CN107867396B - 一种舵机驱动的扑翼飞行器及扑翼飞行器驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舵机驱动的扑翼飞行器及扑翼飞行器驱动方法，所述扑翼飞行器包括：舵机结构、飞控板、机体；舵机用来控制左右两翼的运动；飞控板用来实现舵机与遥控器的无线通信功能，并通过舵机实现遥控器的飞行指令达到对扑翼飞行器的运动控制。本发明采用舵机作为控制机翼运动的驱动方式，使用两个舵机替代了传统的电机与齿轮组的驱动方式，对扑翼飞行器左右两翼进行独立控制，可控量包括每个机翼的扑动幅度、扑动频率与初始位置，实现了扑翼飞行器直飞、盘旋、转向等多种飞行姿态，减少了扑翼飞行器的传动机构，提高了传动效率，使扑翼机易于操作，能够实现平稳飞行和转向控制。

Description

一种舵机驱动的扑翼飞行器及扑翼飞行器驱动方法

技术领域

本发明属于扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种舵机驱动的扑翼飞行器及扑翼驱动方法。

背景技术

扑翼微型飞行器(Flapping-wing micro aerial vehicles,FMAV)作为一种新兴的仿生飞行器，在1997年由DARPA的詹姆士·麦克米切尔首次提出。通过分析鸟类飞行特点发现，鸟类、昆虫等可以通过改变扑动幅度和扑动频率来改变飞行方式，在保证飞行所需气动力的同时，适应飞行环境的变化。FMAV像昆虫一样通过拍动机翼产生升力，可以进行飞行、悬停、盘旋、转弯甚至倒飞。基于仿生学原理的扑翼飞行器和常规飞行器相比，仅用一套扑翼系统即可实现多种飞行方式。

现有的扑翼飞行器多采用传统的电机齿轮组以曲柄摇杆的方式进行传动，机械结构复杂，在快速运转时容易受到冲击，机械损耗大。

发明内容

本发明实施例的目的是解决现有技术中扑翼飞行器机械结构复杂、快速运转时存在诸多缺陷的问题，以舵机作为控制机翼运动的驱动方式，使用两个舵机替代传统的电机与齿轮组的驱动方式，实现扑翼飞行器直飞、盘旋、转向等多种飞行姿态，减少传动机构，提高传动效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种舵机驱动的扑翼飞行器，所述扑翼飞行器包括：舵机结构、飞控板、机体；其中，

所述舵机，用来控制左右两翼的运动；

所述飞控板，与舵机相连，用来实现舵机与遥控器的无线通信功能，并通过舵机实现遥控器的飞行指令达到对扑翼飞行器的运动控制；

所述机体，包括机身、翅膀骨架和尾翼装置。

上述方案中，所述舵机包含左舵机和右舵机，并分别独立控制左右两翼的运动。

上述方案中，所述飞控板，包括电平转换模块、信号接收机、控制芯片；其中，

所述电平转换模块用于将扑翼飞行器电池的7.4V电压转换成控制芯片需要的3.3V电压，同时也保留7.4V为舵机供电；

所述信号接收机用于接收遥控器的遥控信号或控制信号，从而达到对扑翼机的运动控制；

所述控制芯片，用于接收并分析控制信号，并按控制信号控制舵机的转动。

上述方案中，所述信号接收机，通过接收脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)波与遥控器进行无线通信。

上述方案中，所述控制芯片进一步用于通过接收到的控制信号来决定翅膀的扑动状态，包括如下过程：

根据鸟类翅膀扑动角度的数学模型：

得到舵机可用的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

其中α_L和α_R分别是左右两翼的扑动角度，U_L和U_R分别是左右两翼的扑动初始位置，A_L和A_R分别是左右两翼的扑动幅度，ω₁和ω₂分别是左右两翼的扑动频率，t是时间；

所述控制芯片根据式(2)和式(3)所示的模型来控制舵机，使扑动角度以sin函数的形式变化，带动翅膀做扑动运动，根据遥控信号改变左右翅膀的扑动初始位置U、扑动幅度A和扑动频率ω。

