CN107472528B - 一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置与飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置及方法，包括扑翼、扭转机构和扭转控制机构，所述的扭转机构包括固定侧和施力侧，所述的施力侧连接扑翼，所述的固定侧连接扭转控制机构，其中，扑翼拍动时，连接扭转控制机构的扭转机构固定侧扭臂保持不动，而连接扑翼的扭转机构施力侧扭臂随着扑翼的运动偏离平衡位置；所述的扭转控制机构的偏转能够带动扭转机构整体转过一定角度；借助一套装置实现对攻角的控制，可有效解决现有扑翼飞行器扑翼拍动攻角和飞行姿态控制借助多套机构实现而导致的飞行器重量增加、复杂性提高的问题；设计简单，可采用多种方式实现控制。

Description

一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置与飞行控制方法

技术领域

本发明设计飞行器领域，具体来说，是一种攻角被动翻转的拍动扑翼与飞行控制方法。

背景技术

微型飞行器是20世纪90年代中期发展起来的一种新型飞行器。近二十年来，随着传统飞行器设计技术的不断提高，微电子技术的飞速发展以及人们对动物飞行和游动机理的不断探索和深入了解，这些原理和技术正在应用于迅速发展起来的微型飞行器设计领域。微型飞行器体积小，重量轻，具有良好的隐蔽性和机动性，适于在较小的空间范围内飞行，并可在某些恶劣环境条件下完成侦察、通讯、勘探、协助救援等任务，在国家安全和国民经济建设等方面具有广泛的应用前景，在世界范围内引起广泛的关注。

在现有的设计中，扑翼拍动攻角的改变和飞行器的控制需要借助多套特定的机构才能实现，这无疑增加了飞行器的重量，也增加了控制系统的复杂程度。而实际上昆虫等生物，它们仅仅通过控制一对翅膀，就能够灵活机动地飞行，完成悬停、跃升、急停、加速、转弯等一系列动作。从仿生的角度出发，如果可以借鉴昆虫翅的结构和功能，那么只需要一套简单的装置，就可以实现扑翼拍动攻角的改变，进而达到飞行姿态控制的目标。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有扑翼飞行器扑翼拍动攻角和飞行姿态控制需要借助复杂机构来实现而导致的飞行器重量增加、复杂性提高的问题，提出了一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计，实现扑翼拍动过程中攻角的被动变化，通过操纵扑翼根部所受弹性力，进而改变扑翼所受气动力和弹性力平衡时翼面与水平面的夹角，产生用于操纵飞行器俯仰和偏航姿态的力矩，实现姿态控制。

本发明完整的技术方案包括：

一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置，包括扑翼、扭转机构和偏转机构，所述的扭转机构包括固定侧和施力侧，所述的施力侧连接扑翼，所述的固定侧连接偏转机构，其中，扑翼拍动时，连接偏转机构的扭转机构固定侧扭臂保持不动，而连接扑翼的扭转机构施力侧扭臂随着扑翼的运动偏离平衡位置；所述的偏转机构的偏转能够带动扭转机构整体转过一定角度；所述攻角为拍动平面与翼面之间的夹角。

所述的扭转机构为扭转弹簧，所述的扭转弹簧的扭转方向为相对于其轴线垂直的方向；

所述的偏转机构为电磁舵，所述的电磁舵包括摇臂，所述的摇臂的偏转方向与扭转弹簧轴线方向垂直。

所述的扑翼具体结构为：包括主梁、短梁、斜梁、翼膜以及连接套筒；主梁、短梁、斜梁共面，斜梁位于主梁与短梁之间，短梁根部和斜梁根部固连于主梁的根部处，且连接点位于主梁长度的10％处；翼膜粘在主梁、短梁及斜梁所构成的平面或曲面上，所述套筒连接扑翼和扭转弹簧的施力侧扭臂。

