CN109878722A - 四拍合效应的悬停扑翼飞行器以及悬停扑翼飞行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四拍合效应的悬停扑翼飞行器以及悬停扑翼飞行方法，飞行器包括：支架、左前扑翼、右前扑翼、左后扑翼、右后扑翼、操纵机构和扑翼驱动机构；悬停状态下，在扑翼驱动机构的驱动下，各扑翼分别在圆形扑动平面的各个象限进行往复式旋转扑动，并且，相邻两翼进行往复式相对方向运动，每个扑翼运动至本象限范围边界时和相邻扑翼一起产生近距离拍合效果，相邻两翼在每个扑动周期内产生一次近距离拍合，每个扑动周期产生四次拍合效应。优点为：(1)利用四扑翼的往复扑动，可以在每个扑动周期内产生四次拍合效应，显著增强扑翼的非定常气动特性，增强拍合效应产生的尾涡，有效提高扑翼飞行器悬停飞行性能。

Description

四拍合效应的悬停扑翼飞行器以及悬停扑翼飞行方法

技术领域

本发明属于航空飞行器技术领域，具体涉及一种四拍合效应的悬停扑翼飞行器以及悬停扑翼飞行方法。

背景技术

随着飞行器技术的发展，扑翼飞行器的应用也越来越广泛。由于鸟类的飞行动作比较复杂，现有技术中多数是简单的模仿鸟类翅膀的上下扑动，从而实现飞行，具有机动能力相当有限的问题。因此，目前迫切需要提供一种结构简单、飞行效率高且机动性能好的扑翼飞行器。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种四拍合效应的悬停扑翼飞行器以及悬停扑翼飞行方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种四拍合效应的悬停扑翼飞行器，包括：支架(10)、左前扑翼(20)、右前扑翼(30)、左后扑翼(40)、右后扑翼(50)、操纵机构和扑翼驱动机构(60)；

其中，悬停状态下，在所述扑翼驱动机构(60)的驱动下，所述左前扑翼(20)、所述右前扑翼(30)、所述左后扑翼(40)和所述右后扑翼(50)分别在圆形扑动平面的第II象限、第I象限、第III象限和第IV象限进行往复式旋转扑动，并且，相邻两翼进行往复式相对方向运动，每个扑翼运动至本象限范围边界时和相邻扑翼一起产生近距离拍合效果，因此，相邻两翼在每个扑动周期内产生一次近距离拍合，每个扑动周期产生四次拍合效应；

所述操纵机构包括第一操纵单元(80)和第二操纵单元(90)；所述第一操纵单元(80)用于操纵所述左前扑翼(20)的俯仰角度；所述第二操纵单元(90)用于操纵所述右前扑翼(30)的俯仰角度。

优选的，所述左前扑翼(20)、所述右前扑翼(30)、所述左后扑翼(40)和所述右后扑翼(50)的外形和结构完全一致。

优选的，所述扑翼驱动机构(60)采用齿轮齿条驱动机构。

优选的，所述齿轮齿条驱动机构包括：驱动电机(61)、曲柄连杆机构、左齿条(68)、右齿条(69)、左前齿轮(70)、右前齿轮(71)、左后齿轮(72)和右后齿轮(73)；

在同一平面的第II象限、第I象限、第IV象限和第III象限各布置所述左前齿轮(70)、所述右前齿轮(71)、所述右后齿轮(73)和所述左后齿轮(72)；

在X轴负半轴水平布置所述左齿条(68)，并且，所述左齿条(68)的前侧与所述左前齿轮(70)啮合；所述左齿条(68)的后侧与所述左后齿轮(72)啮合；其中，所述左前扑翼(20)的翼根与所述左前齿轮(70)的中心固定，所述左后扑翼(40)的翼根与所述左后齿轮(72)的中心固定；当所述左齿条(68)沿X轴进行直线往复运动时，驱动所述左前齿轮(70)和所述左后齿轮(72)在坐标平面转动；进而带动所述左前扑翼(20)和所述左后扑翼(40)在坐标平面转动；

在X轴正半轴水平布置所述右齿条(69)，并且，所述右齿条(69)的前侧与所述右前齿轮(71)啮合；所述右齿条(69)的后侧与所述右后齿轮(73)啮合；其中，所述右前扑翼(30)的翼根与所述右前齿轮(71)的中心固定，所述右后扑翼(50)的翼根与所述右后齿轮(73)的中心固定；当所述右齿条(69)沿X轴进行直线往复运动时，驱动所述右前齿轮(71)和所述右后齿轮(73)在坐标平面转动；进而带动所述右前扑翼(30)和所述右后扑翼(50)在坐标平面转动；

