CN110091987B - 一种微型垂直起降扑翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型垂直起降扑翼飞行器，属于扑翼飞行器技术领域。包括机身、飞行控制系统、舵机、双翅扑翼装置和尾舵，双翅扑翼装置设置在机身的上部，尾舵设置在机身的下部；双翅扑翼装置包括安装在机架上的扑翼驱动部分和扑翼同步运动机构；扑翼驱动部分包括电机和减速齿轮组，电机通过设置在其转轴上的电机轴齿轮与减速齿轮组的输入端齿轮啮合连接，扑翼同步运动机构包括扑动翼和一对结构相同的扑翼驱动结构；扑动翼包括扑动翼摇臂和两对柔性扑动翼；扑翼驱动结构包括偏心轴安装齿轮、偏心轴和连杆；十字型支撑尾舵包括纵向固定舵板和横向调节舵板，纵向固定舵板和横向调节舵板垂直向下且呈十字交叉设置。它具有便于起降、能耗低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及扑翼飞行器技术领域。
背景技术
扑翼飞行器仿生飞行，在国防军事方面有着广泛的应用前景。扑翼飞行器在飞行时，所携带能源有限，这就要求它在执行任务的过程中尽最大可能的节省能源，同时在此过程中，其所处的任务环境复杂多变(如在侦查敌情时，要求其隐蔽在某个角落进行定点监控，完成监控后再次起飞执行下一个任务)，因此就要求飞行器在任意的时间和地点完成降落或者起飞动作以应对随机发生的状况，而这一动作则是需要在没有人为干预或间接干预的情况下完成，于是就要求扑翼飞行器必须具备消耗少量能量的自主起降能力。
中国专利公开号：CN108557074A、公开日2018年9月21日、发明名称为采用三旋翼混合布局的扑翼飞行器以及操纵方法，该申请公开了一种三旋翼与柔性扑动翼结合的布局形式，旨在解决现有扑翼飞行器无法兼顾垂直起降与快速平飞的问题，其不足的地方是为扑翼飞行器加装三旋翼系统，增加了扑翼飞行器的起飞重量，增加了功耗，同时旋翼与扑翼系统之间的气动耦合问题也较难解决。自然界中的鸟类多利用滑跑、弹跳来辅助起飞，这为扑翼飞行器自主起降设计提供了新思路。中国专利公开号：CN108363408A、公开日2018年1月26日、发明名称为一种扑翼飞行器自主起飞控制系统及方法，该申请公开了一种利用遥控小车加载扑翼飞行器起飞的方法，其不足的地方是该装置只能运用一次，本质上和手抛起飞无二。中国发明专利公开号：CN107792358A、公开日2018年3月13日、发明名称为一种轮腿式跑跳机构及扑翼式机器人，该申请公开了一种用于扑翼飞行器自主起飞的轮腿式跑跳机构，其不足的地方是为扑翼飞行器增加跑跳辅助装置，增加了多余的结构重量，增加了功耗。就目前来看大多数的扑翼飞行器仍采用手抛起飞的方式，不具有自主起降的能力。
扑翼飞行器之所以能够受到各国研究者的重视，正是在于其仿生侦查能力。在实际的应用中，扑翼飞行器的任务环境复杂多变，同时为节约能量，定点栖停侦查则显得尤为重要。扑翼飞行器在定点侦查时直接降落在地面上，则会很大程度的限制其侦查的视野，如国内西北工业大学研究的“信鸽”仿生侦查扑翼系统，其摄像头安装在扑翼的腹部，若直接降落在地面上，则无法继续进行侦查任务，针对此问题，该团队提出了采用仿生起落架的解决措施，中国发明专利授权公告号：CN 105416575 B，发明名称为应用在扑翼飞行器的仿生起落架系统及起落控制方法，该发明提出的仿鸟爪结构可以使扑翼飞行器栖停在电线、树枝上，其不足的地方为增加机械鸟爪装置则需增加一套相应的驱动系统，同时增加了扑翼飞行器的起飞重量，减小了其有效载荷。对于扑翼飞行器的定点栖停，其涉及到栖停机器人研究领域，除上述提到的仿生起落架结构之外，还有磁吸附、真空吸附等方式，然而结合实际应用来看，这些方式均有很多不足之处，因此扑翼飞行器的仿生栖停仍是一个较难解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微型垂直起降扑翼飞行器，它具有便于起降、能耗低等特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种微型垂直起降扑翼飞行器，包括机身、飞行控制系统、舵机、双翅扑翼装置和尾舵，双翅扑翼装置设置在机身的上部，尾舵为十字型支撑尾舵，其设置在机身的下部；
