CN110171567B - 一种被动扭转扫掠式三自由度微型扑翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种被动扭转扫掠式三自由度微型扑翼飞行器，属于微型扑翼飞行器。电机、电池、舵机、控制电路板固连在机架的中间，由导线相连接，尾翼固连在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，电机连接减速齿轮；机架为左右两侧对称的机架结构；右扑动机构和左扑动机构结构、参数相同、分别对称布置于机架的左右两侧，并与机架铰接；右扑翼和左扑翼构造、参数相同，分别和右扑动机构和左扑动机构铰接。优点是结构新颖，它具有扑动、掠动和旋转三个自由度，两翼翼尖运动轨迹为空间“8”字形，和自然界中部分鸟类和飞行昆虫运动模式相似，翅翼被动扫掠和扭转，改善了飞行器气动性能，仿生程度较高，机动性强。

Description

一种被动扭转扫掠式三自由度微型扑翼飞行器
技术领域
本发明涉及一种微型扑翼飞行器，尤其涉及一种被动扭转扫掠式三自由度微型扑翼飞行器。
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，如中国专利申请《一种扑翼机械鸟》201810705650.4和中国专利《一种带弹簧的旋转扑翼飞行器》201410234063.3；等；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；中国专利申请《基于曲柄摇杆与被动旋转机构的微型仿生扑翼飞行器》201810785467.X和中国专利《一种多自由度仿鸟扑翼飞行器》201610408704.1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，被动扭转产生的扭转运动的扭转角较小，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，因此对于被动三自由度运动的研究成为关键。
发明内容
本发明提供了一种被动扭转扫掠式三自由度微型扑翼飞行器，以解决上述具有扑动和扭转翅膀的两自由度运动形式，被动扭转产生的扭转运动的扭转角较小，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，较难完成复杂任务的问题。
本发明采取的技术方案是，电机、电池、舵机、控制电路板固连在机架的中间，由导线相连接，尾翼固连在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，通过两个微型直线舵机控制，电机连接减速齿轮；其特征在于：机架为左右两侧对称的机架结构；右扑动机构和左扑动机构结构、参数相同、分别对称布置于机架的左右两侧，并与机架铰接；右扑翼和左扑翼构造、参数相同，分别和右扑动机构和左扑动机构铰接；
所述右扑动机构包括右曲柄齿轮、右曲柄连杆、右耦合机构一、右耦合机构二、右滑杆二，其中右曲柄齿轮与对称的左曲柄齿轮啮合，相对转动，右曲柄齿轮上的摇杆随右曲柄齿轮转动形成曲柄机构，左曲柄齿轮与电机上固连的减速齿轮啮合，右曲柄连杆一端与右曲柄齿轮上的摇杆铰接，形成曲柄摇杆机构、另一端与右耦合机构一前端铰接，右耦合机构一的左右两端与机架转动连接，形成扑动运动，右耦合机构二与右耦合机构一转动连接，形成扭转运动；右滑杆二卡入右耦合机构二，可进行一定角度扭转；右滑杆二与右耦合机构一相切滑动，形成翅翼的扭转运动。
所述机架上分别固定连接右滑杆一和左滑杆一。
所述右耦合机构一包括右扑动杆一、右扫掠杆、右扑动杆二、右扭转杆、右耦合机架；其中右扑动杆一、右扫掠杆、右扑动杆二、右扭转杆分别与右耦合机架固定连接，右扑动杆一与右扭转杆轴线垂直，右扑动杆一与右扫掠杆轴线垂直，右扑动杆一与右扑动杆二同心，右扑动杆一与机架转动连接，右扑动杆二与右曲柄连杆铰接；
所述右耦合机构二包括右扫掠杆、右扫掠槽、右扭转槽一、右扭转槽二，其中右扫掠杆轴线与右扫掠槽轴线垂直、还与右扭转槽二轴线垂直，右扭转槽一与右扭转槽二轴线垂直，右扫掠槽与右扫掠杆转动连接，右滑杆一位于右扫掠杆之间；
所述右滑杆二包括右扭转杆一、右扭转杆二，右扭转杆一与右扭转杆二轴线垂直，右扭转杆一与右扭转槽二转动连接，右扭转杆二从右扭转槽一伸出位于右扭转杆中间，右扭转杆一外端与右扑翼的翅根连接。
