CN109835481A - 一种通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扑翼飞行器，特别涉及一种通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器。包括第一双扑翼本体、第二双扑翼本体、左侧连接丝、右侧连接丝、翼面变形驱动装置、尾翼、机身及扑翼驱动装置，其中第一双扑翼本体和第二双扑翼本体交叉设置于机身的前端，尾翼设置于机身的后端；扑翼驱动装置设置于机身的前端且与第一双扑翼本体和第二双扑翼本体连接，翼面变形驱动装置设置于尾翼上且通过连接丝与第一双扑翼本体和第二双扑翼本体连接，翼面变形驱动装置用于驱动第一双扑翼本体和第二双扑翼本体变形，从而实现扑翼飞行器飞行姿态的改变。本发明采用变形机翼的方式，实现扑翼结构同时产生推力升力和转弯控制力矩，控制效率高，结构简单可靠。

Description

一种通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器
技术领域
本发明涉及一种扑翼飞行器，特别涉及一种通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器。
背景技术
扑翼飞行器由于它具有尺寸小、重量轻、便于携带、隐蔽性好，成本低等特点，所以有广泛用途。它可在人类无法到达的环境恶劣或空间狭小的区域执行任务：可以用于化学取样、环境监测、管道检查、室内消防、通讯中继、甚至外星表面探测。此外，扑翼飞行器还有着多种潜在用途：扑翼飞行器可以执行其他飞行器和探测器难以完成的特殊任务，如绕过障碍物的近距离侦察，空中监视，跟踪等；扑翼飞行器可由单兵携带，执行侦察或攻击任务。
现阶段的研究对于扑翼飞行器的飞行控制多采用类似固定翼的舵面控制方式，即在机身尾部装有方向舵和升降舵，对于飞行较快的扑翼，方向舵和升降舵能够实现控制目的，但是对于飞行较慢甚至悬停时的扑翼，方向舵和升降舵由于湍流影响，控制效率非常低控制效果较差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器。该扑翼飞行器能够通过翼面变形控制实现对扑翼飞行器的控制，尤其是针对低速飞行状态具有较大的优势。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，包括第一双扑翼本体、第二双扑翼本体、左侧连接丝、右侧连接丝、翼面变形驱动装置、尾翼、机身及扑翼驱动装置，其中，
所述第一双扑翼本体和所述第二双扑翼本体交叉设置于所述机身的前端且均可转动，所述尾翼设置于所述机身的后端；
所述扑翼驱动装置设置于所述机身的前端且与所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体连接，所述扑翼驱动装置用于驱动所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体进行扑翼动作；
所述翼面变形驱动装置设置于所述尾翼上且通过连接丝与所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体连接，所述翼面变形驱动装置用于驱动所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体变形，从而实现扑翼飞行器飞行姿态的改变。
所述连接丝包括分别与所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体的左侧部分连接的两根左侧连接丝及分别与所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体的右侧部分连接的两根右侧连接丝。
所述翼面变形驱动装置包括固接件、电磁线圈、磁铁芯、磁铁固接架及连接丝固接架，其中磁铁固接架与连接丝固接架连接，所述磁铁芯安装在所述磁铁固接架上，所述电磁线圈套设于所述磁铁芯上、且与所述磁铁固接架铰接，所述固接件设置于所述电磁线圈的端部，用于与所述尾翼连接，所述连接丝固接架的左侧端与两根所述左侧连接丝连接，右侧端与两根所述右侧连接丝连接。
所述磁铁固接架与连接丝固接架垂直设置，所述磁铁固接架的两端通过铰轴与所述电磁线圈铰接。
所述尾翼为三个、且沿周向120度分布，所述翼面变形驱动装置设置于位于上方的一所述尾翼上。
所述扑翼驱动装置包括电机、传动装置、第一连杆、第二连杆及支撑架，其中支撑架与所述机身连接，所述电机和所述传动装置设置于所述支撑架上，所述电机的输出轴通过所述传动装置与所述第一连杆和第二连杆的一端铰接，所述第一连杆和第二连杆的另一端分别与所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体铰接，所述电机通过所述传动装置驱动所述第一连杆和第二连杆沿相反方向摆动，从而驱动所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体进行扑翼动作。
所述传动装置包括主动齿轮、减速齿轮、第一从动齿轮及第二从动齿轮，其中主动齿轮设置于所述电机的输出轴上、且与所述减速齿轮啮合，所述减速齿轮与第一从动齿轮啮合，所述第一从动齿轮与第二从动齿轮啮合，所述第一连杆和第二连杆的一端分别与所述第一从动齿轮与第二从动齿轮上偏离轴心的位置铰接。
所述减速齿轮包括同轴安装的大齿轮和小齿轮，其中大齿轮与所述主动齿轮啮合，所述小齿轮与所述第一从动齿轮啮合。
所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体结构相同且对称设置。
所述第一双扑翼本体和第二双扑翼本体的左侧部分和右侧部分呈大于90度的夹角。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明采用变形机翼的方式，实现扑翼结构同时产生推力升力和转弯控制力矩，控制效率高，结构简单可靠。
2.本发明相比其他采用舵面结构扑翼的控制方式，本发明无需舵面处气流的稳定较高速要求，直接控制扑翼机翼实现控制力矩，能够更有效的控制低速飞行时的扑翼机。