优选的，斜梁与主梁夹角在30°至60°之间；

优选的，短梁与主梁垂直；

优选的，主梁根部长度的10％是主梁的外伸段；

优选的，连接套筒是一个圆柱短管，内径等于扑翼主梁直径，外径等于扭转弹簧内径，并且其中一侧带有外伸的连接耳片。连接套筒的轴线与主梁的轴线重合，主梁插入连接套筒中，二者通过粘连成为一个整体，扭转弹簧施力侧扭臂插入外伸的连接耳片中并粘连为一个整体。扭转弹簧套在连接套筒的外侧并粘连固定。

优选的，主梁、短梁及斜梁采用碳纤维杆制作，翼膜采用聚乙烯薄膜制作，连接套筒采用树脂材料制作。

扭转弹簧是扑翼实现被动翻转的关键部件，安装在翼根，扭转弹簧为线径在0.4mm至0.8mm之间，外径2mm左右，有效圈数3-5圈，最大扭转角不小于90°微型扭转弹簧。

所述电磁舵包括摇臂、线圈、磁铁、导线、控制电路板，所述电磁舵的导线通电后，线圈周围产生磁场，磁铁在磁场力的作用下运动，带动摇臂偏转，通过操纵控制电路板，可以改变摇臂偏转的方向和角度。

优选的，摇臂向一侧摆动的最大角度约为30°。

采用拍动扑翼装置进行攻角被动翻转的方法，扑翼拍动时，受到气动力的作用产生绕翼根的气动力矩，使扑翼的攻角发生改变，连接偏转机构的扭转机构固定侧扭臂保持不动，而连接扑翼的扭转机构施力侧扭臂随着扑翼的运动偏离平衡位置；扭转机构施加一个与气动力矩相反的扭矩，气动力矩和扭转机构的弹性力矩相互作用，使攻角不断改变，实现了扑翼的被动翻转；所述攻角为拍动平面与翼面之间的夹角。

偏转机构的偏转能够带动扭转机构整体转过一定角度，扭转机构的静止角发生改变；拍动过程中扑翼与来流的相对位置发生变化，相对速度发生变化，引起气动力和气动力矩的改变。

根据扑翼运动所产生的气动力载荷确定扭转弹簧的最大工作扭矩；

优选的，扭转弹簧工作扭矩最大工作扭矩为扑翼以45度攻角拍动时产生的最大气动力矩的1.5倍-2倍，以此标准选取合适尺寸的扭转弹簧。

本发明中，扭转弹簧控制机构是通过遥控信号改变粘连其上的扭转弹簧偏转角度，实现对扭转弹簧扭转力矩的改变，达到改变扑翼运动时攻角的装置。扭转弹簧控制机构采用电磁舵，也可采用压电片、形状记忆合金等其他形式实现。扭转弹簧控制机构与扭转弹簧固连，安装在翼根跟随扑翼一起拍动，因此该机构的选择必须满足体积小、质量轻、易于控制、可提供足够的动力带动扭转弹簧产生偏转等条件。对于采用电磁舵作为扭转弹簧控制机构的应用实例，微型电磁舵重量在0.4g至0.8g之间，长、宽、高各方向尺寸都不超过20mm。将电磁舵的摇臂与扭转弹簧的固定侧扭臂粘连，摇臂可左右摆动的最大角度约为30°，带动扭转弹簧发生偏转。电磁舵线圈伸出的导线接控制电路板，操纵控制摇臂摆动的方向和角度。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计，使扑翼在拍动过程中的攻角不断发生变化。在此基础上，通过有效改变翼根扭转弹簧的静止角，即扑翼所受气动力和弹性力平衡时翼面与水平面的夹角，在飞行中实现两侧的翼不对称运动，可实现对飞行器的俯仰和偏航姿态的操纵；

(2)本发明一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计，借助一套装置实现对攻角的控制，可有效解决现有扑翼飞行器扑翼拍动攻角和飞行姿态控制借助多套机构实现而导致的飞行器重量增加、复杂性提高的问题；设计简单，可采用多种方式实现控制。

