CN1765702A - 一种电磁驱动翼面的微型扑翼系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微型仿生飞行器，具体涉及具有微型扑翼系统的仿生飞行器。它包括有两对或两对以上仿生机翼及与之相连的主体骨架、使机翼产生扑翼运动的驱动装置，所述仿生机翼由基底材料为柔性或刚性的薄膜及刻印在其表面上的线圈构成，它通过柔性连接块或微型铰链固连在主体骨架上，每对机翼上两组线圈串接，其中一对机翼上的线圈经驱动电路后再与驱动电源接通，使其线圈回路上产生交变电流；另一对机翼上的线圈直接与驱动电源接通。本发明通过翼面上的通电线圈磁场力提供扑翼运动的驱动力，动力装置和翼面合二而一。扑翼频率可调，控制简捷方便。结构简单，有利于实现整体微型化。能广泛用于各类仿生扑翼微飞行器和实验室扑翼研究平台。
Description
技术领域
本发明涉及微型仿生飞行器，具体涉及一种具有微型扑翼系统的仿生飞行器。
背景技术
扑翼飞行方式的微飞行器是真实昆虫飞行所采用的飞行方式，具有仿生学的直接背景。相比于固定翼飞行，扑翼飞行具有高升力，而且具有更高的机动性；尤其是，固定翼飞行方式通常只适用大Re数(雷诺数)情况，由于微飞行器尺度所带来的Re数减小的影响，使固定翼飞行方式失效，而扑翼飞行方式能适合于小Re数。
扑翼飞行器需要一个扑翼系统来完成扑翼运动。多年以来，人们一直致力进行有关扑翼系统的研究，现有技术中有诸多这方面的报道。使用最多的是利用电机附加机械传动部件等方式来实现扑翼运动，但这种方式存在着加工制造复杂和小型化难等问题。CN031129447中公开了一种由电磁驱动的微型扑翼装置，该装置通过电磁场驱动与平面机翼相连的动力轴，使机翼能变形并实现各种复杂运动，从而达到飞行目的。由于该装置中存在有动力传递机构，所以整体结构仍然比较复杂，很难实现微型化(通常指翼展在15cm以下)。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种充分利用磁场作用，使其在翼面上直接产生驱动力来实现机翼扑翼运动的微型扑翼系统。
本发明的目的通过以下方式实现。
本发明的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，包括有两对或两对以上仿生机翼及与之相连的主体骨架、使机翼产生扑翼运动的驱动装置，其特征在于，所述仿生机翼由基底材料为柔性或刚性的薄膜及刻印在其表面上的线圈构成，它通过柔性连接块或微型铰链固连在主体骨架上，每对机翼上的两组线圈串接，其中一对机翼上的线圈经驱动电路后再与驱动电源接通，使其线圈回路上产生交变电流，该交变电流频率最好为0-150赫兹，其驱动电路由电源线路，交变信号产生线路，放大线路组成；另一对机翼上的线圈直接与驱动电源接通，或者使用外加的永磁体代替该组线圈机翼；所述驱动电路及驱动电源安装在主体骨架上；所述刻印在机翼表面上的线圈绕向是单绕向的线圈，或者是翼面后沿带反绕向的线圈，或者同时使用两种线圈。
所述固连主体骨架与仿生机翼使用微型铰链连接时，使机翼能相对于主体骨架灵活转动，当机翼上线圈受到电磁力作用时同样能产生扑翼运动。
所述使用外加的永磁体可以是一块大面积永磁体平板，将具有一对仿生机翼的微型扑翼系统置于该平面上，开通驱动电源后即会产生扑翼运动。
本发明的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，如果设置两对以上的仿生机翼，例如三对或四对，各个线圈连接时采用交流驱动、直流驱动、交流驱动交替连接的布置方式，以保证机翼在交变电流与磁场的综合作用下实现扑翼运动。