所述曲柄连杆机构分别与所述左齿条(68)和所述右齿条(69)连接，用于驱动所述左齿条(68)和所述右齿条(69)进行相对运动或相背运动。

优选的，所述曲柄连杆机构包括曲柄(62)、曲柄连杆(63)、曲柄滑块(64)、立柱(65)、左连杆(66)和右连杆(67)；

所述立柱(65)垂直固定安装于所述支架(10)；所述曲柄滑块(64)套于所述立柱(65)上面；

所述驱动电机(61)的输出端与所述曲柄(62)连接，用于驱动所述曲柄(62)转动；所述曲柄连杆(63)的一端铰接于所述曲柄(62)的偏心位置，所述曲柄(62)的另一端铰接于所述曲柄滑块(64)上面；因此，所述驱动电机(61)可驱动所述曲柄滑块(64)沿所述立柱(65)升降；

所述曲柄滑块(64)上方的左右两侧对称设置所述左齿条(68)和所述右齿条(69)，并且，所述左连杆(66)的一端与所述曲柄滑块(64)铰接，所述曲柄滑块(64)的另一端与所述左齿条(68)铰接；所述右连杆(67)的一端与所述曲柄滑块(64)铰接，所述右连杆(67)的另一端与所述右齿条(69)铰接；当所述曲柄滑块(64)沿所述立柱(65)下降时，带动所述左齿条(68)和所述右齿条(69)进行相向运动；当所述曲柄滑块(64)沿所述立柱(65)上升时，带动所述左齿条(68)和所述右齿条(69)进行相背运动。

优选的，所述支架(10)为矩形支架，所述左前齿轮(70)、所述右前齿轮(71)、所述左后齿轮(72)和所述右后齿轮(73)各布置于矩形支架的四角位置；

所述第一操纵单元(80)和所述第二操纵单元(90)布置于所述支架下方的右侧；所述扑翼驱动机构(60)的驱动电机(61)布置于所述支架下方的左侧，所述曲柄连杆机构布置于所述支架中心点的正下方，由此实现所述四拍合效应的悬停扑翼飞行器质量分布均衡，其重心位于所述四拍合效应的悬停扑翼飞行器的中心位置。

优选的，所述第一操纵单元(80)和所述第二操纵单元(90)均为线性舵机。

本发明还提供一种四拍合效应的悬停扑翼飞行器的悬停扑翼飞行方法，包括以下步骤：

步骤1，以四拍合效应的悬停扑翼飞行器的中心为坐标原点，以左齿条(68)和右齿条(69)中心轴线为X轴，在扑动平面建立XY坐标系；

步骤2，在悬停飞行状态时，在扑翼驱动机构(60)的驱动下，左前扑翼(20)、右前扑翼(30)、左后扑翼(40)和右后扑翼(50)分别在圆形扑动平面的第II象限、第I象限、第II象限和第IV象限进行往复式旋转扑动，并且，相邻两翼进行往复式相对方向运动，每个扑翼运动至本象限范围边界时和相邻扑翼一起产生近距离拍合效果，因此，相邻两翼在每个扑动周期内产生一次近距离拍合，每个扑动周期产生四次拍合效应，通过拍合效应可显著增强扑动产生的气动力克服飞行器重力而实现悬停飞行；

具体的，当左前扑翼(20)顺时针扑动到Y轴正半轴位置时，所述右前扑翼(30)正好逆时针扑动到Y轴正半轴位置，此时所述左前扑翼(20)和所述右前扑翼(30)产生一次拍合效应；同时，所述左后扑翼(40)正好逆时针扑动到Y轴负半轴位置，所述右后扑翼(50)正好顺时针扑动到Y轴负半轴位置，此时所述左后扑翼(40)和所述右后扑翼(50)产生一次拍合效应；

当所述左前扑翼(20)逆时针扑动到X轴负半轴位置时，所述左后扑翼(40)正好顺时针扑动到X轴负半轴位置，此时所述左前扑翼(20)和所述左后扑翼(40)产生一次拍合效应；同时，所述右前扑翼(30)顺时针扑动到X轴正半轴位置，所述右后扑翼(50)正好逆时针扑动到X轴正半轴位置，此时所述右前扑翼(30)和所述右后扑翼(50)产生一次拍合效应；

