CN114407599B - 仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法，仿昆虫爬壁飞行器包括机身、左右扑翼动力组、头尾旋翼动力组、爬行动力组和飞行控制组，其转换控制方法根据任务过程分为五个阶段，分别为飞行阶段、飞爬转换阶段、爬行阶段、爬飞转换阶段和飞行阶段。本发明仿昆虫爬壁飞行器以昆虫为仿生对象，采用扑翼旋翼混合动力构型，既能在空中扑翼飞行和悬停，又能在竖直壁面上附着与爬行，拓展了传统飞行器的工作空间与活动能力。本发明仿昆虫爬壁飞行器具有体积小、飞行速度快、爬行速度快、视觉迷惑性和隐蔽性高、携带任务载荷比重大、支持自主飞行与图像传输功能等突出特点。

Description

仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法

技术领域

本发明涉及仿生技术领域、航空技术领域与控制技术领域，具体是一种仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法。

背景技术

现代战争对于侦察隐蔽化、战场人员保护有越来越高的要求，无人机作为一种可携带侦察设备的低成本飞行器，可以隐蔽地实现战前和战时侦察，为战斗的决策和人员的保护提供丰富的信息。

扑翼飞行器的优势与研究局限性：根据升力产生方式的不同，可将无人飞行器划分为固定翼飞行器，旋翼飞行器，扑翼飞行器等类别。相对而言，扑翼飞行器具有更低的飞行噪声和更高的升力效率，外形具有视觉迷惑性。其中仿昆虫扑翼飞行器体积小，隐蔽性高，更适用于隐蔽侦查等场景。国内外以代尔夫特大学为首对仿昆虫扑翼飞行器展开了多种形式的设计研究，但这些扑翼飞行器大多升力较小，携带任务载荷的能力有限，并且只能在空中悬停或飞行，不具备爬行能力，因此其工作活动空间和任务持续时间均受到了一定的限制。

飞爬两栖飞行器的优势与研究现状：针对这种限制，国内外一些团队提出了飞行爬行两栖飞行器的概念，并展开了一些探索性的研究。飞爬两栖飞行器一般可以实现在飞行和爬行两种模式之间切换，从而克服了传统爬行机器人行动不灵活、难以越过障碍物等问题。飞爬两栖飞行器可以在工作空间内任意飞行，飞到指定位置降落，然后爬行到更隐蔽或更接近目标的位置，进行秘密侦查和稳定拍摄等工作。例如美国斯坦福大学研制的采用四旋翼动力的飞爬飞行器，通过四旋翼飞行平台调整姿态，攀附在垂直墙面上，可利用其仿生钩爪在墙面上爬行。但这种飞行器仅能在较为粗糙的墙壁上攀附与爬行。南京理工大学设计的飞爬两栖机器人仍然采用旋翼作为飞行平台，采用真空吸附的方法攀附在平面上，两足交替攀附实现爬壁功能。但这种机器人体型较大，且这两种飞行平台均不具备仿生特性。南航仿生所研制的地面爬行扑翼飞行器，可实现稳定的仿生扑翼飞行，但仅能在地面上缓慢爬行。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法，旨在兼顾飞行器可悬停、可飞行、可爬行、体积小、飞行速度快、载荷能力强、隐蔽性和视觉迷惑性高等性能、特点的同时，实现飞行器在多种粗糙度壁面上的稳定附着与爬行，以及在飞行与爬行模式之间的流畅平滑转换，从而拓展传统飞行器的运动环境、工作空间以及任务时长，应用于未来隐蔽侦察等场景。

本发明提供了一种仿昆虫爬壁飞行器，包括机身、左扑翼动力组、右扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组、爬行动力组和飞行控制组。

所述机身包括主板、底板、电池、铝柱和螺钉。所述电池固定在所述主板的尾部。四根所述铝柱支撑于主板和所述底板之间，分别与主板和底板上的四个安装孔位相照应，四颗所述螺钉从主板上方将主板和铝柱紧固在一起，另四颗螺钉从底板下方将底板和铝柱紧固在一起，形成起落架。其中，所述主板用于安装和固定整架飞行器所需的大部分零部件，所述铝柱和底板用于在起飞和降落过程中稳定地支撑飞行器。

