CN112977818A - 一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，涉及飞行器机翼的结构领域。提出了一种完全模仿鸟类小翼羽的结构特征、运动方式以及其具有的气动性能，从而有效提高扑翼飞行器空气动力学性，改变前缘翼面绕流以达到失速延迟作用，使得飞行器起飞降落更具有平稳性的可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构。所述仿生小翼羽结构包括一对小翼羽以及小翼羽控制机构；两所述小翼羽沿飞行器机身对称设置、且在小翼羽控制机构的驱动下同步转动。在扑翼飞行器飞行中具有良好的空气动力学性能和绕流特性，能够实现其延迟失速功能，其特殊的结构设计使得机构所增加重量和翅膀所增加转动惯量可忽略不计。

Description

一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构

技术领域

本发明涉及飞行器机翼的结构领域，具体涉及一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构。

背景技术

扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，相比于固定翼和旋翼的飞行方式，扑翼飞行更为灵活，根据机翼的不同主要可以分为模仿小型鸟类的单段式机翼和模仿大型鸟类的两段式机翼。自然界中鸟类翅膀上小翼羽结构在降落时张开具有延迟失速的功能，而目前扑翼飞行器研究领域起飞降落尚不能很好地保证其升力。在此基础上，以鸟类小翼羽结构作为思路，为扑翼飞行器加上仿生小翼羽结构，并完全模仿鸟类小翼羽运动以达到理想效果是一个难以解决的问题。Lee等人早在2015年就验证了鸟类小翼羽对于鸟类的增升作用和延迟失速效果（Lee Sang-im, Kim Jooha, Park Hyungmin, JabłońskiPiotr G, Choi Haecheon. The function of the alula in avian flight. Scientificreports, 2015）。国知局也于2016年7月13日公布了一份名为“一种基于鸮翼的仿生缝翼的设计方法”、申请号为“201610207324.1”的中国发明专利，该发明设计了一种用于固定翼上的仿生缝翼，并验证了其增升效果和气动效果。但该方法仅设计使用于固定翼，虽然具有好的气动效果，但不能完全模仿鸟类小翼羽的实际功能，达不到真实效果。

通过国内外相关文献检索，在飞行器的设计领域中，尚未见到有设计在扑翼飞行器上的基于小翼羽的仿生机翼。在扑翼飞行器上设计仿生机翼的另一困难在于扑翼飞行器的负载能力有限，增加太多的驱动装置实现功能同时也会增大整机重量，在翅膀结构上增加质量更会增大转动惯量影响升力。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种完全模仿鸟类小翼羽的结构特征、运动方式以及其具有的气动性能，从而有效提高扑翼飞行器空气动力学性，改变前缘翼面绕流以达到失速延迟作用，使得飞行器起飞降落更具有平稳性的可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构。同时，设计了一种电磁舵驱动的绳拉式控制方案，结构所增加整机质量和翅膀扑动所增加转动惯量可忽略不计，且不影响其负载能力和飞行器飞行性能，可有效避免因在翅膀结构上增加质量，而带来的转动惯量增大、升力受影响的问题。

本发明的技术方案为：所述扑翼飞行器包括飞行器机身以及一对机翼，一对所述机翼对称的设置在飞行器机身的两侧，所述机翼包括固定相连的翼杆2和翼膜1；

所述仿生小翼羽结构包括一对小翼羽3以及小翼羽控制机构；两所述小翼羽3分别平行于两翼膜1设置、且两小翼羽3的根部分别可转动的连接在两翼杆2上，两所述小翼羽3沿飞行器机身对称设置、且在小翼羽控制机构的驱动下同步转动。

所述小翼羽3与机翼的形状一致，所述机翼的展长为A、弦长为B；所述小翼羽3的展长a为1/7 A -1/6A、弦长b为2/15 B -2/13 B，且小翼羽3的翼尖角度为45°。