附图说明
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明中翼面变形驱动装置的结构示意图之一；
图4为本发明中翼面变形驱动装置的结构示意图之二；
图5为本发明中扑翼驱动装置的结构示意图之一；
图6为本发明中扑翼驱动装置的结构示意图之二。
图中：1为第一双扑翼本体，2为第二双扑翼本体，3为左侧连接丝，4为右侧连接丝，5为翼面变形驱动装置，6为尾翼，7为机身，8为扑翼驱动装置，9为固接件，10为电磁线圈，11为铰轴，12为磁铁芯，13为磁铁固接架，14为连接丝固接架，15为电机，16为主动齿轮，17为减速齿轮，18为第一从动齿轮，19为第二从动齿轮，20为第一连杆，21为第二连杆，22为支撑架，23为第一双扑翼本体边框，24为第二双扑翼本体边框。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-2所示，本发明提供的一种通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，包括第一双扑翼本体1、第二双扑翼本体2、左侧连接丝3、右侧连接丝4、翼面变形驱动装置5、尾翼6、机身7及扑翼驱动装置8，其中第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2交叉设置于机身7的前端且均可转动，尾翼6设置于机身7的后端；扑翼驱动装置8设置于机身7的前端且与第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2连接，扑翼驱动装置8用于驱动第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2进行扑翼动作；翼面变形驱动装置5设置于尾翼6上且通过连接丝与第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2连接，翼面变形驱动装置5用于驱动第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2变形，从而实现扑翼飞行器飞行姿态的改变。
进一步地，尾翼6为三个、且沿周向120度分布，翼面变形驱动装置5设置于位于上方的一尾翼6上。
所述连接丝包括分别与第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2的左侧部分连接的两根左侧连接丝3及分别与第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2的右侧部分连接的两根右侧连接丝4。
进一步地，第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2结构相同且对称设置。第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2的左侧部分和右侧部分呈大于90度的夹角。
如图3-4所示，翼面变形驱动装置5包括固接件9、电磁线圈10、磁铁芯12、磁铁固接架13及连接丝固接架14，其中磁铁固接架13与连接丝固接架14连接，磁铁芯12安装在磁铁固接架13上，电磁线圈10套设于磁铁芯12上、且与磁铁固接架13铰接，固接件9设置于电磁线圈10的端部，用于与尾翼6连接。连接丝固接架14的左侧端与两根左侧连接丝3连接，右侧端与两根右侧连接丝4连接。
进一步地，磁铁固接架13与连接丝固接架14垂直设置，磁铁固接架13的两端通过铰轴11与电磁线圈10铰接。
电磁线圈10通电后可控制磁铁芯12的摆动方向，从而达到控制连接丝固接架14摆动的目的，并且拉动连接第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2的连接丝，从而来拉动两侧的机翼。
如图5-6所示，扑翼驱动装置8包括电机15、传动装置、第一连杆20、第二连杆21及支撑架22，其中支撑架22与机身7连接，电机15和传动装置设置于支撑架22上，电机15的输出轴通过传动装置与第一连杆20和第二连杆21的一端铰接，第一连杆20的另一端与第一双扑翼本体1的第一双扑翼本体边框23铰接，第二连杆21的另一端与和第二双扑翼本体2的第二双扑翼本体边框24铰接。电机15通过传动装置驱动第一连杆20和第二连杆21沿相反方向摆动，从而驱动第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2进行扑翼动作。
进一步地，传动装置包括主动齿轮16、减速齿轮17、第一从动齿轮18及第二从动齿轮19，其中主动齿轮16设置于电机15的输出轴上、且与减速齿轮17啮合，减速齿轮17与第一从动齿轮18啮合，第一从动齿轮18与第二从动齿轮19啮合，第一连杆20和第二连杆21的一端分别与第一从动齿轮18与第二从动齿轮19上偏离轴心的位置铰接。
进一步地，减速齿轮17包括同轴安装的大齿轮和小齿轮，其中大齿轮与主动齿轮16啮合，小齿轮与第一从动齿轮18啮合。
本发明的转弯实现方式：
翼面变形驱动装置5有一个转动自由度，可控制翼面变形驱动装置5的连接丝固接架14左右摆动。当连接丝固接架14向左摆动时，通过两根左侧连接丝3拉动第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2的左侧部分，使第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2的左侧翼面发生形变，致使第一双扑翼本体1和第二双扑翼本体2左侧翼面相对受力面积减小，此时，扑翼飞行器左侧收到的推力及升力减小，导致扑翼飞行器飞行姿态改变，向左侧偏移，达到了向左侧飞行的目的。向右侧飞行同理。
翼面变形驱动装置5是采用线圈和磁铁组成的微型驱动装置，通正向电压时，磁铁芯12受到线圈安培力作用向正方向转动，反之通负向电压时，磁铁芯12受到线圈安培力作用向负方向转动，磁铁芯12带动其上固定的连接丝固接架14一起转动，实现对左、右侧连接丝的推拉动作。