所述左扑翼动力组包括底座、主动齿轮、一级双层齿轮、二级偏心齿轮、连杆、摇臂、小销钉、主轴销钉、固定杆、前缘杆、扑翼膜和电机。所述底座安装在主板中间的扑翼动力组安装孔中。所述电机的凸台从下方插入底座中心的电机安装孔内，所述主动齿轮的内径略小于电机主轴的外径，用于以过盈配合方式安装在所述空心杯电机转轴上。所述一级双层齿轮通过小销钉固定在底座上，一级双层齿轮下齿盘同主动齿轮啮合，所述的二级偏心齿轮对称安装在底座两侧，同一级双层齿轮的上齿盘互相啮合。所述摇臂共有两个，通过主轴销钉固定在底座上，所述连杆共有四个，使用小销钉将其一头固定在二级偏心齿轮的偏心孔内，另一头固定在摇臂上，进而带动所述前缘杆和扑翼膜在空中扑动。所述固定杆从下方竖直插入底座的安装孔中，扑翼膜的根部平整粘贴在固定杆上。所述右扑翼动力组的结构与所述左扑翼动力组的结构互为镜像关系，不做重复叙述。其中，电机的动力分别通过主动齿轮、一级双层齿轮和二级偏心齿轮进行两级减速，通过连杆将圆周运动转换为直线运动，驱动摇臂带动扑翼往复扑动产生周期性升力。二级偏心齿轮和连杆的运动左右对称，以保证两片扑翼运动的对称性和同步性。

所述头部旋翼动力组包括第一旋翼底座、第一电机安装座、第一无刷电机、第一螺旋桨和第一螺钉。所述第一旋翼底座通过定位销与所述主板上的定位孔固定在一起，所述第一电机安装座通过凸台与第一旋翼底座上的凹槽固定在一起。使用所述第一螺钉将所述第一无刷电机安装在第一电机安装座上，所述第一螺旋桨与第一无刷电机轴采用过盈配合的安装方式。所述第一无刷电机驱动第一螺旋桨旋转产生升力。

所述尾部旋翼动力组包括第二旋翼底座、第二电机安装座、舵机、第二摇臂、转轴、第二无刷电机、第二螺旋桨和第二螺钉。所述第二旋翼底座通过定位销与所述主板上的定位孔固定在一起。所述转轴穿过所述第二电机安装座和第二旋翼底座上的轴孔，将两者同轴铰接在一起。使用所述第二螺钉将所述第二无刷电机安装在第二电机安装座上，所述第二螺旋桨与第二无刷电机轴采用过盈配合的安装方式。所述第二摇臂内嵌于电机安装座的摇臂槽中，所述舵机通过花键驱动第二摇臂偏转，从而带动第二电机安装座和第二无刷电机矢量偏转，第二无刷电机驱动第二螺旋桨旋转产生矢量升力。

所述爬行动力组包括机架、主动齿轮、被动齿轮、减速电机、主轴、外壳、履带轮、履带和粘附垫，整体呈履带式结构。所述机架的背面固定在所述主板的头部，用于支撑和固定爬行动力组的各个零件。所述减速电机安装在机架中间的电机槽中，减速电机轴和所述主轴均采用间隙配合方式安装在机架上。所述主动齿轮与被动齿轮均为直齿圆柱齿轮，相互啮合，用于将电机动力传递至主轴。所述主轴中间与被动齿轮固连，两端与所述履带轮固连，主轴带动前履带轮转动后，驱动所述履带转动使后履带轮以相同速度转动。履带外表面附着所述粘附垫，用于增强壁面爬行时的吸附性和摩擦力。所述外壳扣放在爬行动力组上表面，与机架固接，起到保护传动机构和美化外观的作用。