附图说明

图1是本发明一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计一种应用实例的示意图；

图2是本发明一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计一种应用实例的扭转弹簧示意图；

图3是本发明一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计一种应用实例的扭转弹簧控制机构示意图；

图中：1-扑翼，2-扭转弹簧，3-电磁舵，101-主梁，102-短梁，103-斜梁，104-翼膜，105-连接套筒，301-摇臂，302-线圈，303-磁铁，304-导线，305-控制电路板。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计，能够实现拍动过程中扑翼的攻角不断改变，还可有效改变翼根扭转弹簧的静止角，即扑翼所受气动力和弹性力平衡时翼面与水平面的夹角，在飞行中实现两侧翼的不对称运动，进而操纵飞行器的俯仰和偏航姿态；

工作原理具体为：

在拍动过程中，翼的攻角动态变化由气动力和弹性力及翼的惯性力之间的平衡而被动确定，弹性力由安装在翼根的扭转弹簧提供。当扑翼开始拍动后，将受到气动力的作用，产生绕翼根的气动力矩，使翼的攻角发生改变。扭转弹簧固连在翼根随扑翼一起运动，逐渐偏离平衡位置，这时扭转弹簧就会施加一个与气动力矩相反的扭矩，二者相互作用使攻角不断改变。在一个上拍-下拍的周期中，开始后的一段时间攻角会持续偏离初始值，到达峰值时相对初始状态可偏离约50°，这一过程大约占据整个周期的10％至20％；此后攻角开始向初始状态靠拢，临近上拍或下拍结束时略有反复，而后又迅速恢复到初始攻角。这样只依靠自身的结构，而不需要任何外部的人为控制，在实际拍动的过程中，扑翼处于不同位置时就自然具有不同的攻角，实现了被动翻转。

安装在翼根的扭转弹簧，其轴线与扑翼所在平面平行。给定扭转弹簧一个初始状态，此时扑翼的弦线与水平面的夹角为扭转弹簧的静止角。飞行器处于平衡状态时，扭转弹簧的静止角应为90°，即初始时扑翼应与水平面垂直，此时拍动仅产生垂直方向的升力，水平方向的力和俯仰力矩均为零。控制翼根的扭转弹簧整体偏转一个角度，扑翼的弦线与水平面的夹角发生改变，此时扭转弹簧的静止角发生改变，则拍动过程中扑翼与来流的相对位置发生变化，相对速度发生变化，将引起气动力和气动力矩的改变。若扭转弹簧偏转使静止角减小，扑翼拍动产生的升力基本不变，但会贡献低头力矩；反之，若扭转弹簧偏转使静止角增大，扑翼拍动产生的升力基本不变，但会贡献抬头力矩，可改变飞行器的俯仰姿态。若两侧翼的扭转弹簧静止角不对称的变化，即左侧翼的扭转弹簧静止角不等于右侧翼的扭转弹簧静止角，两侧翼的拍动在水平方向产生的力大小不同，将导致偏航力矩的产生，可改变飞行器的偏航姿态，通过适当的控制就可以实现转弯运动。也就是说，改变翼根扭转弹簧的静止角，也就是改变了两侧扑翼在平衡状态的位置，可以在飞行中控制两侧的翼不对称运动，进而达到操纵飞行器的俯仰和偏航姿态的目标。

应用实例：

一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计如图1所示，包括扑翼1、扭转弹簧2和电磁舵3。

扑翼1如图1所示，包括主梁101、短梁102、斜梁103、翼膜104以及连接套筒105。主梁101、短梁102及斜梁103采用碳纤维杆制作，翼膜采用聚乙烯薄膜制作，连接套筒采用树脂材料制作。主梁101、短梁102、斜梁103共面，短梁102与主梁101垂直，斜梁103位于主梁101与短梁102之间，与主梁101夹角在30°至60°之间。短梁102根部和斜梁103根部固连于主梁101的根部处，且该连接点位于主梁101长度的10％处。主梁101根部长度的10％是主梁101的外伸段。翼膜104粘在主梁101和短梁102及斜梁103所构成的平面上。连接套筒105的轴线与主梁101的轴线重合，主梁101插入连接套筒105一侧的孔洞中，二者通过粘连成为一个整体。

