CN106184746A - 一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，包括主躯干、翅膀驱动组件与翅膀组件；其中,翅膀组件包括左翅膀组件和右翅膀组件，分别安装于主躯干前端两侧安装的翅膀驱动组件上，且镜像对称。翅膀组件中，外轮廓通过碳纤维杆弯折后通过塑料连接组件固定成型，构成该连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器整体骨架，弹性薄膜根据翅膀骨架整体切割而成，并利用粘性胶带固定于翅膀骨架之上，形成弹性翅膀。翅膀组件通过主躯干前部安装的驱动舵机驱动，带动翅膀扑打，转化为飞行的推力和升力，并独立控制双翅的始末相位实现蝴蝶的俯仰及偏航；且通过主躯干后部安装的微控制***与供电***，实现仿生蝴蝶扑翼飞行器的控制及供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生机器人及扑翼飞行器，属航空技术领域。具体来说，是一种模仿自然界中翼身比较大昆虫——鳞翅目蝴蝶外形及运动机理，通过独立伺服电机驱动连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器。
背景技术
扑翼飞行器具有其独特的优点，在国防与民用领域有着重要且广泛的应用，对微型扑翼飞行器的研究已成为当今航空领域研究的热点。早期人们对扑翼飞行方式认识的局限性以及当时科技水平的限制，并没有揭开这种飞行方式的真正面纱。古代的人们尝试使用各种材料制作翅膀，希望能够借助翅膀完全依靠人的体力跟鸟儿一起飞翔。欧洲文艺复兴时期的达·芬奇就设计过一款人力扑翼机。不过，希望借助人力以简单振动翅膀的方式完成飞行的尝试都已失败告终了。之后的人们将研究的重点放在固定翼飞行器和旋翼飞行器上，取得了了不起的成就，成功实现了翱翔蓝天的梦想。
随着对仿生飞行的研究以及空气动力学技术理论的发展，人们发现扑翼式飞行方式较其他飞行方式有着诸多的优势。当考虑飞行器的尺寸减小以及在较低雷诺数时的飞行情况，固定翼的飞行方式就存在着抗干扰能力较弱和较难解决的气动学问题，扑翼飞行器具有巨大的现实意义。因其飞行原理的独特性，具有很多性能优势：它将爬升、推进和悬停的过程融于一体，在一定速度范围内气动效率较高，延长了航程和航行时间；同时，对起飞场地环境的要求极低，很小的场地面积及复杂的空间环境下都可以顺利起飞，甚至可以原地起飞；具有很好的中低速机动性能，在将来军事上有很好的应用前景，比如侦察军事情报、目标追踪监视、核生化等危险场合的标本取样、中继通信、还可以主动进行进攻或防御，并且因其飞行轨迹复杂不可预测不易被击中也利于逃脱等等。微型扑翼飞行器在民用方面也有很好的应用前景，除了进行大家所熟悉的摄影、测绘、监控等传统微型飞行器任务以外，它还可以装上音频设备模拟老鹰的叫声，应用于机场周围的驱鸟工作；由于本身飞行和真实的蝴蝶非常相似，仿生效果极佳具有一定的观赏性。
发明内容
针对上述问题本发明以真实蝴蝶为仿生学原型，通过大量文献检索及生物学模型观察，将蝴蝶前后翅简化为整翅进行设计，进而完成仿生蝴蝶扑翼飞行器的机械结构设计。在此基础上，采用PID控制率与远程遥控结合，对飞行器进行稳定的飞行控制。
本发明一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，包括主躯干、翅膀驱动组件与翅膀组件。其中,翅膀组件包括左翅膀组件和右翅膀组件，分别安装于主躯干前端两侧安装的翅膀驱动组件上，且镜像对称。左翅膀组件与右翅膀组件均由外轮廓杆、主驱动杆、翅脉、翅根连接件与弹性薄膜构成。其中，翅根连接件采用截面似扇形结构；翅膀组件与右翅膀组件的翅膀外轮廓由外轮廓杆构成，外轮廓杆前后两端分别***翅根连接件前后位置开设的盲孔中固定。
外轮廓杆中部由前至后依次固定套有翅脉连接件，用来连接翅脉，通过翅脉使翅膀外轮廓中部凹进，形成仿蝴蝶翅膀的形状。外轮廓杆前部固定有主驱动杆连接件，主驱动杆一端与主驱动杆连接件固连，另一端穿过翅根连接件上开设的通孔后，固定于翅膀驱动组件中驱动舵机摇臂上。翅膀外轮廓后部与主躯干中部安装的铰接件铰接。所述弹性薄膜铺设于翅膀外轮廓上。
综上，通过驱动舵机输出动力，经舵机摇臂传递至主驱动杆，由主驱动杆驱动翅膀组件的扑打运动。
本发明的优点在于：
1、本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，采用全碳纤设计骨架，综合碳纤维杆轻型和富有弹性两大优点，将扑翼飞行器的外形固定成型，在飞行过程中既能保持翅膀的完整形状又能产生一定的弹性变形，为该蝴蝶扑翼飞行器产生足够的升力和推力；