所述飞行控制组包括飞控板、电调板、六角螺柱、长螺钉和螺母。四根所述长螺钉从上面穿过主板上的飞控安装孔，四个所述六角螺柱从下方拧入，将长螺钉在主板上固定好。长螺钉穿过所述电调板上的四个安装孔，再用四个六角螺柱将电调板压紧。长螺钉穿过所述飞控板上的四个安装孔，用四颗螺母将电调板压紧。其中，所述飞控板用于控制飞行器稳定飞行、爬行以及模式转换，所述电调板用于同时为四个无刷电机供电和调速。

本发明还提供了一种仿昆虫爬壁飞行器的转换控制方法。根据实际应用场景，将爬壁飞行器的任务过程分为五个阶段，分别为飞行阶段、飞爬转换阶段、爬行阶段、爬飞转换阶段，最终恢复为飞行阶段。每个阶段对应一种控制方法。所述仿昆虫爬壁飞行器共有六个执行器，包括左扑翼动力组、右扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组、矢量偏转舵机和爬行动力组。

所述飞行阶段的控制方法是指：左右扑翼动力组和头尾旋翼动力组共同产生升力，为飞行器提供升降运动的操控。头尾旋翼动力组差速旋转产生俯仰力矩，为飞行器提供俯仰运动和纵向运动的操控。左右扑翼动力组差速扑动产生滚转力矩，为飞行器提供滚转运动和横向运动的操控。矢量偏转舵机驱动尾部旋翼动力组偏转，产生航向偏转力矩，为飞行器提供偏航运动的操控。在整个飞行阶段，飞控以姿态自稳模式控制飞行器悬停或移动。

所述飞爬转换阶段的控制方法是指：当飞行器面对一面墙壁，准备进行飞爬转换时，控制飞行器以较慢的速度，逐渐向前接近墙壁。当爬行动力组最前端的粘附垫接触墙壁时，飞控保持姿态自稳模式，期望俯仰角逐渐减小，飞行器将绕最前端的接触点旋转，尾部逐渐抬起。当飞控判断实际俯仰角朝下倾斜至临界角度时，飞控自动关闭姿态自稳模式，自动关闭扑翼动力组，将期望俯仰角直接映射到控制分配输出中。期望俯仰角继续减小，直到爬行动力组的粘附垫完全接触墙壁，尾部电池也将靠在墙壁上，飞爬转换阶段结束。

所述爬行阶段的控制方法是指：扑翼动力组保持关闭状态，头尾旋翼动力组以一定比例分配推力。头部旋翼动力组推力的主要作用是为爬行动力组的粘附垫提供压力，以增强爬行时的吸附性和摩擦力，尾部旋翼动力组推力的主要作用是抵抗飞行器整体的倾覆力矩，将尾部稳定地压在墙壁上。爬行动力组中的传动机构驱动履带轮转动，依靠粘附垫的摩擦力，产生向上的爬行动力。矢量偏转舵机可以驱动无刷电机左右偏转，为飞行器的尾部提供横向分力，从而操控爬壁飞行器在墙壁上的爬行方向。

所述爬飞转换阶段的控制方法是指：当飞行器准备进行爬飞转换时，头部旋翼动力组的推力基本保持不变，以保持爬行动力组前端与墙壁持续接触。尾部旋翼动力组逐渐减弱动力，此时飞行器将受倾覆力矩的作用，尾部自然脱离墙壁并下落。当飞控判断实际俯仰角恢复至临界角度时，自动开启扑翼动力组，同时自动进入姿态自稳模式。尾部旋翼动力组适当加强动力，以减缓飞行器尾部的下落速度。直到飞行器稳定到水平姿态，并向后脱离墙壁，爬飞转换阶段结束。飞行器重新进入飞行阶段。