扭转弹簧2如图2所示。扭转弹簧2选用线径在0.4mm至0.8mm之间，外径2mm左右，有效圈数3-5圈，最大扭转角不小于90°微型扭转弹簧。根据扑翼运动所产生的气动力载荷确定扭转弹簧的最大工作扭矩保证扭转弹簧工作扭矩最大工作扭矩为扑翼以45度攻角(攻角定义为拍动平面与翼面之间的夹角)拍动时产生的最大气动力矩的1.5倍，以此标准选取合适尺寸的扭转弹簧。扭转弹簧2套在连接套筒105的外侧并将二者进行粘连，施力侧扭臂插入扑翼上连接套筒105外伸的连接耳片中且二者粘连为一个整体，固定侧扭臂粘连在电磁舵的摇臂301上。扑翼1拍动时，受到气动力的作用产生绕翼根的气动力矩，使扑翼1的攻角发生改变。粘连在电磁舵摇臂301上的扭转弹簧固定侧扭臂保持不动，而连接在套筒105上的扭转弹簧施力侧扭臂随着扑翼的运动不断偏离平衡位置，这时扭转弹簧就会施加一个与气动力矩相反的扭矩，气动力矩和弹性力矩相互作用，使攻角不断改变，实现了扑翼1的被动翻转。

电磁舵3如图3所示，包括摇臂301、线圈302、磁铁303、导线304、控制电路板305。电磁舵的导线304通电后，线圈302周围产生磁场，磁铁303在磁场力的作用下运动，带动摇臂301偏转。通过操纵控制电路板305，可以改变摇臂301偏转的方向和角度，摇臂301向一侧摆动的最大角度约为30°，在图3中用虚线绘出两个示意的极限位置。扭转弹簧固定侧扭臂粘连在摇臂301上，由于与扑翼1相连的扭转弹簧施力侧扭臂并不承受载荷，因此摇臂301的偏转会导致扭转弹簧整体转过一定角度，扭转弹簧2的静止角就发生了改变。则拍动过程中扑翼1与来流的相对位置发生变化，相对速度发生变化，将引起气动力和气动力矩的改变。

一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计的具体安装过程为：

步骤1、制作扑翼

将主梁101、短梁102、侧梁103的位置安排好并粘连在一起，翼膜104粘贴在三者组成的平面上，将主梁101的外伸段插入连接套筒105一侧的孔洞中并与紧密粘连为一个整体。

步骤2、安装扭转弹簧

在翼根布置扭转弹簧，扭转弹簧的轴线应与扑翼所在平面平行，将扭转弹簧2套在连接套筒105的外侧并粘连，施力侧扭臂插入扑翼上连接套筒105外伸的连接耳片中且二者粘连为一个整体，固定侧扭臂粘连在电磁舵的摇臂301上。

步骤3、安装电磁舵

将安装好扭转弹簧2的扑翼1置于弦线与水平面垂直的位置，保持此状态不动，将电磁舵摇臂301粘连在扭转弹簧固定侧扭臂上。电磁舵线圈303伸出的导线304接在控制电路板305上，导线304要预留足够的长度以便控制的实现。

步骤4、攻角被动反转及飞行控制测试

将安装好扭转弹簧2和扭转弹簧控制机构3的扑翼1整体安装在飞行器上，接通电源前调整扭转弹簧2的位置，保证翼面于水平面垂直。开始拍动后，扑翼1将在外界气动力、翼根弹性力及自身惯性力的作用下完成被动翻转，攻角不断改变，扑翼1产生预期的升力，此时飞行器处于悬停状态。通过电路板遥控电磁舵3，改变扭转弹簧的偏转角度，若两侧的扭转弹簧静止角同时增大或减小，可实现对飞行器俯仰姿态的控制；若两侧的扭转弹簧静止角不对称变化，即一侧增大而另一侧减小，可实现对飞行器偏航姿态的控制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置，其特征在于，包括扑翼、扭转机构和扭转控制机构；

