CN107310723B - 无尾扑翼飞行器及其飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无尾扑翼飞行器及其飞行控制方法，无尾扑翼飞行器包括机架和安装在机架上的两套结构相同的独立的扑翼机构。所述的机架下方带有起落架，该扑翼飞行器停放在水平面上时，机架的底面与水平面平行。每套扑翼机构均包括机翼、动子、类似工字形软铁芯、线圈、边缘有槽轮、橡胶圈。本发明使用摆动电机直接带动机翼摆动，摆动电机与机翼之间没有传动机构，有利于减少扑翼飞行器的重量、能耗、噪声，通过改变施加到摆动电机两极上的电压的波形来控制扑翼飞行器的飞行，不需要复杂的控制机构来控制扑翼飞行器的飞行，有利于减少扑翼飞行器的重量。扑翼机构强度高，寿命长，制造成本低。

Description

无尾扑翼飞行器及其飞行控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体是一种无尾扑翼飞行器及其飞行控制方法。

背景技术

自然界中，部分鸟类和昆虫的扑翼飞行方式可以实现悬停，具有很高的机动性和很低的能耗。人造扑翼飞行器在军用、民用方面有十分广阔的应用前景。美国研制出了“蜂鸟”微型扑翼飞行器，在人造扑翼飞行器方面取得了突破。

现有技术中，人造扑翼飞行器存在以下问题：

1.使用旋转电机带动机翼摆动，旋转电机与机翼之间需要传动机构将旋转电机的转动转化为机翼的摆动，增加了扑翼飞行器的重量、能耗、噪声。

2.通过控制机翼的攻角来控制扑翼飞行器的飞行，控制机构复杂，增加了扑翼飞行器的重量。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种无尾扑翼飞行器及其飞行控制方法，使用摆动电机直接带动机翼摆动，摆动电机与机翼之间没有传动机构，有利于减少无尾扑翼飞行器的重量、能耗、噪声，通过改变施加到摆动电机两极上的电压的波形来控制无尾扑翼飞行器的飞行，不需要复杂的控制机构来控制无尾扑翼飞行器的飞行，有利于减少无尾扑翼飞行器的重量。扑翼机构强度高，寿命长，制造成本低。

本发明提供的无尾扑翼飞行器，包括机架和安装在机架上的两套结构相同的独立的扑翼机构。所述的机架下方带有起落架，该无尾扑翼飞行器停放在水平面上时，机架的底面与水平面平行。每套扑翼机构均包括机翼、动子、类似工字形软铁芯、线圈、边缘有槽轮、橡胶圈。所述的机翼通过第一铰链与所述的动子连接，第一铰链轴线与机架的底面平行。动子通过第二铰链与机架连接，第二铰链轴线与机架底面垂直，无尾扑翼飞行器静止时的重心在两套扑翼机构的第二铰链轴线的正中间，动子围绕第二铰链摆动的最大范围取160°至200°，动子上设置有限制机翼攻角的凸起，凸起限制机翼围绕第一铰链只能在一个固定的范围内摆动，该范围大小取60°至120°，无尾扑翼飞行器飞行时，机翼可在该范围内围绕第一铰链在空气动力和惯性力的作用下摆动。无尾扑翼飞行器悬停时，机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段和逆时针摆动阶段机翼达到的最小正攻角大小一致。动子上固定有圆环形导磁材料，其中圆环的圆心在第二铰链轴线上，圆环形导磁材料内侧固定有两块圆弧形永磁体，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，圆弧形永磁体充磁方式为辐射充磁，一块圆弧形永磁体N极在内侧，另一块圆弧形永磁体S极在内侧。动子包围着所述的类似工字形软铁芯，类似工字形软铁芯的外侧为圆弧，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，类似工字形软铁芯中间有一个让第二铰链穿过的通孔。无尾扑翼飞行器静止时，圆弧形永磁体的圆弧的圆心角的角平分线与类似工字形软铁芯外侧的圆弧的圆心角的角平分线垂直。所述的线圈绕在类似工字形软铁芯上对应“工”字一竖部分，线圈与电源连接，类似工字形软铁芯固定在机架上。当无尾扑翼飞行器静止时俯视无尾扑翼飞行器，给线圈施加正向电压时，动子受到的磁场力使动子获得顺时针方向的力矩；给线圈施加反向电压时，动子受到的磁场力使动子获得逆时针方向的力矩。一个所述的边缘有槽轮通过第三铰链与动子连接，第三铰链轴线与机架底面垂直，一个边缘有槽轮通过第四铰链与机架连接，第四铰链轴线与机架底面垂直。所述的橡胶圈绷紧在两个边缘有槽轮之间，使无尾扑翼飞行器静止时一套扑翼机构的第二铰链轴线、第三铰链轴线、第四铰链轴线在一个平面内，当机翼和动子围绕第二铰链摆动离开平衡位置时橡胶圈提供回复力。给线圈通方波交流电，机翼会围绕第二铰链摆动，一个周期内最长施加电压时间取周期的20%至60%，方波交流电的频率取机翼围绕第二铰链摆动固有频率的110%至140%，给两套扑翼机构的线圈通的方波交流电频率一致。当给左侧线圈施加正向电压时，给右侧线圈施加反向电压或不给右侧线圈施加电压；当给左侧线圈施加反向电压时，给右侧线圈施加正向电压或不给右侧线圈施加电压；当给右侧线圈施加正向电压时，给左侧线圈施加反向电压或不给左侧线圈施加电压；当给右侧线圈施加反向电压时，给左侧线圈施加正向电压或不给左侧线圈施加电压。