本发明有益效果在于：

1.飞行器采用了仿生扑翼作为主要动力来源，以昆虫为仿生对象，体积小，隐蔽性好，视觉迷惑性高。

2.飞行器采用了微型旋翼作为辅助动力来源，提高了飞行器的最大升力，使飞行器即可稳定悬停，又可快速飞行，具有飞行速度快，载荷能力强等特点。

3.飞行器采用了粘附性履带式爬行机构，在微型旋翼负压的作用下，粘附性履带可提供足够的摩擦力，可实现在多种粗糙度竖直壁面上的稳定附着与快速爬行。

4.飞行器采用了一种特别的飞行-爬行-飞行转换控制方案，可实现在飞行与爬行模式之间的流畅平滑转换，从而拓展传统飞行器的运动环境、工作空间以及任务时长。

5.飞行器应用于室内、室外、窄巷等未来隐蔽侦察等场景，可飞过狭小空间，潜入敌方室内，进行飞行侦察或附壁侦察。飞行器功能更全面，应用场合更广泛，更满足现代战争的要求，在警用取证、隐蔽侦查、突击作战等场景中具有非常重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明仿昆虫爬壁飞行器的整体结构外形示意图；

图2是本发明仿昆虫爬壁飞行器的整体结构外形侧视图；

图3是本发明仿昆虫爬壁飞行器的飞行控制组与机身示意图；

图4是本发明仿昆虫爬壁飞行器的左右扑翼动力组结构示意图；

图5是本发明仿昆虫爬壁飞行器的左右扑翼动力组特写示意图；

图6是本发明仿昆虫爬壁飞行器的头部尾部旋翼动力组示意图；

图7是本发明仿昆虫爬壁飞行器的爬行动力组结构示意图；

图8是本发明仿昆虫爬壁飞行器的爬飞转换任务过程示意图；

图9是本发明仿昆虫爬壁飞行器的飞爬转换任务过程示意图；

在附图中：1.机身；2.左扑翼动力组；3.右扑翼动力组；4.头部旋翼动力组；5.尾部旋翼动力组；6.爬行动力组；7.飞行控制组；101.主板；102.底板；103.电池；104.铝柱；105.第一螺钉；201.底座；202.主动齿轮；203.一级双层齿轮；204.二级偏心齿轮；205.连杆；206.第一摇臂；207.小销钉；208.主轴销钉；209.固定杆；210.前缘杆；211.扑翼膜；212.电机；401.第一旋翼底座；402. 第一电机安装座；403. 第一无刷电机；404. 第一螺旋桨；405.第二螺钉；501. 第二旋翼底座；502. 第二电机安装座；503.舵机；504. 第二摇臂；505.转轴；506. 第二无刷电机；507. 第二螺旋桨；508.第三螺钉；601.机架；602.主动齿轮；603.被动齿轮；604.减速电机；605.主轴；606.外壳；607.履带轮；608.履带；609.粘附垫；701.飞控板；702电调板；703六角螺柱；704长螺钉；705螺母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图1-9对本发明的具体实施方式作进一步地详细描述。本发明提供了一种仿昆虫爬壁飞行器，包括机身1、左扑翼动力组2、右扑翼动力组3、头部旋翼动力组4、尾部旋翼动力组5、爬行动力组6和飞行控制组7。

所述机身1包括主板101、底板102、电池103、铝柱104和第一螺钉105。所述电池103固定在所述主板101的尾部。四根所述铝柱104支撑于主板和所述底板102之间，分别与主板和底板上的四个安装孔位相照应，四颗所述第一螺钉105从主板上方将主板和铝柱紧固在一起，另四颗螺钉从底板下方将底板和铝柱紧固在一起，形成起落架。其中，所述主板101用于安装和固定整架飞行器所需的大部分零部件，所述铝柱104和底板102用于在起飞和降落过程中稳定地支撑飞行器。主板和底板可采用木质层板、玻璃纤维复材板或碳纤维复材板等多种板材制成。铝柱可采用树脂、尼龙或铝合金等多种材质的螺柱。

