机体架固定在机身上，电机减速机构和超薄深沟球轴承固定于机体架上，曲柄摇杆机构首尾两端分别固定在螺旋推进机构和机体架上，尾翼固定于机身上；其特征在于：螺旋推进机构安装在超薄深沟球轴承上，扭转机构固定于曲柄摇杆机构的执行末端，扑翼翅膀固定于扭转机构上，升降机构固定于机身尾部。
2.根据权利要求1所述的具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器，其特征在于：所述扭转机构的结构是：机体架上粘接有机架固定齿轮，机架固定齿轮啮合有摆动齿轮，摆动齿轮的轴向上固定有扑翼翅膀，扑翼翅膀轴接于曲柄摇杆机构的末端，轴肩挡圈固定在扑翼翅膀上，曲柄摇杆机构末端绕微型轴销往复转动。
3.根据权利要求1所述的具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器，其特征在于：所述升降机构的结构是：直线驱动装置固定于电路集成模块上，控制杆的两端分别轴接于升降舵和直线驱动装置，升降舵的尾端轴接于机身尾部的风口处。
4.根据权利要求1所述的具有高推进效率的多自由度扑翼微型飞行器，特征在于：所述螺旋推进机构的顺向螺旋桨叶齿轮和逆向螺旋桨叶齿轮的两个叶片结构旋向相反。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20170703 Address after: 130000 Changchun Qianjin Street, Jilin, No. 2699 Applicant after: Pan Shengli Address before: 130000 Changchun Qianjin Street, Jilin, No. 2699 Applicant before: Jilin University |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170707 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |