CN108674650A - 一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置 - Google Patents

一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108674650A
CN108674650A CN201810554138.4A CN201810554138A CN108674650A CN 108674650 A CN108674650 A CN 108674650A CN 201810554138 A CN201810554138 A CN 201810554138A CN 108674650 A CN108674650 A CN 108674650A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ipmc
adjusting posture
aircraft
flapping wing
wing aircraft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810554138.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108674650B (zh
Inventor
王延杰
王柯力
徐望舒
张宇霆
张鹏
骆敏舟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changzhou Campus of Hohai University
Original Assignee
Changzhou Campus of Hohai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changzhou Campus of Hohai University filed Critical Changzhou Campus of Hohai University
Priority to CN201810554138.4A priority Critical patent/CN108674650B/zh
Publication of CN108674650A publication Critical patent/CN108674650A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108674650B publication Critical patent/CN108674650B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C33/00—Ornithopters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C17/00—Aircraft stabilisation not otherwise provided for
    • B64C17/02—Aircraft stabilisation not otherwise provided for by gravity or inertia-actuated apparatus
    • B64C17/06—Aircraft stabilisation not otherwise provided for by gravity or inertia-actuated apparatus by gyroscopic apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C33/00—Ornithopters
    • B64C33/02—Wings; Actuating mechanisms therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Toys (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置，本发明装置包括至少2条IPMC材料、电极、高分子弹性聚合物薄膜、固定支架和IPMC控制器；每条IPMC材料与金属电极连接并采用高分子薄膜封装；将封装完成的材料进行堆叠并用薄膜封装；电极引出的导线与安装于飞行器头部的控制器相连接；整个姿态调整装置固定于飞行器支架的末端。本发明装置相比于现有的仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整结构，可以进行更大幅度的飞行姿态调整；本姿态调整器易于控制，只需要控制电压大小以及波形，即可满足对飞行器不同的控制要求，如控制俯仰角度、俯仰翻转的速度等；由于IPMC材料较为柔软，飞行器尾部的抗撞击能力也得到了明显提高。

Description

一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置
技术领域
本发明涉及一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置，属于仿生蝴蝶扑翼飞行器设计技术领域。
背景技术
扑翼飞行器具有其独特的优点，在国防与民用领域有着重要且广泛的应用，对微型扑翼飞行器的研究已成为当今航空领域研究的热点。随着对仿生飞行的研究以及空气动力学技术理论的发展，人们发现扑翼式飞行方式较其他飞行方式有着诸多的优势。当考虑飞行器的尺寸减小以及在较低雷诺数时的飞行情况，固定翼的飞行方式存在抗干扰能力较弱和较难解决的气动学问题，因此扑翼飞行器具有巨大的现实意义。
现有的仿生蝴蝶扑翼飞行器只能通过调整双翅的扑打规律来调整飞行器的姿态以保证飞行的稳定性：双翅分别由飞行器头部的两个舵机驱动，当两个舵机同时输出较大的转角时，飞行器头部会产生较大的升力，使飞行器上仰；当两个舵机同时输出较小的转角时，飞行器头部受到的升力小于头部自身的重量，使飞行器下俯；当一个舵机以正常规律摆动，另一个舵机以更大转角进行摆动时，以正常规律摆动的一侧所产生的气动力较小，飞行器向该方向偏转。通过将以上的控制方法相结合，便能实现仿生蝴蝶扑翼飞行器的飞行姿态调整。
但是，这种方法并不能使飞行器在空中进行明显的翻转运动，在进行姿态调整的同时也会改变飞行器的飞行速度，使得飞行器的俯仰角与其升力大小有极大的关联，飞行器的灵活性收到了限制，在恶劣环境下无法保证飞行的稳定性。而大自然中的蝴蝶在飞行过程中依靠腹部的摆动进行着显著的俯仰运动，而翅膀的扑动主要用于提供升力，使得蝴蝶在恶劣条件仍能保持良好的飞行状态。
离子聚合物金属复合材料(Ion-exchange Polymer Metal Composite,简称IPMC)是一种人工肌肉材料，当对IPMC厚度方向施加电压时，IPMC会产生较大的变形,向阳极弯曲。这种新型的离子型电致动智能材料，其柔韧性好、低电压驱动、大的形变及响应速度快等优良性能,具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的仿生蝴蝶扑翼飞行器不能在空中进行明显的翻转运动的问题，提供一种姿态调整装置，使仿生蝴蝶扑翼飞行器在飞行过程中可以进行更大幅度的姿态调整，增加飞行器飞行的灵活性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置，包括仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架，其特征是，包括至少2条IPMC材料、金属电极、高分子弹性聚合物薄膜、固定支架和IPMC控制器；
每条IPMC材料与金属电极连接并采用高分子弹性聚合物薄膜封装，将封装完成的材料进行堆叠并用高分子弹性聚合物薄膜封装；
高分子弹性聚合物薄膜是一种具有选择性透过能力的膜型材料，也是具有特殊传质功能的高分子材料，通常称为分离膜，也称功能膜。用膜分离物质一般不发生相变、不耗费相变能，同时具有较好的选择性，且膜把产物分在两侧，很容易收集，是一种能耗低、效率高的分离材料。所述固定支架有两个开口，其中一个开口处安装封装完成的IPMC材料并连接金属电极；固定支架的另一个开口与仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架连接，使得整个姿态调整装置固定于飞行器支架的末端；仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架为本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。
所述金属电极引出的导线与安装于飞行器头部的IPMC控制器相连接。
本发明将原始的仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架缩短，在支架的尾部安装一个姿态调整装置。由于单片IPMC材料的厚度和质量有限，无法达到控制要求，故将多片IPMC材料与电极连接，采用高分子弹性聚合物薄膜封装。将多片封装完成的材料进行堆叠，堆叠完成后用强度较高的高分子弹性聚合物薄膜封装。在施加电压时，多片IPMC材料可以同时进行同一方向的弯曲。固定支架有两个开口，在其中一个开口安装封装完成的多层IPMC材料，另一个开口与仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架进行过盈配合，使得整个姿态调整装置固定于飞行器支架的末端。从电极中引出导线与飞行器头部的控制器相连接。
在飞行过程中，若对姿态调整装置施加正向电压，由于内部片状IPMC材料的弯曲效应，姿态调整装置发生向上卷曲，此时飞行器尾部的重心向沿飞行方向的前下方移动。为了保持相对稳定的飞行，在飞行过程中飞行器的重心几乎不发生改变。因此飞行器前部(包括翅膀)的重心需要向沿飞行方向的后上方移动才能平衡尾部变形带来的重心变化。由于反向气流对姿态调整装置的影响较小，重心在这一过程中起到主要作用。此时，飞行器头部下降，支架与姿态调整装置的连接部位抬升，飞行器下俯；给姿态调整装置施加反向电压，姿态调整装置向下卷曲，使得飞行器尾部的重心向沿飞行方向的前上方移动，飞行器前部(包括翅膀)的重心需要向沿飞行方向的后下方移动才能平衡尾部变形带来的重心变化，使得飞行器头部抬升，支架与姿态调整装置的连接部位降低，飞行器上仰。
本发明所达到的有益效果：本发明装置相比于现有的仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整结构，可以进行更大幅度的飞行姿态调整；本姿态调整器易于控制，只需要控制电压大小以及波形，即可满足对飞行器不同的控制要求，如控制俯仰角度、俯仰翻转的速度等；由于IPMC材料较为柔软，飞行器尾部的抗撞击能力也得到了明显提高。
附图说明
图1是本发明装置具体实施例中多层IPMC材料叠加示意图；
图2是本发明装置的结构示意图；
图3(1)是本发明装置未施加电压的姿态调整装置示意图；
图3(2)是本发明装置施加正向电压的姿态调整装置示意图；
图4(1)是本发明在仿生蝴蝶扑翼飞行器上运转时未施加电压的仿生蝴蝶扑翼飞行器；
图4(2)是本发明在仿生蝴蝶扑翼飞行器上运转时施加正向电压的仿生蝴蝶扑翼飞行器；
