CN110104172B - 一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器，属于飞行器技术领域。电机、电池、舵机、控制电路板固连在机架的中层机架内，由导线相连接，尾翼铰接在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，小齿轮与电机的输出轴固定连接；机架为左右两侧对称的三层机架结构，右扑动机构和左扑动机构结构、参数均相同，分别对称布置于机架的左右两侧，并与机架滑动连接；右扑翼和左扑翼分别和右扑动机构和左扑动机构铰接。优点是结构新颖，具有扑动、掠动和和旋转三个自由度，并具有大攻角，扑动、掠动和旋转的耦合形式，有利于扑翼飞行器高升力和大推力的产生，改善了飞行器气动性能，具有气动效率高和机动性强的优势。

Description

一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，尤其涉及一种扑翼飞行器。

背景技术

昆虫或鸟类飞行时翅膀运动形式十分复杂，但可以简化为上下扑动、扭转和前后掠动三种基本运动形式，即自然界的昆虫或鸟类具有三自由度的运动模式；扑翼飞行器若仅可上下扑动，即为单自由度扑翼飞行器，若在单纯上下扑动的基础上，加入扭转或前后掠动的运动形式，即为多自由度扑翼飞行器；多自由度扑翼飞行器相较单自由度飞行器无疑在机动性、气动效率等方面有着较大优势。

已知的扑翼飞行器大部分为单自由度飞行器，仅仅具备扑动的运动形式，在进行转向或升降时几乎无法良好操控，如中国专利《一种仿蝴蝶扑翼飞行器》201821243150.5和中国专利《一种扑翼机》201721762472.6；因此仿生程度更高、性能更好的多自由度扑翼飞行器越来越受到人们的青睐；中国专利《一种多自由度仿蜻蜓扑翼飞行器》201820322879.5和中国专利《一种旋进式类扑翼飞行器》201720471840.5等为代表的多自由度飞行器具有扑动和扭转翅膀的两自由度运动形式，但其机构较复杂，扑动幅度有限，对推升力产生的影响较为有限，且自由度的限制影响了整机的机动性能，较难完成复杂任务，因此更大幅度扑动的多自由度简洁机构成为研究关键。

发明内容

本发明提供一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器，以解决目前存在的机构较复杂，扑动幅度有限，自由度的限制影响了整机的机动性能的问题。

本发明采取技术方案是：电机、电池、舵机、控制电路板固连在机架的中层机架内，由导线相连接，尾翼铰接在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，通过两个微型直线舵机控制，小齿轮与电机的输出轴固定连接；机架为左右两侧对称的三层机架结构，右扑动机构和左扑动机构结构、参数均相同，分别对称布置于机架的左右两侧，并与机架滑动连接；右扑翼和左扑翼结构、参数均相同，分别和右扑动机构和左扑动机构铰接，其中：

所述右扑动机构包括右曲柄齿轮一、右曲柄齿轮二、右转杆一、右转杆二、右连杆二、右连杆一、右滑杆一、右耦合机构、右连杆三、右减速齿轮、右滑杆二，其中右曲柄齿轮一与右减速齿轮相啮合，右曲柄齿轮一与右转杆一固连构成曲柄机构；右曲柄齿轮二与右减速齿轮相啮合，右曲柄齿轮二与右转杆二固连构成曲柄机构；右连杆二的两端与右转杆二和右滑杆二转动连接，构成曲柄连杆机构；右连杆一套入右转杆一中形成相对转动，同时滑块一侧嵌入右耦合机构曲面滑道内做往复滑动，实现扫掠及上下扑动运动；右滑杆一与机架右滑槽一滑动连接，右滑杆二与机架右滑槽二滑动连接，实现扭转运动；右耦合机构和右扑翼固连；右连杆三与右耦合机构滑动连接，实现上下扑动；右减速齿轮与电机上的小齿轮啮合构成减速齿轮组；

所述右连杆一包括右转槽、右连接杆、右曲面滑块，右转槽套入右转杆一形成转动连接，右连接杆与右曲面滑块固连，右曲面滑块与右耦合机构滑动连接，形成扫掠运动；

所述右耦合机构包括右旋转槽、右耦合机架、右滑槽一、右滑槽二，其中右旋转槽与右连杆三滑动连接，实现上下扑动；右滑槽一与右连接杆滑动连接，右滑槽二为曲边滑槽，与右曲面滑块滑动连接，实现扫掠运动，右耦合机架与右扑翼的翅根固连，无相对运动。

所述右扑翼的翅脉采用碳纤维材料制作，翅脉前缘部分的主翅脉刚度要高于其余翅脉；右扑翼的翅膜采用透明的聚乙烯薄膜，粘附固定在右扑翼的翅脉上表面上，该翅膜外边缘与右扑翼的翅脉外边缘重合；

所述左扑翼的翅脉采用碳纤维材料制作，翅脉前缘部分的主翅脉刚度要高于其余翅脉，左扑翼的翅膜采用透明的聚乙烯薄膜，粘附固定在左扑翼的翅脉上表面上，该翅膜外边缘与左扑翼的翅脉外边缘重合。

所述垂直尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制成，用以控制飞行器左右转向。

所述水平尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制制成，用以控制飞行器升降。

本发明的优点是结构新颖，具有扑动、掠动和和旋转三个自由度，并具有大攻角，扑动、掠动和旋转的耦合形式，有利于扑翼飞行器高升力和大推力的产生，两翼翼尖运动轨迹为空间“椭圆形”，和自然界中部分鸟类和飞行昆虫运动模式相似，翅翼整体上下扑动，使扑动幅度更大，改善了飞行器气动性能，具有气动效率高和机动性强的优势，该飞行器仿生程度较高，性能较好，隐蔽性强，能够完成军事侦查、灾害勘探等特殊任务。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2(a)本发明右扑动机构的结构示意图；

图2(b)是图2(a)的左视图；

图3是本发明右连杆一的结构示意图；

图4(a)是本发明右耦合机构的结构示意图；

图4(b)是图4(a)的C-C剖视图；

图5(a)是本发明右扑翼在运动起始位置的状态图；

图5(b)是本发明右扑翼向后扫掠至后极限位置的状态图；

图5(c)是本发明右扑翼向前扫掠至中间位置的状态图；

图5(d)是本发明右扑翼向前扫掠至极限位置的状态图。

具体实施方式

电机4、电池5、舵机9、控制电路板10固连在机架1的中层机架内，由导线相连接，尾翼6铰接在机架1的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，通过两个微型直线舵机控制，电机4为小型无刷电机，小齿轮11与电机4的输出轴固定连接；机架1为左右两侧对称的三层机架结构，右扑动机构2和左扑动机构8结构、参数均相同，分别对称布置于机架1的左右两侧，并与机架1滑动连接；右扑翼3和左扑翼7结构、参数均相同，分别和右扑动机构2和左扑动机构8铰接，其中：

所述右扑动机构2包括右曲柄齿轮一201、右曲柄齿轮二202、右转杆一203、右转杆二204、右连杆二205、右连杆一206、右滑杆一207、右耦合机构208、右连杆三209、右减速齿轮210、右滑杆二211，其中右曲柄齿轮一201与右减速齿轮210相啮合，右曲柄齿轮一201与右转杆一203固连构成曲柄机构；右曲柄齿轮二202与右减速齿轮210相啮合，右曲柄齿轮二202与右转杆二204固连构成曲柄机构；右连杆二205的两端与右转杆二204和右滑杆二211转动连接，构成曲柄连杆机构；右连杆一206套入右转杆一203中形成相对转动，同时滑块一侧嵌入右耦合机构208曲面滑道内做往复滑动，实现扫掠及上下扑动运动；右滑杆一207与机架右滑槽一101滑动连接，右滑杆二211与机架右滑槽二102滑动连接，实现扭转运动；右耦合机构208和右扑翼3固连；右连杆三209与右耦合机构208滑动连接，实现上下扑动；右减速齿轮210与电机4上的小齿轮11啮合构成减速齿轮组；

