CN116176836B - 一种基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，包括：控制模块、舵机、舵机摆臂、两种弧面翼翼肋、弧面翼可弯折翼肋、第一连接杆、第二连接杆，本发明能够仅通过仿生扑翼飞行器的弧面翼机翼的可弯折翼肋的反向运动，实现弧面翼的弯度和迎角的反向变化，从而改变仿生扑翼飞行器两侧机翼扑动过程中产生的升力和推力，形成差值，最终实现仿生扑翼飞行器的转向，并最大程度实现仿生外观，并且整个机构运行平顺，稳定可靠。

Description

一种基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构

技术领域

本发明涉及仿生扑翼飞行器的翅膀设计领域，具体而言，涉及一种基于弧面翼结构的转向设计，通过对翼型的控制来改变升力，实现扑翼机转向。

背景技术

扑翼飞行器与传统飞行器有较大的区别，其仿照自然界中的可飞行生物的生理结构，依靠双翼拍动产生升力。与现有固定翼以及旋翼飞行器相比，由于仿生扑翼飞行器拥有更高的飞行效率，因此其机动性更强，且有较高的隐蔽性，在未来的微型无人机领域也拥有更高的价值和更多的应用情况。

在长时间的研究中，研究人员发现鸟类的翅膀形状对其飞行有着较大的影响。观察自然界的飞鸟可以看到，鸟类翅膀上下形状是非对称的，大多数飞鸟的翼都有一定弯度和厚度。而能否利用该生物特性，通过对机翼形状进行改变实现仿生扑翼飞行器的转向是非常有现实意义的。

发明内容

本发明提供了提供了一种基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，其能够充分利用弧面翼翼型的不同从而导致两翼扑动时升力不同，进而实现扑翼飞行机器人转向的一种控制结构。

该转向机构设置有两个，其对称设置于机体的两侧；该转向机构包括弧面翼驱动装置、弧面翼、传动机构。

弧面翼驱动装置，所述弧面翼驱动装置包括控制模块、舵机、舵机摆臂。

弧面翼包括弧面翼翼肋一和弧面翼翼肋二、弧面翼可弯折翼肋。

传动机构，所述传动机构包括第一连接杆、第二连接杆。

所述控制模块用于在接收到所述仿生扑翼飞行器的遥控器发送来的转向指令时，根据所述转向指令确定所述舵机的转动方向和目标角度，启动所述舵机按照所述转动方向开始转动，根据控制模块信号值确定所述舵机的转动角度，并在所述舵机的转动角度达到目标角度时控制所述舵机停止转动。

弧面翼驱动装置中舵机应当左右对称安装在靠近机体的弧面翼翼肋二的舵机固定杆之间，用胶水或其他合适方式固定，当舵机带动舵机摆臂转动时，可以带动第一连接杆产生向前向后的拉力。

弧面翼可弯折翼肋上有三个孔，两个弧面翼可弯折翼肋的前端孔分别与弧面翼翼肋一和弧面翼翼肋二同轴固定连接；靠近机体的弧面翼可弯折翼肋的中部孔穿过第一连接杆，并与舵机摆臂连接，与舵机摆臂一起转动，两个弧面翼可弯折翼肋的末端孔穿过第二连接杆。

所述弧面翼中的同侧弧面翼可弯折翼肋应当用第二连接杆进行连接，在靠近机体被安装有舵机的弧面翼可弯折翼肋与舵机摆臂一同转动时带动远离机体的弧面翼可弯折翼肋转动。

有两种弧面翼翼肋，弧面翼翼肋二靠近机体，其翼肋部空间设置有安装舵机的固定杆，弧面翼翼肋一远离机体，其翼肋空间较小可以最大程度减轻重量。

由于微型仿生扑翼飞行器飞行时具有低马赫数低雷诺数的特点，为了解决低马赫数下的计算收敛问题，控制方程采用了预处理后的三维非定常雷诺平均NS方程表示为：

式中为预处理矩阵，τ为非定常时间推进的伪时间；E，F，G和Ev，Fv，Gv分别为直角坐标系(x，y，z)下三个方向的无粘和粘性通量。通过计算可以发现翼型的弯度对微型扑翼的升力影响很大，根据仿真结果可以知道，在一定弯度内，升力系数随着弯度的增加接近于线性增加，而弯度的增加对于阻力的影响很小。只有当弯度超过一定值时，才会出现升力系数随弯度增加而降低的现象。所以在可以通过增加翼型弯度来有效增加升力。而通过比较广泛迎角下对称翼型与弯度翼型扑翼的气动特性可知，同样升力时，弯度翼型的阻力要小；而同样阻力时，弯度翼型得到的升力要大。说明了可以通过改变仿生扑翼飞行器机翼弯度来实现升力的增加。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

当遥控器发送转向控制信号并由扑翼飞行机器人接收到，或飞行计划中需要转向时，由控制模块将控制信号通过PWM波输出到两弧面翼翼肋的舵机，舵机根据PWM波来确定摆动幅度，通过舵机摆臂带动第一连接杆，并带动该弧面翼可弯折翼肋一同摆动，同时由于第二连接杆的存在，远离机体也即不带有舵机的翼肋所连接的可弯折翼肋也会同样转动，进而实现弧面翼弧度和迎角的改变。

根据上述计算可知，弧面翼的弧度会导致在扑动时产生的升力发生较大变化，而弧面翼的迎角会导致在扑动过程中产生的推力发生较大变化。由于两侧弧面翼可根据输出模块的电信号不同分别摆动不同的幅度，因此会控制两侧弧面翼产生不同的折叠角度，因此会产生不同的升力，同时由于弧面翼可弯折翼肋的向下位移，使得整个机翼的迎角增大，这会提高机翼在扑动过程中产生的升力。在机体坐标系下，规定O为坐标系原点也即扑翼飞行机器人质心，OX轴位于飞行器参考平面内平行于机身轴线并指向飞行器前方，OY轴垂直于飞行器参考面并指向飞行器右方，OZ轴在参考面内垂直于XOY平面，指向航空器下方。由于扑翼飞行机器人的两侧弧面翼产生不同的升力和推力，从而会导致产生基于机体坐标系下的OX轴和OZ轴的力矩，从而会形成滚转效果和偏航效果，进而控制扑翼飞行机器人转向。两侧弧面翼折叠角度相差越大，产生的升力和推力相差越大，因此力矩也会增大，转弯半径越小。同时可以发现，当两侧机翼面积较大时，控制效果也会更佳明显。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于弧面翼仿生扑翼飞行器的转向机构的结构示意图；

图2是图1中靠近机体的翼肋的机构示意图；

图3是本发明实施例中弧面翼仿生扑翼飞行器左侧机翼正常直线飞行时的示意图；

图4是本发明实施例中弧面翼仿生扑翼飞行器左侧机翼右转状态飞行时的示意图；

图5是本发明实施例中弧面翼仿生扑翼飞行器左侧机翼左转状态飞行时的示意图。

附图标记：

1、仿生弧面翼扑翼飞行器翼肋一；2、仿生弧面翼扑翼飞行器翼肋二；3、转向舵机；4、第二连接杆；5弧面翼可弯折翼肋；6、第一连接杆；7、舵机摆臂；201、仿生弧面翼扑翼飞行器翼肋二舵机固定部分；202、翼肋二与弧面翼可弯折翼肋固定孔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的专业技术人员。

本发明实施例提供了一种能够充分利用弧面翼翼型的不同从而导致两翼扑动时升力不同，进而实现扑翼飞行机器人转向的一种控制结构，如图1～5所示。

该转向机构设置有两个，其对称设置于机体的两侧；该转向机构包括弧面翼驱动装置、弧面翼、传动机构。

弧面翼驱动装置，所述弧面翼驱动装置包括控制模块，舵机3，舵机摆臂7。

弧面翼，所述弧面翼包括弧面翼翼肋一1、弧面翼翼肋二2、弧面翼可弯折翼肋5。

传动机构，所述传动机构包括第一连接杆6、第二连接杆4。

所述控制模块用于在接收到所述仿生扑翼飞行器的遥控器发送来的转向指令时，根据所述转向指令确定所述舵机3的转动方向和目标角度，启动所述舵机3按照所述转动方向开始转动，根据控制模块信号值确定所述舵机3的转动角度，并在所述舵机3的转动角度达到目标角度时控制所述舵机3停转。

所述弧面翼驱动装置中舵机3应当左右对称安装在靠近机体的弧面翼翼肋二2的舵机固定杆201之间，用胶水或其他合适方式固定，当舵机3带动舵机摆臂7转动时，可以带动第一连接杆6产生向前向后的拉力。

弧面翼可弯折翼肋5上有三个孔，两个弧面翼可弯折翼肋5的前端孔分别与弧面翼翼肋一1和弧面翼翼肋二2同轴固定连接；靠近机体的弧面翼可弯折翼肋5的中部孔穿过第一连接杆6，并与舵机摆臂连接，与舵机摆臂一起转动，两个弧面翼可弯折翼肋5的末端孔穿过第二连接杆4。

所述弧面翼中的同侧弧面翼可弯折翼肋5应当用第二连接杆4进行连接，在靠近机体被安装有舵机的弧面翼可弯折翼肋5与舵机摆臂7一同转动时带动远离机体的弧面翼可弯折翼肋5转动。

有两种弧面翼翼肋，弧面翼翼肋二2靠近机体，其翼肋部空间设置有安装舵机的固定杆，弧面翼翼肋一1远离机体，其翼肋空间较小可以最大程度减轻重量。

由于微型仿生扑翼飞行器飞行时具有低马赫数低雷诺数的特点，为了解决低马赫数下的计算收敛问题，控制方程采用了预处理后的三维非定常雷诺平均NS方程表示为：

式中为预处理矩阵，τ为非定常时间推进的伪时间；E，F，G和Ev，Fv，Gv分别为直角坐标系(x，y，z)下三个方向的无粘和粘性通量。通过计算可以发现翼型的弯度对微型扑翼的升力影响很大，根据仿真结果可以知道，在一定弯度内，升力系数随着弯度的增加接近于线性增加，而弯度的增加对于阻力的影响很小。只有当弯度超过一定值时，才会出现升力系数随弯度增加而降低的现象。所以在可以通过增加翼型弯度来有效增加升力。而通过比较广泛迎角下对称翼型与弯度翼型扑翼的气动特性可知，同样升力时，弯度翼型的阻力要小；而同样阻力时，弯度翼型得到的升力要大。说明了可以通过改变仿生扑翼飞行器机翼弯度来实现升力的增加。

在飞行的时候，需要保证足够的升力。要想获得大的升力，通常采用的方法是增大迎角。根据仿真可以发现，在合适的范围内，随着迎角的增大，仿生扑翼飞行器的升力系数会迅速增加，而阻力系数增加幅度较小，只有超出相应迎角范围时，仿生扑翼飞行器的阻力系数的增加幅度才会大于升力系数增加幅度。但是在该范围内，仿生扑翼飞行器的推力系数会持续增大。因此可以得知，在合适的范围内当迎角增大时，仿生扑翼飞行器的升力增加幅度会大于阻力增加幅度，因此可以获得更多的升力，同时仿生扑翼飞行器通过该机翼运动所获得的推力也会大幅增。说明了在合适的迎角范围内可以通过增加仿生扑翼飞行器机翼的迎角来实现升力和推力的增加。

其中，舵机安装在靠近机体的翼肋间的固定位置，而可弯折翼肋则安装在翼肋末端。

可理解的是，当仿生扑翼飞行器直线飞行时，其左侧翅膀和右侧翅膀在其驱动机构的驱动下同频同幅扑动时，此时舵机也处于中间状态并不转动，因此所有的弧面翼可弯折翼肋均处于相同弯折角度，两侧翅膀的有效面积相同。由于其对称性，可产生相同的升力，因此仿生扑翼飞行器会直线飞行。

可理解的是，由于舵机摆臂与弧面翼可弯折翼肋通过第一连接杆固定连接，因此在舵机被启动后，舵机的转动轴会带动舵机摆臂进行转动，例如，规定仿生扑翼飞行器头部方向为前方，舵机的转动轴向前转动，舵机摆臂也会向前方摆动，这样会带动第一连接杆向前方运动，此时弧面翼可弯折翼肋就会在第一连接杆的带动下向下弯折，此时就会使得弧面翼的弯度发生变化，同时由于可弯折翼肋向下运动，使得其整体弧面翼的迎角也会增大，从而使得机翼的升力与推力均增加。而同时，另一侧机翼的可弯折翼肋将会向相反方向移动，从而破坏其机翼原有弯度，使其近似于形成平面翼；同时由于其可弯折翼肋向上移动，导致该侧机翼中弧线也会上移，使其迎角减小。此时，该侧机翼因为可弯折翼肋的向上移动，将会导致通过扑动所产生的升力和推力将会大幅减小。

可理解的是，当控制模块接受到转向操作信号时，例如，收到向右转向信号，此时控制模块将会向左右机翼舵机分别发送相反信号，左侧机翼舵机将会向前转动，右侧机翼舵机将会向后转动。此时，根据上述描述，将会发生左侧机翼可弯折翼肋将会向前下摆动，而右侧机翼可弯折翼肋将会向后向上摆动。因此，左侧机翼产生的升力和推力都会增加，而右侧机翼产生的升力和推力都会减少。

可理解的是，由于两侧舵机的反向转动，引发两侧机翼的弯度与迎角发生变化，从而引发推力与升力变化，最终实现转向效果。

由于舵机的转动轴转动角度决定弧面翼可弯折翼肋的转动角度，进而决定两侧机翼的弯度与迎角的差值，最终决定仿生扑翼飞行器的转弯半径的大小。实际上，两侧舵机转动的角度越大，弧面翼可弯折翼肋的转动角度就越大，其转动差值也就越大，这样，两侧机翼的弯度与迎角差值也越大，从而使得仿生扑翼飞行器的转弯半径越小，也即转向越迅速。

为了实现对转弯半径或转弯大小的精确控制，本发明提供的转向机构中还设置了控制模块，控制模块可以接收仿生扑翼飞行器的遥控器发送来的转向指令。当控制模块收到遥控器的控制指令时将会对控制指令进行解析，从而可以确定舵机的目标转动方向和转动角度。舵机的转动角度越大，仿生扑翼飞行器的转弯半径就越小，当舵机的转动角度达到其目标角度是，仿生扑翼飞行器的转弯半径就达到了其目标转弯半径，此时舵机将会停止转动，仿生扑翼飞行器就会以该转弯半径进行转弯。

在实际中，用户可以通过遥控器的控制摇杆调整舵机的转动角度，遥控器不断地给控制模块发送转向指令，从而舵机的角度会不断地发生变化，进而控制仿生扑翼飞行器的转弯半径不断地变化。