2、本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，在翅膀后半部分延伸出U字形末端，在蝴蝶翅膀扑打过程中能够产生相反的被动变形，利用此被动变形为蝴蝶飞行提供稳定力矩，实现增稳效果；
3、本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，采用微控制***集成设计，将芯片集成于小型电路板上同时设计有电池底座，不断减轻机械结构重量的同时又方便安装拆卸；
4、本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，采用具有IMU惯性传感单元反馈的PID闭环控制算法，并且对采集的角度姿态进行卡尔曼滤波，从而实现整个***的稳定，确保扑翼机能够准确实现稳定姿态的飞行；同时通过基于CC2530核心芯片的上位机控制器实时纠正其飞行轨迹，实现人机互动。
附图说明
图1为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器整体结构示意图；
图2为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器的主躯干结构示意图；
图3为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器主躯干中翅膀驱动舵机支架结构示意图；
图4为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器主躯干中铰链安装孔结构示意图；
图5为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器主躯干中控制器连接支架结构示意图；
图6为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器主躯干中电池连接支架结构示意图；
图7为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器中翅膀驱动组件结构示意图；
图8为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器中翅膀组件结构示意图；
图9为本发明连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器的翅膀组件中翅根连接件结构示意图。
图中：
1-主躯干 2-翅膀驱动组件 3-翅膀组件
4-微控制*** 5-供电*** 101-主杆
102-翅膀连接铰链 103-翅膀驱动舵机支架 104-控制器连接支架
105-电池连接支架 201-驱动舵机 202-舵机摇臂
301-外轮廓杆 302-主驱动杆 303-翅脉
304-翅根连接件 305-弹性薄膜 306-盲孔A
307-通孔 308-盲孔B 309-盲孔C
310-盲孔D 311-盲孔E 312-翅脉连接件
102a-铰链安装孔 102b-翅膀连接孔 102c-减重孔
103a-支架安装孔 103b-舵机安装孔 104a-控制器支架安装孔
104b-控制器安装位 105a-电池支架安装孔 105b-卡头
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，包括主躯干1、翅膀驱动组件2与翅膀组件3，如图1所示；其中,翅膀组件3包括左翅膀组件和右翅膀组件，分别通过安装于主躯干1的左右两侧，且镜像对称。
所述主躯干1包括主杆101、翅膀连接铰链102、翅膀驱动舵机支架103、控制器连接支架104与电池连接支架105，如图2所示。其中，主杆101采用截面为2mm边长正方形的空心碳纤维杆，长度为260mm。翅膀驱动安装支架103为PLA塑料结构件，如图3所示；翅膀驱动安装支架103中心开有与主杆101截面匹配的支架安装孔103a，通过支架安装孔103a将翅膀驱动安装支架103套在主杆101前端紧配合固定。上述翅膀驱动安装支架103左右两侧的上下对称位置均沿主杆101轴向设计有舵机安装孔103b，分别用来固定安装有一套翅膀驱动组件2。翅膀连接铰链102为PLA塑料结构件，呈一字形，如图4所示；翅膀连接铰链102中心位置设计有与主杆101截面匹配的铰链安装孔102a，通过铰链安装孔102a将翅膀连接铰链102套在主杆101前部紧配合固定，固定位置靠近主杆101中心位置。翅膀连接铰链102两端设计有翅膀连接孔102b，分别用来连接左翅膀组件与右翅膀组件。上述铰链安装孔102a与两个翅膀连接孔102b间还设计有减重孔102c。