双翅扑翼装置包括安装在机架上的扑翼驱动部分和扑翼同步运动机构；
扑翼驱动部分包括电机和减速齿轮组，电机通过设置在其转轴上的电机轴齿轮与减速齿轮组的输入端齿轮啮合连接，
扑翼同步运动机构包括扑动翼和一对结构相同的扑翼驱动结构；
扑动翼包括扑动翼摇臂和两对柔性扑动翼，扑动翼摇臂包括两个摇杆，机架通过竖向设置的摇臂转轴与两个摇杆的中部转轴连接，在各摇杆的两端分别固定一个柔性扑动翼；
扑翼驱动结构包括偏心轴安装齿轮、偏心轴和连杆，偏心轴安装齿轮通过竖向设置的齿轮轴与机架转动连接，偏心轴偏心并设置于偏心轴安装齿轮上，连杆7的一端与偏心轴滚动连接；
一对扑翼驱动结构与扑动翼连接方式：两个扑翼驱动结构的偏心轴安装齿轮左右对称设置，摇臂转轴位于两个偏心轴安装齿轮中心连线的垂直平分线所处的垂面上，减速齿轮组的输出端齿轮位于两个偏心轴安装齿轮之间，并与两个偏心轴安装齿轮啮合连接，以驱动两个偏心轴安装齿轮同步旋转，两个偏心轴位于各自的偏心轴安装齿轮的位置相对应，两个连杆的另一端分别通过各自的竖向连杆转轴与扑动翼的两个摇杆铰接，两个连杆转轴及两个摇杆相对于摇臂转轴左右对称，以使扑动翼形成左右对称的两部分，位于扑动翼左侧部分的摇杆及其所连接的一对柔性扑动翼形成一对左侧翅翼，位于扑动翼右侧部分的摇杆及其所连接的一对柔性扑动翼形成一对右侧翅翼，输出端齿轮驱动两个偏心轴安装齿轮同步旋转时，两个连杆驱动一对左侧翅翼和一对右侧翅翼相对摆动，以产生均衡升力；
十字型支撑尾舵包括纵向固定舵板和横向调节舵板，纵向固定舵板和横向调节舵板垂直向下且呈十字交叉设置，纵向固定舵板和横向调节舵板的十字交叉部位与机身的底部固定连接，十字交叉部位将纵向固定舵板分为前侧纵向固定舵板和后侧纵向固定舵板，十字交叉部位将横向调节舵板分为左侧横向调节舵板和右侧横向调节舵板，左侧横向调节舵板包括左侧横向固定板和左侧横向舵面，左侧横向固定板的底部与左侧横向舵面的顶部铰接；右侧横向调节舵板包括右侧横向固定板和右侧横向舵面，右侧横向固定板的底部与右侧横向舵面的顶部铰接；舵机通过两个舵杆分别与左侧横向舵面和右侧横向舵面铰接，以控制左侧横向舵面和右侧横向舵面的偏转角度，从而控制扑翼飞行器的飞行方向，十字型支撑尾舵的底部设有地面支撑结构，地面支撑结构为：当舵机控制左侧横向舵面和右侧横向舵面与左侧横向固定板和右侧横向固定板处于同一垂面时，左侧横向舵面和右侧横向舵面及前侧纵向固定舵板和后侧纵向固定舵板的底部处于同一平面，以使机身能够竖向支撑在地面上。
本发明进一步改进在于：
机身设有栖停挂钩，栖停挂钩位于双翅扑翼装置的上方，栖停挂钩为条形镍钛形状记忆合金，形状记忆合金在不通电压的情况下，其保持竖直形状，形状记忆合金在通电加热时，形状记忆合金上部向下弯曲变形形成挂钩，用于扑翼飞行器的栖停。
扑翼驱动部分的减速齿轮组由输入端齿轮和输出端齿轮组成，输入端齿轮和输出端齿轮同轴心固定在一起，输入端齿轮直径大于输出端齿轮直径。
形状记忆合金表面设有橡胶层，用于增大栖停挂钩的表面摩擦力，机身为碳杆。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明采用了自然界中昆虫的拍-挥(clap and fling)机制，利用对称的两对翼翅在快速打开的过程中产生离散涡，使得扑翼获得了更大的升力，同时采用十字尾座式尾翼布局，使扑翼飞行器可以较大幅度和较高的频率进行扑动从而产生足够的升推力实现垂直起飞，在起飞至适合的高度后便可转换为小幅、低频扑动的快速平飞模式，而降落阶段又同样采用大幅、高频扑动垂直降落。通过此方案，使得扑翼飞行器具有了垂直起降的能力，并且有效的避免了增加扑翼结构重量。
