CN214608021U - 一种仿蝠鲼浮空飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种仿蝠鲼浮空飞行器，包括上下两个浮空体，位于下方的浮空体边缘的两侧和后方分别设置有侧面扑翼模块和尾侧扑翼模块，位于上方的浮空体的边缘处固定连接有指示灯，位于下方的浮空体的底部固定连接有控制箱，控制箱内壁的底部固定有锂电池、单片机和CPG节律性控制器，本实用新型涉及飞行器技术领域。该仿蝠鲼浮空飞行器，充分利用浮空器结构简洁的特点，以及仿蝠鲼胸鳍推动在推进效率与机动性上的优势，利用浮空气囊充气提供的升力，能够减轻对升力的需求，减少能源的消耗，为长时间的续航提供了保证，具有丰富多样的运动方式，具有一定程度自主环境监测以及自动调整功能，且具备高效的无线通信功能。

Description

一种仿蝠鲼浮空飞行器

技术领域

本实用新型涉及飞行器技术领域，具体为一种仿蝠鲼浮空飞行器。

背景技术

浮空器一般是指比重轻于空气的、依靠大气浮力升空的飞行器。在电子和军事民用领域，一般不将热气球划在浮空器范围内。除了军用外，大型民用浮空器还可以用于交通、运输、娱乐、赈灾、影视拍摄、科学实验等等。目前人们的研究主要集中于大型、高空浮空飞行器的研发和设计，对于近地空间使用浮空飞行器进行监测的应用较少。浮空器已经有近一个世纪的发展历史，衍生出诸多型号的大型浮空器，将浮空器从远地大气飞行的区域拉回近地使用，并且小型化，有潜在的应用价值，具有滞空时间长、对起降场地要求低等优点，但其飞行速度较慢，且机动性也较差。

仿生鱼类机器人是机器人研究的一大重要领域。作为一种人们熟悉的水中生物，经过几亿年漫长的进化过程，鱼类形成了近乎完美的在水中行进的生理结构与运动模式。它们通过具有很好流体力学效能的身体结构。同样，这种仿鱼类推进的结构也能够在空气中获得较高推进效率和机动性，其性能在某些应用场景下优于固定翼推动结构或旋翼推动结构。由于鱼类身体结构的这些优越性，采用类似鱼类胸鳍结构拍打推进的鱼类飞行器具有很大的研究与应用价值。

将浮空器原理和仿鱼类鳍推进方式相结合设计新型高效的浮空扑翼飞行器，是一种新的尝试。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种仿蝠鲼浮空飞行器，解决了推进效率低、机动性较差的问题。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种仿蝠鲼浮空飞行器，包括上下两个浮空体，位于下方的所述浮空体边缘的两侧和后方分别设置有侧面扑翼模块和尾侧扑翼模块，位于上方的所述浮空体的边缘处固定连接有指示灯，位于下方的所述浮空体的底部固定连接有控制箱，所述控制箱内壁的底部固定有锂电池、单片机和CPG节律性控制器。

优选的，所述侧面扑翼模块包括通过3M胶胶接在下方浮空体边缘两侧的侧面环形支架，所述侧面环形支架上固定连接有侧面舵机固定器，并且侧面舵机固定器上通过第一舵机固定连接有侧面骨架，所述侧面骨架的表面固定连接有侧面铝膜翼面。

优选的，所述尾侧扑翼模块包括通过3M胶胶接在下方浮空体边缘的尾侧环形支架，所述尾侧环形支架上固定连接有尾侧舵机固定器，并且尾侧舵机固定器上通过第二舵机固定连接有尾侧骨架，所述尾侧骨架的表面固定连接有尾侧铝膜翼面。

优选的，所述浮空体为铝膜充气气囊，且所充气体为氦气，所述侧面骨架和尾侧骨架均为碳纤维杆制成。

优选的，所述单片机与NRF24L01无线模块实现双向信号传输，并且单片机的输出端与CPG节律性控制器的输入端实现信号传输，所述CPG节律性控制器的输出端通过导线分别与第一舵机和第二舵机的输入端电性连接。

优选的，所述锂电池的输出端通过导线与DC-DC稳压模块的输入端电性连接，并且DC-DC稳压模块的输出端通过导线与单片机的输入端电性连接，所述单片机的输入端通过导线与超声波测距模块的输出端电性连接。

有益效果

本实用新型提供了一种仿蝠鲼浮空飞行器。与现有技术相比具备以下有益效果：

(1)、该仿蝠鲼浮空飞行器，充分利用浮空器结构简洁的特点，以及仿蝠鲼胸鳍拍打在推进效率与机动性上的优势。

(2)、该仿蝠鲼浮空飞行器，利用浮空气囊充气提供的升力，能够减轻对升力的需求，减少能源的消耗，为长时间的续航提供了保证。

(3)、该仿蝠鲼浮空飞行器，具有丰富多样的运动方式，整体通过调整三个舵机的摆动幅度，摆动频率与相位差，可以实现不同运动姿态，更好地完成飞行运动，包括直线推进，稳定悬停，上浮下行，左右偏航等运动。

