CN113978720A - 一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器及其使用方法。该扑翼飞行器通过控制模块，可以主动更改扑翼连杆尾端与机身骨架的固定位置，从而改变扑翼翼面与机身形成的俯仰角，使扑翼飞行器在执行不同任务时，按照需要更改升力与推力的占比比例，从而实现爬升速度的提高或前进速度的提高。当异步更改两侧扑翼连杆尾端的相对位置时，还可以为转弯过程中的扑翼飞行器提供额外的滚转角，不仅能够提高转弯的速度，还可以降低转弯时的半径，使飞行器更快完成转弯的动作，提高了扑翼飞行器的灵活性与机动性。根据不同飞行目标设计的使用方法，可以解决传统手抛起飞方式的需要较大的初速度或飞行迎角的限制问题。

Description

一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器及其使用方法

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，涉及一种具有主动改变机翼俯仰角和转弯辅助控制功能的扑翼飞行器结构，具体涉及一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器及其使用方法。

背景技术

仿生扑翼飞行器具有尺寸小、机动性高、能量利用效率高以及飞行时产生的噪音低，隐蔽性好等特点，在军用领域和民用领域都具有非常广泛的用途。在军事领域，微型扑翼飞行器可用来探测战场上的雷达盲区，在复杂地形中低空飞行执行实施侦察，也可用于近距离室内探测和跟踪等任务。在民用领域，微型扑翼飞行器可用于灾区搜救、环境监测以及为公安、交通、安检、电力、防灾、测绘提供特殊用途，比如对突发事故现场、灾情、森林防火、缉毒巡查进行监控等，以保障人民生命财产安全。

扑翼飞行器是一个跨学科、多领域相融合的研究项目，涉及到低雷诺数下的空气动力学、新能源、微电子、材料学、通信、多传感器信息融合、自动控制等技术。在各领域都存在广泛的应用前景，对其他相关领域的发展具有很强的推动型，因此对仿生扑翼飞行器的研究具有非凡的意义。开展对扑翼飞行器的研究，首先便是针对机械结构的研究。高效的结构是实现仿生飞行的前提条件，因此对扑翼飞行器结构的研究是迫切需要的。

目前现有的扑翼飞行器主要分为两种：一种是采用两个舵机分别独立控制两侧机翼扑动；另一种是两侧机翼由同一个电机控制，两侧机翼扑动规律一致。现有技术中的电机驱动型扑翼飞行器，只能通过增加机翼扑动频率和改变尾翼俯仰角的方式来控制飞行的俯仰角，以此实现扑翼飞行器的升降和转弯动作。通过这种方式来改变扑翼机俯仰角以及滚转角的速度比较慢、幅度比较小，带来的影响是飞行器的机动性不强，灵活性不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器及其使用方法，提供了一种可以在飞行过程中主动改变俯仰角的扑翼机结构，转弯过程中配合尾翼控制，增加了俯仰角的可控范围，实现机翼俯仰角-尾翼的辅助混合控制，明显提高扑翼飞行器的机动性和飞行效率。

一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，包括机身骨架、扑翼模块和尾翼模块。

所述尾翼模块设置在机身骨架的后端，包括尾翼和尾翼调节模块，尾翼调节模块用于控制尾翼的升降或旋转。

所述扑翼模块设置在机身骨架的前部，包括左、右扑翼组件、扑翼动力模块和左、右扑翼连杆，扑翼动力模块采用一个电机，为左、右扑翼组件提供同步上下扑动的动力。左、右扑翼连杆的前端与左、右扑翼组件分别构成球面副。左、右扑翼连杆的后端连接在机身骨架的尾部，通过改变连接位置，改变左、右扑翼连杆与机身的夹角大小，补充扑翼飞行器飞行过程中的俯仰角。

作为优选，还包括控制模块，用于主动改变左、右扑翼连杆的后端与机身骨架的连接位置。

左、右扑翼组件对称设置在机身骨架前部的左、右两侧，均包括动力轮、动力曲柄、动力摇杆、套筒和翼杆。其中动力轮通过轴承与机身骨架构成转动副，左、右两侧的动力轮同轴转动。动力曲柄的一端固定在动力轮的中心，另一端与动力摇杆的一端构成转动副。动力摇杆的另一端与套筒构成球面副。套筒与机身骨架形成转动副，翼杆的一端固定在套筒上。