小翼羽的根部与翼杆远离飞行器的端头之间的距离为翼杆长度的45%-35%。

常态时小翼羽3的杆部与翼杆2平行，小翼羽3处于翼膜1的上方；起飞以及降落时，小翼羽3向前展开与翼杆2呈25-35°夹角。

所述小翼羽控制机构包括一对90度旋转扭力弹簧4、一对牵引绳5、绕线柱以及电磁舵9；

一对小翼羽3分别通过两90度旋转扭力弹簧4连接在两翼杆2上，所述90度旋转扭力弹簧4具有两个无外力下夹角呈90°的扭力臂，其中一个扭力臂固定连接在翼杆2上，另一个扭力臂固定连接在小翼羽3上；

所述电磁舵9连接在飞行器机身上，所述绕线柱连接在电磁舵9上、且在电磁舵9的带动下往复摆动；

两所述牵引绳5的一端均固定连接在绕线柱上、且另一端分别固定连接两90度旋转扭力弹簧4中与小翼羽3相连的扭力臂上。

所述扑翼飞行器的每个翼杆2上都固定连接有一个内引绳固定环15以及一个外引绳固定环16，所述90度旋转扭力弹簧4处于内引绳固定环15和外引绳固定环16之间，且所述90度旋转扭力弹簧4处于小翼羽3朝向飞行器机身的一侧；

所述牵引绳5自绕线柱引出后，依次穿过内引绳固定环15、外引绳固定环16后，与所述90度旋转扭力弹簧4固定相连。

所述电磁舵9包括包括电磁线圈18以及电磁舵摆19，所述电磁线圈18与飞行器机身固定相连，所述电磁舵摆19的两端利用转动副连接在电磁线圈18外，所述绕线柱与电磁舵摆19固定相连。

本发明根据鸟类小翼羽结构设计仿生小翼羽特征结构，具有良好的气动性能。在此基础上设计小翼羽机构和控制方案，并使用在扑翼飞行器上，测定了升力系数和流畅结构，验证了该设计的合理性，仿生小翼羽结构为提高扑翼飞行器的空气动力学性能提供了一种可靠的方案。

本发明从功能上能够实现仿鸟小翼羽在飞行中的运动和控制，并在扑翼飞行器上实现其功能，验证其空气动力学性能，在扑翼飞行器应用层面具有深远意义。结构上主要包括扑动机构、转向机构、飞行器机身、尾翼、机翼和小翼羽控制机构。

所述仿生小翼羽结构仿照真实鸟类小翼羽结构特征设计，在扑翼飞行器飞行中具有良好的空气动力学性能和绕流特性，能够实现其延迟失速功能，在扑翼飞行器设计中具有深远意义。

所述仿生小翼羽控制方案采用电磁舵驱动的绳牵拉机构和弹簧复位机构，模仿真实鸟类小翼羽运动情况和控制方案，电磁驱动舵将上下摆动转化为两边小翼羽同步的伸开运动，保证了其运动的完全对称性，其特殊的结构设计使得机构所增加重量和翅膀所增加转动惯量可忽略不计，不会对扑翼飞行器的飞行性能产生影响，可直接应用到扑翼飞行器的设计方案中。

所述可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流特性的仿生小翼羽结构在设计中进行了升力测试和流场分析，验证了其在飞行中对前缘绕流的作用和飞行中失速延迟的功能，可将此方法相对简单地为工程结构所用。

附图说明

图1是本案中扑翼飞行器的结构示意图一，

图2是本案中扑翼飞行器的结构示意图二，

图3是小翼羽未展开时的工作状态参考图，

图4是小翼羽展开时的工作状态参考图，

图5是本案中小翼羽控制机构的结构示意图一，

图6是本案中小翼羽控制机构的结构示意图二，

图7是图6的I处局部放大图，

图8是本案中小翼羽的结构示意图，

图9是小翼羽未展开时仿真获得的涡量云图和速度矢量图，

图10是小翼羽展开时仿真获得的涡量云图和速度矢量图。

图中1是翼膜，2是翼杆，3是小翼羽，4是90度旋转扭力弹簧，5是牵引绳，6是扑动机构，7是机架，8是驱动电机，9是电磁舵，10是尾翼，11是尾翼连接架，12是舵机，13是转向机构；14是控制板，15是内引绳固定环，16是外引绳固定环，17是控制板固定架，18是电磁线圈，19是电磁舵摆。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