本发明还提供了一种无尾扑翼飞行器的飞行控制方法，包括以下过程：

偏航运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链顺时针摆动用的时间短，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链逆时针摆动用的时间长，无尾扑翼飞行器获得向左偏航的力矩，向左偏航；增加给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链逆时针摆动用的时间短，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链顺时针摆动用的时间长，无尾扑翼飞行器获得向右偏航的力矩，向右偏航。

前后运动：增加给左侧线圈施加反向电压的时间，减少给左侧线圈施加正向电压的时间，增加给右侧线圈施加正向电压的时间，减少给右侧线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，无尾扑翼飞行器向前倾斜，向前运动；增加给左侧线圈施加正向电压的时间，减少给左侧线圈施加反向电压的时间，增加给右侧线圈施加反向电压的时间，减少给右侧线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，无尾扑翼飞行器向后倾斜，向后运动。

侧向运动：增加给右侧线圈施加电压的时间，减少给左侧线圈施加电压的时间，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，无尾扑翼飞行器向左倾斜，向左运动；增加给左侧线圈施加电压的时间，减少给右侧线圈施加电压的时间，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，无尾扑翼飞行器向右倾斜，向右运动。

垂直运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力大于无尾扑翼飞行器的重力，无尾扑翼飞行器上升；减少给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力小于无尾扑翼飞行器的重力，无尾扑翼飞行器下降。

本发明有益效果在于：

1、使用摆动电机直接带动机翼摆动，摆动电机与机翼之间没有传动机构，有利于减少无尾扑翼飞行器的重量和能耗。

2、摆动电机内有一个类似工字形软铁芯，使摆动电机漏磁少，效率高，摆动角度大，产生的力矩大。

3、通过改变施加到摆动电机两极上的电压的波形来控制无尾扑翼飞行器的飞行，不需要复杂的控制机构来控制无尾扑翼飞行器的飞行，有利于减少无尾扑翼飞行器的重量。

4、扑翼机构强度高，寿命长，制造成本低。

附图说明

图1为本发明停放在水平面上时的俯视图。

图2为本发明左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动到最大角度且右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动到最大角度的俯视图。

图3为本发明左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动到最大角度且右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动到最大角度的轴测图。

图4为本发明去掉机翼、动子、边缘有槽轮、橡胶圈的俯视图。

图5为本发明动子的轴测图。

图6为无尾扑翼飞行器静止时一套扑翼机构的类似工字形软铁芯、线圈、圆环形导磁材料、圆弧形永磁体的俯视图。

图7为本发明机架的轴测图。

图8为本发明机翼的轴测图。

图9为本发明类似工字形软铁芯、线圈的轴测图。

图10为本发明边缘有槽轮的轴测图。

图11为向左偏航时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围。

图12为向左偏航时一个周期内给左侧线圈施加电压的波形。

图13为向左偏航时一个周期内给右侧线圈施加电压的波形。

图14为向前运动时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围。

图15为向前运动时一个周期内给左侧线圈施加电压的波形。

图16为向前运动时一个周期内给右侧线圈施加电压的波形。

图17为向左运动时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围。

图18为向左运动时一个周期内给左侧线圈施加电压的波形。

图19为向左运动时一个周期内给右侧线圈施加电压的波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的无尾扑翼飞行器整体结构如图1所示，包括机架1（如图7所示）和安装在机架1上的扑翼结构，机架1下方带有起落架，该无尾扑翼飞行器停放在水平面上时，机架的底面与水平面平行。