扑翼动力模块包括扑翼电机、第一减速轮、第二减速轮和第三减速轮。其中扑翼电机与第三减速轮位于机身骨架的同一侧，第一减速轮与第二减速轮位于机身骨架的另一侧，且第二减速轮与第三减速轮同轴转动。所述扑翼电机的输出轴与第一减速轮固定，第一减速轮与第二减速轮啮合，第三减速轮与同侧的动力轮啮合。通过扑翼电机的转动控制翼杆的上下扑动。

尾翼调节模块包括升降电机、旋转电机与升降曲柄连杆机构。升降电机通过升降曲柄连杆机构与尾翼连接，控制尾翼的上扬与下垂。旋转电机直接与尾翼连接，控制尾翼沿翼面的旋转。

一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器的使用方法，根据扑翼机的不同飞行阶段，按照以下不同模式对其进行控制：

(1)起飞或爬升模式：打开扑翼电机驱动左、右扑翼组件上下扑动，通过尾翼模块中的升降电机控制尾翼下垂，增大机身的俯仰角，再通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机同步控制扑翼连杆后端沿限位模块向下滑动，使扑翼连杆的后端低于扑翼连杆的前端，提高扑翼机的爬升速度。

(2)前进模式：扑翼电机持续驱动左、右扑翼组件上下扑动，通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机同步控制扑翼连杆后端沿限位模块向上滑动，使扑翼连杆的后端高于扑翼连杆的前端，提高扑翼机的前进速度。

(3)转弯模式：扑翼电机持续驱动左、右扑翼组件上下扑动，通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机异步控制左、右两侧的控制滑杆沿限位模块分别向上、下滑动，使左侧扑翼组件高于右侧扑翼组件，使扑翼机实现右转弯；或者控制左、右两侧的控制滑杆沿限位模块分别向下、上滑动，使左侧扑翼组件低于右侧扑翼组件，使扑翼机实现左转弯。

作为优选，在起飞或爬升模式中，通过尾翼调节模块控制尾翼下垂，增加机身仰角，进一步提高爬升速度。

作为优选，在转弯模式中，通过尾翼调节模块控制尾翼沿翼面正时针或逆时针方向旋转，使扑翼机加快右转弯或左转弯的速度。

本发明具有以下有益效果：

1、通过控制模块主动调节扑翼连杆与机身骨架尾端的连接点高度，从而改变扑翼翼面与机身骨架的夹角大小，为爬升阶段的扑翼机提供更多的升力，或为前进阶段的扑翼机提供更多的推力。

2、在扑翼机的转弯过程中，控制左、右翼面的相对高度，配合尾翼的调节，加快扑翼机转弯速度的同时，减小了转弯半径，增加了扑翼飞行器的机动性和灵活性。

3、在进行扑翼机飞行实验时，通过控制模块，两侧舵机同步控制扑翼连杆后端沿限位模块向下滑动，使扑翼连杆的后端低于扑翼连杆的前端，即机翼后缘翼面低于机翼前缘翼面，直接增加了起飞时的飞行俯仰角，从而降低了手抛试飞的起飞条件，摆脱了传统手抛需要靠外力来提供额外俯仰角的局限性。

附图说明

图1为实施例中扑翼飞行器的结构示意图；

图2为实施例中扑翼飞行器的俯视图；

图3为实施例中扑翼飞行器的尾翼模块示意图；

图4为实施例中扑翼飞行器的扑翼组件示意图；

图5为实施例中扑翼飞行器的扑翼动力模块示意图；

图6为实施例一中扑翼飞行器的扑翼连杆连接示意图；

图7为实施例二中扑翼飞行器的控制模块示意图；

图8为实施例三中扑翼飞行器的控制模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；

实施例一

如图1、图2所示，一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，包括机身骨架1、扑翼模块、尾翼模块和控制模块。机身骨架采用厚度为2mm碳纤维板。

如图3所示，尾翼模块设置在机身骨架1的后端，包括升降舵机2、旋转舵机3与升降曲柄连杆机构。升降舵机2通过升降曲柄连杆机构与尾翼4连接，控制尾翼4的上扬与下垂。旋转舵机3直接与尾翼4连接，控制尾翼4沿翼面的旋转。

所述扑翼模块设置在机身骨架1的前部，包括左、右扑翼组件、扑翼动力模块和左、右扑翼连杆。如图4所示，左、右扑翼组件对称设置在机身骨架前部的左、右两侧，均包括动力轮5、动力曲柄6、动力摇杆7、套筒8和翼杆9。翼杆9采用直径为2mm的碳纤维棒，套筒8采用树脂材料3D打印而成。其中动力轮5通过轴承与机身骨架1构成转动副，左、右两侧的动力轮同轴转动。动力曲柄6的一端固定在动力轮5的中心，另一端与动力摇杆7的一端构成转动副。动力摇杆7的另一端与套筒8构成球面副。套筒8与机身骨架1形成转动副，翼杆9的一端固定在套筒8上。扑翼连杆10的前端与套筒8构成球面副。选用柔性材料柔性材料P31N切割出两片相同的三角形作为扑翼翼面，扑翼翼面的两条边分别固定在翼杆9和扑翼连杆10上。