本发明的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，两对机翼上的线圈分别通过其上的连接点及导线连接构成两个线圈回路。其中，一个线圈回路直接连接驱动电源产生恒定磁场；另一线圈回路连接驱动电路产生交变电流。由于通电导线在磁场中时会受到正比于磁场强度和电流的电磁力，因此在上述交变电流与磁场的综合作用下使机翼实现了扑翼运动。对于使用外加的永磁体代替一组直流线圈翼面的情况，其机理与此相同。使用翼面后沿带反绕向的线圈即能使机翼实现不同的扑翼运动姿态；如果改变交变电流的交变频率即能改变机翼扑翼频率。所述仿生机翼的形状可以采用现有飞行器的常见基本形状，例如平面的，或者是曲面的均可。
本发明的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，通过翼面上的通电线圈提供飞行的气动力以及扑翼运动的驱动力，实现机翼的扑翼运动。与现有扑翼飞行器相比，具有如下优点：
(1)扑翼频率能在较大范围内变化，控制简捷方便。
(2)扑翼频率高，可以通过设计不同类型的线圈并控制实现不同的扑翼姿态，能较逼真的模拟昆虫扑翼的运动细节，实现复杂飞行。
(3)用于仿生扑翼微飞行器时，依靠两对或两对以上的带线圈的机翼既能够产生足够的飞行气动力，又能保持飞行的稳定性。
(4)动力装置和翼面合二而一，因此机械结构十分简单，制作方便，有利于实现整体微型化。
本发明的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，由于其结构简单，因此制造成本较低，也适合于微型化，可以广泛用于各类仿生扑翼微飞行器和实验室扑翼研究平台。
下面通过实施例及其附图做进一步说明。
附图说明
图1是本发明所述的电磁驱动翼面的微型扑翼系统的一种实施例的结构示意图。
图2是本发明所述的使用外加的永磁体代替直流电线圈翼面的实施例的结构示意图。
图3是本发明中所述的线圈单绕向示意图。
图4是本发明中所述的翼面后沿带反绕向的线圈绕向示意图。
图5是本发明中所述的线圈驱动电路示意图。
具体实施方式
参见图1，由轻质材料构成的扑翼飞行器主体骨架(3)为长条形，截面呈十字状(成圆形或椭圆形等常见飞行器基本形状均可)，两块柔性连接块(4)由条状弹性薄膜构成，分别左右对称地粘贴在主体骨架靠近上段的正、反两面的十字凸起处。两对刻印有线圈的机翼1、2分别粘贴在柔性连接块(4)的端部，并使机翼表面与主体骨架轴线方向垂直，类同于普通飞行器。机翼1、2的两表面上均印有单绕向线圈电路，有过孔串联贯通，并各设有两个引出极点。机翼1、2的四极点处分别连有导线，并接入设置在主体骨架(3)凹槽中的控制盒(5)内的电路上。机翼1的两极点的导线经线圈驱动电路后再与电池接通，使其回路上产生交变电流，该交变电流的交变频率为30赫兹。机翼2的两极点的导线直接与提供直流电的电池接通，使其回路上产生直流电流。本实施例中采用的薄膜材料可以是柔性的也可以是刚性的，其线圈材料是铜箔或其它导电金属箔，使用电路板印制工艺或半导体光刻工艺等方法将线圈加工到薄膜基底上。薄膜厚度为5到150微米。线圈在基底薄膜上采用密绕方式。带有线圈的机翼既是扑翼的翼面：在扑翼过程中扰动空气，产生气动力；也提供扑翼的动力：在交变电流与磁场的相互作用下完成线圈的扑动。本实施例中，当同时导通两个电路时，机翼1线圈电路中产生交变电流，而机翼2线圈电路中产生直流电流，即产生恒定磁场，在交变电流与磁场的相互作用下，两机翼必然会产生扑翼运动，其扑翼频率跟随交变电流的交变频率变化而变化。如果使用翼面后沿带反绕向的线圈，即能使机翼实现不同的扑翼运动姿态。如果构成机翼的两组线圈都采用交变电流驱动，也可以产生所需扑翼运动，其机理与直流电流驱动基本相同。
