CN112660372B - 一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器。该多扑翼微型飞行器是一种六扑翼布局形式，由机体和三对扑翼组成，其三对扑翼左右对称、呈阶梯状布置在机体两侧，前方的各对扑翼翼尖与紧邻后方扑翼的半展长位置平齐。模仿大雁结阵和滑翔飞行，该飞行器在高空和高速飞行时，扑翼攻角固定进行滑翔飞行；而在需要高升力和高推力时，扑翼同相位倾斜拍动，以产生升力和推力。本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，有效利用前方扑翼产生的翼尖涡对后方扑翼的干扰作用，解决了传统扑翼飞行器升力不足和气动效率较低的问题。

Description

一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体来说，是一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器。

背景技术

自二十世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断成熟和微电子技术的大幅进步，微型飞行器被提出并快速发展。微型飞行器由于具有体积小、重量轻和机动性强等特征，在国家安全和国民经济建设方面具有广泛的应用前景，适用于复杂环境下的侦查、勘探和协助救援等工作。

同时，随着人们对自然生物飞行的不断探索，仿生学设计被越来越多的应用于微型飞行器领域，开始出现模仿生物飞行的扑翼微型飞行器。尽管现有大多数扑翼飞行器在布局形式上模仿生物翅，但大多数飞行器翼的升力效率低于生物翅。如何能有效提高扑翼飞行器的气动效率对于其未来的实用化起着关键作用，也是众多研究机构研究的热点问题之一。

过去设计的仿生扑翼微型飞行器通常仅有一对翼，翼高升力产生主要利用了翼拍动的非定常延迟失速机制和打开合拢机制。事实上，自然界中还存在其它类型的翼运动形式，这其中的流动机理可以应用在飞行器设计中用来提高翼的气动效率，其中一种便是自然界中雁阵飞行。通过对自然界中大雁迁徙行为观察发现，大雁迁徙时结队飞行时呈现人字形，后面的大雁可以充分利用头雁飞行产生的涡实现低耗能飞行。此外，大雁在飞行时也并非始终在拍动翅膀，当来流速度快或者飞行高度较高时，大雁和其他鸟类一样也会固定翅膀进行滑翔以减少能量消耗。受此启发，如果在仿生扑翼微型飞行器中，增加扑翼数量并合理布置多对扑翼位置，使得多对扑翼在拍动时能够利用雁阵飞行的省能飞行原理，并在高速时能够固定滑翔，这样的设计是势必可以显著提升多扑翼微型飞行器的气动性能。

发明内容

受雁阵飞行的省功飞行原理启发，本发明设计了一种多扑翼微型飞行器，解决传统微型飞行器升力不足和气动效率低的问题。

本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，为六扑翼布局形式，由机体和三对扑翼组成。

所述机体通过3D打印整体成型，为左右对称结构，用于固定三对扑翼并布置拍动运动系统、扑翼姿态锁紧机构和扑翼运动控制系统。其中，拍动运动系统用于驱动三对扑翼同相位拍动，锁紧机构用于滑翔时固定扑翼姿态，扑翼运动控制系统用于改变翼的运动状态，实现飞行器在滑翔和高推力/高升力状态间的切换，与此同时，在飞行过程中通过控制分别改变前后翼、左右翼的姿态进行纵向和横行向飞行控制。

第一扑翼、第三扑翼、第五扑翼位于所述机体右侧，第二扑翼、第四扑翼、第六扑翼分别与所述第一扑翼、第三扑翼、第五扑翼关于所述机体的轴线呈左右对称，布置在所述机体左侧；所述第一扑翼、所述第二扑翼位于所述机体最前端，所述第三扑翼、所述第四扑翼位于所述机体中间，所述第五扑翼、所述第六扑翼位于所述机体最后端。

所述三对扑翼左右对称、前后纵列布置在机体两侧，三对扑翼的翼根呈阶梯状排列，后方的一对扑翼其展向中部位置与前方紧邻的一对扑翼翼尖位置对齐。所述三对扑翼均倾斜拍动，上下拍结束时翼前缘构成的拍动平面与竖直平面呈60°-70°，以同时产生升力和推力。

本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，在高空或高速飞行时，三对扑翼呈滑翔姿态，此时六个扑翼均停止拍动，扑翼的攻角固定为20°-30°(攻角定义为扑翼平面与水平面之间的夹角)滑翔飞行，这类似于大雁滑翔，此时飞行器不需额外的能量输入同时能够兼顾高气动效率。

本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，在需要产生高升力和高推力进行加速或机动飞行时，六个扑翼变为同步上下拍动。

本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器在滑翔和高升力/推力产生时实现气动高效率主要是应用了大雁结阵飞行的原理，具体来说是该多扑翼微型飞行器后面一对扑翼利用前面扑翼的尾迹来提高升力效率。大雁拍动或滑翔时，下翼面压力高于上翼面的压力，气流会从下翼面的高压区从翼尖处翻转到上翼面，形成翼尖涡，翼尖涡会在来流作用下脱落到翼后方尾迹中，形成复杂尾涡。后方的大雁利用尾涡产生的向上的诱导气流增强升力。在本发明中，类似大雁结阵飞行原理，后方的扑翼中部对齐前方紧邻的一对扑翼翼尖，因此后方的扑翼在运动时可始终受到前方扑翼运动形成的向上诱导气流作用，从而在不过多消耗能量的前提下增强升力产生，即保持了较高的气动效率。

本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，模仿模仿大雁结阵和滑翔飞行原理，其优点在于：

1)模仿大雁结阵飞行和飞鸟滑翔，是一种新颖的仿生布局设计；

2)实现了后方扑翼有效利用前面扑翼拍动和定攻角滑翔运动产生的翼尖涡增升及提高气动效率，有效改善了传统扑翼飞行器升力不足和气动效率较低的问题；

3)结构设计简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明的一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器整体布局示意图。