上述方案中，所述机体，包括机身、翅膀骨架和尾翼装置，所述舵机通过舵机支架与机身连接；所述舵机支架在机身中以左右两侧对称的方式放置，开有左舵机安装孔和右舵机安装孔；通过所述左舵机安装孔将左舵机安装到舵机支架上；通过所述右舵机安装孔将右舵机安装到舵机支架上；所述舵机支架上开有支架插孔，机身包括机身碳杆。将所述机身碳杆的一端插入支架插孔，使机身碳杆安装到所述舵机支架上；同时，将机身碳杆的另一端插入尾翼插孔，使尾翼连接到机身碳杆上。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种驱动如上述技术方案的扑翼飞行器的驱动方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：根据舵机的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

令U_L＝U_R＝0°，A_L＝A_R＝60°，ω₁＝ω₂，当t＝0时，左右两翼都处于水平位置，即0°；

步骤S2：当t增加，使得sin函数到达波峰时，α_L＝-60°，α_R＝+60°；左翼舵机顺时针旋转60度，右翼舵机逆时针旋转60度，两个舵机都向上转动，带动翅膀展向碳杆1向上抬，使得翅膀向上扑动；

步骤S3：随着t继续增加，sin函数的输出值从波峰时的最大值向波谷的最小值变化，α_L从最小值-60°开始逐渐增大，左翼舵机开始逆时针转动，左翼开始下扑运动；α_R从最大值+60°开始逐渐变小，右翼舵机开始顺时针转动，右翼开始下扑运动；当sin函数的输出值到达其最小值时，α_L＝+60°，α_R＝-60°，左翼逆时针旋转120度，右翼顺时针旋转120度，达到下扑的最低点，翅膀下扑过程结束；

步骤S4：随着t的增加，sin函数的输出值从波谷的最小值向远点0变化，α_L从最大值+60°开始逐渐减小，左翼开始上抬；α_R从最小值-60°开始逐渐增大，右翼开始上抬；当sin函数值等于0时，两个舵机的转动值回到0°，翅膀又回到水平位置，重复步骤S1。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种驱动如上述技术方案的扑翼飞行器的驱动方法，所述方法包括如下步骤：

根据舵机的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R-A_Rsin(ω₂t) (3)

令U_L＝U_R＝0°，A_L＝40°，A_R＝60°，ω₁＝ω₂，在sin函数值处于波峰时，左翼舵机只会上抬40度，右翼舵机会上抬60度，在sin函数处于波谷时，左翼舵机下扑40度，右翼舵机下扑60度，左翼的扑动幅度为80度，右翼的扑动幅度为120度，实现左右两翼的差幅扑动。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种驱动如上述技术方案的扑翼飞行器的驱动方法，所述方法包括如下步骤：

根据舵机的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R-A_Rsin(ω₂t) (3)

令U_L＝U_R＝-20°，A_L＝A_R＝40°，ω₁＝ω₂，在t等于0的时刻，翅膀有一定倾斜，左翼舵机和右翼舵机都顺时针旋转20度，整个扑动平面向右翼方向倾斜，实现扑动平面的倾斜。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种驱动如上述技术方案的扑翼飞行器的驱动方法，所述方法包括如下步骤：

根据舵机的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

令ω₁≠ω₂，左右两翼扑动频率不同，实现左右两翼不同频扑动。

本发明实施例具有如下有益效果：

(1)本发明提供的舵机驱动的扑翼飞行器，左右两翼独立控制，可实现两翼等幅度或不等幅度、同频率或不同频率的扑动，两翼形成的扑动平面可水平或倾斜，左右两翼不扑动时所在位置也分别可控，提高了飞行器应对复杂环境的适应能力。

(2)采用舵机作为控制翅膀运动的驱动方式，可以使扑翼飞行器在获得升力、推力的同时，不需要复杂的尾翼发挥调节作用，仅用简单的尾翼做稳定面作用，就能获得转向时所需要的滚转力矩进行转向；在有气流扰动的情况下也可以通过主动地调整扑动运动来减少扰动的影响。

(3)本发明提供的舵机驱动的扑翼飞行器，结构简单紧凑，重量轻，尺寸小，适合在微型扑翼飞行器上应用。

(4)本发明的扑翼飞行器的扑翼驱动方法，使用舵机根据鸟类翅膀扑动的数学模型模拟出鸟类翅膀扑动运动，通过调节左右两个舵机的扑动频率，扑动幅度，倾斜偏移等变量实现扑翼飞行器直飞、盘旋和转向等多种飞行姿态，扑动模式多样，在扑动方面仿生程度高。