图中:1-单片IPMC材料；2-聚二甲基硅氧烷薄膜，3-外层封装薄膜,4-引出金属电极，5-固定支架，6-封装完成的多层IPMC材料，7-姿态调整装置，8-翅膀，9-飞行器支架，10-电源与驱动装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例：如图1所示，本发明将多片IPMC材料(1)与引出金属电极(4)连接，采用聚二甲基硅氧烷薄膜(2)封装。将多片封装完成的材料进行堆叠，堆叠完成后用强度较高的外层封装薄膜(3)封装，外层封装薄膜可采用强度较高的高分子弹性聚合物，优选地，本实施例外层封装薄膜(3)采用聚氯乙烯薄膜，使得封装完成后的多层IPMC材料(6)的质量达到飞行器的控制需求。
如图2所示，固定支架(5)有两个开口，在其中一个开口安装封装完成的多层IPMC材料(6)，得到姿态调整装置。
如图3所示，图3示出了本发明的卷曲前后的示意图；图3(1)是本发明装置未施加电压的姿态调整装置示意图；图3(2)是本发明装置施加正向电压的姿态调整装置示意图；在施加电压时，多片IPMC材料(1)可以同时进行同一方向的弯曲，实现姿态调整装置的卷曲。
如图4所示，图4示出了本发明在仿生蝴蝶扑翼飞行器上运转的示意图；
图4(1)是本发明在仿生蝴蝶扑翼飞行器上运转时未施加电压的仿生蝴蝶扑翼飞行器；图4(2)是本发明在仿生蝴蝶扑翼飞行器上运转时施加正向电压的仿生蝴蝶扑翼飞行器。固定支架(5)的另一个开口可以与仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架进行过盈配合，使得整个姿态调整装置(7)固定于飞行器支架(9)的末端。在具体的实施例中，在固定支架(5)的另一个开口开有一个螺纹孔，通过在侧面拧入螺栓与仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架进行螺纹连接，使得整个姿态调整装置固定于飞行器支架的末端。
从引出的金属电极(4)中引出导线与飞行器头部的控制器(即IPMC控制器)(10)相连接。完成姿态调整装置在仿生蝴蝶扑翼飞行器上的安装。
在飞行过程中，若对姿态调整装置(7)施加正向电压，由于内部片状IPMC材料(1)的弯曲效应，姿态调整装置(7)发生向上卷曲，此时飞行器尾部的重心向沿飞行方向的前下方移动。为了保持相对稳定的飞行，在飞行过程中飞行器的重心几乎不发生改变。因此飞行器前部(包括翅膀(8))的重心需要向沿飞行方向的后上方移动才能平衡尾部变形带来的重心变化。由于反向气流对姿态调整装置(7)的影响较小，重心在这一过程中起到主要作用。此时，飞行器头部下降，支架(9)与姿态调整装置(7)的连接部位抬升，飞行器下俯；给姿态调整装置(7)施加反向电压，姿态调整装置(7)向下卷曲，使得飞行器尾部的重心向沿飞行方向的前上方移动，飞行器前部(包括翅膀)的重心需要向沿飞行方向的后下方移动才能平衡尾部变形带来的重心变化，使得飞行器头部抬升，支架(9)与姿态调整装置(7)的连接部位降低，飞行器上仰。
在一个实施例中，控制器为PCB印刷电路,集成1个IMU惯性测量单元,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,用来及时反馈当前仿生蝴蝶飞行器的姿态及航迹：尾部的姿态调整装置通过导线与控制器输出控制的焊盘焊接相连，控制器可以输出-10V到10V的电压到与封装的IPMC材料连接的金属电极，以实现姿态调整装置根据飞行姿态变形。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置，包括仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架，其特征是，包括至少2条IPMC材料、金属电极、高分子弹性聚合物薄膜、固定支架和IPMC控制器；
每条IPMC材料与金属电极连接并采用高分子弹性聚合物薄膜封装，将封装完成的材料进行堆叠并用高分子弹性聚合物封装；
所述固定支架有两个开口，其中一个开口处安装封装完成的IPMC材料并连接金属电极；固定支架的另一个开口与仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架连接，使得整个姿态调整装置固定于飞行器支架的末端；
所述金属电极引出的导线与安装于飞行器头部的IPMC控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的姿态调整装置，其特征是，至少2条的IPMC材料同时进行同一方向的弯曲，实现姿态调整装置的卷曲。
3.根据权利要求1所述的姿态调整装置，其特征是，所述高分子弹性聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。
4.根据权利要求1所述的姿态调整装置，其特征是，所述高分子弹性聚合物薄膜为聚氯乙烯薄膜。
5.根据权利要求1所述的姿态调整装置，其特征是，固定支架的另一个开口开有一个螺纹孔，通过在侧面拧入螺栓与仿生蝴蝶扑翼飞行器的支架进行螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的姿态调整装置，其特征是，仿生蝴蝶扑翼飞行器头部设置有支架，所述IPMC控制器的外壳开设有盲孔，将飞行器头部的支架插入盲孔固定。
7.根据权利要求1所述的姿态调整装置，其特征是，所述IPMC控制器为PCB印刷电路,集成1个IMU惯性测量单元。
8.根据权利要求6所述的姿态调整装置，其特征是，所述IMU惯性测量单元包括三个单轴的加速度计、三个单轴的陀螺和1个Zigbee超低功耗无线通讯模块,用来及时反馈当前仿生蝴蝶飞行器的姿态及航迹。
9.根据权利要求1所述的姿态调整装置，其特征是，所述金属电极引出的导线与IPMC控制器输出控制的焊盘焊接相连。
10.根据权利要求1所述的姿态调整装置，其特征是，IPMC控制器可以输出-10V到10V的电压。
CN201810554138.4A 2018-06-01 2018-06-01 一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置 Active CN108674650B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810554138.4A CN108674650B (zh) 2018-06-01 2018-06-01 一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810554138.4A CN108674650B (zh) 2018-06-01 2018-06-01 一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108674650A true CN108674650A (zh) 2018-10-19
CN108674650B CN108674650B (zh) 2021-12-07