如图5所示，扑翼动力模块包括扑翼电机11、第一减速轮12、第二减速轮13和第三减速轮14。其中扑翼电机11与第三减速轮14位于机身骨架1的同一侧，第一减速轮12与第二减速轮13位于机身骨架1的另一侧，且第二减速轮13与第三减速轮14同轴转动。所述扑翼电机11的输出轴与第一减速轮12固定，第一减速轮12与第二减速轮13啮合，第三减速轮14与同侧的动力轮5啮合。通过扑翼电机11的转动控制翼杆9的上下扑动。

如图6所示，在机身骨架1尾部的左右两侧对称设置有三组高度不同的卡口26，扑翼连杆10的后端25通过卡口26与机身骨架1连接。通过改变扑翼连杆10的后端25与不同高度上的卡口26连接，改变扑翼连杆10与机身骨架1形成的夹角，从而补充扑翼飞行器飞行过程中的俯仰角。

实施例二

本实施例提供一种包括控制模块的扑翼飞行器，通过动力元件，可以在飞行过程中改变扑翼飞行器俯仰角。如图7所述，控制模块包括限位连杆20、螺纹套筒21、螺纹输出轴23和高度控制电机24。所述高度控制电机24通过电机固定架22固定在机身骨架1的尾部。螺纹输出轴23的表面设置有外螺纹，螺纹输出轴23与高度控制电机24的输出轴固定。螺纹套筒21的内筒设有内螺纹，并且与螺纹输出轴23上的外螺纹匹配，螺纹套筒21与螺纹输出轴23构成螺旋副。限位连杆20支承在螺纹套筒21上，左、右扑翼连杆的后端分别固定在限位连杆20的左右两侧。通过高度控制电机24控制螺纹输出轴23旋转，带动螺纹套筒21及限位连杆20上下移动，从而改变扑翼连杆10与机身骨架1形成的夹角，补充扑翼飞行器飞行过程中的俯仰角。

实施例三

本实施例提供的控制模块，可以异步改变左、右扑翼连杆与机身骨架1形成的夹角，除了可以补充扑翼飞行器飞行过程中的俯仰角的以外，还可以为转弯过程提供额外的转滚角。

如图8所示，所述控制模块设置在机身骨架后部的左、右两侧，每侧均包括限位模块15、控制舵机16和曲柄滑杆机构。限位模块15上开有滑槽，两侧的限位模块左右对称。左、右扑翼连杆的后端分别与两侧的限位模块上的滑槽形成滑动副。曲柄滑杆机构包括控制曲柄17、控制连杆18和控制滑杆19。控制曲柄17的一端与控制舵机16的输出轴固定，另一端与控制连杆18的一端形成转动副。控制连杆18的另一端与控制滑杆19的一端形成转动副，控制滑杆19的另一端与扑翼连杆10的后端形成转动副。

初始状态下，与传统的扑翼机相似，左、右扑翼连杆的前后两端位于同一高度，此时左、右两侧的扑翼翼面处于同一水平面内，此时扑翼产生的合力按原始配比分为升力与推力，没有额外的力的转换。定义初始状态下扑翼翼面的位置为参考水平面，当扑翼连杆后端位置高于前端时，扑翼翼面与参考水平面成负向角；当扑翼连杆后端位置低于前端时，扑翼翼面与参考水平面成正向角。控制模块通过控制扑翼连杆10相对机身骨架1的位置，更改扑翼翼面相对参考水平面的角度，从而实现主动改变扑翼机俯仰角的目的，根据爬升或前进的不同需求，主动控制扑翼连杆后端滑动，将扑翼时产生的合力按照需求分配给升力和推力。此外，控制模块中设置了两个动力源，分别控制左右扑翼连杆后端的滑动，当两个动力源进行异步控制时，可以使两侧的扑翼翼面产生角度差，可以为转弯过程的扑翼机提供额外的转滚角，配合尾翼实现转弯或翻滚。