本发明在增加扑翼垂直起降能力的基础上，又增加了仿生栖停功能，利用智能材料镍钛形状记忆合金受热可变形的特点，设计了符合树枝、电线等物体的外形的栖停挂钩弯曲变形形状，从而使得扑翼飞行器可以根据环境和任务要求选择性的栖停在树枝、电线等物体上执行监控任务，同时相比于其它传统的栖停方式，应用智能材料使得栖停系统结构质量更轻，飞行阻力、功耗更小，极大的增加了扑翼飞行器实际使用性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中双翅扑翼装置的主视图；
图3是图2的轴测图；
图4是图2中机架的结构示意图。
在附图中：1.机身；2.舵机；3.机架；4.电机；5.偏心轴安装齿轮；5-1.齿轮轴；6.偏心轴；7.连杆；7-1.连杆转轴；8.摇杆；8-1.摇臂转轴；9.柔性扑动翼；10.输出端齿轮；11.电机轴齿轮；12.输入端齿轮；13.前侧纵向固定舵板；14.后侧纵向固定舵板；15.左侧横向固定板；16.左侧横向舵面；17.右侧横向固定板；18.右侧横向舵面；19.舵杆；20.栖停挂钩；21.电池；22.摄像头；23.机身安装孔；24.摇臂转轴安装孔；25.电机安装孔；26.偏心轴安装齿轮安装孔；27.输入端齿轮安装孔。
本申请中所描述的扑翼飞行器各部件位置关系为飞行状态位置关系。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
由图1～4所示的实施例可知，本实施例包括机身1、飞行控制系统(从现有技术)、舵机2、双翅扑翼装置和尾舵，双翅扑翼装置设置在机身1的上部，尾舵为十字型支撑尾舵，其设置在机身1的下部；
双翅扑翼装置包括安装在机架3上的扑翼驱动部分和扑翼同步运动机构；
扑翼驱动部分包括电机4(型号：GA12–N20；614强磁空心杯电机)和减速齿轮组，电机4通过设置在其转轴上的电机轴齿轮11与减速齿轮组的输入端齿轮12啮合连接，
扑翼同步运动机构包括扑动翼和一对结构相同的扑翼驱动结构；
扑动翼包括扑动翼摇臂和两对柔性扑动翼9，扑动翼摇臂包括两个摇杆8，机架3通过竖向设置的摇臂转轴8-1与两个摇杆8的中部转轴连接，在各摇杆8的两端分别固定一个柔性扑动翼9；
扑翼驱动结构包括偏心轴安装齿轮5、偏心轴6和连杆7，偏心轴安装齿轮5通过竖向设置的齿轮轴5-1与机架3转动连接，偏心轴6偏心并设置于偏心轴安装齿轮5上，连杆7的一端与偏心轴6滚动连接；
一对扑翼驱动结构与扑动翼连接方式：两个扑翼驱动结构的偏心轴安装齿轮5左右对称设置，摇臂转轴8-1位于两个偏心轴安装齿轮5中心连线的垂直平分线所处的垂面上，减速齿轮组的输出端齿轮10位于两个偏心轴安装齿轮5之间，并与两个偏心轴安装齿轮5啮合连接，以驱动两个偏心轴安装齿轮5同步旋转，两个偏心轴6位于各自的偏心轴安装齿轮5的位置相对应，两个连杆7的另一端分别通过各自的竖向连杆转轴7-1与扑动翼的两个摇杆8铰接，两个连杆转轴7-1及两个摇杆8相对于摇臂转轴8-1左右对称，以使扑动翼形成左右对称的两部分，位于扑动翼左侧部分的摇杆8及其所连接的一对柔性扑动翼9形成一对左侧翅翼，位于扑动翼右侧部分的摇杆8及其所连接的一对柔性扑动翼9形成一对右侧翅翼，输出端齿轮10驱动两个偏心轴安装齿轮5同步旋转时，两个连杆7驱动一对左侧翅翼和一对右侧翅翼相对摆动，以产生均衡升力；