本发明所设计的可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构是基于本实验室所研究飞行器（名称“一种具有空中飞行和地面扑跑功能的仿鸟机器人”、申请号“202011560896.0”）为平台。

如图1-2所示，本实验室所研究飞行器主要包括扑动机构、转向机构、飞行器机身、尾翼10以及一对机翼。

飞行器机身包括机架7、身体杆、尾翼连接架11等等，飞行器机身的前部固定连接有驱动电机8、且后部固定连接有舵机12；

一对机翼对称的设置在飞行器机身的两侧，所述机翼包括固定相连的翼杆2和翼膜1；

两所述翼杆2的端头均通过连接在机架7上的扑动机构6连接驱动电机8；

所述舵机12的输出轴上固定连接在有舵杆，所述舵杆水平设置、且其中心与舵机12的输出轴固定相连；

两所述翼膜1远离翼杆2的一侧通过转向机构13连接舵杆；

所述尾翼10可拆卸的连接在尾翼连接架11上。

其中扑动机构6将驱动电机8的旋转运动转换为两机翼的扑动运动，其中的传动机构为两级展开式圆柱齿轮减速机构；转向机构13通过拉紧或放松翼膜改变两侧的气动布局来进行转向；飞行器机身对扑动机构以及传动机构等零件进行限位，以及将扑动机构、转向机构以及尾翼等连接起来。需要说明的是，由于飞行器机身、扑动机构6、转向机构13与此前的专利申请（名称“一种具有空中飞行和地面扑跑功能的仿鸟机器人”、申请号“202011560896.0”）内容一致，因此，本案中不再赘述。

如图1-8所示，本发明在本实验室所研究飞行器的基础上设置了仿生小翼羽结构，仿生小翼羽结构包括一对小翼羽3以及小翼羽控制机构；小翼羽控制机构通过电磁舵驱动利用绳牵引拉动小翼羽张开和闭合，以满足改变翼面绕流的功能。

所述小翼羽控制机构包括电磁舵9、绕线柱、一对牵引绳5、一对内引绳固定环15、一对外引绳固定环16以及一对90度旋转扭力弹簧4，所述电磁舵9包括电磁线圈18以及电磁舵摆19。

一对小翼羽3分别通过两90度旋转扭力弹簧4连接在两翼杆2上，所述90度旋转扭力弹簧4具有两个无外力下夹角呈90°的扭力臂，其中一个扭力臂固定连接在翼杆2上，另一个扭力臂固定连接在小翼羽3上；

所述电磁舵9连接在飞行器机身上，所述绕线柱连接在电磁舵9上、且在电磁舵9的带动下往复摆动；

两所述牵引绳5的一端均固定连接在绕线柱上、且另一端分别固定连接两90度旋转扭力弹簧4中与小翼羽3相连的扭力臂上。这样，当绕线柱绕往复摆动时，可同步的收紧或放松一对牵引绳5。当牵引绳收紧时，可同步拉拽一对90度旋转扭力弹簧4，并带动与其固定相连的小翼羽3转动，从而控制一对小翼羽3同步转动；而当牵引绳放松时，一对小翼羽3则可在一对90度旋转扭力弹簧4的回复力影响下同步复位。

所述扑翼飞行器的每个翼杆2上都固定连接有一个内引绳固定环15以及一个外引绳固定环16，所述90度旋转扭力弹簧4处于内引绳固定环15和外引绳固定环16之间，且所述90度旋转扭力弹簧4处于小翼羽3朝向飞行器机身的一侧；

所述牵引绳5自绕线柱引出后，依次穿过内引绳固定环15、外引绳固定环16后，与所述90度旋转扭力弹簧4固定相连。这样，即可确保，当一对牵引绳5被同步收紧时，可同步拉拽一对90度旋转扭力弹簧4，使得一对小翼羽3同步向前展开；而一对牵引绳5被同步放松时，一对小翼羽3可在一对90度旋转扭力弹簧4的回复力影响下同步复位。从而完全模仿鸟类小翼羽的结构特征、运动方式以及其具有的气动性能，从而有效提高扑翼飞行器空气动力学性，改变前缘翼面绕流以达到失速延迟作用，使得飞行器起飞降落更具有平稳性。