控制器连接支架104为两个，均为PLA塑料结构件，如图5所示，一端设计有与主杆101截面匹配的控制器支架安装孔104a，通过控制器支架安装孔104a将两个控制器连接支架104套在主杆101后部紧配合固定。两个控制器连接支架104底部具有控制器安装位104b，用来固定微控制***4。电池连接支架105为两个，均为ABS塑料结构件，呈倒写U形，如图6所示；电池连接支架105上部设计有与主杆101截面匹配的电池支架安装孔105a，通过电池支架安装孔105a将两个电池连接支架105套在主杆101末端紧配合固定。上述两个电池连接支架105的U型结构内部用来放置供电***5，并通过在电池连接支架105两端朝内向设计有卡头105b，将供电***5卡紧固定。上述翅膀连接铰链102、翅膀驱动安装支架103、控制器连接支架104与电池连接支架105在主躯干1轴向上位置可调，进而使左翅膀组件、右翅膀组件、微控制***4、供电***5位置可调，可根据左翅膀组件与右翅膀组件扑打受到的气动力和自身重力等综合因素进行调节。
上述翅膀驱动安装支架103左右两侧安装的翅膀驱动组件2结构相同，对称安装，包括驱动舵机201与舵机摇臂202，如图7所示。其中,驱动舵机201采用超微型超轻金属壳、金属齿高压舵机，型号为D0474HT 2S HV。驱动舵机201通过螺栓与翅膀驱动安装支架103上的舵机安装孔103b配合，实现驱动舵机201的固定安装。两套翅膀驱动组件2中的驱动舵机201输出轴轴线与主躯干1中主杆101轴线位于同一平面内，且朝向主躯干1末端，与主躯干1中主杆101间形成10°夹角，该角度决定了左翅膀组件与右翅膀组件的前掠角度。舵机摇臂202垂直于驱动舵机201输出轴设置，输入端与驱动舵机201输出轴固定，输出端端部开有直径1.8mm的翅膀连接盲孔203，翅膀连接盲孔203轴线垂直于驱动舵机201输出轴。两套翅膀驱动组件2通过舵机摇臂202上的翅膀连接盲孔203分别连接左翅膀组件与右翅膀组件。
所述左翅膀组件与右翅膀组件结构与尺寸参数相同，对称设置于主躯干1左右两侧，由外轮廓杆301、主驱动杆302、翅脉303、翅根连接件304与弹性薄膜305构成，如图8所示。其中，翅根连接件304采用截面似扇形结构，厚度为2.0mm，如图9所示；翅根连接件203的弧面上，由前至后依次开有盲孔A306、通孔307、盲孔B308、盲孔C309、盲孔D310与盲孔E311；直径依次为1.5mm、2.0mm、1.2mm、1.2mm、1.2mm。左翅膀组件与右翅膀组件的翅膀外轮廓由外轮廓杆301弯折后构成，外轮廓杆301采用碳纤维杆，前后两端分别***翅根连接件304前后位置开设的盲孔A306与盲孔E311中固定。
外轮廓杆301中部由前至后依次固定套有三个三通结构的翅脉连接件312，分别用来连接三根翅脉303，使翅膀外轮廓形成仿蝴蝶翅膀的形状。其中，三根翅脉303一端分别与三个翅脉连接件312固定，另一端分别***翅根连接件304中部开设的的盲孔B308、盲孔C309与盲孔D310固定。上述三根翅脉303由后至前长度依次减短，且均小于主驱动杆302长度，由此通过后部的翅脉303可使碳纤维杆301中部形成凹进结构，通过该凹进结构使外轮廓杆301前部与后部外凸；通过中部与前部的翅脉303，可稳定翅膀外轮廓中部结构，且使翅膀外轮廓前部与后部外凸部分间平滑过渡。
外轮廓杆301前部固定套有三通结构的主驱动杆连接件313，位于前部外凸部分处，用来连接主驱动杆302。所述主驱动杆302为直径1.5mm、长度350mm的实心碳纤维杆，一端与主驱动杆连接件312固连，另一端穿过翅根连接件304开设的通孔后，***翅膀驱动组件2中舵机摇臂202上的翅膀连接盲孔203固定；且确保翅根连接件304紧贴舵机摇臂202的输出端；由此通过驱动舵机201输出动力，经舵机摇臂202传递至主驱动杆302，由主驱动杆302驱动翅膀组件3的扑打运动。
上述翅脉连接件306、主驱动杆连接件313、翅根连接件304、主驱动杆302与翅脉303均采用PLA材料，利用3D打印制作。翅膀外轮廓后部的外凸部分呈U型结构，达到稳定作用；且后部外凸部分固定于主躯干1中翅膀连接铰链102端部的翅膀连接孔102b内，实现翅膀组件3与主躯干1间的固定，最终实现翅膀组件3的翻转运动而不甩动。
所述弹性薄膜305为TPU弹性薄膜，根据翅膀外轮廓切割形成，铺设于翅膀外轮廓上，最终形成仿生蝴蝶飞行器。