十字型支撑尾舵包括纵向固定舵板和横向调节舵板，纵向固定舵板和横向调节舵板垂直向下且呈十字交叉设置，纵向固定舵板和横向调节舵板的十字交叉部位与机身1的底部固定连接，十字交叉部位将纵向固定舵板分为前侧纵向固定舵板13和后侧纵向固定舵板14，十字交叉部位将横向调节舵板分为左侧横向调节舵板和右侧横向调节舵板，左侧横向调节舵板包括左侧横向固定板15和左侧横向舵面16，左侧横向固定板15的底部与左侧横向舵面16的顶部铰接；右侧横向调节舵板包括右侧横向固定板17和右侧横向舵面18，右侧横向固定板17的底部与右侧横向舵面18的顶部铰接；舵机2通过两个舵杆19分别与左侧横向舵面16和右侧横向舵面18铰接，以控制左侧横向舵面16和右侧横向舵面18的偏转角度，从而控制扑翼飞行器的飞行方向，十字型支撑尾舵的底部设有地面支撑结构，地面支撑结构为：当舵机2控制左侧横向舵面16和右侧横向舵面18与左侧横向固定板15和右侧横向固定板17处于同一垂面时，左侧横向舵面16和右侧横向舵面18及前侧纵向固定舵板13和后侧纵向固定舵板14的底部处于同一平面，以使机身1能够竖向支撑在地面上。
机身1设有栖停挂钩20，栖停挂钩20位于双翅扑翼装置的上方，栖停挂钩20为条形镍钛形状记忆合金，形状记忆合金在不通电压的情况下，其保持竖直形状，形状记忆合金在通电加热时，形状记忆合金上部向下弯曲变形形成挂钩，用于扑翼飞行器的栖停。
扑翼驱动部分的减速齿轮组由输入端齿轮12和输出端齿轮10组成，输入端齿轮12和输出端齿轮10同轴心固定在一起，输入端齿轮12直径大于输出端齿轮10直径。
形状记忆合金表面设有橡胶层，用于增大栖停挂钩20的表面摩擦力，机身1为碳杆。
本实施例中的飞行控制系统从现有技术，例如：中国发明专利授权公告号：CN105416575 B，发明名称为应用在扑翼飞行器的仿生起落架系统及起落控制方法，可完成本发明的下述相关功能：
当扑翼飞行器需要栖停时，由平飞姿态转换为竖直悬停飞行姿态，同时摄像头进行环境信息采集，并送至图像处理单元进行环境信息重建，并将栖停的位置和形状转换成控制信号移交给控制器，控制器收到指令后进行分析，从而对扑翼飞行器的飞行姿态和位置进行微调，当调整到适当的位置之后，控制器控制栖停挂钩弯曲变形，当实现栖停后，扑翼驱动机构关闭，从而使得扑翼飞行器静置在隐蔽位置执行监控任务。
当任务结束需要脱离栖停时，扑翼驱动机构启动，同时控制器控制栖停挂钩回复原始变形，脱离附着物，同理，通过视觉单元和控制单元，扑翼飞行器调整位置离开障碍物，由竖直飞行姿态转为平飞姿态，继续飞行。
Claims (3)
1.一种微型垂直起降扑翼飞行器，包括机身(1)、飞行控制系统、舵机(2)、双翅扑翼装置和尾舵，其特征在于：所述双翅扑翼装置设置在所述机身(1)的上部，所述尾舵为十字型支撑尾舵，其设置在所述机身(1)的下部；
所述双翅扑翼装置包括安装在机架(3)上的扑翼驱动部分和扑翼同步运动机构；
所述扑翼驱动部分包括电机(4)和减速齿轮组，所述电机(4)通过设置在其转轴上的电机轴齿轮(11)与减速齿轮组的输入端齿轮(12)啮合连接；
所述扑翼同步运动机构包括扑动翼和一对结构相同的扑翼驱动结构；
所述扑动翼包括扑动翼摇臂和两对柔性扑动翼(9)，所述扑动翼摇臂包括两个摇杆(8)，所述机架(3)通过竖向设置的摇臂转轴(8-1)与两个所述摇杆(8)的中部转轴连接，在各所述摇杆(8)的两端分别固定一个柔性扑动翼(9)；
所述扑翼驱动结构包括偏心轴安装齿轮(5)、偏心轴(6)和连杆(7)，所述偏心轴安装齿轮(5)通过竖向设置的齿轮轴(5-1)与所述机架(3)转动连接，所述偏心轴(6)偏心并设置于所述偏心轴安装齿轮(5)上，所述连杆(7)的一端与所述偏心轴(6)滚动连接；