步骤3，在悬停飞行状态时，当飞行器需要上升或下降时，提高各个扑翼的扑动频率，飞行器升高；降低各个扑翼的扑动频率，飞行器下降；

步骤4，对操纵机构进行控制，使飞行器前进、后退或偏转，具体方式如下：

以Y轴正方向为飞行器前进方向，第一操纵单元(80)用于操纵左前扑翼(20)的俯仰角度；第二操纵单元(90)用于操纵右前扑翼(30)的俯仰角度；

因此，当控制左前扑翼(20)和右前扑翼(30)同步向下偏转等角度时，左前扑翼(20)和右前扑翼(30)产生的气动力向前方偏转，使得飞行器产生向前方向运动的分力，进而使飞行器前进；

当控制左前扑翼(20)和右前扑翼(30)同步向上偏转等角度时，左前扑翼(20)和右前扑翼(30)产生的气动力向后方偏转，使得飞行器产生向后方向运动的分力，进而使飞行器后退；

当控制左前扑翼(20)和右前扑翼(30)差动偏转时，产生使飞行器偏转的力矩，进而使飞行器转向。

本发明提供的四拍合效应的悬停扑翼飞行器以及悬停扑翼飞行方法具有以下优点：

(1)利用四扑翼的往复扑动，可以在每个扑动周期内产生四次拍合效应，显著增强扑翼的非定常气动特性，增强拍合效应产生的尾涡，有效提高扑翼飞行器悬停飞行性能。

(2)利用前方两翼的同向俯仰和差动俯仰来控制整个飞行器的前进、后退以及转向，通过控制扑动频率实现飞行器的升高或降低。

(3)整个扑翼飞行器结构紧凑，部件数量少，传动环节少，有效提升了机械驱动效率。该种飞行器型式可使飞行器的尺寸有效缩小，实现低雷诺数下的高效率飞行。

附图说明

图1为本发明提供的四拍合效应的悬停扑翼飞行器的俯视图；

图2为本发明提供的四拍合效应的悬停扑翼飞行器的立体图；

图3为本发明提供的四拍合效应的悬停扑翼飞行器的运动原理图；

图4为本发明提供的四拍合效应的悬停扑翼飞行器扑动到一个极限位置时，产生拍合效应时的俯视图；

图5为本发明提供的四拍合效应的悬停扑翼飞行器扑动到另一个极限位置时，产生拍合效应时的俯视图；

图6为隐藏扑翼后四拍合效应的悬停扑翼飞行器的布置原理图；

图7为隐藏扑翼后四拍合效应的悬停扑翼飞行器在一个角度下的立体图；

图8为隐藏扑翼后四拍合效应的悬停扑翼飞行器在另一个角度下的立体图；

图9为齿轮齿条驱动机构的在一个角度下的立体图；

图10为齿轮齿条驱动机构的在另一个角度下的立体图；

图11为齿轮齿条驱动机构的主要部件的立体图；

图12为隐藏扑翼后四拍合效应的悬停扑翼飞行器的立体图；

图13为支架的立体图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

发明人经过测试，通过扑翼拍合机制可产生很大的气动力，具体的，两翼拍到接近的位置后迅速分开产生的这种拍合效应可以有效增强扑翼飞行气动力，因此，本发明提出一种微型扑翼飞行器，四个扑翼通过两两对拍的扑动方式，每个扑动周期可产生四次拍合效应，以强烈的拍合效应产生的气动力来实现悬停飞行，进而显著增强的拍合机制带来的空气动力学性能。

本发明的主要设计构思为：

参考图1-图13，四拍合效应的悬停扑翼飞行器包括：支架10、左前扑翼20、右前扑翼30、左后扑翼40、右后扑翼50、操纵机构和扑翼驱动机构60；

其中，左前扑翼20、右前扑翼30、左后扑翼40、右后扑翼50这四个扑翼的外形和结构完全一致，其中，悬停状态下，在扑翼驱动机构60的驱动下，左前扑翼20、右前扑翼30、左后扑翼40和右后扑翼50分别在圆形扑动平面的第II象限、第I象限、第III象限和第IV象限进行往复式旋转扑动，每个扑翼的运动范围为一个象限，并且，相邻两翼进行往复式相对方向运动，每个扑翼运动至本象限范围边界时和相邻扑翼一起产生近距离拍合效果，因此，相邻两翼在每个扑动周期内产生一次近距离拍合，每个扑动周期产生四次拍合效应。因此称为四拍合扑翼飞行器。发明人经过测试，两翼扑动时的近距离拍合运动可以有效增强扑翼的非定常气动力，本发明提出的四拍合扑翼每个扑动周期内可以产生四次拍合现象，可显著增强产生的气动力，提高扑翼的气动效率，进而实现悬停飞行能力。