图2为本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器的扑翼结构示意图。

图3为本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器翼同步拍动产生高推力/升力时的示意图。

图4为本发明的一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器翼固定滑翔时的示意图。

图中：

1-第一扑翼 2-第二扑翼 3-第三扑翼 4-第四扑翼 5-第五扑翼

6-第六扑翼 7-机体 101-辅梁 102-主梁 103-翼膜

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

如图1所示，本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，包括机体7、第一扑翼1、第二扑翼2、第三扑翼3、第四扑翼4、第五扑翼5及第六扑翼6。

机体7整体成型，为左右对称结构，内含空腔，固定三对扑翼并布置拍动运动系统、扑翼姿态锁紧机构和扑翼运动控制系统。拍动运动系统包括电机，齿轮减速机构和连杆机构。电机固定在机体内部，通过齿轮减速机构对电机的高速输出减速。减速机构一般采用二级减速。连杆机构一般采用四连杆机构，接受齿轮减速机构的输出，同时带动扑翼的拍动。扑翼运动控制系统用于改变翼的运动状态，实现飞行器在滑翔和高推力/高升力状态间的切换，与此同时，在飞行过程中通过控制分别改变前后翼、左右翼的姿态进行纵向和横行向飞行控制。

如图1所示，第一扑翼1、第三扑翼3、第五扑翼5在机体左侧，第二扑翼2、第四扑翼4、第六扑翼6在机体另一侧。其中第一扑翼1和第二扑翼2安装在机体最前侧，安装位置距离机身最近。第三扑翼3和第四扑翼4安装在机体中部，安装位置较第一扑翼1和第二扑翼2远离机体半个扑翼展长，同时第一扑翼1和第二扑翼2的翼尖对应第三扑翼3和第四扑翼4的中部。第五扑翼5和第六扑翼6安装在机体后部，安装位置较第三扑翼3和第四扑翼4远离机体半个扑翼展长，第三扑翼3和第四扑翼4的翼尖对应第五扑翼5和第六扑翼6的中部。在滑翔时，各个扑翼均固定攻角在20°-30°，此时扑翼前缘位于水平面内；在需要大升力或大推力时，各个扑翼以相同相位同步倾斜拍动。

如图2所示，第一扑翼1、第二扑翼2、第三扑翼3、第四扑翼4、第五扑翼5、第六扑翼6均包括主梁102、辅梁101和翼膜103，扑翼经主梁102与拍动驱动机构相连。第一扑翼1、第二扑翼2、第三扑翼3、第四扑翼4、第五扑翼5、第六扑翼6均在驱动机构的驱动下往复拍动，提供飞行器所需的升力。

本发明一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，模仿大雁结阵飞行和滑翔飞行，具体过程如下：

电机输出高速转动，经齿轮减速机构减速，通过四连杆机构带动第一扑翼1、第二扑翼2、第三扑翼3、第四扑翼4、第五扑翼5、第六扑翼6拍动。

如图3所示，在扑翼拍动过程中，三对扑翼均倾斜拍动，拍动平面与竖直平面呈60°-70°，后一对扑翼的中部正对前一对扑翼的翼尖。扑翼拍动时下翼面压力高于上翼面的压力，从而形成升力，克服自身重力。气流会从下翼面的高压区从翼尖处翻转到上翼面，形成翼尖涡，随后脱落到尾迹中。因为后一对扑翼的中部正对前一对扑翼的翼尖，所以后方扑翼可以利用前面扑翼的翼尖涡诱导产生的上升气流，提高升力效率。在本发明中，后方的扑翼在运动时时刻受到前方扑翼运动形成的向上诱导气流，从而在不过多消耗能量的前提下增强了升力产生，即保持了较高的气动效率。

如图4所示，在飞行速度较高或来流速度较大的情况下，各个扑翼停止拍动，保持约20°-30°固定攻角滑翔，节约能量。但是在滑翔过程中，飞行器的速度一般会减小，当飞行器速度减小到不足以支持自身重量时，六个扑翼开始重新拍动。这个过程和鸟飞行中滑翔类似。

Claims (2)

1.一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器，是一种六扑翼布局形式，包括机体，其特征在于：

第一扑翼、第三扑翼、第五扑翼位于所述机体右侧，第二扑翼、第四扑翼、第六扑翼分别与所述第一扑翼、第三扑翼、第五扑翼关于所述机体的轴线呈左右对称，布置在所述机体左侧；所述第一扑翼、所述第二扑翼位于所述机体最前端，所述第三扑翼、所述第四扑翼位于所述机体中间，所述第五扑翼、所述第六扑翼位于所述机体最后端；三对扑翼左右对称、前后纵列布置在机体两侧，三对扑翼的翼根在水平方向上呈阶梯状排列，具体为后方的一对扑翼其展向中部位置与前方紧邻的一对扑翼翼尖位置对齐；三对扑翼均倾斜拍动，上下拍结束时翼前缘构成的拍动平面与竖直平面呈60°-70°，以同时产生升力和推力；机体通过3D打印整体成型，为左右对称结构，用于固定驱动三对扑翼同相位拍动的拍动运动系统、滑翔时固定扑翼姿态的锁紧机构以及扑翼运动控制系统。

2.如权利要求1所述的一种仿大雁结阵和滑翔飞行设计的多扑翼微型飞行器飞行时翼运动控制方法，其特征在于：

在高空或高速飞行时，三对扑翼呈滑翔姿态，六个扑翼均停止拍动，扑翼的攻角固定为20°-30°进行滑翔飞行；

在需要产生高升力和高推力进行加速或机动飞行时，六个扑翼变为同步上下拍动。

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