附图说明

图1为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器部件构成示意图；

图2为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器正视图；

图3为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器俯视图；

图4为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器左视图；

图5为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器的原理示意图；

图6为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器的舵机支架第一立体示意图；

图7为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器的舵机支架第二立体示意图；

图8为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器的尾翼装置第一立体示意图；

图9为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器的尾翼装置第二立体示意图。

图10为本发明第一实施例舵机驱动扑翼飞行器的翅膀骨架的示意图；

图11为本发明第二实施例的通信原理示意图；

图12为本发明第二实施例驱动方法中舵机带动翅膀扑动的第一驱动模式原理示意图；

图13为本发明第二实施例驱动方法中舵机带动翅膀扑动的第二驱动模式原理示意图；

图14为本发明第二实施例驱动方法中舵机带动翅膀扑动的第三驱动模式原理示意图；

图15为本发明第二实施例驱动方法中舵机带动翅膀扑动的第四驱动模式原理示意图。

附图标记说明：

1-翅膀展向碳杆；2-翼面骨架碳杆；3-尾翼座；(3A、3B)-尾翼座安装孔；3C-尾翼碳杆插孔；4-尾翼；(4A、4B)-尾翼架安装孔；41-左翼；42-右翼；5-翼面；6-尾翼；7-舵机；7-1左舵机；7-2右舵机；8-舵机支架；(8A、8B、8A＇、8B＇)-舵机支架安装孔；8C-支架碳杆插孔；9-机身碳杆。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

本发明采用舵机作为控制机翼运动的驱动方式，使用两个舵机替代了传统的电机与齿轮组的驱动方式，作为动力系统和姿态控制，对扑翼飞行器左右两翼进行独立控制，可控量包括每个机翼的扑动幅度、扑动频率与初始位置，实现了扑翼飞行器直飞、盘旋、转向等多种飞行姿态。在此基础上，提出了一种舵机驱动的扑翼飞行器及扑翼飞行方法，相对于现有技术中需要齿轮连杆传动的扑翼飞行器，本发明减少了传动机构，提高了传动效率，使扑翼机易于操作，能够实现平稳飞行和转向控制。

下面通过具体的实施例结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

第一实施例

本实施例提供了一种舵机驱动的扑翼飞行器，包括：舵机结构、飞控板、机体；其中，

所述舵机，用来控制左右两翼的运动；

所述飞控板，与舵机相连，用来实现舵机与遥控器的无线通信功能，并通过舵机实现遥控器的飞行指令达到对扑翼飞行器的运动控制；

所述机体，包括机身、翅膀骨架和尾翼装置。

优选的，所述舵机包含左舵机和右舵机，并分别独立控制左右两翼的运动，包括：

(1)不扑动时，每个翅膀所在的位置；

(2)扑动时，每个翅膀的初始位置；

(3)扑动时，每个翅膀扑动的幅度；

(4)扑动时，每个翅膀扑动的频率。

优选的，所述飞控板，包括电平转换模块、信号接收机、控制芯片。其中，所述电平转换模块用于将扑翼飞行器电池的7.4V电压转换成控制芯片需要的3.3V电压，同时也保留7.4V为舵机供电；所述信号接收机用于接收遥控器的遥控信号或控制信号，从而达到对扑翼机的运动控制；所述控制芯片，用于接收并分析控制信号，并按控制信号控制舵机的转动。

特别的，所述信号接收机，通过接收脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)波与遥控器进行无线通信。

特别的，所述控制芯片，可以通过以下两种方式实现：

(1)将通信接口配置为捕获PWM波来获得接收机接收到的遥控器信号；

(2)将通信接口配置为无线串口通信来接收控制信号并发送自身状态信号。

接收并分析控制信号，即通过接收到的控制信号来决定翅膀的扑动状态，包括如下过程：

根据鸟类翅膀扑动角度的数学模型：

得到舵机可用的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

其中α_L和α_R分别是左右两翼的扑动角度，U_L和U_R分别是左右两翼的扑动初始位置，A_L和A_R分别是左右两翼的扑动幅度，ω₁和ω₂分别是左右两翼的扑动频率，t是时间。