具体的，参考图3，为四拍合效应的悬停扑翼飞行器的拍合效应原理图。角度为俯视，其中四条黑色的粗实线代表四个扑翼，四条虚线代表四个扑翼的运动极限位置。四个扑翼做相对往复旋转运动，四条弧形带箭头虚线表示各个扑翼的往复运动角度范围。从图3可以看出，四个扑翼分别位于圆形扑动平面的四个象限，可做绕根部的往复旋转扑动。每个扑翼的翼面的根部为支点，围绕根部做往复式旋转运动，每个扑翼运动范围为一个象限，相邻两个翼面做相对运动，每个翼面运动至本象限范围边界时和相邻扑翼一起产生近距离拍合效果，一个周期内两两相对拍合，共可产生四次拍合效果。即：左前扑翼20在A3-A1范围中进行往复旋转扑动；右前扑翼30在A4-A1范围中进行往复旋转扑动；左后扑翼40在A2-A3范围中进行往复旋转扑动；右后扑翼50在A2-A4范围中进行往复旋转扑动；当左前扑翼20扑动到A1位置时，右前扑翼30同时扑动到A1位置，同时，左后扑翼40扑动到A2位置，右后扑翼50扑动到A2位置，此时形成图4所示状态，因此，在此时，左前扑翼20和右前扑翼30在A1位置产生一次近距离拍合，而左后扑翼40和右后扑翼50在A2位置产生一次近距离拍合；

当左前扑翼20扑动到A3位置时，右前扑翼30同时扑动到A4位置，同时，左后扑翼40扑动到A3位置，右后扑翼50扑动到A4位置，此时形成图5所示状态，因此，在此时，左前扑翼20和左后扑翼40在A3位置产生一次近距离拍合，而右前扑翼30和右后扑翼50在A4位置产生一次近距离拍合；因此，一个扑动周期共产生4次拍合效应。

当4个扑翼在一个扑动平面中进行上述扑动时，由于每个扑动周期内可以产生四次拍合现象，因此，可以产生垂直向上方向上较大的气动力，因而支持该种扑翼飞行器实现悬停飞行。

通过扑翼驱动机构60实现对4个扑翼的扑动控制，带动扑翼实现两两相对拍合扑动，进而实现4个扑翼在一个扑动平面中进行上述扑动效果。扑翼驱动机构60具体可采用多种结构方式实现，本发明对此并不限制，例如，可采用电机带动齿轮齿条结构实现，或者通过齿轮啮合方式实现，均为不同的实施效果，达到的运动方式一致。整个驱动系统可通过一个电机驱动齿轮做往复运动。

整个飞行器的主要飞行方式为悬停飞行，通过对飞行器结构布置的优化，使飞行器的质量对称分布，重心位于飞行器的中心。悬停飞行时，飞行器的四个翼面做往复扑动运动。

另外，为实现飞行器前飞、后退和转向等操纵，还设计有操纵机构。操纵机构包括第一操纵单元80和第二操纵单元90；第一操纵单元80用于操纵左前扑翼20的俯仰角度；第二操纵单元90用于操纵右前扑翼30的俯仰角度。实际应用中，第一操纵单元80和第二操纵单元90均为线性舵机。

因此，飞行器前进方向的两翼，即：左前扑翼20和右前扑翼30具有一定范围内的俯仰角度控制，用来实现飞行器的姿态控制。当两翼同时向下倾斜时，由于两翼的偏转产生了向前的分力，飞行器向前飞行。当两翼同时向上倾斜时，由于两翼的偏转产生了向后的分力，飞行器向后飞行。当两翼差动偏转时，两翼上的气动力一个向前偏，一个向后偏，可以产生偏航力矩，用来控制飞行器的转向，飞行器超向上偏转翼的方向旋转。