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，它具有扑动、掠动和旋转三个自由度，并具有大攻角，扑动、掠动和扭转的耦合形式，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“8”字形，和自然界中部分鸟类和飞行昆虫运动模式相似，翅翼被动扫掠和扭转，使机构更简洁且具有更高气动效率，改善了飞行器气动性能，仿生程度较高，性能较好，隐蔽性强，机动性强，能够完成军事侦查、灾害勘探等特殊任务。
附图说明
图1(a)是本发明的结构示意图；
图1(b)是本发明的俯视图；
图2是本发明右扑动机构的结构示意图；
图3是本发明右耦合机构一的结构示意图；
图4是本发明右耦合机构二放大结构示意图；
图5是本发明右滑杆二的结构示意图；
图6(a)是本发明右扑翼所在位置为运动起始位置的示意图；
图6(b)是本发明右扑翼向后扫掠至中间位置的示意图；
图6(c)是本发明右扑翼下扑过程结束，即将开始上扑的示意图；
图6(d)是本发明右扑翼向前扫掠至中间位置的示意图。
具体实施方式
参见图1(a)、1(b)，电机4、电池5、舵机9、控制电路板10固连在机架1的中间，由导线相连接，尾翼6固连在机架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9控制，电机4为小型无刷电机，连接减速齿轮11；机架1为左右两侧对称的机架结构；右扑动机构2和左扑动机构8结构、参数相同、分别对称布置于机架1的左右两侧，并与机架1铰接；右扑翼3和左扑翼7构造、参数相同、分别和右扑动机构2和左扑动机构8铰接；
参见图2，所述右扑动机构2包括右曲柄齿轮201、右曲柄连杆202、右耦合机构一203、右耦合机构二204、右滑杆二205，其中右曲柄齿轮201与对称的左曲柄齿轮801啮合，相对转动，右曲柄齿轮201上的摇杆随右曲柄齿轮201转动形成曲柄机构，左曲柄齿轮801与电机4上固连的减速齿轮11啮合，右曲柄连杆202一端与右曲柄齿轮上的摇杆铰接，形成曲柄摇杆机构、另一端与右耦合机构一203前端铰接，右耦合机构一203的左右两端与机架1转动连接，形成扑动运动，右耦合机构二204与右耦合机构一203转动连接，形成扭转运动；右滑杆二205卡入右耦合机构二204，可进行一定角度扭转；右滑杆二205与右耦合机构一203相切滑动，形成翅翼的扭转运动；
所述机架1上分别固定连接右滑杆一101和左滑杆一102；
参见图3，所述右耦合机构一203包括右扑动杆一203001、右扫掠杆203002、右扑动杆二203003、右扭转杆203004、右耦合机架203005；其中右扑动杆一203001、右扫掠杆203002、右扑动杆二203003、右扭转杆203004分别与右耦合机架20300固定连接，右扑动杆一203001与右扭转杆203004轴线垂直，右扑动杆一203001与右扫掠杆203002轴线垂直，右扑动杆一203001与右扑动杆二203003同心，右扑动杆一203001与机架1转动连接，右扑动杆二203003与右曲柄连杆202铰接；
参见图4，所述右耦合机构二204包括右扫掠杆204001、右扫掠槽204002、右扭转槽一204003、右扭转槽二204004，其中右扫掠杆204001轴线与右扫掠槽204002轴线垂直、还与右扭转槽二204004轴线垂直，右扭转槽一204003与右扭转槽二204004轴线垂直，右扫掠槽204002与右扫掠杆203002转动连接，右滑杆一101位于右扫掠杆204001之间；
参见图5，所述右滑杆二205包括右扭转杆一205001、右扭转杆二205002，右扭转杆一205001与右扭转杆二205002轴线垂直，右扭转杆一205001与右扭转槽二204004转动连接，右扭转杆二205002从右扭转槽一204003伸出位于右扭转杆203004中间，右扭转杆一205001外端与右扑翼3的翅根连接。