所述左扑翼动力组2包括底座201、主动齿轮202、一级双层齿轮203、二级偏心齿轮204、连杆205、第一摇臂206、小销钉207、主轴销钉208、固定杆209、前缘杆210、扑翼膜211和电机212。所述底座201安装在主板中间的扑翼动力组安装孔中。所述电机212的凸台从下方插入底座中心的电机安装孔内，所述主动齿轮202的内径略小于电机主轴的外径，用于以过盈配合方式安装在电机转轴上。所述一级双层齿轮203通过小销钉207固定在底座上，一级双层齿轮下齿盘同主动齿轮啮合，所述二级偏心齿轮204对称安装在底座两侧，同一级双层齿轮的上齿盘互相啮合。所述第一摇臂206共有两个，通过主轴销钉208固定在底座上，所述连杆205共有四个，使用小销钉将其一头固定在二级偏心齿轮的偏心孔内，另一头固定在摇臂上，进而带动所述前缘杆210和扑翼膜211在空中扑动。所述固定杆209从下方竖直插入底座的安装孔中，扑翼膜的根部平整粘贴在固定杆上。所述右扑翼动力组3的结构与所述左扑翼动力组2的结构互为镜像关系，不做重复叙述。其中，所述底座201可采用光固化3D打印工艺制成，所述电机212可采用空心杯电机或微型无刷电机。电机的动力分别通过主动齿轮、一级双层齿轮和二级偏心齿轮进行两级减速，通过连杆将圆周运动转换为直线运动，驱动摇臂带动扑翼往复扑动产生周期性升力。二级偏心齿轮和连杆的运动左右对称，以保证两片扑翼运动的对称性和同步性。

所述头部旋翼动力组包括第一旋翼底座401、第一电机安装座402、第一无刷电机403、第一螺旋桨404和第二螺钉405。所述第一旋翼底座401通过定位销与所述主板101上的定位孔固定在一起，所述第一电机安装座402通过凸台与旋翼底座上的凹槽固定在一起。使用所述第二螺钉405将所述无刷电机403安装在电机安装座上，所述第一螺旋桨404与无刷电机轴采用过盈配合的安装方式。无刷电机驱动螺旋桨旋转产生升力。其中，所述第一旋翼底座401和第一电机安装座402可采用光固化3D打印工艺制成，所述第一无刷电机403和第一螺旋桨404有多种型号可供选择，满足所需升力要求即可。

所述尾部旋翼动力组包括第二旋翼底座501、第二电机安装座502、舵机503、第二摇臂504、转轴505、第二无刷电机506、第二螺旋桨507和第三螺钉508。所述第二旋翼底座501通过定位销与所述主板101上的定位孔固定在一起。所述转轴505穿过所述第二电机安装座502和旋翼底座上的轴孔，将两者同轴铰接在一起。使用所述第三螺钉508将所述第二无刷电机506安装在电机安装座上，所述第二螺旋桨507与无刷电机轴采用过盈配合的安装方式。所述第二摇臂504内嵌于电机安装座的摇臂槽中，所述舵机503通过花键驱动摇臂偏转，从而带动电机安装座和无刷电机矢量偏转，无刷电机驱动螺旋桨旋转产生矢量升力。其中，所述第二旋翼底座501和第二电机安装座502可采用光固化3D打印工艺制成，所述舵机503、第二无刷电机506和第二螺旋桨507有多种型号可供选择，满足所需扭矩和升力要求即可。

所述爬行动力组包括机架601、主动齿轮602、被动齿轮603、减速电机604、主轴605、外壳606、履带轮607、履带608和粘附垫609，整体呈履带式结构。所述机架601的背面固定在所述主板101的头部，用于支撑和固定爬行动力组的各个零件。所述减速电机604安装在机架中间的电机槽中，减速电机轴和所述主轴605均采用间隙配合方式安装在机架上。所述主动齿轮602与被动齿轮603均为直齿圆柱齿轮，相互啮合，用于将减速电机的动力传递至主轴。所述主轴中间与被动齿轮固连，两端与所述履带轮607固连，主轴带动前履带轮转动后，驱动所述履带608转动使后履带轮以相同速度转动。履带外表面附着所述粘附垫609，用于增强壁面爬行时的吸附性和摩擦力。所述外壳606扣放在爬行动力组上表面，与机架固接，起到保护传动机构和美化外观的作用。