由于正向舵机的规定：“逆时针转动时，其旋转角度增加”，在模拟翅膀扑动时两个舵机一个逆时针转、一个顺时针转，因此左右两翼中sin函数前的符号是一正一负的。

控制芯片根据此模型来控制舵机，使扑动角度以sin函数的形式变化，带动翅膀做扑动运动。根据遥控信号可以改变左右翅膀的扑动初始位置U、扑动幅度A和扑动频率ω。

优选的，所述机体，包括机身、翅膀骨架和尾翼装置，所述舵机通过舵机支架与机身连接。所述舵机支架在机身中以左右两侧对称的方式放置，开有左舵机安装孔和右舵机安装孔；通过所述左舵机安装孔将左舵机安装到舵机支架上；通过所述右舵机安装孔将右舵机安装到舵机支架上。

特别的，所述舵机支架上开有支架插孔，机身包括机身碳杆。将所述机身碳杆的一端插入支架插孔，将舵机支架安装到所述机身碳杆上；同时，将机身碳杆的另一端插入尾翼插孔，使尾翼连接到机身碳杆上。

下面结合附图对本实施例舵机驱动的扑翼飞行器进行说明。

图1为本实施例舵机驱动扑翼飞行器部件构成示意图；图2为本实施例舵机驱动扑翼飞行器正视图；图3为本实施例舵机驱动扑翼飞行器俯视图；图4为本实施例舵机驱动扑翼飞行器左视图。如图1-4所示，本实施例的舵机驱动扑翼飞行器，由以下部分组成：翅膀展向碳杆1、翼面骨架碳杆2、尾翼座3、尾翼架4、翼面5、尾翼6、舵机7、舵机支架8、机身碳杆9、飞控板(图中未示出)。翅膀展向碳杆1和翼面骨架碳杆2都固定于舵机臂上，翅膀展向碳杆1和翼面骨架碳杆2的作用使得翼面5可以随翅膀展向碳杆1在同一个平面运动。这样就通过舵机臂的往复旋转运动，带动左右两翼的扑动运动。机身碳杆9可采用正方形空心碳杆，相比于圆形空心碳杆能够更好的抵抗重力和翅膀扑动所带来的机身弯曲。

图5为本实施例舵机驱动扑翼飞行器的原理示意图。如图5所示，本实施例舵机驱动扑翼飞行器，使用舵机替代了传统的电机与齿轮组的驱动方式，作为动力系统和姿态控制；通过飞控板响应摇控器的指令，对扑翼飞行器左右两翼进行独立控制，可控量包括每个机翼的扑动幅度、扑动频率与初始位置，实现了扑翼飞行器直飞、盘旋、转向等多种飞行姿态。如图5所示，所述飞控板，包括电平转换模块、信号接收机接口、控制芯片。其中，所述电平转换模块用于将扑翼飞行器电池的7.4V电压转换成控制芯片需要的3.3V电压，同时也保留7.4V为舵机供电；所述信号接收机接口用于从航模接收机或其他无线通信模块获取其接收到的遥控器的无线信号或采集PWM，从而达到对扑翼机的运动控制；所述控制芯片，用于接收并分析无线信号，并按控制信号输出PWM到舵机从而控制舵机的转动。

图6为本实施例舵机驱动扑翼飞行器的舵机支架第一立体示意图；图7为本实施例舵机驱动扑翼飞行器的舵机支架第二立体示意图。如图6-7所示，使用舵机支架8将两个舵机与机身连接。所述舵机支架8左右两侧对称开有左舵机安装孔8A、8B，右舵机安装孔8A＇、8B＇；通过所述左舵机安装孔8A、8B将左舵机安装到所述机架8；通过所述右舵机安装孔8A＇、8B＇将右舵机安装到所属舵机支架8。同时，舵机支架8含有碳杆插孔8C，将机身碳杆9的一端插入插孔8C，使机身碳杆9安装到所述支架8上；同时，将机身碳杆9的一端插入插孔3C，使尾翼装置连接到机身碳杆9上。

图8为本实施例舵机驱动扑翼飞行器的尾翼装置第一立体示意图；图9为本实施例舵机驱动扑翼飞行器的尾翼装置第二立体示意图。

如图8所示，所述尾翼装置包括：尾翼座3和尾翼架4及尾翼6。所述尾翼座3含方孔3C，用于插入所述机身碳杆9；所述尾翼架4固定在尾翼6的一端。所述尾翼座3左右两侧对称开有安装孔3A、3B；所述尾翼架4左右两侧对称开有安装孔4A、4B；将所述安装孔4A与3A重合，所述安装孔4B与3B重合，配合螺丝螺母，所述尾翼架4可套在所述尾翼座3上绕所述两组安装孔形成的轴线自由转动或保持固定。