以下根据扑翼机的不同飞行阶段，详细介绍不同模式下的控制方法：

(1)起飞或爬升模式：打开扑翼电机驱动左、右扑翼组件上下扑动，通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机同步控制扑翼连杆后端沿限位模块向下滑动，使扑翼连杆的后端低于扑翼连杆的前端，扑翼翼面与参考水平面成正向角，当扑翼电机转速稳定时，扑翼产生的合力不变，但由于扑翼翼面与参考水平面成正向角，扑翼产生的部分推力被转化为升力，即扑翼产生的合力被更多地分配给升力，升力的占比增加了，就提高了扑翼机的爬升速度。配合尾翼控制模块，控制尾翼下垂，增大机身俯仰角，可以进一步增大升力的占比。

传统的扑翼飞行器在进行飞行实验时，通常采用人为手抛的方式给扑翼机一个飞行初速度。由于扑翼产生的升力和推力与飞行速度有关，因此当初速度不足时，扑翼机提供的升力不足以维持扑翼机继续飞行，会出现扑翼飞行器无法正常起飞的情况。为了使扑翼机能正常起飞，通常有两种方式：(1)保持机身与水平面平行，初始迎角为0，增大手抛时的初速度，以增大扑翼产生的升力和推力；(2)保持手抛时的初速度不变，改变机身与水平面的夹角，使扑翼机被斜向上抛出，增加初始迎角，以此抵消部分阻力，增大扑翼产生的升力和推力。但是这两种方式都需要使用者在进行手抛时，掌握一定的技巧。

而本申请的起飞或爬升模式，通过拉低扑翼连杆后端的位置，模拟了扑翼机被斜向上抛出时的初始迎角，实现抵消部分阻力的效果。

(2)前进模式：扑翼电机持续驱动左、右扑翼组件上下扑动，通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机同步控制扑翼连杆后端沿限位模块向上滑动，使扑翼连杆的后端高于扑翼连杆的前端，扑翼翼面与参考水平面成负向角，当扑翼电机转速稳定时，扑翼产生的合力不变，但由于扑翼翼面与参考水平面成负向角，扑翼产生的部分升力被转化为推力，即扑翼产生的合力被更多地分配给推力，推力的占比增加了，就提高了扑翼机的前进速度。

(3)转弯模式：扑翼电机持续驱动左、右扑翼组件上下扑动。

进行右转弯时，首先通过尾翼模块中的旋转舵机驱动尾翼向正时针方向旋转，控制偏航角。然后通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机异步控制左、右两侧的控制滑杆沿限位模块分别向上、下滑动，左侧扑翼组件高于右侧扑翼组件，左、右两侧的扑翼翼面分别与参考水平面成负向角和正向角，使扑翼机实现右转弯；

进行左转弯时，首先通过尾翼模块中的旋转舵机驱动尾翼向正时针方向旋转，控制偏航角。然后控制左、右两侧的控制滑杆沿限位模块分别向下、上滑动，使左侧扑翼组件低于右侧扑翼组件，左、右两侧的扑翼翼面分别与参考水平面成正向角和负向角，使扑翼机实现左转弯。

传统的扑翼飞行器在转弯动作的实现过程中，其滚转角与偏航角均由尾翼提供。通过尾翼控制偏航力矩，迫使扑翼机机身形成小幅度滚转，但是无法对滚转角进行变化控制，同时扑翼机也无法实现较大的滚转变化，大大地限制了扑翼机的灵活性和机动性。而本实施例通过左右两侧的控制舵机，异步控制扑翼连杆的相对位置，使左、右扑翼翼面形成一定高度差，主动增加了机身滚转角，不仅可以提高扑翼机的转弯速度，还可以大幅减小转弯半径，改善了扑翼机机动性。

Claims (10)

1.一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，包括机身骨架、扑翼模块和尾翼模块；其中扑翼模块设置在机身骨架的头部，尾翼模块设置在机身骨架的后端，其特征在于：

所述尾翼模块包括尾翼和尾翼调节模块，尾翼调节模块用于控制尾翼的升降或旋转；

所述扑翼模块包括左、右扑翼组件、扑翼动力模块和左、右扑翼连杆，扑翼动力模块采用一个电机，驱动左、右扑翼组件同步上下扑动；左、右扑翼连杆的前端与左、右扑翼组件分别构成球面副；左、右扑翼连杆的后端连接在机身骨架的尾部，通过改变连接位置，改变左、右扑翼连杆与机身的夹角大小，改变扑翼飞行器飞行过程中的俯仰角。