四个扑翼、扑翼驱动机构和操纵机构通过支架连接与固定。整体紧凑，结构形式简单，传动环节少，易于实现。

为对本发明进行充分的理解，下面结合附图，介绍一种具体实现方式的扑翼驱动机构60和操纵机构：

(一)扑翼驱动机构60

本实施例中，扑翼驱动机构60采用齿轮齿条驱动机构。

参考图6，齿轮齿条驱动机构包括：驱动电机61、曲柄连杆机构、左齿条68、右齿条69、左前齿轮70、右前齿轮71、左后齿轮72和右后齿轮73；

在同一平面的第II象限、第I象限、第IV象限和第III象限各布置左前齿轮70、右前齿轮71、右后齿轮73和左后齿轮72；

在X轴负半轴水平布置左齿条68，并且，左齿条68的前侧与左前齿轮70啮合；左齿条68的后侧与左后齿轮72啮合；其中，左前扑翼20的翼根与左前齿轮70的中心固定，左后扑翼40的翼根与左后齿轮72的中心固定；当左齿条68沿X轴进行直线往复运动时，驱动左前齿轮70和左后齿轮72在坐标平面转动；进而带动左前扑翼20和左后扑翼40在坐标平面转动；

在X轴正半轴水平布置右齿条69，并且，右齿条69的前侧与右前齿轮71啮合；右齿条69的后侧与右后齿轮73啮合；其中，右前扑翼30的翼根与右前齿轮71的中心固定，右后扑翼50的翼根与右后齿轮73的中心固定；当右齿条69沿X轴进行直线往复运动时，驱动右前齿轮71和右后齿轮73在坐标平面转动；进而带动右前扑翼30和右后扑翼50在坐标平面转动。

曲柄连杆机构分别与左齿条68和右齿条69连接，用于驱动左齿条68和右齿条69进行相对运动或相背运动。

实际应用中，参考图9-图11，曲柄连杆机构包括曲柄62、曲柄连杆63、曲柄滑块64、立柱65、左连杆66和右连杆67；

立柱65垂直固定安装于支架10；曲柄滑块64套于立柱65上面；

驱动电机61的输出端与曲柄62连接，用于驱动曲柄62转动；曲柄连杆63的一端铰接于曲柄62的偏心位置，曲柄62的另一端铰接于曲柄滑块64上面；因此，驱动电机61可驱动曲柄滑块64沿立柱65升降；

曲柄滑块64上方的左右两侧对称设置左齿条68和右齿条69，并且，左连杆66的一端与曲柄滑块64铰接，曲柄滑块64的另一端与左齿条68铰接；右连杆67的一端与曲柄滑块64铰接，右连杆67的另一端与右齿条69铰接；当曲柄滑块64沿立柱65下降时，带动左齿条68和右齿条69进行相向运动；当曲柄滑块64沿立柱65上升时，带动左齿条68和右齿条69进行相背运动。

为实现整个飞行器质量分布均衡，重心位于飞行器中心位置，参考图13，为支架的结构图。支架10为矩形支架，左前齿轮70、右前齿轮71、左后齿轮72和右后齿轮73的结构和形状完全相同，各布置于矩形支架的四角位置；

第一操纵单元80和第二操纵单元90布置于支架下方的右侧；扑翼驱动机构60的驱动电机61布置于支架下方的左侧，曲柄连杆机构布置于支架中心点的正下方，由此实现四拍合效应的悬停扑翼飞行器质量分布均衡，其重心位于四拍合效应的悬停扑翼飞行器的中心位置。

(二)操纵机构

操纵机构包括第一操纵单元80和第二操纵单元90；第一操纵单元80用于操纵左前扑翼20的俯仰角度；第二操纵单元90用于操纵右前扑翼30的俯仰角度。在附图中，第一操纵单元80和第二操纵单元90均为线性舵机。

利用前方两翼的同向俯仰和差动俯仰来控制整个飞行器的前进、后退以及转向，通过控制扑动频率实现飞行器的升高或降低。

定义图4上方为飞行器的前进方向，上方的两个扑翼根部各自连接一个线性舵机，可驱动两翼进行一定程度的俯仰运动，从而使前方的两个扑翼产生向下或向上的偏转。当前方两翼向下偏转时，该两翼产生的气动力向前方偏转，使得飞行器产生向前方向运动的分力。当前方两翼向上偏转时，该两翼产生的气动力向后方偏转，使得飞行器产生向后方向运动的分力。当前方两翼差动偏转时，产生使飞行器偏转的力矩：如左前翼向下，右前翼向上偏转时，产生了顺时针方向的力矩，此时飞行器顺时针转向；反之，左前翼向上，右前翼向下偏转时，产生了逆时针方向的力矩，此时飞行器逆时针转向。