如图9所示，螺丝可经由安装孔4A(4B)穿过安装孔3A(3B)，并在另一面套入螺母，通过拧紧两面的螺丝与螺母实现尾翼架4与尾翼座3的固定，即可保持住尾翼6的俯仰角度；稍微松开螺丝螺母，尾翼架4即可套在尾翼座3上旋转，改变尾翼6的俯仰角度。

图10为本实施例舵机驱动扑翼飞行器的翅膀骨架的示意图。如图10所示，所述翅膀骨架，包括：翅膀展向碳杆1和翼面骨架碳杆2。将所述碳杆1左右对称地安装在左右两舵机的舵机臂上。将所述碳杆2的两端分别连接在所述碳杆1的末端和舵机臂上，所述碳杆2的其他部分粘贴在翼面5上。所述翼面5也粘贴在所述碳杆1上，并延伸卷曲包住所述碳杆1。

如图10中所示的扑翼飞行器左翼41，使用弯曲的圆形细碳杆构成了翼面骨架碳杆2。这种弯曲成近似半圆形的细碳杆具有一定的弹性势能，具有恢复平直的趋势，因此其固定在翼面上以后，对翼面有一定拉扯作用，起到了绷紧翼面的效果。将翼面骨架碳杆2固定在翅膀展向碳杆1上后，由于其弯曲的弹性使其不容易上下晃动，于是翼面固定在这种骨架上后，翼面在扑动过程中也不易发生卷曲、弯曲等减小升力的负面情况。

如图10中所示的扑翼飞行器右翼42，以塑料膜为材料的翼面的三角形区域A，由翅膀展向碳杆1和翼面骨架碳杆2固定住其边缘；翼面的区域B，由翼面骨架碳杆2和机身碳杆9固定住其边缘。因此，这两个区域的塑料膜都会随着翅膀展向碳杆1同步运动。所以当左右两翼都采用这种结构后，整个翼面都可以保持平整地随着翅膀展向碳杆1一起扑动，翼面后缘不易发生卷曲等负面情况。

第二实施例

本实施例提供了一种舵机驱动的扑翼飞行器的驱动方法，所述驱动方法以第一实施例的舵机驱动扑翼飞行器为实现载体。

图11为本实施例的通信原理示意图。如图11所示，本实施例舵机驱动扑翼飞行器驱动方法的通信过程为，通过飞控板响应摇控器的指令，对扑翼飞行器左右两翼进行独立控制，可控量包括每个机翼的扑动幅度、扑动频率与初始位置，实现了扑翼飞行器直飞、盘旋、转向等多种飞行姿态。优选的，飞控板通过无线通信模块发送本机数据，上位机即可通过使用相同协议的无线通信模块得到扑翼机自身的数据；通过人机接口，操作者可下达控制命令，通过无线通信模块发送给扑翼机，扑翼机接收到后即可进行相应操作。为实现姿态控制，飞控板与姿态传感器通信，获得扑翼机自身的姿态数据，通过相应算法对舵机进行相应的控制，从而实现姿态的闭环控制。飞控板还具有拓展接口，以用于其他拓展功能，如摄像头、图像传输机、其他舵机等。

基于本发明第一实施例的舵机驱动扑翼飞行器，所述驱动方法可包括四种驱动模式。图12为本实施例驱动方法中舵机带动翅膀扑动的第一驱动模式原理示意图。如图12所示，第一种驱动模式，扑翼飞行器直飞时控制步骤如下：

步骤S1：结合公式(2)、(3)，令U_L＝U_R＝0°，A_L＝A_R＝60°，ω₁＝ω₂。当t＝0时，左右两翼都处于水平位置，即0°，如图12的a图所示。

步骤S2：当t增加，使得sin函数到达波峰时，α_L＝-60°，α_R＝+60°。因此左翼舵机顺时针旋转60度，右翼舵机逆时针旋转60度，两个舵机都向上转动，带动翅膀展向碳杆1向上抬，使得翅膀向上扑动，如图12的b图所示。