本发明的工作原理是：
此扑翼产生气动力的原理是两对机翼的拍合与分离产生涡形气流，当两侧的机翼产生的推力相同时，飞行器能够向前直飞，当两侧机翼产生的推力不同时，飞行器航向会发生改变，即可实现飞行器的转弯。本发明的左、右侧连接丝3、4就是通过改变机翼形状实现推力改变进而控制飞行方向。
本发明采用变形机翼的方式，实现扑翼结构同时产生推力升力和转弯控制力矩，控制效率高，结构简单可靠。相比其他采用舵面结构扑翼的控制方式，本发明无需舵面处气流的稳定较高速要求，直接控制扑翼机翼实现控制力矩，能够更有效的控制低速飞行时的扑翼机。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，包括第一双扑翼本体(1)、第二双扑翼本体(2)、左侧连接丝(3)、右侧连接丝(4)、翼面变形驱动装置(5)、尾翼(6)、机身(7)及扑翼驱动装置(8)，其中，
所述第一双扑翼本体(1)和所述第二双扑翼本体(2)交叉设置于所述机身(7)的前端且均可转动，所述尾翼(6)设置于所述机身(7)的后端；
所述扑翼驱动装置(8)设置于所述机身(7)的前端且与所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)连接，所述扑翼驱动装置(8)用于驱动所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)进行扑翼动作；
所述翼面变形驱动装置(5)设置于所述尾翼(6)上且通过连接丝与所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)连接，所述翼面变形驱动装置(5)用于驱动所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)变形，从而实现扑翼飞行器飞行姿态的改变。
2.根据权利要求1所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述连接丝包括分别与所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)的左侧部分连接的两根左侧连接丝(3)及分别与所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)的右侧部分连接的两根右侧连接丝(4)。
3.根据权利要求2所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述翼面变形驱动装置(5)包括固接件(9)、电磁线圈(10)、磁铁芯(12)、磁铁固接架(13)及连接丝固接架(14)，其中磁铁固接架(13)与连接丝固接架(14)连接，所述磁铁芯(12)安装在所述磁铁固接架(13)上，所述电磁线圈(10)套设于所述磁铁芯(12)上、且与所述磁铁固接架(13)铰接，所述固接件(9)设置于所述电磁线圈(10)的端部，用于与所述尾翼(6)连接，所述连接丝固接架(14)的左侧端与两根所述左侧连接丝(3)连接，右侧端与两根所述右侧连接丝(4)连接。
4.根据权利要求3所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述磁铁固接架(13)与连接丝固接架(14)垂直设置，所述磁铁固接架(13)的两端通过铰轴(11)与所述电磁线圈(10)铰接。
5.根据权利要求1所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述尾翼(6)为三个、且沿周向120度分布，所述翼面变形驱动装置(5)设置于位于上方的一所述尾翼(6)上。
6.根据权利要求1所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述扑翼驱动装置(8)包括电机(15)、传动装置、第一连杆(20)、第二连杆(21)及支撑架(22)，其中支撑架(22)与所述机身(7)连接，所述电机(15)和所述传动装置设置于所述支撑架(22)上，所述电机(15)的输出轴通过所述传动装置与所述第一连杆(20)和第二连杆(21)的一端铰接，所述第一连杆(20)和第二连杆(21)的另一端分别与所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)铰接，所述电机(15)通过所述传动装置驱动所述第一连杆(20)和第二连杆(21)沿相反方向摆动，从而驱动所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)进行扑翼动作。
7.根据权利要求6所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述传动装置包括主动齿轮(16)、减速齿轮(17)、第一从动齿轮(18)及第二从动齿轮(19)，其中主动齿轮(16)设置于所述电机(15)的输出轴上、且与所述减速齿轮(17)啮合，所述减速齿轮(17)与第一从动齿轮(18)啮合，所述第一从动齿轮(18)与第二从动齿轮(19)啮合，所述第一连杆(20)和第二连杆(21)的一端分别与所述第一从动齿轮(18)与第二从动齿轮(19)上偏离轴心的位置铰接。
8.根据权利要求7所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述减速齿轮(17)包括同轴安装的大齿轮和小齿轮，其中大齿轮与所述主动齿轮(16)啮合，所述小齿轮与所述第一从动齿轮(18)啮合。
9.根据权利要求1所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)结构相同且对称设置。
10.根据权利要求9所述的通过翼面变形控制飞行的扑翼飞行器，其特征在于，所述第一双扑翼本体(1)和第二双扑翼本体(2)的左侧部分和右侧部分呈大于90度的夹角。
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