其中，所述机架601和所述外壳606可采用光固化3D打印工艺制成。所述履带轮607可以采用国家标准型号同步带轮，与同步带相啮合，同步带轮材质选取为尼龙材料，增材制造加工，在结构上做了开槽处理，充分满足轻量化设计的要求。所述履带608可以采用国家标准同步带型号，以玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯环形带，带的内周为齿状，相比于普通皮带传动具有更优的传动精度。所述粘附垫609可采用双面胶、硅胶或纳米凸起粘附材料等。

所述飞行控制组包括飞控板701、电调板702、六角螺柱703、长螺钉704和螺母705。四根所述长螺钉704从上面穿过主板101上的飞控安装孔，四个所述六角螺柱703从下方拧入，将长螺钉在主板上固定好。长螺钉穿过所述电调板702上的四个安装孔，再用四个六角螺柱将电调板压紧。长螺钉穿过所述飞控板701上的四个安装孔，再用四颗螺母705将电调板压紧。其中，所述飞控板701用于控制飞行器稳定飞行、爬行以及模式转换，可以采用KAKUTE F7MINI或MATEK H743MINI等多种安装孔距为20毫米的飞控板。所述电调板702用于同时为四个无刷电机供电和调速。可以采用多种型号的四合一电调板。

本发明还提供了一种仿昆虫爬壁飞行器的转换控制方法。根据实际应用场景，将爬壁飞行器的任务过程分为五个阶段，分别为飞行阶段、飞爬转换阶段、爬行阶段、爬飞转换阶段，最终恢复为飞行阶段。每个阶段对应一种控制方法。所述仿昆虫爬壁飞行器共有六个执行器，包括左扑翼动力组、右扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组、矢量偏转舵机和爬行动力组。

所述飞行阶段的控制方法是指：左右扑翼动力组和头尾旋翼动力组共同产生升力，为飞行器提供升降运动的操控。头尾旋翼动力组差速旋转产生俯仰力矩，为飞行器提供俯仰运动和纵向运动的操控。左右扑翼动力组差速扑动产生滚转力矩，为飞行器提供滚转运动和横向运动的操控。矢量偏转舵机驱动尾部旋翼动力组偏转，产生航向偏转力矩，为飞行器提供偏航运动的操控。在整个飞行阶段，飞控以姿态自稳模式控制飞行器悬停或移动。

所述飞爬转换阶段的控制方法是指：当飞行器面对一面墙壁，准备进行飞爬转换时，控制飞行器以较慢的速度，逐渐向前接近墙壁。当爬行动力组最前端的粘附垫接触墙壁时，飞控保持姿态自稳模式，期望俯仰角逐渐减小，飞行器将绕最前端的接触点旋转，尾部逐渐抬起。当飞控判断实际俯仰角朝下倾斜至临界角度时，飞控自动关闭姿态自稳模式，自动关闭扑翼动力组，将期望俯仰角直接映射到控制分配输出中。期望俯仰角继续减小，直到爬行动力组的粘附垫完全接触墙壁，尾部电池也将靠在墙壁上，飞爬转换阶段结束。完整飞爬转换过程如图9所示。其中，飞爬转换的临界角度具体值没有限制，可根据飞行器的实际飞爬转换情况在相应的飞爬转换控制算法中设定最优值，根据多次飞爬转换实验发现，临界角度设为-60度左右为宜。

所述爬行阶段的控制方法是指：扑翼动力组保持关闭状态，头尾旋翼动力组以一定比例分配推力。头部旋翼动力组推力的主要作用是为爬行动力组的粘附垫提供压力，以增强爬行时的吸附性和摩擦力，尾部旋翼动力组推力的主要作用是抵抗飞行器整体的倾覆力矩，将尾部稳定地压在墙壁上。爬行动力组中的传动机构驱动履带轮转动，依靠粘附垫的摩擦力，产生向上的爬行动力。矢量偏转舵机可以驱动无刷电机左右偏转，为飞行器的尾部提供横向分力，从而操控爬壁飞行器在墙壁上的爬行方向。