步骤S3：随着t继续增加，sin函数的输出值从波峰时的最大值向波谷的最小值变化。在这个过程中α_L从最小值-60°开始逐渐增大，于是左翼舵机开始逆时针转动，即开始下扑运动；α_R从最大值+60°开始逐渐变小，于是右翼舵机开始顺时针转动，也开始下扑运动。当sin函数的输出值到达其最小值时，α_L＝+60°，α_R＝-60°，左翼逆时针旋转了120度，右翼顺时针旋转了120度，均达到下扑的最低点，如图12的c图所示，此时翅膀下扑过程结束。

步骤S4：随着t的增加，sin函数的输出值从波谷的最小值开始逐渐向远点0变化。在这个过程中α_L从最大值+60°开始逐渐减小，因此开始顺时针转动，即开始上抬；α_R从最小值-60°开始逐渐增大，因此开始逆时针转动，也开始上抬。当sin函数值等于0时，两个舵机的转动值又回到0°，这样翅膀又回到了水平位置，如图12的d图所示。

按照步骤S1～步骤S4的过程不断循环，便使用舵机根据鸟类翅膀扑动的数学模型模拟出鸟类翅膀扑动运动。

此外，由于左右两翼的扑动频率，扑动幅度，倾斜偏移这几个变量都可以改变，因此使用舵机还可以完成更多的扑动动作。

图13为本实施例驱动方法中舵机带动翅膀扑动的第二驱动模式原理示意图。如图13所示，第二种驱动模式，实现扑翼飞行器差幅扑动，具体步骤如下：

令U_L＝U_R＝0°，A_L＝40°，A_R＝60°，ω₁＝ω₂。在sin函数值处于波峰时，左翼舵机只会上抬40度，右翼舵机会上抬60度，在sin函数处于波谷时，左翼舵机只会下扑40度，右翼舵机会下扑60度。因此左翼的扑动幅度为80度，而右翼的扑动幅度为120度，实现了左右两翼的差幅扑动。

图14为本实施例驱动方法中舵机带动翅膀扑动的第三驱动模式原理示意图。如图14所示，第三种驱动模式，实现扑翼飞行器扑动平面的倾斜，具体步骤如下：

令U_L＝U_R＝-20°，A_L＝A_R＝40°，ω₁＝ω₂。在t等于0的时刻，翅膀就会有一定倾斜。因为左翼舵机和右翼舵机都顺时针旋转了20度，导致整个扑动平面向右翼方向倾斜，实现扑动平面的倾斜。

图15为本实施例驱动方法中舵机带动翅膀扑动的第四驱动模式原理示意图。如图15所示，第四种驱动模式，实现扑翼飞行器左右两翼不同频扑动，步骤如下：

ω1和ω₂为分别为两侧机翼的扑动角速度。令ω₁≠ω₂，此时左右两翼扑动频率将会不同，实现左右两翼不同频扑动。

本发明第一实施例及第二实施例所提供的舵机驱动的扑翼飞行器及其驱动方法，占用空间小，可靠性高，可实现左右翅膀独立调节；通过调节左右两个舵机的扑动频率，扑动幅度，倾斜偏移实现扑翼飞行器直飞、盘旋和转向等多种飞行姿态，翅膀通过舵机臂直接与舵机相连，在结构和控制方面都留下了较大的提升空间，为研制更加高效的微型扑翼飞行器打下了基础。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种舵机驱动的扑翼飞行器，其特征在于，所述扑翼飞行器包括：左舵机和右舵机、飞控板、机体；其中，

所述左舵机和右舵机，用来分别独立控制左右两翼的运动，所述左右两翼的运动分别包括每个机翼的的静止位置、扑动初始位置、扑动幅度与扑动频率，使扑翼飞行器完成直飞、盘旋、转向的飞行姿态；其中，

左舵机的简化扑动模型为：α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

右舵机的简化扑动模型为：α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

其中α_L和α_R分别是左右两翼的扑动角度，U_L和U_R分别是左右两翼的扑动初始位置，A_L和A_R分别是左右两翼的扑动幅度，ω₁和ω₂分别是左右两翼的扑动频率，t是时间；