当飞行器需要提高高度时，可以通过加大油门提高扑动频率从而增大推力实现；当飞行器下降时，可以通过减小油门降低扑动频率从而降低推力来实现。

本发明还提供一种四拍合效应的悬停扑翼飞行器的悬停扑翼飞行方法，包括以下步骤：

步骤1，如图6，以四拍合效应的悬停扑翼飞行器的中心为坐标原点，以左齿条68和右齿条69中心轴线为X轴，在扑动平面建立XY坐标系；

步骤2，在悬停飞行状态时，在扑翼驱动机构60的驱动下，左前扑翼20、右前扑翼30、左后扑翼40和右后扑翼50分别在圆形扑动平面的第II象限、第I象限、第II象限和第IV象限进行往复式旋转扑动，并且，相邻两翼进行往复式相对方向运动，每个扑翼运动至本象限范围边界时和相邻扑翼一起产生近距离拍合效果，因此，相邻两翼在每个扑动周期内产生一次近距离拍合，每个扑动周期产生四次拍合效应，通过拍合效应可显著增强扑动产生的气动力克服飞行器重力而实现悬停飞行；

具体的，当左前扑翼20顺时针扑动到Y轴正半轴位置时，右前扑翼30正好逆时针扑动到Y轴正半轴位置，此时左前扑翼20和右前扑翼30产生一次拍合效应；同时，左后扑翼40正好逆时针扑动到Y轴负半轴位置，右后扑翼50正好顺时针扑动到Y轴负半轴位置，此时左后扑翼40和右后扑翼50产生一次拍合效应；此种状态为图4所示状态；

当左前扑翼20逆时针扑动到X轴负半轴位置时，左后扑翼40正好顺时针扑动到X轴负半轴位置，此时左前扑翼20和左后扑翼40产生一次拍合效应；同时，右前扑翼30顺时针扑动到X轴正半轴位置，右后扑翼50正好逆时针扑动到X轴正半轴位置，此时右前扑翼30和右后扑翼50产生一次拍合效应；此种状态为图5所示状态；

步骤3，在悬停飞行状态时，当飞行器需要上升或下降时，提高各个扑翼的扑动频率，飞行器升高；降低各个扑翼的扑动频率，飞行器下降；

步骤4，对操纵机构进行控制，使飞行器前进、后退或偏转，具体方式如下：

以Y轴正方向为飞行器前进方向，第一操纵单元80用于操纵左前扑翼20的俯仰角度；第二操纵单元90用于操纵右前扑翼30的俯仰角度；

因此，当控制左前扑翼20和右前扑翼30同步向下偏转等角度时，左前扑翼20和右前扑翼30产生的气动力向前方偏转，使得飞行器产生向前方向运动的分力，进而使飞行器前进；

当控制左前扑翼20和右前扑翼30同步向上偏转等角度时，左前扑翼20和右前扑翼30产生的气动力向后方偏转，使得飞行器产生向后方向运动的分力，进而使飞行器后退；

当控制左前扑翼20和右前扑翼30差动偏转时，产生使飞行器偏转的力矩，进而使飞行器转向。

本发明提供的四拍合效应的悬停扑翼飞行器以及悬停扑翼飞行方法具有以下优点：

(1)利用四扑翼的往复扑动，可以在每个扑动周期内产生四次拍合效应，显著增强扑翼的非定常气动特性，增强拍合效应产生的尾涡，有效提高扑翼飞行器悬停飞行性能。

(2)利用前方两翼的同向俯仰和差动俯仰来控制整个飞行器的前进、后退以及转向，通过控制扑动频率实现飞行器的升高或降低。

(3)整个扑翼飞行器结构紧凑，部件数量少，传动环节少，有效提升了机械驱动效率。该种飞行器型式可使飞行器的尺寸有效缩小，实现低雷诺数下的高效率飞行。

(4)四个扑翼形状完全一致。驱动机构由电机、齿轮、齿条和连杆构成，电机通过齿轮和连杆驱动两根齿条做相对往复运动，两根齿条各驱动两个齿轮做往复扑动。四个齿轮各驱动一个扑翼做往复运动，相邻的两翼做相对方向运动。每半个周期均有相对位置的两个翼产生拍合效应，一个周期内共四次拍合效应。因此，驱动机构结构简单，传动环节少，有效提升了机械驱动效率。

(5)由于本发明的飞行器主要实现悬停飞行，整个驱动机构与操纵机构都型式简单，质量分布均衡，所以该款飞行器可以缩小到非常微型的尺度，扑翼飞行方式显著提高了尺度缩小后的气动效率。