所述爬飞转换阶段的控制方法是指：当飞行器准备进行爬飞转换时，头部旋翼动力组的推力基本保持不变，以保持爬行动力组前端与墙壁持续接触。尾部旋翼动力组逐渐减弱动力，此时飞行器将受倾覆力矩的作用，尾部自然脱离墙壁并下落。当飞控判断实际俯仰角恢复至临界角度时，自动开启扑翼动力组，同时自动进入姿态自稳模式。尾部旋翼动力组适当加强动力，以减缓飞行器尾部的下落速度。直到飞行器稳定到水平姿态，并向后脱离墙壁，爬飞转换阶段结束，飞行器重新进入飞行阶段。完整爬飞转换过程如图8所示。其中，爬飞转换的临界角度具体值没有限制，可根据飞行器的实际爬飞转换情况在相应的爬飞转换控制算法中设定最优值，并且爬飞转换和飞爬转换的临界角度可以设定为不同值。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种仿昆虫爬壁飞行器，其特征在于：包括机身、扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组、爬行动力组和飞行控制组；

所述扑翼动力组为分布在机身两侧互为镜像的一对扑翼动力装置，动力装置通过减速后通过连杆将圆周运动转换为直线运动，驱动摇臂带动扑翼往复扑动产生周期性升力；

所述头部旋翼动力组安装在机身头部，通过驱动旋翼旋转产生升力；所述的头部旋翼动力组包括第一旋翼底座、第一电机安装座、第一无刷电机、第一螺旋桨和第一螺钉；所述第一旋翼底座通过第一定位销与机身上主板的定位孔固定在一起，所述第一电机安装座通过凸台与第一旋翼底座上的凹槽固定在一起；

所述尾部旋翼动力组安装在机身尾部，通过驱动旋翼旋转产生升力；所述的尾部旋翼动力组包括第二旋翼底座、第二电机安装座、舵机、第二摇臂、转轴、第二无刷电机、第二螺旋桨和第二螺钉；所述第二旋翼底座通过第二定位销与机身上主板的定位孔固定在一起；所述转轴穿过所述第二电机安装座和第二旋翼底座上的轴孔，将两者同轴铰接在一起；所述第二螺钉将所述第二无刷电机安装在第二电机安装座上，所述第二螺旋桨与第二无刷电机轴采用过盈配合的安装方式；所述第二摇臂内嵌于电机安装座的摇臂槽中，所述舵机通过花键驱动第二摇臂偏转，从而带动第二电机安装座和第二无刷电机矢量偏转，第二无刷电机驱动第二螺旋桨旋转产生矢量升力；

所述爬行动力组为履带式结构，包括机架、主动齿轮、被动齿轮、减速电机、主轴、外壳、履带轮、履带和粘附垫；所述机架的背面固定在所述主板的头部，所述减速电机安装在机架中间的电机槽中，减速电机轴和所述主轴均采用间隙配合方式安装在机架上；所述主动齿轮与被动齿轮均为直齿圆柱齿轮，相互啮合，将电机动力传递至主轴；所述主轴中间与被动齿轮固连，两端与所述履带轮固连，主轴带动前履带轮转动后，驱动所述履带转动使后履带轮以相同速度转动；所述履带外表面附着所述粘附垫，用于增强壁面爬行时的吸附性和摩擦力；所述外壳扣放在爬行动力组上表面，与机架固接；

所述飞行控制组包括固定在机身上的飞控板和电调板，飞控板通过电调板与扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组以及爬行动力组中的电机连接。

2.根据权利要求1所述的仿昆虫爬壁飞行器，其特征在于：所述的机身包括主板、底板、电池、铝柱和螺钉，所述电池固定在所述主板的尾部；四根所述铝柱支撑于主板和所述底板之间，分别与主板和底板上的四个安装孔位相照应，四颗所述螺钉从主板上方将主板和铝柱紧固在一起，另四颗螺钉从底板下方将底板和铝柱紧固在一起，形成起落架。