(4)、该仿蝠鲼浮空飞行器，采用了三组超声测距模块，并利用单片机采集超声波测距信息，具有一定程度自主环境监测以及自动调整功能，并且集成了NRF24L01无线模块，具备高效的无线通信功能。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型底部结构示意图；

图3为本实用新型中侧面扑翼模块示意图；

图4为本实用新型中侧面环形支架和侧面舵机固定架示意图；

图5为本实用新型中尾侧扑翼模块示意图；

图6为本实用新型中尾侧环形支架和尾侧舵机固定架示意图；

图7为本实用新型的结构原理框图；

图8为本实用新型控制箱内部结构示意图。

图中：1浮空体、2侧面扑翼模块、201侧面环形支架、202侧面舵机固定器、203第一舵机、204侧面骨架、205侧面铝膜翼面、3指示灯、4尾侧扑翼模块、401尾侧环形支架、402尾侧舵机固定器、403第二舵机、404尾侧骨架、405尾侧铝膜翼面、5控制箱、6锂电池、7单片机、8 CPG节律性控制器、9 NRF24L01无线模块、10 DC-DC稳压模块、11超声波测距模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-8，本实用新型提供一种技术方案：一种仿蝠鲼浮空飞行器，包括上下两个浮空体1，浮空体1为飞行器的主体部分，是飞行器的主要驱动装置，主要放置飞行器的控制机构、传感器和电池；飞行器整体的重量主要集中于此，同时具有调整飞行器重心的作用，位于下方的浮空体1边缘的两侧和后方分别设置有侧面扑翼模块2和尾侧扑翼模块4，两个侧面扑翼模块2对称设置，因此该飞行器上共设置有左右两个第一舵机203，侧面扑翼模块2用于控制游动的方向和速度，尾侧扑翼模块4用于调节飞行器在空中的姿态，控制飞行器的上升和下降，侧面扑翼模块2和尾侧扑翼模块4中集成有超声测距模块，用于避障等，位于上方的浮空体1的边缘处固定连接有指示灯3，指示灯3设置有5个，均匀分布在上方的浮空体1边缘，能在能见度较差的环境中进行显示反映，位于下方的浮空体1的底部固定连接有控制箱5，控制箱5内壁的底部固定有锂电池6、单片机7和CPG节律性控制器8，单片机7采用STM32单片机，用于处理所接收信号以及调配其他模块工作，通过CPG节律性控制器8能够调整三个舵机的运动幅度，运动频率与相位差，实现不同运动姿态。

侧面扑翼模块2包括通过3M胶胶接在下方浮空体1边缘两侧的侧面环形支架201，侧面环形支架201上固定连接有侧面舵机固定器202，并且侧面舵机固定器202上通过第一舵机203固定连接有侧面骨架204，侧面骨架204的表面固定连接有侧面铝膜翼面205，侧面骨架204采用三段式碳纤维杆，杆长分别为450mm，500mm，300mm。顶端为角形连接管，底端为T型连接管，分别连接两侧骨架，整体形成梯形边框，侧面铝膜翼面205边缘与侧面骨架204胶接，与侧面骨架204整体构成动力翼面。

侧扑翼模块4包括通过3M胶胶接在下方浮空体1边缘的尾侧环形支架401，尾侧环形支架401上固定连接有尾侧舵机固定器402，并且尾侧舵机固定器402上通过第二舵机403固定连接有尾侧骨架404，尾侧骨架404的表面固定连接有尾侧铝膜翼面405，尾侧骨架404为横、纵垂直布局，纵向碳纤维杆长500mm，横向300mm，与尾侧铝膜翼面405胶接组成尾翼动力翼面。

浮空体1为铝膜充气气囊，且所充气体为氦气，侧面骨架204和尾侧骨架404均为碳纤维杆制成，侧面环形支架201和尾侧环形支架401外围环形与中轴采用放射支架设计，以提高固定面积，进而提高扑翼模块与浮空体1之间的连接稳定性以及扑翼翼面的稳定性，侧面舵机固定器202、尾侧舵机固定器402与环形支架之间使用螺钉连接，另一端根据舵机结构特点，设计L型固定面，与舵机之间使用螺钉螺母连接。

单片机7与NRF24L01无线模块9实现双向信号传输，并且单片机7的输出端与CPG节律性控制器8的输入端实现信号传输，DC-DC稳压模块10负责稳定电源电压，降低功耗，NRF24L01无线模块9用于在2.4GHZ的开放ISM频段接收遥控信号，用来利用WIFI信号实现该飞行器与电脑、手机终端间的信息数据交互，CPG节律性控制器8的输出端通过导线分别与第一舵机203和第二舵机403的输入端电性连接，锂电池6的输出端通过导线与DC-DC稳压模块10的输入端电性连接，并且DC-DC稳压模块10的输出端通过导线与单片机7的输入端电性连接，单片机7的输入端通过导线与超声波测距模块11的输出端电性连接，超声波测距模块11通过传感器测距，传感器为超声波传感器，分别检测前方，左侧，右侧的距离信息。