Family

ID=63809283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810554138.4A Active CN108674650B (zh) 2018-06-01 2018-06-01 一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108674650B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110466756A (zh) * 2019-08-29 2019-11-19 河海大学常州校区 一种仿鸟小型扑翼飞行机器人
CN111521170A (zh) * 2020-05-22 2020-08-11 东南大学 一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102593345A (zh) * 2010-12-07 2012-07-18 延世大学校产学协力团 多层电活性聚合物器件及其制造方法
CN105905297A (zh) * 2016-04-15 2016-08-31 中国地质大学（武汉） 仿生自适应扑翼飞行器
DE102015003683A1 (de) * 2015-03-24 2016-09-29 Festo Ag & Co. Kg Fluggerät
CN205707352U (zh) * 2016-06-24 2016-11-23 巢湖学院 一种曲柄滑块式扑翼飞行器
CN106347660A (zh) * 2016-09-29 2017-01-25 中国地质大学（武汉） 纳米自发电型仿生扑翼飞行器
CN107431121A (zh) * 2015-03-31 2017-12-01 皇家飞利浦有限公司 基于电活性聚合物的致动器或传感器设备

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102593345A (zh) * 2010-12-07 2012-07-18 延世大学校产学协力团 多层电活性聚合物器件及其制造方法
DE102015003683A1 (de) * 2015-03-24 2016-09-29 Festo Ag & Co. Kg Fluggerät
CN107431121A (zh) * 2015-03-31 2017-12-01 皇家飞利浦有限公司 基于电活性聚合物的致动器或传感器设备
CN105905297A (zh) * 2016-04-15 2016-08-31 中国地质大学（武汉） 仿生自适应扑翼飞行器
CN205707352U (zh) * 2016-06-24 2016-11-23 巢湖学院 一种曲柄滑块式扑翼飞行器
CN106347660A (zh) * 2016-09-29 2017-01-25 中国地质大学（武汉） 纳米自发电型仿生扑翼飞行器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110466756A (zh) * 2019-08-29 2019-11-19 河海大学常州校区 一种仿鸟小型扑翼飞行机器人
CN111521170A (zh) * 2020-05-22 2020-08-11 东南大学 一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪

Also Published As

Publication number Publication date
CN108674650B (zh) 2021-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104210655A (zh) 一种双旋翼无人机
WO2016184358A1 (zh) 基于双飞控系统的固定结构式垂直起降飞机及其控制方法
CN107472528B (zh) 一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置与飞行控制方法
CN108639332B (zh) 复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法
CN108820222B (zh) 球载太阳能无人机投放控制方法
CN112537444B (zh) 一种复合翼无人机悬停自动对风的方法
CN207374661U (zh) 多旋翼无人机
CN107867396A (zh) 一种舵机驱动的扑翼飞行器及扑翼飞行器驱动方法
CN108674650A (zh) 一种用于仿生蝴蝶扑翼飞行器的姿态调整装置
CN110001953A (zh) 一种翼型无人机及其飞行控制方法
CN110329497A (zh) 一种桨面角度可变的多旋翼无人机及其控制方法
CN105882954A (zh) 一种带有四个辅助翼的混合动力无人机及其控制方法
CN108058825A (zh) 一种可前后扫掠式的扑翼飞行器装置
CN110182352A (zh) 一种气浮式无动力长航时飞行器及其控制方法
CN110228587A (zh) 一种变距系统和无人飞行器
CN211281472U (zh) 一种涵道尾坐式垂直起降无人机
CN104002968A (zh) 一种小型锥形旋转扑翼飞行器
CN207403919U (zh) 一种新型无人飞艇
CN106542093A (zh) 高效多旋翼飞行器
CN206218223U (zh) 一种多形态无人机
CN208715466U (zh) 基于流场控制的无人机控制装置及无人机
CN107745804B (zh) 飞行器及巡航平飞方法
CN209553482U (zh) 全升力体太阳能无人飞行器
CN206813318U (zh) 一种飞行器用空气推进器
CN206502021U (zh) 高效多旋翼飞行器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant