CN110667840A - 一种新型仿蝴蝶扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型仿蝴蝶扑翼飞行器，包括：主躯干骨架、动力机构、传动机构、转向机构、翅膀、供电系统以及飞控系统；其中，动力机构设置在主躯干骨架的前端，传动机构与动力机构传动连接；翅膀包括左翅膀和右翅膀，左翅膀和右翅膀在主躯干骨架的两侧对称分布，并分别与传动机构连接；动力机构用于通过传动机构驱动左翅膀及右翅膀做扑翼运动；转向机构设置在主躯干骨架的后端，供电系统连接在转向机构后端，并与飞控系统电连接；飞控系统固定在主躯干骨架上；动力机构和转向机构分别与飞控系统电连接；本发明的新型仿蝴蝶扑翼飞行器实现了双翅对称驱动的扑翼结构，通过控制动力机构的转速和转向机构的摆角可实现飞行器的前飞、转向和俯仰动作。

Description

一种新型仿蝴蝶扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，特别是指一种新型仿蝴蝶扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器是指机翼能上下扑动的航空器，可分为仿鸟扑翼飞行器和仿昆虫扑翼飞行器，由于当前对扑翼飞行方式的理论研究仍不充分，以及制造工艺高度复杂，目前的扑翼飞行器大多都达不到小型化、高续航的目标，距离军事和商业应用仍有很大的距离。

传统的小型扑翼飞行器的设计一般分为两种，一是两个或者多个翅膀分别驱动和控制，不设置转向机构，这种结构有利于提高扑翼飞行器的灵活性，但可控性差、结构冗余，不利于扑翼飞行器的小型化和机械效率的提升。二是左右翅膀同相扑动，通过迎风角可调的尾翼实现转弯动作，这种结构一般只用于仿鸟扑翼飞行器的设计，不适用形态上没有尾翼的仿生昆虫的设计。

现有的仿生蝴蝶扑翼飞行器的重量较重，机械传动效率不高，若要进一步将扑翼飞行器微小化则需要对驱动结构和控制方式进行优化和创新。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型仿蝴蝶扑翼飞行器，实现一种双翅对称驱动的扑翼结构，并可通过飞控系统控制动力机构的转速和转向机构的摆角，从而实现飞行器的各种飞行动作。

为解决上述技术问题，本发明提供一种新型仿蝴蝶扑翼飞行器，包括：主躯干骨架、动力机构、传动机构、转向机构、翅膀、供电系统以及飞控系统；

其中，所述动力机构设置在所述主躯干骨架的前端，所述传动机构与所述动力机构传动连接；所述翅膀包括左翅膀和右翅膀，所述左翅膀和所述右翅膀在所述主躯干骨架的两侧对称分布，并分别与所述传动机构连接；所述动力机构用于通过所述传动机构驱动所述左翅膀及所述右翅膀做扑翼运动；

所述转向机构设置在所述主躯干骨架的后端，所述供电系统连接在所述转向机构后端，并与所述飞控系统电连接；所述飞控系统固定在所述主躯干骨架上；所述动力机构和所述转向机构分别与所述飞控系统电连接；所述供电系统用于为所述飞控系统供电，所述飞控系统用于通过改变所述动力机构的转速和所述转向机构的摆角，控制所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器的飞行状态。

进一步地，所述动力机构包括电机支架和电机；所述电机支架固定在所述主躯干骨架的前端，所述电机固定在所述电机支架上，所述电机与所述飞控系统电连接，所述电机的转轴与所述传动机构传动连接。

进一步地，所述传动机构包括曲柄、摇杆、左连杆以及右连杆；

所述左连杆和所述右连杆分别通过固定轴固定在所述电机支架上；所述曲柄一端套接在所述电机的转轴上，另一端与所述摇杆铰接；所述摇杆一端与所述曲柄铰接，另一端与所述左连杆及所述右连杆连接；所述左翅膀连接在所述左连杆上，所述右翅膀连接在所述右连杆上；

所述曲柄在所述电机的带动下，随着所述电机的转动而转动，从而拉动所述摇杆上下往复运动，进而通过所述摇杆带动所述左连杆及所述右连杆上下往复运动，以此带动所述左翅膀及所述右翅膀做扑翼运动。

进一步地，在所述摇杆与所述左连杆及所述右连杆的连接处，所述摇杆上设置有轴承孔，所述左连杆和所述右连杆上分别设置有滑槽；通过在所述轴承孔和所述左连杆及右连杆的滑槽内穿入一连接轴，将所述摇杆与所述左连杆及右连杆连接在一起。

进一步地，所述转向机构包括转向舵机和连接杆；所述转向舵机固定在所述主躯干骨架的后端，所述连接杆一端与所述转向舵机的舵机臂连接，另一端与所述供电系统连接。

进一步地，所述翅膀包括翅膀骨架和薄膜，所述薄膜覆盖在翅膀骨架上；

其中，所述左翅膀的翅膀骨架通过左翅膀连接件与所述左连杆连接，所述右翅膀的翅膀骨架通过右翅膀连接件与所述右连杆连接。

进一步地，所述左翅膀和所述右翅膀的形状尺寸相同，分别包括前翅和后翅，所述前翅和后翅之间存在重叠部分，且所述前翅的刚性大于后翅的刚性。

进一步地，所述飞控系统包括微型主控芯片和姿态传感器；

其中，所述微型主控芯片与所述动力机构及所述转向机构电连接；用于改变所述动力机构的转速和所述转向机构的摆角；所述姿态传感器与所述微型主控芯片电连接，用于感知所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器的飞行姿态。

进一步地，所述姿态传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于测量所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器三个方向的加速度和三个绕轴旋转方向的角速度。

进一步地，所述微型主控芯片包括USART串口接口，所述USART串口接口用于外接USART无线串口模块，以此实现飞控系统与上位机之间的信息传输。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明实现了一种双翅对称驱动，转向灵活，具有高度仿生性的新型扑翼飞行器，可用于军事侦察、空中监控等领域；

2、本发明通过模仿自然界中蝴蝶飞行姿态的控制策略，采用了一种新型的扑翼飞行器方向控制的机械结构，用改变重心的方式控制扑翼飞行器的转向，扑翼飞行器具有高度的仿生性和灵活度，与自然界中的蝴蝶十分相近；

3、本发明采用了轻简高效的曲柄传动结构，仅靠单个电机便可以驱动左右两个翅膀，相对于传统扑翼飞行器有着更高的机械传动效率，轻简的机械结构还有利于机身整体重量的降低，可以使扑翼飞行器提供更大的负载能力。

附图说明

图1和图2为本发明的新型仿蝴蝶扑翼飞行器的整体结构示意图；

图3为本发明的传动机构的结构示意图；

图4a、图4b及图4c为本发明的左连杆及右连杆的结构示意图；

图5为本发明的电机支架的结构示意图；

图6a、6b、6c为本发明的左翅膀连接件的结构示意图；

图7为本发明的转向机构的结构示意图；

[主要元件符号说明]

1、动力机构；2、左翅膀连接件；3、右翅膀连接件；4、飞控系统；

5、左翅膀；6、右翅膀；7、转向机构；8、供电系统；9、主躯干骨架；

101、曲柄；102、摇杆；103、右连杆；104、左连杆；105、电机支架；

106、电机转轴；103a、滑槽；103b、第一连杆固定孔；

103c、翅膀连接孔；105a、支架固定孔；105b、第二连杆固定孔；

105c、电机固定孔；2a、第一孔位；2b、第二孔位；2c、第三孔位；

2d、第四孔位；2e、第五孔位；701、转向舵机；702、连接杆。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

请参阅图1至图7，本实施例提供一种新型仿蝴蝶扑翼飞行器，该新型仿蝴蝶扑翼飞行器如图1和图2所示，包括：主躯干骨架9、动力机构1、传动机构、转向机构7、翅膀、供电系统8以及飞控系统4；

其中，所述主躯干骨架9由截面为3mm的正方形的空心碳纤维杆构成；所述动力机构1设置在所述主躯干骨架9的前端，所述传动机构与所述动力机构1传动连接；所述翅膀包括左翅膀5和右翅膀6，所述左翅膀5和所述右翅膀6在所述主躯干骨架9的两侧对称分布，并分别与所述传动机构连接；所述动力机构1用于通过所述传动机构驱动所述左翅膀5及所述右翅膀6做扑翼运动；所述左翅膀5及所述右翅膀6扑动产生相同大小的推力和升力。

所述转向机构7设置在所述主躯干骨架9的后端，所述供电系统8连接在所述转向机构7后端，并与所述飞控系统4电连接；所述转向机构7通过左右摆动的方式改变机身重心位置，从而驱动飞行器进行转向；所述飞控系统4固定在所述主躯干骨架9上；所述动力机构1和所述转向机构7分别与所述飞控系统4电连接；所述供电系统8用于为所述飞控系统4供电，所述飞控系统4用于通过改变所述动力机构1的转速和所述转向机构7的摆角，控制所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器的飞行状态。