所述飞控板，与舵机相连，用来实现舵机与遥控器的无线通信功能，并通过舵机实现遥控器的飞行指令达到对扑翼飞行器的运动控制；

所述机体，包括机身、翅膀骨架和尾翼装置。

2.根据权利要求1所述的扑翼飞行器，其特征在于，所述飞控板，包括电平转换模块、信号接收机、控制芯片；其中，

所述电平转换模块用于将扑翼飞行器电池的7.4V电压转换成控制芯片需要的3.3V电压，同时也保留7.4V为舵机供电；

所述信号接收机用于接收遥控器的遥控信号或控制信号，从而达到对扑翼机的运动控制；

所述控制芯片，用于接收并分析控制信号，并按控制信号控制舵机的转动，所述控制芯片根据式(2)和式(3)所示的模型来控制舵机，使扑动角度以sin函数的形式变化，带动翅膀做扑动运动，根据遥控信号改变左右翅膀的扑动初始位置U、扑动幅度A和扑动频率ω。

3.根据权利要求2所述的扑翼飞行器，其特征在于，所述信号接收机，通过接收脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)波与遥控器进行无线通信。

4.根据权利要求1所述的扑翼飞行器，其特征在于，所述机体，包括机身、翅膀骨架和尾翼装置，所述舵机通过舵机支架与机身连接；所述舵机支架在机身中以左右两侧对称的方式放置，开有左舵机安装孔和右舵机安装孔；通过所述左舵机安装孔将左舵机安装到舵机支架上；通过所述右舵机安装孔将右舵机安装到舵机支架上；所述舵机支架上开有支架插孔，机身包括机身碳杆， 将所述机身碳杆的一端插入支架插孔，使机身碳杆安装到所述舵机支架上；同时，将机身碳杆的另一端插入尾翼插孔，使尾翼连接到机身碳杆上。

5.一种驱动如权利要求1至4任一项扑翼飞行器的驱动方法，其特征在于，所述方法包括：完成直飞的第一驱动模式，实现差幅扑动的第二驱动模式，实现扑动平面倾斜的第三驱动模式，实现差频扑动的第四驱动模式，第二驱动模式、第三驱动模式、第四驱动模式完成盘旋、转向动作；其中，

第一驱动模式包括如下步骤：

步骤S1：根据舵机的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

令U_L＝U_R＝0°，A_L＝A_R＝60°，ω₁＝ω₂，当t＝0时，左右两翼都处于水平位置，即0°；

步骤S2：当t增加，使得sin函数到达波峰时，α_L＝-60°，α_R＝+60°；左翼舵机顺时针旋转60度，右翼舵机逆时针旋转60度，两个舵机都向上转动，带动翅膀展向碳杆1向上抬，使得翅膀向上扑动；

步骤S3：随着t继续增加，sin函数的输出值从波峰时的最大值向波谷的最小值变化，α_L从最小值-60°开始逐渐增大，左翼舵机开始逆时针转动，左翼开始下扑运动；α_R从最大值+60°开始逐渐变小，右翼舵机开始顺时针转动，右翼开始下扑运动；当sin函数的输出值到达其最小值时，α_L＝+60°，α_R＝-60°，左翼逆时针旋转120度，右翼顺时针旋转120度，达到下扑的最低点，翅膀下扑过程结束；

步骤S4：随着t的增加，sin函数的输出值从波谷的最小值向远点0变化，α_L从最大值+60°开始逐渐减小，左翼开始上抬；α_R从最小值-60°开始逐渐增大，右翼开始上抬；当sin函数值等于0时，两个舵机的转动值回到0°，翅膀又回到水平位置，重复步骤S1；

第二驱动模式包括如下步骤：

根据舵机的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

令U_L＝U_R＝0°，A_L＝40°，A_R＝60°，ω₁＝ω₂，在sin函数值处于波峰时，左翼舵机只会上抬40度，右翼舵机会上抬60度，在sin函数处于波谷时，左翼舵机下扑40度，右翼舵机下扑60度，左翼的扑动幅度为80度，右翼的扑动幅度为120度，实现左右两翼的差幅扑动；

第三驱动模式包括如下步骤：

根据舵机的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

令U_L＝U_R＝-20°，A_L＝A_R＝40°，ω₁＝ω₂，在t等于0的时刻，翅膀有一定倾斜，左翼舵机和右翼舵机都顺时针旋转20度，整个扑动平面向右翼方向倾斜，实现扑动平面的倾斜；

第四驱动模式包括如下步骤：

根据舵机的简化扑动模型：

α_L＝U_L-A_Lsin(ω₁t) (2)

α_R＝U_R+A_Rsin(ω₂t) (3)

令ω₁≠ω₂，左右两翼扑动频率不同，实现左右两翼不同频扑动。