所述右连杆一206包括右转槽206001、右连接杆206002、右曲面滑块206003，右转槽206001套入右转杆一203形成转动连接，右连接杆206002与右曲面滑块206003固连，右曲面滑块与右耦合机构208滑动连接，形成扫掠运动；

所述右耦合机构208包括右旋转槽208001、右耦合机架208002、右滑槽一208003、右滑槽二208004，其中右旋转槽208001与右连杆三209滑动连接，实现上下扑动；右滑槽一208003与右连接杆206002滑动连接，右滑槽二208004为曲边滑槽，与右曲面滑块206003滑动连接，实现扫掠运动，右耦合机架208002与右扑翼3的翅根固连，无相对运动。

所述右扑翼3的翅脉采用碳纤维材料制作，翅脉前缘部分的主翅脉刚度要高于其余翅脉；右扑翼3的翅膜采用透明的聚乙烯薄膜，粘附固定在右扑翼3的翅脉上表面上，该翅膜外边缘与右扑翼3的翅脉外边缘重合；

所述左扑翼7的翅脉采用碳纤维材料制作，翅脉前缘部分的主翅脉刚度要高于其余翅脉，左扑翼7的翅膜采用透明的聚乙烯薄膜，粘附固定在左扑翼7的翅脉上表面上，该翅膜外边缘与左扑翼7的翅脉外边缘重合。

所述垂直尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制成，用以控制飞行器左右转向；

所述水平尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制制成，用以控制飞行器升降。

本发明工作时，控制系统接收到地面人员发出的控制信号，控制电路板控制电机开始工作，电机动力通过减速齿轮传递至曲柄齿轮一和曲柄齿轮二，带动曲柄齿轮一和曲柄齿轮二同步转动；因左扑动机构和右扑动机构的结构和原理相同，并关于主机架左右对称，因此下面以右扑动机构为例进行介绍；从该飞行器右侧往左侧看，右曲柄齿轮一与右曲柄齿轮二顺时针转动，右转杆一、二也随之转动，右滑杆一在右曲柄齿轮一带动下往复转动，右耦合机构在右曲柄齿轮二带动下通过右连杆一实现前后扫掠以及上下扑动，右翅根始终与右耦合机构保持固连，在右耦合机构作用下带动翅膀做扑动，扭转，扫掠三自由度运动，为飞行器提供推升力。

下面具体结合附图具体说明右扑翼3的一个运动周期。

以图5(a)中右扑翼3所在位置为运动起始位置，即右扑翼3上极限位置，随后右扑动机构2带动右扑翼3进行下扑动运动，右曲柄齿轮一相对初始位置顺时针旋转90度，右扑翼3下扑至中间位置，相对向后扫掠至后极限位置，并逆时针方向扭转13度，即图5(b)中的状态，右曲柄201相对初始位置顺时针旋转180度，右扑翼3下扑至下极限位置，右扑翼3相对向前扫掠至中间位置，逆时针方向转动10度，即图5(c)中的状态；右曲柄201相对初始位置顺时针旋转270度，右扑翼3上扑至中间位置，右扑翼3相对向前扫掠至极限位置，并顺时针方向扭转20度，此时下扑过程结束，并即将开始向上扑动，即图5(d)中的状态；右曲柄201相对初始位置顺时针旋转360度，右扑翼3上扑至上极限位置，右扑翼3相对向后扫掠至中间位置，并顺时针方向转动3度，即图5(a)中的状态，一个周期结束，开始下一周期运动。上述过程即为右扑翼3的一个运动周期，

下面对该发明飞行过程作进一步说明。

起飞：地面操控人员向控制电路板10的接收器发射信号，控制电路板10控制电机4将运动和动力输送给左扑动机构8和右扑动机构2，进而带动左扑翼7、右扑翼3运动。随着小型无刷电机的转速不断提高，左扑翼7、右扑翼3扑动时产生的升力和推力也不断增大，当升力和机体重力平衡时，飞行器有起飞的趋势。随后升力大于机体重力，飞行器开始升空，完成起飞。