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摇杆机构，带动右曲柄齿轮、左曲柄齿轮对称转动，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，右曲柄齿轮顺时针转动，右曲柄连杆也随之转动，右耦合机构一在右曲柄连杆带动下做上下扑动，右耦合机构二随着右耦合机构一扑动的同时与右滑杆一始终保持接触做扫掠运动，右滑杆二在随着右耦合机构二扫掠时始终与右耦合机构一上的右扭转杆保持接触做扭转运动，右扑翼形成上下扑动、扭转和前后掠动的运动轨迹，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6(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201相对初始位置顺时针旋转90度，右扑翼3下扑到中间位置，右扑翼3相对向后扫掠至中间位置，并逆时针方向转动44度，即图6(b)中的状态，右曲柄齿轮201相对初始位置顺时针旋转180度，右扑翼3下扑至极限位置，右扑翼3相对向后扫掠至后极限位置，逆时针方向转动28度，此时下扑过程结束，即将开始上扑，即图6(c)中的状态；右曲柄齿轮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相对向前扫掠至中间位置，并顺时针扭转32度，即图6(d)中的状态，右曲柄齿轮201相对初始位置顺时针旋转360度，右扑翼3向上扑动至极限位置，右扑翼3相对向前扫掠至极限位置，并顺时针方向转动40度，即图6(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 (7)

1.一种被动扭转扫掠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间，由导线相连接，尾翼固连在机架的尾部，由水平尾翼和垂直尾翼组成，通过两个微型直线舵机控制，电机连接减速齿轮；其特征在于：机架为左右两侧对称的机架结构；右扑动机构和左扑动机构结构、参数相同、分别对称布置于机架的左右两侧，并与机架铰接；右扑翼和左扑翼构造、参数相同，分别和右扑动机构和左扑动机构铰接；
所述右扑动机构包括右曲柄齿轮、右曲柄连杆、右耦合机构一、右耦合机构二、右滑杆二，其中右曲柄齿轮与对称的左曲柄齿轮啮合，相对转动，右曲柄齿轮上的摇杆随右曲柄齿轮转动形成曲柄机构，左曲柄齿轮与电机上固连的减速齿轮啮合，右曲柄连杆一端与右曲柄齿轮上的摇杆铰接，形成曲柄摇杆机构、另一端与右耦合机构一前端铰接，右耦合机构一的左右两端与机架转动连接，形成扑动运动，右耦合机构二与右耦合机构一转动连接，形成扭转运动；右滑杆二卡入右耦合机构二，进行一定角度扭转，右滑杆二与右耦合机构一相切滑动，形成翅翼的扭转运动；
所述右耦合机构一包括右扑动杆一、右扫掠杆、右扑动杆二、右扭转杆、右耦合机架；其中右扑动杆一、右扫掠杆、右扑动杆二、右扭转杆分别与右耦合机架固定连接，右扑动杆一与右扭转杆轴线垂直，右扑动杆一与右扫掠杆轴线垂直，右扑动杆一与右扑动杆二同心，右扑动杆一与机架转动连接，右扑动杆二与右曲柄连杆铰接；
所述右耦合机构二包括右扫掠杆、右扫掠槽、右扭转槽一、右扭转槽二，其中右扫掠杆轴线与右扫掠槽轴线垂直、还与右扭转槽二轴线垂直，右扭转槽一与右扭转槽二轴线垂直，右扫掠槽与右扫掠杆转动连接，右滑杆一位于右扫掠杆之间。
2.根据权利要求1所述的一种被动扭转扫掠式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述机架上分别固定连接右滑杆一和左滑杆一。
3.根据权利要求1所述的一种被动扭转扫掠式三自由度微型扑翼飞行器，其特征在于：所述右滑杆二包括右扭转杆一、右扭转杆二，右扭转杆一与右扭转杆二轴线垂直，右扭转杆一与右扭转槽二转动连接，右扭转杆二从右扭转槽一伸出位于右扭转杆中间，右扭转杆一外端与右扑翼的翅根连接。
4.根据权利要求1所述的一种被动扭转扫掠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。
5.根据权利要求1所述的一种被动扭转扫掠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。
6.根据权利要求1所述的一种被动扭转扫掠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。
7.根据权利要求1所述的一种被动扭转扫掠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。
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