CN115973414A - 一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，属于仿生扑翼飞行器领域；包括尾翼模块，所述尾翼模块包括十字尾翼、尾翼连接件、两舵机连接件、舵机与碳杆连接件和舵机，所述十字尾翼，舵机与碳杆连接件和两舵机连接件上均固定安装有舵机，两个所述舵机均设有舵机臂，安装在舵机与碳杆连接件上的舵机，其舵机臂与两舵机连接件固定连接；安装在两舵机连接件上的舵机，其舵机臂与连接件固定连接，十字尾翼安装在连接件相应的槽位上，电机经过减速之后通过曲柄摇杆和摆动导杆复合机构实现两个翅膀的大角度扑动产生升力，通过尾翼偏转，下行气流就会与翼面产生相互作用对飞行器的姿态进行调整。

Description

一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器

技术领域

本公开属于仿生扑翼飞行器领域，具体涉及一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器。

背景技术

微型飞行器一般指各向尺寸均小于15cm的飞行器，仿生学和空气动力学方面的研究表明，翼展小于15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具优势。扑翼产生升力的效率高，这决定了其体积小、质量轻、噪声小，同时具有较强的机动性和灵活性，这些特点使得微型扑翼飞行器具有非常广泛的应用前景。在目前关于微型扑翼飞行器的研究中，如何使飞行器具有足够的升力是首要且最关键的问题，在众多关于扑翼仿生学和空气动力学的研究中，广为认可的一种高升力机制是“Weis-Fogh”机制，为了能利用这一机制，关键的一点是飞行器的翅膀需要具有较大的扑动角度。在扑翼飞行器的姿态调控方面，流行的方案是通过控制扑翼产生的升力的方向来实现机身姿态的调整，这一方案存在的问题是飞行器调控姿态的过程会影响飞行器的升力。除此之外，在保证飞行器结构稳定且升力足够的同时实现其小型化也一直是其设计难点。

发明内容

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，解决了现有技术中扑翼飞行器姿态调整困难的问题。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，包括尾翼模块，所述尾翼模块包括十字尾翼、尾翼连接件、两舵机连接件、舵机与碳杆连接件和舵机，所述十字尾翼，舵机与碳杆连接件和两舵机连接件上均固定安装有舵机，两个所述舵机均设有舵机臂，安装在舵机与碳杆连接件上的舵机，其舵机臂与两舵机连接件固定连接；安装在两舵机连接件上的舵机，其舵机臂与连接件固定连接，十字尾翼安装在连接件相应的槽位上。

在一些公开中，所述微型扑翼飞行器包括扑动机构，所述扑动机构包括机架，机架上固定安装有两个空心杯电机，空心杯电机的电机轴上安装有电机齿轮，电机齿轮、双联齿轮和曲柄齿轮通过销钉固定在机架相应的位置上，电机齿轮与双联齿轮的大齿轮相互啮合，曲柄齿轮与双联齿轮的小齿轮相互啮合，机架上活动安装有摇杆和导杆，摇杆与曲柄齿轮之间设有连杆，连杆两端分别活动安装在摇杆和曲柄齿轮上，所述摇杆一端活动安装在导杆的滑动槽内，曲柄齿轮、连杆、摇杆以及导杆构成了一个曲柄摇杆和摆动导杆复合机构，翅膀通过翅膀前缘连接件与导杆连接。

在一些公开中，所述侧缘碳杆与前缘碳杆安装后呈直角，这样翅膀在摆动的过程中能呈现出类似于蜂鸟翅膀的扑动形态。

本公开的有益效果：

1、本发明提出通过尾翼调控姿态的大扑动角微型仿生扑翼飞行器，布局合理，机构紧凑，体积小，重量轻，能够实现仿生扑翼功能；

2、本发明提出通过曲柄摇杆和摆动导杆复合机构在保证结构布局紧凑的同时实现较大角度的摆动输出，使其输出端的翅膀能有效利用“Weis-Fogh”机制，产生较高升力；

3、本发明提出通过尾翼与翅膀下行气流的相互作用实现对扑翼飞行器姿态的调控，这种姿态调控方式不会与飞行器整体升力产生耦合，换言之，姿态调整的过程不会对飞行器的整体升力产生影响。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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他的附图。

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明扑动机构示意图；

图3是本发明机架及翅膀示意图；

图4是本发明尾翼结构示意图；

图中：

附图标记：1-电机齿轮、2-双联齿轮、3-曲柄齿轮、4-连杆、5-摇杆、6-导杆、7-翅膀前缘连接件、8-空心杯电机、9-机架、10-翅膀侧缘固定件、11-翅膀、12-舵机、13-舵机与碳杆连接件、14-舵机臂、15-两舵机连接件、16-尾翼连接件、17-十字尾翼、18-电池固定架、19-锂电池、20-飞控板、21-方形碳纤维杆。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1-4所示，一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器主要由扑动机构部分、尾翼部分、电路部分以及翅膀11组成。

在扑动机构部分，机架9是主体，空心杯电机8通过与电机孔的过盈配合固定在机架上，电机齿轮1安装在空心杯电机的电机轴上面，电机齿轮1、双联齿轮2和曲柄齿轮3通过销钉固定在机架相应的位置上，三者组成的齿轮组实现了对电机转速的减速。曲柄齿轮3、连杆4、摇杆5以及导6杆构成了一个曲柄摇杆和摆动导杆复合机构，机构的杆件之间、杆件与机架之间的铰接使用销钉完成，这一机构的作用是将电机输入的圆周运动转化为导杆的摆动。翅膀前缘连接件7可以将翅膀的前缘碳杆固定在导杆6上，使翅膀前缘具有与导杆相同幅度的摆动。两只翅膀各有一组上述的传动链，两组传动链关于中心对称排布在机架上面；

在一些公开中，所述摇杆5采用异形设计，摇杆5成V形，两端的长度比为7.66：6，夹角为83.22°，摇杆5中间位置活动安装在机架上，摇杆5两端分别活动安装在曲柄齿轮和导杆的滑动槽内，摇杆5的异形设计是为了减小机架尺寸和压缩复合机构的安装空间，保证曲柄摇杆机构的摇杆可以实现80°的摆动。

在一些公开中，所述导杆6采用异形设计，导杆6成V形，V形导杆两端的夹角为45°，如此可以使翅膀能够对称于机身平面拍动，导杆6中间位置活动安装在机架上，导杆6的滑动槽内设置在远离摇杆与机架安装点的一端，导杆6的另一端与翅膀前缘连接件连接。

在一些公开中，飞行器翅膀侧缘的固定方式如下：所述机架9两侧设有翅膀侧缘固定件10，翅膀11侧缘碳杆的顶端通过翅膀侧缘固定件10固定在机架上，侧缘碳杆的低端通过机架上的孔位固定在机架上，翅膀11前缘碳杆通过翅膀前缘连接件7固定在导杆6上；翅膀经上述一系列的固定与连接，可以实现大扑动角度的单自由度摆动；

进一步地，所述侧缘碳杆与前缘碳杆安装后呈直角。这样翅膀在摆动的过程中能呈现出类似于蜂鸟翅膀的扑动形态。

如图4所示，飞行器的尾翼部分由两个舵机12及其舵机臂14、舵机与碳杆连接件13、两舵机连接件15、尾翼连接件16和十字尾翼17组成。图4中右侧舵机安装在连接件13上面，其舵机臂与连接件15通过螺钉固连；图4中左侧的舵机安装在连接件15上面，其舵机臂与连接件16通过螺钉固连。

十字尾翼17安装在连接件16相应的槽位上，可通过胶水固定。在上述的机械结构中，十字尾翼的两片分别与两个舵机的转动轴线平行，由此两个舵机分别可以控制与其轴线平行的一片尾翼在其翼面法线方向上的摆动，摆动幅度的大小决定了翅膀下行气流对尾翼作用力的大小，而翅膀下行气流对尾翼的作用力在翼面法向上的分量会产生相对飞行器重心的转矩，从而实现对飞行器姿态的调控。而在一片尾翼摆动的同时另一片尾翼仅在其当前平面内转动，受到的翅膀下行气流的作用力不会改变，因此这种姿态控制方式在理论上使俯仰方向和横滚方向的姿态调控不会发生耦合，所以会降低姿态调控的难度，增加了姿态调控的稳定性。

飞行器的电路部分主要是由电池固定架18、锂电池19和飞控板20组成，如图1所示，电池固定架固定在方形碳纤维杆21上，用于安装锂电池。飞控板可通过热熔胶直接固定在碳纤维杆21上面。

机架9、连接件13、电池固定架18共同固定在方形碳纤维杆21上面，使扑动机构部分、尾翼部分和电路部分组成了一个整体。

进一步的，所述飞行器大部分零部件均可使用低密度高强度材料通过注塑或3D打印技术制成，零部件强度大，整机重量轻，且易于修改优化。

工作原理：

本发明提供两个电机经过减速之后通过曲柄摇杆和摆动导杆复合机构实现两个翅膀的大角度扑动，翅膀的扑动形式以及升力产生方式类似于蜂鸟，图1中飞行器的姿态就是其正常的飞行姿态。由于具有类似蜂鸟的飞行方式，这种飞行器可以轻松实现垂直起降和悬停飞行，翅膀产生的升力垂直向上，所以翅膀拍动产生的气流是竖直向下的，当尾翼发生偏转，下行气流就会与翼面产生相互作用，从而对飞行器的姿态进行调整。舵机带动与其转轴平行的翼面偏转和与其转轴平行的翼面偏转，分别实现飞行器在滚转方向上和俯仰方向上的姿态调整，而使电机和舵机产生动作的能源和指令，则来自于电池和飞控板内部的程序。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，包括尾翼模块，其特征在于，所述尾翼模块包括十字尾翼、尾翼连接件、两舵机连接件、舵机与碳杆连接件和舵机，所述十字尾翼，舵机与碳杆连接件和两舵机连接件上均固定安装有舵机，所述舵机均设有舵机臂，安装在舵机与碳杆连接件上的舵机，其舵机臂与两舵机连接件固定连接；安装在两舵机连接件上的舵机，其舵机臂与连接件固定连接，十字尾翼安装在连接件相应的槽位上。

2.根据权利要求所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述微型扑翼飞行器包括扑动机构，所述扑动机构包括机架，机架上固定安装有两个空心杯电机，空心杯电机的电机轴上安装有电机齿轮，电机齿轮、双联齿轮和曲柄齿轮通过销钉固定在机架相应的位置上，电机齿轮与双联齿轮的大齿轮相互啮合，曲柄齿轮与双联齿轮的小齿轮相互啮合，机架上活动安装有摇杆和导杆，摇杆与曲柄齿轮之间设有连杆，连杆两端分别活动安装在摇杆和曲柄齿轮上，所述摇杆一端活动安装在导杆的滑动槽内，曲柄齿轮、连杆、摇杆以及导杆构成了一个曲柄摇杆和摆动导杆复合机构，翅膀通过翅膀前缘连接件与导杆连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述微型扑翼飞行器包括电路模块，所述电路模块用于控制舵机和空心杯电机。

4.根据权利要求2所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述机架上固定安装的两个空心杯电机呈中心对称排布。

5.根据权利要求2所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述摇杆采用异形设计，摇杆呈V形，两端的长度比为7.66：6，夹角为83.22°，摇杆中间位置活动安装在机架上，摇杆两端分别活动安装在曲柄齿轮和导杆的滑动槽内。

6.根据权利要求2所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述导杆采用异形设计，导杆呈V形，两端的夹角为45，导杆中间位置活动安装在机架上，导杆的滑动槽内设置在远离摇杆与机架安装点的一端，导杆的另一端与翅膀前缘连接件连接。

7.根据权利要求2所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述十字尾翼包括控制俯仰姿态的翼面和控制滚转姿态的翼面，两片翼面相交垂直，初始状态下，控制俯仰姿态的翼面与飞行器的前向平面基本共面；控制滚转姿态的翼面与飞行器的侧向平面基本共面。

8.根据权利要求2所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述翅膀采用PET聚酯薄膜，翅膀的前缘、翅根与翅脉均黏结碳纤维杆。

9.根据权利要求2所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述机架两侧设有翅膀侧缘固定件，翅膀侧缘碳杆的顶端通过翅膀侧缘固定件固定在机架上，侧缘碳杆的低端通过机架上的孔位固定在机架上，翅膀前缘碳杆通过翅膀前缘连接件固定在导杆上。

10.根据权利要求9所述的一种基于十字尾翼控制的微型扑翼飞行器，其特征在于，所述侧缘碳杆与前缘碳杆安装后呈直角。

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