一对扑翼驱动结构与所述扑动翼连接方式：两个所述扑翼驱动结构的偏心轴安装齿轮(5)左右对称设置，所述摇臂转轴(8-1)位于两个所述偏心轴安装齿轮(5)中心连线的垂直平分线所处的垂面上，所述减速齿轮组的输出端齿轮(10)位于两个所述偏心轴安装齿轮(5)之间，并与两个所述偏心轴安装齿轮(5)啮合连接，以驱动两个所述偏心轴安装齿轮(5)同步旋转，两个所述偏心轴(6)位于各自的所述偏心轴安装齿轮(5)的位置相对应，两个所述连杆(7)的另一端分别通过各自的竖向连杆转轴(7-1)与所述扑动翼的两个摇杆(8)铰接，两个所述连杆转轴(7-1)及两个所述摇杆(8)相对于所述摇臂转轴(8-1)左右对称，以使所述扑动翼形成左右对称的两部分，位于所述扑动翼左侧部分的所述摇杆(8)及其所连接的所述一对柔性扑动翼(9)形成一对左侧翅翼，位于所述扑动翼右侧部分的所述摇杆(8)及其所连接的所述一对柔性扑动翼(9)形成一对右侧翅翼，所述输出端齿轮(10)驱动两个所述偏心轴安装齿轮(5)同步旋转时，两个所述连杆(7)驱动所述一对左侧翅翼和所述一对右侧翅翼相对摆动，以产生均衡升力；
所述十字型支撑尾舵包括纵向固定舵板和横向调节舵板，所述纵向固定舵板和横向调节舵板垂直向下且呈十字交叉设置，所述纵向固定舵板和横向调节舵板的十字交叉部位与所述机身(1)的底部固定连接，所述十字交叉部位将所述纵向固定舵板分为前侧纵向固定舵板(13)和后侧纵向固定舵板(14)，所述十字交叉部位将所述横向调节舵板分为左侧横向调节舵板和右侧横向调节舵板，所述左侧横向调节舵板包括左侧横向固定板(15)和左侧横向舵面(16)，所述左侧横向固定板(15)的底部与所述左侧横向舵面(16)的顶部铰接；所述右侧横向调节舵板包括右侧横向固定板(17)和右侧横向舵面(18)，所述右侧横向固定板(17)的底部与所述右侧横向舵面(18)的顶部铰接；所述舵机(2)通过两个舵杆(19)分别与所述左侧横向舵面(16)和所述右侧横向舵面(18)铰接，以控制所述左侧横向舵面(16)和所述右侧横向舵面(18)的偏转角度，从而控制所述扑翼飞行器的飞行方向，所述十字型支撑尾舵的底部设有地面支撑结构，所述地面支撑结构为：当所述舵机(2)控制所述左侧横向舵面(16)和所述右侧横向舵面(18)与所述左侧横向固定板(15)和所述右侧横向固定板(17)处于同一垂面时，所述左侧横向舵面(16)和所述右侧横向舵面(18)及所述前侧纵向固定舵板(13)和后侧纵向固定舵板(14)的底部处于同一平面，以使所述机身(1)能够竖向支撑在地面上；所述机身(1)设有栖停挂钩(20)，所述栖停挂钩(20)位于所述所述双翅扑翼装置的上方，所述栖停挂钩(20)为条形镍钛形状记忆合金，所述形状记忆合金在不通电压的情况下，其保持竖直形状，所述形状记忆合金在通电加热时，所述形状记忆合金上部向下弯曲变形形成挂钩，用于所述扑翼飞行器的栖停；
当扑翼飞行器需要栖停时，由平飞姿态转换为竖直悬停飞行姿态，同时摄像头进行环境信息采集，并送至图像处理单元进行环境信息重建，并将栖停的位置和形状转换成控制信号移交给控制器，控制器收到指令后进行分析，从而对扑翼飞行器的飞行姿态和位置进行微调，当调整到适当的位置之后，控制器控制栖停挂钩弯曲变形，当实现栖停后，扑翼驱动机构关闭，从而使得扑翼飞行器静置在隐蔽位置执行监控任务；
当任务结束需要脱离栖停时，扑翼驱动机构启动，同时控制器控制栖停挂钩回复原始变形，脱离附着物，同理，通过视觉单元和控制单元，扑翼飞行器调整位置离开障碍物，由竖直飞行姿态转为平飞姿态，继续飞行。
2.根据权利要求1所述的一种微型垂直起降扑翼飞行器，其特征在于：所述扑翼驱动部分的所述减速齿轮组由所述输入端齿轮(12)和所述输出端齿轮(10)组成，所述输入端齿轮(12)和所述输出端齿轮(10)同轴心固定在一起，所述输入端齿轮(12)直径大于所述输出端齿轮(10)直径。
3.根据权利要求1或2所述的一种微型垂直起降扑翼飞行器，其特征在于：所述形状记忆合金表面设有橡胶层，用于增大所述栖停挂钩(20)的表面摩擦力，所述机身(1)为碳杆。
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