所述电磁舵9包括包括电磁线圈18以及电磁舵摆19，所述电磁线圈18与飞行器机身固定相连，所述电磁舵摆19的两端利用转动副连接在电磁线圈18外，所述绕线柱与电磁舵摆19固定相连。这样，在线圈电流变化的过程中产生磁场驱动电磁舵摆（19）以及绕线柱上下摆动，以收紧或放松一对牵引绳5。

如图5-7所示，所述小翼羽控制机构由电磁驱动舵9作为动力源，电磁驱动舵由电磁线圈18和舵摆19组成，根据估算力大小计算得到所需要线圈数并缠绕在圆圈之中，舵摆19两端利用转动副连接在线圈18外，中间连接一块磁铁，在线圈电流变化的过程中产生磁场驱动其上下摆动，以拉动牵引绳5。控制板固定架17用于固定控制板14，通过控制板14对电磁舵发送电流信号实现对驱动电机8和舵机12的控制。所述引绳固定环15固定在翼杆2末端，牵引绳5从仿生小翼羽结构处的固定环16拉至固定环15，并连接在电磁舵杆上，形成一个完整控制闭环。

如图1-10所示，小翼羽3的结构特征模仿真实鸟类，其前缘为弧形与翼杆2（碳纤维杆）相适应贴合，其位于翼膜1和翼杆2之间，其所在飞行器翅膀的位置根据真实鸟类翅膀比例确定。所述90度旋转扭力弹簧4一端与翼杆2刚性连接，且90度旋转扭力弹簧4与翼膜1平面保持平行，所述小翼羽3短端与弹簧竖直端刚性连接，所述牵引绳5通过引绳固定环16连接在弹簧竖直端，拉动绳使得弹簧两端夹角变大并驱动仿生小翼羽旋转伸出，当驱动力消去后可根据弹簧力恢复收回。

具体来说：

所述扑翼飞行器包括飞行器机身以及一对机翼，一对所述机翼对称的设置在飞行器机身的两侧，所述机翼包括固定相连的翼杆2和翼膜1；

所述仿生小翼羽结构包括一对小翼羽3以及小翼羽控制机构；两所述小翼羽3分别平行于两翼膜1设置、且两小翼羽3的根部分别可转动的连接在两翼杆2上，两所述小翼羽3沿飞行器机身对称设置、且在小翼羽控制机构的驱动下同步转动。

所述小翼羽3与机翼的形状一致，所述机翼的展长为A、弦长为B；所述小翼羽3的展长a为1/7 A -1/6A、弦长b为2/15 B -2/13 B，且小翼羽3的翼尖角度为45°。所述小翼羽的杆部的底面上开设有与翼杆适配的凹槽，从而在凹槽处形成前缘圆角c，所述前缘圆角c与翼杆同心。小翼羽结构特征尺寸太小，不足以影响绕流特性，达不到所需要的升力效果；若尺寸太大，在大攻角时对气流的影响不稳定，不仅达不到效果，还会在正常飞行时增大翅膀的转动惯量，影响其正常飞行的效率和能量利用率。因此，本案通过对小翼羽结构尺寸的调整，使得小翼羽在足以影响绕流特性的同时，还不会在正常飞行时增大翅膀的转动惯量。

小翼羽的根部与翼杆远离飞行器的端头之间的距离为翼杆长度的45%-35%。

常态时（包括扑跑以及平稳飞行过程中等等）小翼羽3的杆部与翼杆2平行，小翼羽3处于翼膜1的上方；起飞以及降落时，小翼羽3向前展开与翼杆2呈25-35°夹角。

经实验和实际证明，鸟类小翼羽结构对于起飞和降落时延迟失速和改变翼面绕流有重要作用。主要表现在其能够在高攻角时引起翼尖涡，从而产生高动量附加流，使其保持升力，以实现稳定起飞与降落。