所述的扭转机构包括固定侧和施力侧，所述的施力侧连接扑翼，所述的固定侧连接扭转控制机构，其中，扑翼拍动时，连接扭转控制机构的扭转机构固定侧扭臂保持不动，而连接扑翼的扭转机构施力侧扭臂随着扑翼的运动偏离平衡位置；所述的扭转控制机构的偏转能够带动扭转机构整体转过一定角度；所述攻角为拍动平面与翼面之间的夹角；

所述的扭转机构为扭转弹簧，所述的扭转弹簧的扭转方向为相对于其轴线垂直的方向；

所述的扭转控制机构为电磁舵，所述的电磁舵包括摇臂，所述的摇臂的偏转方向与扭转弹簧轴线方向垂直。

2.根据权利要求1所述的一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置，其特征在于，所述的扑翼具体结构为：包括主梁、短梁、斜梁、翼膜以及连接套筒；主梁、短梁、斜梁共面，斜梁位于主梁与短梁之间，短梁根部和斜梁根部固连于主梁的根部处，且连接点位于主梁长度的10％处；翼膜粘在主梁、短梁及斜梁所构成的平面或曲面上，所述连接套筒连接扑翼和扭转弹簧的施力侧扭臂，斜梁与主梁夹角在30°至60°之间；短梁与主梁垂直；主梁根部长度的10％是主梁的外伸段；连接套筒是一个圆柱短管，内径等于扑翼主梁直径，外径等于扭转弹簧内径，并且连接套筒的其中一侧带有外伸的连接耳片，连接套筒的轴线与主梁的轴线重合，主梁插入连接套筒中，二者通过粘连成为一个整体，扭转弹簧施力侧扭臂插入外伸的连接耳片中并粘连为一个整体，扭转弹簧套在连接套筒的外侧并粘连固定；主梁、短梁及斜梁采用碳纤维杆制作，翼膜采用聚乙烯薄膜制作，连接套筒采用树脂材料制作。

3.根据权利要求2所述的一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置，其特征在于，所述的扭转弹簧为线径在0.4mm至0.8mm之间，外径2mm，有效圈数3-5圈，最大扭转角不小于90°的微型扭转弹簧。

4.根据权利要求3所述的一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置，其特征在于，所述电磁舵包括摇臂、线圈、磁铁、导线、控制电路板，所述电磁舵的导线通电后，线圈周围产生磁场，磁铁在磁场力的作用下运动，带动摇臂偏转，通过操纵控制电路板，可以改变摇臂偏转的方向和角度，摇臂向一侧摆动的最大角度约为30°。

5.采用权利要求1-4任一项所述的攻角被动翻转的拍动扑翼装置进行飞行控制的方法，其特征在于，扑翼拍动时，受到气动力的作用产生绕翼根的气动力矩，使扑翼的攻角发生改变，连接扭转控制机构的扭转机构固定侧扭臂保持不动，而连接扑翼的扭转机构施力侧扭臂随着扑翼的运动偏离平衡位置；扭转机构施加一个与气动力矩相反的扭矩，气动力矩和扭转机构的弹性力矩相互作用，使攻角不断改变，实现了扑翼的被动翻转；所述攻角为拍动平面与翼面之间的夹角。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，扭转控制机构的偏转能够带动扭转机构整体转过一定角度，扭转机构的静止角发生改变；拍动过程中扑翼与来流的相对位置发生变化，相对速度发生变化，引起气动力和气动力矩的改变。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据扑翼运动所产生的气动力载荷确定扭转弹簧的最大工作扭矩；扭转弹簧工作扭矩的最大扭矩为扑翼以45度攻角拍动时产生的最大气动力矩的1.5-2倍。

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