进一步地，所述动力机构1包括电机支架105和电机；所述电机支架如图5所示，其通过支架固定孔105a固定在主躯干骨架9的前端，所述电机通过电机固定孔105c固定在电机支架105下方，所述电机为小型空心杯电机，电机外径为8mm，其与飞控系统4电连接，所述电机的转轴与传动机构传动连接。

具体地，上述传动机构的结构如图3，图4a至图4c所示，其包括曲柄101、摇杆102、左连杆104以及右连杆103；

所述曲柄101、摇杆102、左连杆104和右连杆103的材料均为PLA(聚乳酸)材料，所述左连杆104和所述右连杆103分别留有直径3mm的轴孔103b，通过该轴孔，所述左连杆104和所述右连杆103分别通过固定轴固定在所述电机支架105上；且所述左连杆104和所述右连杆103分别带有2个轴孔103c，以用于与左翅膀5和右翅膀6连接；所述曲柄101一端套接在电机转轴106上，另一端设有一轴承孔，所述摇杆102一端通过曲柄101末端的轴承孔与所述曲柄101铰接，另一端与所述左连杆104及所述右连杆103连接；

所述曲柄101在所述电机的带动下，随着所述电机的转动而转动，从而拉动所述摇杆102上下往复运动，进而通过所述摇杆102带动所述左连杆104及右连杆103上下往复运动，以此带动所述左翅膀5及右翅膀6做扑翼运动。

进一步地，在所述摇杆102与所述左连杆104及所述右连杆103的连接处，所述摇杆102上设置有轴承孔，所述左连杆104和所述右连杆103上分别设置有滑槽103a；通过在所述摇杆102的轴承孔和左连杆104及右连杆103的滑槽103a内穿入一连接轴，将摇杆102与左连杆104及右连杆103连接在一起。摇杆102上下运动时通过拉动该连接轴在滑槽103a中滑动来带动左连杆104及右连杆103上下运动，从而将电机的转动转化为左右摆臂的往复扑翼运动。

上述转向机构7如图7所示，其包括转向舵机701和连接杆702；所述转向舵机701固定在所述主躯干骨架9的后端，所述连接杆702一端与所述转向舵机701的舵机臂连接，另一端与所述供电系统8连接。转向舵机701转动时，舵机臂带动供电系统8同步摆动，通过改变机体整体重心实现飞行器的转向。

上述供电系统8由120mAh的锂电池构成，锂电池直接供电于飞控系统4，而飞控系统4为电机及转向舵机701供电。

具体地，本实施例的翅膀包括翅膀骨架和薄膜，所述翅膀骨架由直径为0.8mm的实心圆碳杆构成；所述薄膜覆盖在翅膀骨架上；其中，所述左翅膀5的翅膀骨架通过左翅膀连接件2与所述左连杆104连接，所述右翅膀6的翅膀骨架通过右翅膀连接件3与所述右连杆103连接。左翅膀连接件2和右翅膀连接件3的材料为PLA塑料，左翅膀连接件2和右翅膀连接件3分别通过直径为1.5mm的钢轴与左连杆104及右连杆103连接。

进一步地，所述左翅膀5和所述右翅膀6的形状尺寸相同，分别包括前翅和后翅；以左翅膀5为例，其前翅骨架套接于左翅膀连接件2上的第一孔位2a及第二孔位2b上，后翅骨架套接在左翅膀连接件2上的第三孔位2c，第四孔位2d及第五孔位2e上，翅膀骨架上覆有材料为聚氯乙烯的弹性薄膜，前后翅之间有重叠部分，在飞行扑打的过程中前后翅由于柔性不同而自然分离，上扑的时候由于前翅刚性较大，前翅扑动所处相位始终高于后翅，下扑的时候则始终低于后翅。这种扑动方式产生了机身前后端不平衡的升力差以及尾部的涡流，两者都推动扑翼飞行器向前运动。

进一步地，上述飞控系统包括微型主控芯片和姿态传感器；其中，所述微型主控芯片与所述动力机构及所述转向机构电连接；用于改变所述动力机构的转速和所述转向机构的摆角；所述姿态传感器与所述微型主控芯片电连接，用于感知所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器的飞行姿态。

微型主控芯片带有三路PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)控制输出和一个USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter异步串行接收器和转发器)串口接口；其通过螺钉与主躯干骨架9相连；PWM输出口通过铜线与电机一级相连，电机另一级与微型主控芯片的地线相连，转向舵机701同样通过铜线与微型主控芯片的电源、PWM输出口和地相连接。

姿态传感器为MPU9250，其包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，可以测量所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器三个方向的加速度和三个绕轴旋转方向的角速度。

USART串口接口可外接USART无线串口模块，用于微型主控芯片与上位机之间信息传输，微型主控芯片通过改变转向舵机701和电机的输出脉宽值来实现飞行器的前飞、转向和俯仰等动作。也可以通过写入程序实现自主飞行。

本实施例的仿蝴蝶扑翼飞行器，设计翼展为50cm，机身长度为30cm，整机重量36g，双翅对称驱动，用改变重心的方式控制扑翼飞行器的转向，转向灵活，可以通过控制伺服电机的转速和尾端转向舵机的摆角完成飞行器的前飞、转向和俯仰等动作，可用于军事侦察、空中监控等领域；仅靠单个电机便可驱动左右两个翅膀，相比传统扑翼飞行器有着更高的机械传动效率，轻简的机械结构还有利于机身整体重量降低，可使扑翼飞行器提供更大的负载能力。

此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，包括：主躯干骨架、动力机构、传动机构、转向机构、翅膀、供电系统以及飞控系统；其中，

所述动力机构设置在所述主躯干骨架的前端，所述传动机构与所述动力机构传动连接；所述翅膀包括左翅膀和右翅膀，所述左翅膀和所述右翅膀在所述主躯干骨架的两侧对称分布，并分别与所述传动机构连接；所述动力机构用于通过所述传动机构驱动所述左翅膀及所述右翅膀做扑翼运动；

所述转向机构设置在所述主躯干骨架的后端，所述供电系统连接在所述转向机构后端，并与所述飞控系统电连接；所述飞控系统固定在所述主躯干骨架上；所述动力机构和所述转向机构分别与所述飞控系统电连接；所述供电系统用于为所述飞控系统供电，所述飞控系统用于通过改变所述动力机构的转速和所述转向机构的摆角，控制所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器的飞行状态。

2.如权利要求1所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述动力机构包括电机支架和电机；所述电机支架固定在所述主躯干骨架的前端，所述电机固定在所述电机支架上，所述电机与所述飞控系统电连接，所述电机的转轴与所述传动机构传动连接。

3.如权利要求2所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述传动机构包括曲柄、摇杆、左连杆以及右连杆；

所述左连杆和所述右连杆分别通过固定轴固定在所述电机支架上；所述曲柄一端套接在所述电机的转轴上，另一端与所述摇杆铰接；所述摇杆一端与所述曲柄铰接，另一端与所述左连杆及所述右连杆连接；所述左翅膀连接在所述左连杆上，所述右翅膀连接在所述右连杆上；

所述曲柄在所述电机的带动下，随着所述电机的转动而转动，从而拉动所述摇杆上下往复运动，进而通过所述摇杆带动所述左连杆及所述右连杆上下往复运动，以此带动所述左翅膀及所述右翅膀做扑翼运动。

4.如权利要求3所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，在所述摇杆与所述左连杆及所述右连杆的连接处，所述摇杆上设置有轴承孔，所述左连杆和所述右连杆上分别设置有滑槽；通过在所述轴承孔和所述左连杆及右连杆的滑槽内穿入一连接轴，将所述摇杆与所述左连杆及右连杆连接在一起。

5.如权利要求1所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述转向机构包括转向舵机和连接杆；所述转向舵机固定在所述主躯干骨架的后端，所述连接杆一端与所述转向舵机的舵机臂连接，另一端与所述供电系统连接。

6.如权利要求4所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述翅膀包括翅膀骨架和薄膜，所述薄膜覆盖在所述翅膀骨架上；

其中，所述左翅膀的翅膀骨架通过左翅膀连接件与所述左连杆连接，所述右翅膀的翅膀骨架通过右翅膀连接件与所述右连杆连接。

7.如权利要求6所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述左翅膀和所述右翅膀的形状尺寸相同，分别包括前翅和后翅，所述前翅和所述后翅之间存在重叠部分，且所述前翅的刚性大于所述后翅的刚性。

8.如权利要求1-7任一项所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述飞控系统包括微型主控芯片和姿态传感器；

其中，所述微型主控芯片与所述动力机构及所述转向机构电连接；用于改变所述动力机构的转速和所述转向机构的摆角；所述姿态传感器与所述微型主控芯片电连接，用于感知所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器的飞行姿态。

9.如权利要求8所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述姿态传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于测量所述新型仿蝴蝶扑翼飞行器三个方向的加速度和三个绕轴旋转方向的角速度。

10.如权利要求8所述的新型仿蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于，所述微型主控芯片包括USART串口接口，所述USART串口接口用于外接USART无线串口模块，以此实现所述飞控系统与上位机之间的信息传输。

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