可理解的是，控制模块控制舵机转动，而舵机的转动会通过第一连接杆和第二连接杆使得整个弧面翼的可弯折部分产生绕轴转动，从而使得左右两侧的机翼的弯度与迎角发生不同的变化，导致左右机翼的升力系数和推力产生差异，当左右机翼同频同幅扑动时将会产生大小不同的升力和推力。而仿生扑翼飞行器的主要推力和升力均来自于双翼的扑动运动，将两侧机翼产生的升力与推力进行合并，可以发现仿生扑翼飞行器的总推力和总升力均向同一侧发生偏转。在机体坐标系下，规定O为坐标系原点也即扑翼飞行机器人质心，OX轴位于飞行器参考平面内平行于机身轴线并指向飞行器前方，OY轴垂直于飞行器参考面并指向飞行器右方，OZ轴在参考面内垂直于XOY平面，指向航空器下方。此处以向左转向为例。因此，可以知道在XOY平面内会产生向机身左侧方向的力矩，该力矩会导致仿生扑翼飞行器的偏航角向左偏移；而在YOZ平面内同样会产生向机身左侧方向的力矩，该力矩会导致仿生扑翼飞行器产生向左滚转效果。而在仿生扑翼飞行器的偏航角和滚转角均发生向左偏移的效果下，就会产生向左转向的飞行效果。左右机翼的迎角和弯度差距越大，转弯半径越小。

在具体实施时，本发明提供的转向机构还可以包括电源，所述电源连接至所述控制模块和所述舵机；所述控制模块和所述电源固定在机身碳杆上。

也就是说，利用电源为控制模块和机翼搭载舵机供电，而且将控制模块和电源设置在机身碳杆上，可以集中仿生扑翼飞行器的转向机构到较为安全的位置，防止碰撞对精密零件或者电源造成损坏或者引发安全事故。

可理解的是，控制模块的作用是：接受并解包遥控器发送来的转向指令，生成舵机控制信号，并输送到两侧机翼的舵机，并驱动舵机按照预设的方向转动并转动到相应角度后停止转动。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，该转向机构设置有两个，其对称设置于机体的两侧；其特征在于，所述转向机构包括弧面翼驱动装置、弧面翼、传动机构；所述弧面翼驱动装置包括控制模块、舵机、舵机摆臂；弧面翼包括弧面翼翼肋一和弧面翼翼肋二、弧面翼可弯折翼肋；传动机构包括第一连接杆、第二连接杆；弧面翼驱动装置中舵机应当左右对称安装在靠近机体的弧面翼翼肋二的舵机固定杆之间；弧面翼可弯折翼肋上有三个孔，两个弧面翼可弯折翼肋的前端孔分别与弧面翼翼肋一和弧面翼翼肋二同轴固定连接；靠近机体的弧面翼可弯折翼肋的中部孔穿过第一连接杆，并与舵机摆臂连接，与舵机摆臂一起转动，两个弧面翼可弯折翼肋的末端孔穿过第二连接杆；转向机构中还设置了控制模块，控制模块接收仿生扑翼飞行器的遥控器发送来的转向指令；

通过改变仿生扑翼飞行器机翼弯度来实现升力的增加。

2.根据权利要求1所述的基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，其特征在于，所述控制模块用于在接收到所述仿生扑翼飞行器的遥控器发送来的转向指令时，根据所述转向指令确定所述舵机的转动方向和目标角度，启动所述舵机按照所述转动方向开始转动，根据控制模块信号值确定所述舵机的转动角度，并在所述舵机的转动角度达到目标角度时控制所述舵机停转。

3.根据权利要求1所述的基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，其特征在于，当舵机带动舵机摆臂转动时，带动第一连接杆产生向前或者向后的拉力。

4.根据权利要求3所述的基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，其特征在于，舵机用胶水固定。

5.根据权利要求1所述的基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，其特征在于，在靠近机体被安装有舵机的弧面翼可弯折翼肋与舵机摆臂一同转动时带动远离机体的弧面翼可弯折翼肋转动。

6.根据权利要求1所述的基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，其特征在于，弧面翼翼肋二靠近机体，其翼肋部空间设置有安装舵机的固定杆。

7.根据权利要求1所述的基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，其特征在于，弧面翼翼肋一远离机体。

8.根据权利要求1所述的基于弧面翼的仿生扑翼飞行器转向机构，其特征在于，控制模块将控制信号通过PWM波输出到舵机。