图2是使用外加的永磁体代替直流电线圈电路及其机翼的实施例。该扑翼飞行器系统中只有表面印有单绕向线圈电路的一对机翼1，省略了机翼2，其主体骨架的截面也修改为T形。6是平板形永磁体。使用时可将前者置于永磁体平板上方。为不影响扑翼运动，又能使翼面上线圈保持在永磁体的较大磁场强度内，应使扑翼飞行器与永磁体平板保持一段距离。当导通机翼1中的线圈电路时，该交变电流和永磁体磁场产生共同作用，使机翼1产生扑翼运动。
改变机翼上线圈的绕向，能使机翼实现不同的扑翼运动姿态，更好地逼真模拟昆虫扑翼运动。图3、图4中表达了两种不同绕法的线圈：图3为简单的单绕向线圈，图4为翼面后沿带反绕向的线圈。7是线圈的引出的两个极点。由于同一飞行器的两侧机翼上各设有一组线圈，因此该组中的一个极点用于两侧机翼上两组线圈之间的相互连接，另一个极点用于与驱动电路的连接，或用于直接连接驱动电源。8是薄膜基底材料。所述的后沿带反绕向是指：除翼面后沿部分以外的区域线圈采用一个绕向(如逆时针)而后沿区域采用另外一个绕向(如顺时针)，后沿带反绕向的线圈后沿部分与其它部分在同一个磁场下时，产生的磁场力正好相反，形成力偶矩，从而带动翼面产生攻角的翻转。翻转翼面攻角是昆虫飞行时产生气动力所必须的一个运动细节，后沿反向线圈的设计是真实模拟昆虫扑翼的设计，是该扑翼系统实现复杂飞行的一个重要条件。
参见图4，9为电源线路，机翼2上的两个极点直接与电源电路输出极点13连接，机翼1上的两个极点与信号放大线路11的输出极点12连接；交变信号产生电路10由电源电路9供电，其输出信号为交变信号，该信号送入信号放大线路11放大，再输入到机翼1上的线圈电路中。如果采用遥控飞行方式，可将遥控电路安装于扑翼飞行器上，由遥控信号控制交变信号产生电路10。
Claims (7)
1.一种电磁驱动翼面的微型扑翼系统，包括有两对或两对以上仿生机翼及与之相连的主体骨架、使机翼产生扑翼运动的驱动装置，其特征在于，所述仿生机翼由基底材料为柔性或刚性的薄膜及刻印在其表面上的线圈构成，它通过柔性连接块或微型铰链固连在主体骨架上，每对机翼上的两组线圈串接，其中一对机翼上的线圈经驱动电路后再与驱动电源接通，使其线圈回路上产生交变电流，其驱动电路由电源线路，交变信号产生线路，放大线路组成；另一对机翼上的线圈直接与驱动电源接通；所述驱动电路及驱动电源均安装在主体骨架上；所述刻印在机翼表面上的线圈绕向是单绕向的线圈。
2.如权利要求1所述的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，其特征在于，所述线圈回路上产生交变电流的频率为0-150赫兹。
3.如权利要求1所述的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，其特征在于，所述直接与驱动电源接通的线圈机翼由外加的永磁体代替。
4.如权利要求1所述的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，其特征在于，所述固连主体骨架与仿生机翼使用微型铰链连接。
5.如权利要求1所述的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，其特征在于，所述设置两对以上的仿生机翼时，各组线圈采用交流驱动、直流驱动、交流驱动交替连接的布置方式。
6.如权利要求1所述的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，其特征在于，所述刻印在机翼表面上的线圈绕向是翼面后沿带反绕向的线圈。
7.如权利要求1所述的电磁驱动翼面的微型扑翼系统，其特征在于，所述刻印在机翼表面上的线圈绕向是混合使用单绕向和翼面后沿带反绕向的两种线圈。
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