本发明中所述的微控制***3为长30mm、宽20mm、厚1.2mm的PCB印刷电路，集成有1个IMU(Inertial Measurement Unit)包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺、1个ZigBee超低功耗无线通讯模块，用来及时反馈当前仿生蝴蝶飞行器的姿态及航迹，通过调整双翅扑打规律，保证仿生蝴蝶飞行器飞行的稳定性。左翅膀组件与右翅膀组件中的驱动舵机201通过6根0.2mm导线与微控制***3输出控制的焊盘焊接相连；微控制***的PCB板上设置连接通孔，通过螺钉与2个控制器连接支架相连，使其位置可调，便于测试中调节仿生蝴蝶飞行器重心。由此通过ZigBee超低功耗无线通讯模块微控制***3输出不同的控制指令独立驱动左翅膀组件与右翅膀组件中的驱动舵机201，进而控制本发明仿生蝴蝶飞行器的左翅膀组件与右翅膀组件的扑打运动，通过改变左翅膀组件与右翅膀组件的扑打频率以及始末相位，使仿生蝴蝶飞行器高效稳定完成俯仰、偏航等动作，实现仿生蝴蝶飞行器的自主飞行。
本发明中所述的供电***4包括电池与稳压电路。电池采用2块120mAh的锂聚合物电池；2块120mAh的锂聚合物电池串联。电池与稳压模块间，以及稳压模块与微控制***3间均通过0.2mm银制漆包线相连，通过稳压模块将锂电池输出的7V至7.6V电压分别稳定到伺服电机201所需要的7.4V电压及IMU及ZigBee模块所需要的3.3V。
本发明仿生蝴蝶飞行器通过俯仰姿态、推进效率的实验测试，获得最为高效的运动模式，即以每秒1-2次的频率扑打翅膀，开始扑打的位置是与主躯干1所在水平面夹角为60°的位置，下扑到夹角为-10°的位置，再上扑，以此形式上下扑打，经过实验测算，本发明仿生蝴蝶飞行器的最高速度可达到1.5m/s,飞行3-4分钟，供电***4的180mAh锂电池需要充15分钟电。
Claims (7)
1.一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，包括主躯干、翅膀驱动组件与翅膀组件；其中,翅膀组件包括左翅膀组件和右翅膀组件，分别安装于主躯干前端两侧安装的翅膀驱动组件上，且镜像对称；其特征在于：
左翅膀组件与右翅膀组件均由外轮廓杆、主驱动杆、翅脉、翅根连接件与弹性薄膜构成；其中，翅根连接件采用截面似扇形结构；翅膀组件与右翅膀组件的翅膀外轮廓由外轮廓杆构成，外轮廓杆前后两端分别***翅根连接件前后位置开设的盲孔中固定；
外轮廓杆中部由前至后依次固定套有翅脉连接件，用来连接翅脉，通过翅脉使翅膀外轮廓中部凹进，形成仿蝴蝶翅膀的形状；外轮廓杆前部固定有主驱动杆连接件，主驱动杆一端与主驱动杆连接件固连，另一端穿过翅根连接件上开设的通孔后，固定于翅膀驱动组件中驱动舵机摇臂上；翅膀外轮廓后部与主躯干中部安装的铰接件铰接。
所述弹性薄膜铺设于翅膀外轮廓上。
2.如权利要求1所述一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于：翅脉连接件为三根，对应在外轮廓杆中部安装三个翅脉连接件；三根翅脉由后至前长度依次减短，且均小于主驱动杆长度。
3.如权利要求1所述一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于：翅脉连接件、主驱动杆连接件、翅根连接件、主驱动杆与翅脉均采用PLA材料，利用3D打印制作；外轮廓杆采用碳纤维杆。
4.如权利要求1所述一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于：翅膀外轮廓后部呈U型结构。
5.如权利要求1所述一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于：弹性薄膜为TPU弹性薄膜。
6.如权利要求1所述一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于：微控制***为PCB印刷电路，集成有1个IMU，包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺、1个ZigBee超低功耗无线通讯模块，用来及时反馈当前仿生蝴蝶飞行器的姿态及航迹；左翅膀组件与右翅膀组件中的驱动舵机通过导线与微控制***输出控制的焊盘焊接相连。
7.如权利要求1所述一种连翅仿生蝴蝶扑翼飞行器，其特征在于：所述的供电***包括电池与稳压电路；电池采用2块120mAh的锂聚合物电池；2块120mAh的锂聚合物电池串联；电池与稳压模块间，以及稳压模块与微控制***间均通过银制漆包线相连，通过稳压模块将锂电池输出的7V至7.6V电压分别稳定到驱动舵机所需要的7.4V电压及IMU及ZigBee模块所需要的3.3V。
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