该浮空飞行器模仿牛鼻鲼的外观特征与推进方式，将自主控制胸鳍和尾鳍运动姿态应用在仿生鱼类飞行器上，设计扑翼式胸鳍及尾鳍实现拍动推进，将胸鳍的运动分解为垂直鱼中轴线的上下拍动与围绕胸鳍根部的扭转运动，锂电池6为200mAh锂电池，用来实现浮空飞行器的供电。

该仿蝠鲼浮空飞行器，具有独特的运动模式，以Hooks-Jeeves方法为基础对胸鳍拍打运动参数进行优化，通过独立控制左右胸鳍拍打角幅值φ_flapping和拍打频率f的变化，结合尾鳍作为升降舵的偏转角度θ变化，实现模仿蝠鲼浮空飞行器游动加速、减速、俯仰运动、偏航运动等机动飞行。飞行器的直线运动采用翅膀模仿胸鳍拍打推进模式，在维持尾鳍确定平衡位置的条件下，通过左右胸鳍对称的拍打运动，实现近似的直线飞行运动，改变扑打幅值能够改变直线飞行的速度，在此过程中机体重心会有小幅波动。由于飞行器在封闭或半封闭空间中游动，空间内的空气流动的速度U_air较小，巡航飞行状态下，胸鳍拍打角幅值φ_flapping＝60°，运动角速度平均值为

(拍打周期T＝2s)。巡航飞行的平均速度

此飞行状态下的雷诺数Re范围约为5×10³至2×10⁴，推力平均值和推力曲线会随着拍动角幅值和频率的改变而相应地改变。因此，在确定拍打频率的前提下，可以通过改变拍动角幅值而同步改变翅膀产生推力的大小，由此实现飞行器的加速、减速和制动。

浮空器在偏航运动时，左右胸鳍不对称拍打，能够产生一定偏航力矩，使飞行航向发生改变。在左右胸鳍相位差为0的基础上，通过改变翅膀的拍动角幅值，可以改变翅膀产生推力的大小，左右翅膀产生的推力差使得浮空器产生偏航运动。因此，两个翅膀产生的推力能够在平面内形成--个转向力矩，使飞行器产生转向运动。

浮空器实现升降时，采用的方式是翅膀拍打与尾翼舵偏，模仿蝠鲼胸鳍扑动和尾鳍摆动的水下姿态，实现浮空器的升降运动。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种仿蝠鲼浮空飞行器，包括上下两个浮空体(1)，其特征在于：位于下方的所述浮空体(1)边缘的两侧和后方分别设置有侧面扑翼模块(2)和尾侧扑翼模块(4)，位于上方的所述浮空体(1)的边缘处固定连接有指示灯(3)，位于下方的所述浮空体(1)的底部固定连接有控制箱(5)，所述控制箱(5)内壁的底部固定有锂电池(6)、单片机(7)和CPG节律性控制器(8)。

2.根据权利要求1所述的一种仿蝠鲼浮空飞行器，其特征在于：所述侧面扑翼模块(2)包括通过3M胶胶接在下方浮空体(1)边缘两侧的侧面环形支架(201)，所述侧面环形支架(201)上固定连接有侧面舵机固定器(202)，并且侧面舵机固定器(202)上通过第一舵机(203)固定连接有侧面骨架(204)，所述侧面骨架(204)的表面固定连接有侧面铝膜翼面(205)。

3.根据权利要求2所述的一种仿蝠鲼浮空飞行器，其特征在于：所述尾侧扑翼模块(4)包括通过3M胶胶接在下方浮空体(1)边缘的尾侧环形支架(401)，所述尾侧环形支架(401)上固定连接有尾侧舵机固定器(402)，并且尾侧舵机固定器(402)上通过第二舵机(403)固定连接有尾侧骨架(404)，所述尾侧骨架(404)的表面固定连接有尾侧铝膜翼面(405)。

4.根据权利要求3所述的一种仿蝠鲼浮空飞行器，其特征在于：所述浮空体(1)为铝膜充气气囊，且所充气体为氦气，所述侧面骨架(204)和尾侧骨架(404)均为碳纤维杆制成。

5.根据权利要求1所述的一种仿蝠鲼浮空飞行器，其特征在于：所述单片机(7)与NRF24L01无线模块(9)实现双向信号传输，并且单片机(7)的输出端与CPG节律性控制器(8)的输入端实现信号传输，所述CPG节律性控制器(8)的输出端通过导线分别与第一舵机(203)和第二舵机(403)的输入端电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种仿蝠鲼浮空飞行器，其特征在于：所述锂电池(6)的输出端通过导线与DC-DC稳压模块(10)的输入端电性连接，并且DC-DC稳压模块(10)的输出端通过导线与单片机(7)的输入端电性连接，所述单片机(7)的输入端通过导线与超声波测距模块(11)的输出端电性连接。

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