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本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种四拍合效应的悬停扑翼飞行器，其特征在于，包括：支架(10)、左前扑翼(20)、右前扑翼(30)、左后扑翼(40)、右后扑翼(50)、操纵机构和扑翼驱动机构(60)；

其中，悬停状态下，在所述扑翼驱动机构(60)的驱动下，所述左前扑翼(20)、所述右前扑翼(30)、所述左后扑翼(40)和所述右后扑翼(50)分别在圆形扑动平面的第II象限、第I象限、第III象限和第IV象限进行往复式旋转扑动，并且，相邻两翼进行往复式相对方向运动，每个扑翼运动至本象限范围边界时和相邻扑翼一起产生近距离拍合效果，因此，相邻两翼在每个扑动周期内产生一次近距离拍合，每个扑动周期产生四次拍合效应；

所述操纵机构包括第一操纵单元(80)和第二操纵单元(90)；所述第一操纵单元(80)用于操纵所述左前扑翼(20)的俯仰角度；所述第二操纵单元(90)用于操纵所述右前扑翼(30)的俯仰角度。

2.根据权利要求1所述的四拍合效应的悬停扑翼飞行器，其特征在于，所述左前扑翼(20)、所述右前扑翼(30)、所述左后扑翼(40)和所述右后扑翼(50)的外形和结构完全一致。

3.根据权利要求1所述的四拍合效应的悬停扑翼飞行器，其特征在于，所述扑翼驱动机构(60)采用齿轮齿条驱动机构。

4.根据权利要求3所述的四拍合效应的悬停扑翼飞行器，其特征在于，所述齿轮齿条驱动机构包括：驱动电机(61)、曲柄连杆机构、左齿条(68)、右齿条(69)、左前齿轮(70)、右前齿轮(71)、左后齿轮(72)和右后齿轮(73)；

在同一平面的第II象限、第I象限、第IV象限和第III象限各布置所述左前齿轮(70)、所述右前齿轮(71)、所述右后齿轮(73)和所述左后齿轮(72)；

在X轴负半轴水平布置所述左齿条(68)，并且，所述左齿条(68)的前侧与所述左前齿轮(70)啮合；所述左齿条(68)的后侧与所述左后齿轮(72)啮合；其中，所述左前扑翼(20)的翼根与所述左前齿轮(70)的中心固定，所述左后扑翼(40)的翼根与所述左后齿轮(72)的中心固定；当所述左齿条(68)沿X轴进行直线往复运动时，驱动所述左前齿轮(70)和所述左后齿轮(72)在坐标平面转动；进而带动所述左前扑翼(20)和所述左后扑翼(40)在坐标平面转动；

在X轴正半轴水平布置所述右齿条(69)，并且，所述右齿条(69)的前侧与所述右前齿轮(71)啮合；所述右齿条(69)的后侧与所述右后齿轮(73)啮合；其中，所述右前扑翼(30)的翼根与所述右前齿轮(71)的中心固定，所述右后扑翼(50)的翼根与所述右后齿轮(73)的中心固定；当所述右齿条(69)沿X轴进行直线往复运动时，驱动所述右前齿轮(71)和所述右后齿轮(73)在坐标平面转动；进而带动所述右前扑翼(30)和所述右后扑翼(50)在坐标平面转动；

所述曲柄连杆机构分别与所述左齿条(68)和所述右齿条(69)连接，用于驱动所述左齿条(68)和所述右齿条(69)进行相对运动或相背运动。

5.根据权利要求4所述的四拍合效应的悬停扑翼飞行器，其特征在于，所述曲柄连杆机构包括曲柄(62)、曲柄连杆(63)、曲柄滑块(64)、立柱(65)、左连杆(66)和右连杆(67)；

所述立柱(65)垂直固定安装于所述支架(10)；所述曲柄滑块(64)套于所述立柱(65)上面；

所述驱动电机(61)的输出端与所述曲柄(62)连接，用于驱动所述曲柄(62)转动；所述曲柄连杆(63)的一端铰接于所述曲柄(62)的偏心位置，所述曲柄(62)的另一端铰接于所述曲柄滑块(64)上面；因此，所述驱动电机(61)可驱动所述曲柄滑块(64)沿所述立柱(65)升降；