前飞：飞行器完成起飞后，降低小型无刷电机转速，使得扑动周期内的平均升力和机体重力平衡。此时，飞行器推力大于所受到的阻力，飞行器实现向前平飞。

转向：在飞行器向前飞时，控制电路板10控制舵机9来控制垂直尾翼，实现飞行器左右转向。

升降：在飞行器向前飞时，平均升力和重力相平衡。控制电路板10控制舵机9来控制水平尾翼，实现升降。

降落：慢慢降低小型无刷电机转速的转速，当转速低于一定值时，飞行器平均升力稍小于机体重力时，该飞行器实现缓慢降落。

以上说明是在没有气流干扰的工况下作出的，如果有气流干扰的存在，则应根据气流的方向和流速进行修偏。

Claims (6)

1.一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器，电机、电池、舵机、控制电路板固连在机架的中层机架内，由导线相连接，尾翼铰接在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，通过两个微型直线舵机控制，小齿轮与电机的输出轴固定连接；其特征在于：机架为左右两侧对称的三层机架结构，右扑动机构和左扑动机构结构、参数均相同，分别对称布置于机架的左右两侧，并与机架滑动连接；右扑翼和左扑翼结构、参数均相同，分别和右扑动机构和左扑动机构铰接，其中：

所述右扑动机构包括右曲柄齿轮一、右曲柄齿轮二、右转杆一、右转杆二、右连杆二、右连杆一、右滑杆一、右耦合机构、右连杆三、右减速齿轮、右滑杆二，其中右曲柄齿轮一与右减速齿轮相啮合，右曲柄齿轮一与右转杆一固连构成曲柄机构；右曲柄齿轮二与右减速齿轮相啮合，右曲柄齿轮二与右转杆二固连构成曲柄机构；右连杆二的两端与右转杆二和右滑杆二转动连接，构成曲柄连杆机构；右连杆一套入右转杆一中形成相对转动，同时滑块一侧嵌入右耦合机构曲面滑道内做往复滑动，实现扫掠及上下扑动运动；右滑杆一与机架右滑槽一滑动连接，右滑杆二与机架右滑槽二滑动连接，实现扭转运动；右耦合机构和右扑翼固连；右连杆三与右耦合机构滑动连接，实现上下扑动；右减速齿轮与电机上的小齿轮啮合构成减速齿轮组；

所述右耦合机构包括右旋转槽、右耦合机架、右滑槽一、右滑槽二，其中右旋转槽与右连杆三滑动连接，实现上下扑动；右滑槽一与右连接杆滑动连接，右滑槽二为曲边滑槽，与右曲面滑块滑动连接，实现扫掠运动，右耦合机架与右扑翼的翅根固连，无相对运动。

2.根据权利要求1所述的一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述右连杆一包括右转槽、右连接杆、右曲面滑块，右转槽套入右转杆一形成转动连接，右连接杆与右曲面滑块固连，右曲面滑块与右耦合机构滑动连接，形成扫掠运动。

3.根据权利要求1所述的一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述右扑翼的翅脉采用碳纤维材料制作，翅脉前缘部分的主翅脉刚度要高于其余翅脉；右扑翼的翅膜采用透明的聚乙烯薄膜，粘附固定在右扑翼的翅脉上表面上，该翅膜外边缘与右扑翼的翅脉外边缘重合。

4.根据权利要求1所述的一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述左扑翼的翅脉采用碳纤维材料制作，翅脉前缘部分的主翅脉刚度要高于其余翅脉，左扑翼的翅膜采用透明的聚乙烯薄膜，粘附固定在左扑翼的翅脉上表面上，该翅膜外边缘与左扑翼的翅脉外边缘重合。

5.根据权利要求1所述的一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述垂直尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制成，用以控制飞行器左右转向。

6.根据权利要求1所述的一种曲面滑块式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述水平尾翼由碳纤维的翅脉和聚乙烯薄膜的翅膜制成，用以控制飞行器升降。

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