3.根据权利要求1所述的仿昆虫爬壁飞行器，其特征在于：所述的扑翼动力装置包括底座、主动齿轮、一级双层齿轮、二级偏心齿轮、连杆、摇臂、小销钉、主轴销钉、固定杆、前缘杆、扑翼膜和电机；所述底座安装在主板中间的扑翼动力组安装孔中；所述电机的凸台从下方插入底座中心的电机安装孔内，所述主动齿轮的内径略小于电机主轴的外径，用于以过盈配合方式安装在所述电机转轴上；所述一级双层齿轮通过小销钉固定在底座上，一级双层齿轮下齿盘同主动齿轮啮合，所述的二级偏心齿轮对称安装在底座两侧，同一级双层齿轮的上齿盘互相啮合；所述摇臂共有两个，通过主轴销钉固定在底座上，所述连杆共有四个，使用小销钉将其一头固定在二级偏心齿轮的偏心孔内，另一头固定在摇臂上，进而带动所述前缘杆和扑翼膜在空中扑动；所述固定杆从下方竖直插入底座的安装孔中，扑翼膜的根部平整粘贴在固定杆上。

4.一种仿昆虫爬壁飞行器的转换控制方法，其特征在于：采用六个执行器，包括左扑翼动力组、右扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组、矢量偏转舵机和爬行动力组，运动阶段包括飞行阶段、飞爬转换阶段、爬行阶段、爬飞转换阶段；

所述飞行阶段的控制方法为：左右扑翼动力组和头尾旋翼动力组共同产生升力，为飞行器提供升降运动的操控；头尾旋翼动力组差速旋转产生俯仰力矩，为飞行器提供俯仰运动和纵向运动的操控；左右扑翼动力组差速扑动产生滚转力矩，为飞行器提供滚转运动和横向运动的操控；矢量偏转舵机驱动尾部旋翼动力组偏转，产生航向偏转力矩，为飞行器提供偏航运动的操控；

所述飞爬转换阶段的控制方法为：当飞行器面对一面墙壁，准备进行飞爬转换时，控制飞行器以较慢的速度，逐渐向前接近墙壁；当爬行动力组最前端的粘附垫接触墙壁时，飞控保持姿态自稳模式，期望俯仰角逐渐减小，飞行器将绕最前端的接触点旋转，尾部逐渐抬起；当飞控判断实际俯仰角朝下倾斜至临界角度时，飞控自动关闭姿态自稳模式，自动关闭扑翼动力组，将期望俯仰角直接映射到控制分配输出中；期望俯仰角继续减小，直到爬行动力组的粘附垫完全接触墙壁，尾部电池也将靠在墙壁上，飞爬转换阶段结束；

所述爬行阶段的控制方法为：扑翼动力组保持关闭状态，头尾旋翼动力组以一定比例分配推力；头部旋翼动力组推力的主要作用是为爬行动力组的粘附垫提供压力，以增强爬行时的吸附性和摩擦力，尾部旋翼动力组推力的主要作用是抵抗飞行器整体的倾覆力矩，将尾部稳定地压在墙壁上；爬行动力组中的传动机构驱动履带轮转动，依靠粘附垫的摩擦力，产生向上的爬行动力；矢量偏转舵机可以驱动无刷电机左右偏转，为飞行器的尾部提供横向分力，从而操控爬壁飞行器在墙壁上的爬行方向；

所述爬飞转换阶段的控制方法为：当飞行器准备进行爬飞转换时，头部旋翼动力组的推力保持不变，以保持爬行动力组前端与墙壁持续接触；尾部旋翼动力组逐渐减弱动力，此时飞行器将受倾覆力矩的作用，尾部自然脱离墙壁并下落；当飞控判断实际俯仰角恢复至临界角度时，自动开启扑翼动力组，同时自动进入姿态自稳模式；尾部旋翼动力组适当加强动力，以减缓飞行器尾部的下落速度；直到飞行器稳定到水平姿态，并向后脱离墙壁，爬飞转换阶段结束，飞行器重新进入飞行阶段。

5.根据权利要求4所述的仿昆虫爬壁飞行器的转换控制方法，其特征在于：所述的飞行阶段，飞控板以姿态自稳模式控制飞行器悬停或移动。

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