所述曲柄滑块(64)上方的左右两侧对称设置所述左齿条(68)和所述右齿条(69)，并且，所述左连杆(66)的一端与所述曲柄滑块(64)铰接，所述曲柄滑块(64)的另一端与所述左齿条(68)铰接；所述右连杆(67)的一端与所述曲柄滑块(64)铰接，所述右连杆(67)的另一端与所述右齿条(69)铰接；当所述曲柄滑块(64)沿所述立柱(65)下降时，带动所述左齿条(68)和所述右齿条(69)进行相向运动；当所述曲柄滑块(64)沿所述立柱(65)上升时，带动所述左齿条(68)和所述右齿条(69)进行相背运动。

6.根据权利要求5所述的四拍合效应的悬停扑翼飞行器，其特征在于，所述支架(10)为矩形支架，所述左前齿轮(70)、所述右前齿轮(71)、所述左后齿轮(72)和所述右后齿轮(73)各布置于矩形支架的四角位置；

所述第一操纵单元(80)和所述第二操纵单元(90)布置于所述支架下方的右侧；所述扑翼驱动机构(60)的驱动电机(61)布置于所述支架下方的左侧，所述曲柄连杆机构布置于所述支架中心点的正下方，由此实现所述四拍合效应的悬停扑翼飞行器质量分布均衡，其重心位于所述四拍合效应的悬停扑翼飞行器的中心位置。

7.根据权利要求1所述的四拍合效应的悬停扑翼飞行器，其特征在于，所述第一操纵单元(80)和所述第二操纵单元(90)均为线性舵机。

8.一种权利要求1-7任一项所述的四拍合效应的悬停扑翼飞行器的悬停扑翼飞行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，以四拍合效应的悬停扑翼飞行器的中心为坐标原点，以左齿条(68)和右齿条(69)中心轴线为X轴，在扑动平面建立XY坐标系；

步骤2，在悬停飞行状态时，在扑翼驱动机构(60)的驱动下，左前扑翼(20)、右前扑翼(30)、左后扑翼(40)和右后扑翼(50)分别在圆形扑动平面的第II象限、第I象限、第II象限和第IV象限进行往复式旋转扑动，并且，相邻两翼进行往复式相对方向运动，每个扑翼运动至本象限范围边界时和相邻扑翼一起产生近距离拍合效果，因此，相邻两翼在每个扑动周期内产生一次近距离拍合，每个扑动周期产生四次拍合效应，通过拍合效应可显著增强扑动产生的气动力克服飞行器重力而实现悬停飞行；

具体的，当左前扑翼(20)顺时针扑动到Y轴正半轴位置时，所述右前扑翼(30)正好逆时针扑动到Y轴正半轴位置，此时所述左前扑翼(20)和所述右前扑翼(30)产生一次拍合效应；同时，所述左后扑翼(40)正好逆时针扑动到Y轴负半轴位置，所述右后扑翼(50)正好顺时针扑动到Y轴负半轴位置，此时所述左后扑翼(40)和所述右后扑翼(50)产生一次拍合效应；

当所述左前扑翼(20)逆时针扑动到X轴负半轴位置时，所述左后扑翼(40)正好顺时针扑动到X轴负半轴位置，此时所述左前扑翼(20)和所述左后扑翼(40)产生一次拍合效应；同时，所述右前扑翼(30)顺时针扑动到X轴正半轴位置，所述右后扑翼(50)正好逆时针扑动到X轴正半轴位置，此时所述右前扑翼(30)和所述右后扑翼(50)产生一次拍合效应；

步骤3，在悬停飞行状态时，当飞行器需要上升或下降时，提高各个扑翼的扑动频率，飞行器升高；降低各个扑翼的扑动频率，飞行器下降；

步骤4，对操纵机构进行控制，使飞行器前进、后退或偏转，具体方式如下：

以Y轴正方向为飞行器前进方向，第一操纵单元(80)用于操纵左前扑翼(20)的俯仰角度；第二操纵单元(90)用于操纵右前扑翼(30)的俯仰角度；

因此，当控制左前扑翼(20)和右前扑翼(30)同步向下偏转等角度时，左前扑翼(20)和右前扑翼(30)产生的气动力向前方偏转，使得飞行器产生向前方向运动的分力，进而使飞行器前进；

当控制左前扑翼(20)和右前扑翼(30)同步向上偏转等角度时，左前扑翼(20)和右前扑翼(30)产生的气动力向后方偏转，使得飞行器产生向后方向运动的分力，进而使飞行器后退；

当控制左前扑翼(20)和右前扑翼(30)差动偏转时，产生使飞行器偏转的力矩，进而使飞行器转向。