2.如权利要求1所述一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，其特征在于：在机身骨架尾部的左右两侧对称设置有多组高度不同的卡口，扑翼连杆的后端通过卡口与机身骨架连接；通过改变扑翼连杆的后端与不同高度上的卡口连接，改变扑翼连杆与机身骨架形成的夹角，从而补充扑翼飞行器飞行过程中的俯仰角。

3.如权利要求1所述一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，其特征在于：还包括设置在机身骨架尾部的控制模块。

4.如权利要求3所述一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，其特征在于：所述控制模块包括限位模块和控制动力模块；所述限位模块上设有两条左右对称的限位槽，左、右扑翼连杆的后端分别与左、右限位槽滑动连接；控制动力模块控制左、右扑翼连杆沿着限位槽上、下滑动；控制动力模块设置在机身骨架的左、右两侧，每侧均包括控制舵机和曲柄滑杆机构，其中，曲柄滑杆机构包括控制曲柄、控制连杆和控制滑杆；控制曲柄的一端与机身骨架构成转动副，并由控制舵机驱动，另一端与控制连杆的一端形成转动副；控制连杆的另一端与控制滑杆的一端形成转动副，控制滑杆的另一端与扑翼连杆的后端形成转动副。

5.如权利要求3所述一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，其特征在于：所述控制模块包括限位连杆、螺纹套筒、螺纹输出轴和高度控制电机；所述高度控制电机固定在机身骨架的尾部；螺纹输出轴与高度控制电机的输出轴固定；螺纹套筒与螺纹输出轴构成螺旋副；限位连杆支承在螺纹套筒上，左、右扑翼连杆的后端分别固定在限位连杆的左右两侧。

6.如权利要求1所述一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，其特征在于：左、右扑翼组件对称设置在机身骨架的左、右两侧，均包括动力轮、动力曲柄、动力摇杆、套筒和翼杆；其中动力轮与机身骨架构成转动副，左、右两侧的动力轮同轴转动；动力曲柄的一端与动力轮固定，另一端与动力摇杆的一端构成转动副；动力摇杆的另一端与套筒构成球面副；套筒与机身骨架构成转动副，翼杆的一端固定在套筒上；

扑翼动力模块包括扑翼电机、第一减速轮、第二减速轮和第三减速轮；其中扑翼电机与第三减速轮位于机身骨架的同一侧，第一减速轮与第二减速轮位于机身骨架的另一侧，且第二减速轮与第三减速轮同轴转动；第一减速轮与机身骨架构成转动副，并由扑翼电机驱动；第一减速轮与第二减速轮啮合，第三减速轮与同侧的动力轮啮合。

7.如权利要求1所述一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器，其特征在于：尾翼调节模块包括升降电机、旋转电机与升降曲柄连杆机构；升降电机通过升降曲柄连杆机构与尾翼连接，控制尾翼的上扬与下垂；旋转电机直接与尾翼连接，控制尾翼沿翼面的旋转。

8.一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器的使用方法，其特征在于：使用如权利要求1、3、4、6、7任一所述的扑翼飞行器，根据不同飞行阶段，依照以下几种模式进行控制：

(1)起飞或爬升模式：打开扑翼电机驱动左、右扑翼组件上下扑动，通过尾翼模块中的升降电机控制尾翼下垂，增大机身的俯仰角，再通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机同步控制扑翼连杆后端沿限位模块向下滑动，使扑翼连杆的后端低于扑翼连杆的前端，提高扑翼飞行器的爬升速度；

(2)前进模式：扑翼电机持续驱动左、右扑翼组件上下扑动，通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机同步控制扑翼连杆后端沿限位模块向上滑动，使扑翼连杆的后端高于扑翼连杆的前端，提高扑翼飞行器的前进速度；

(3)转弯模式：扑翼电机持续驱动左、右扑翼组件上下扑动，通过控制模块中的左、右两侧的控制舵机异步控制左、右两侧的控制滑杆沿限位模块分别向上、下滑动，使左侧扑翼组件高于右侧扑翼组件，使扑翼飞行器实现右转弯；或者控制左、右两侧的控制滑杆沿限位模块分别向下、上滑动，使左侧扑翼组件低于右侧扑翼组件，使扑翼飞行器实现左转弯。

9.如权利要求8所述一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器的使用方法，其特征在于：在起飞或爬升模式中，通过尾翼调节模块控制尾翼下垂，增加机身仰角，进一步提高爬升速度。

10.如权利要求8所述一种主动控制机翼俯仰角的扑翼飞行器的使用方法，其特征在于：在转弯模式中，通过尾翼调节模块控制尾翼沿翼面正时针或逆时针方向旋转，使扑翼机加快右转弯或左转弯的速度。

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