基于本发明所设计的小翼羽结构，如图9-10所示，在理论层面利用专业流场仿真软件仿真获得涡量云图和速度矢量图。可以明显观察到在设计中添加小翼羽后边缘涡量面积增大，改变翼面绕流状态，在起飞和降落时具有延迟失速和增升的功能。

经过仿真分析和验证，小翼羽结构位于翅膀翼展长60%位置（小翼羽的根部与翼杆远离飞行器的端头之间的距离为翼杆长度的40%），且相对于翼缘展开30°时效果最好。

小翼羽本身材质采用聚乙烯材料制成，小型化、质量轻的同时，在垂直翼面的方向更具有所需的刚性，方便操控，不宜变形，成本低廉。在整个翅膀的质量分布上，小翼羽、扭杆弹簧、拉绳所占翅膀质量百分比约为5%，且其质量集中分布在前缘碳纤维杆处，对翅膀翼膜的影响，以及对翅膀质心的影响可忽略不计。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，所述扑翼飞行器包括飞行器机身以及一对机翼，一对所述机翼对称的设置在飞行器机身的两侧，所述机翼包括固定相连的翼杆（2）和翼膜（1）；其特征在于，

所述仿生小翼羽结构包括一对小翼羽（3）以及小翼羽控制机构；两所述小翼羽（3）分别平行于两翼膜（1）设置、且两小翼羽（3）的根部分别可转动的连接在两翼杆（2）上，两所述小翼羽（3）沿飞行器机身对称设置、且在小翼羽控制机构的驱动下同步转动。

2.根据权利要求1所述的一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，其特征在于，所述小翼羽（3）与机翼的形状一致，所述机翼的展长为A、弦长为B；所述小翼羽（3）的展长a为1/7 A -1/6A、弦长b为2/15 B -2/13 B，且小翼羽（3）的翼尖角度为45°。

3.根据权利要求2所述的一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，其特征在于，小翼羽的根部与翼杆远离飞行器的端头之间的距离为翼杆长度的45%-35%。

4.根据权利要求2所述的一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，其特征在于，常态时小翼羽（3）的杆部与翼杆（2）平行，小翼羽（3）处于翼膜（1）的上方；起飞以及降落时，小翼羽（3）向前展开与翼杆（2）呈25-35°夹角。

5.根据权利要求2所述的一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，其特征在于，小翼羽采用聚乙烯材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，其特征在于，所述小翼羽控制机构包括一对90度旋转扭力弹簧（4）、一对牵引绳（5）、绕线柱以及电磁舵（9）；

一对小翼羽（3）分别通过两90度旋转扭力弹簧（4）连接在两翼杆（2）上，所述90度旋转扭力弹簧（4）具有两个无外力下夹角呈90°的扭力臂，其中一个扭力臂固定连接在翼杆（2）上，另一个扭力臂固定连接在小翼羽（3）上；

所述电磁舵（9）连接在飞行器机身上，所述绕线柱连接在电磁舵（9）上、且在电磁舵（9）的带动下往复摆动；

两所述牵引绳（5）的一端均固定连接在绕线柱上、且另一端分别固定连接两90度旋转扭力弹簧（4）中与小翼羽（3）相连的扭力臂上。

7.根据权利要求6所述的一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，其特征在于，所述扑翼飞行器的每个翼杆（2）上都固定连接有一个内引绳固定环（15）以及一个外引绳固定环（16），所述90度旋转扭力弹簧（4）处于内引绳固定环（15）和外引绳固定环（16）之间，且所述90度旋转扭力弹簧（4）处于小翼羽（3）朝向飞行器机身的一侧；

所述牵引绳（5）自绕线柱引出后，依次穿过内引绳固定环（15）、外引绳固定环（16）后，与所述90度旋转扭力弹簧（4）固定相连。

8.根据权利要求6所述的一种可改变扑翼飞行器前缘翼面绕流的仿生小翼羽结构，其特征在于，所述电磁舵（9）包括包括电磁线圈（18）以及电磁舵摆（19），所述电磁线圈（18）与飞行器机身固定相连，所述电磁舵摆（19）的两端利用转动副连接在电磁线圈（18）外，所述绕线柱与电磁舵摆（19）固定相连。

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