图2为本发明左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动到最大角度且右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动到最大角度的俯视图。

图3为本发明左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动到最大角度且右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动到最大角度的轴测图。

机架1上安装有两套结构相同的独立的扑翼机构，四套扑翼机构左右对称且前后对称地分布在机架的四个角上，每套扑翼机构均包括机翼2（如图8所示）、动子3（如图5所示）、类似工字形软铁芯4（如图9所示）、线圈5、边缘有槽轮6（如图10所示）和橡胶圈7，其中，所述的机翼2通过第一铰链与所述的动子3连接，第一铰链轴线与机架1的底面平行，动子3通过第二铰链与机架1连接，第二铰链轴线与机架底面垂直，动子3上固定有圆环形导磁材料9，其中圆环的圆心在第二铰链轴线上，圆环形导磁材料9内侧固定有两块圆弧形永磁体10，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，圆弧形永磁体10充磁方式为辐射充磁，一块圆弧形永磁体N极在内侧，另一块圆弧形永磁体S极在内侧（如图6所示）。

图4为本发明去掉机翼、动子、边缘有槽轮、橡胶圈的俯视图。所述的类似工字形软铁芯4固定在机架1上被动子3包围，类似工字形软铁芯4的外侧为圆弧，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，类似工字形软铁芯4中间有一个让第二铰链穿过的通孔；无尾扑翼飞行器静止时，圆弧形永磁体10的圆弧的圆心角的角平分线与类似工字形软铁芯4外侧的圆弧的圆心角的角平分线垂直；所述的类似工字形软铁芯4上对应“工”字一竖部分缠绕有线圈5，线圈5与电源连接；当无尾扑翼飞行器静止时俯视无尾扑翼飞行器，给线圈5施加正向电压时，动子3受到的磁场力使动子3获得顺时针方向的力矩；给线圈5施加反向电压时，动子3受到的磁场力使动子3获得逆时针方向的力矩；一个边缘有槽轮6通过第三铰链与动子3连接，第三铰链轴线与机架1底面垂直，一个边缘有槽轮6通过第四铰链与机架1连接，第四铰链轴线与机架1底面垂直；所述的橡胶圈7绷紧在两个边缘有槽轮6之间，使无尾扑翼飞行器静止时一套扑翼机构的第二铰链轴线、第三铰链轴线、第四铰链轴线在一个平面内，当机翼2和动子3围绕第二铰链摆动离开平衡位置时橡胶圈7提供回复力；给线圈5通方波交流电，机翼2会围绕第二铰链摆动，一个周期内最长施加电压时间取周期的20%至60%，方波交流电的频率取机翼围绕第二铰链摆动固有频率的110%至140%，给两套扑翼机构的线圈5通的方波交流电频率一致。

动子3围绕第二铰链摆动的最大范围取160°至200°，动子3上设置有限制机翼攻角的凸起8，凸起8限制机翼2围绕第一铰链只能在一个固定的范围内摆动，该范围大小取60°至120°，无尾扑翼飞行器飞行时，机翼2可在该范围内围绕第一铰链在空气动力和惯性力的作用下摆动，无尾扑翼飞行器悬停时，机翼2围绕第二铰链顺时针摆动阶段和逆时针摆动阶段机翼2达到的最小正攻角大小一致。

本发明还提供了一种无尾扑翼飞行器的飞行控制方法，包括以下过程：

偏航运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链顺时针摆动用的时间短，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链逆时针摆动用的时间长，无尾扑翼飞行器获得向左偏航的力矩，向左偏航；增加给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链逆时针摆动用的时间短，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链顺时针摆动用的时间长，无尾扑翼飞行器获得向右偏航的力矩，向右偏航。

前后运动：增加给左侧线圈施加反向电压的时间，减少给左侧线圈施加正向电压的时间，增加给右侧线圈施加正向电压的时间，减少给右侧线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，无尾扑翼飞行器向前倾斜，向前运动；增加给左侧线圈施加正向电压的时间，减少给左侧线圈施加反向电压的时间，增加给右侧线圈施加反向电压的时间，减少给右侧线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，无尾扑翼飞行器向后倾斜，向后运动。

侧向运动：增加给右侧线圈施加电压的时间，减少给左侧线圈施加电压的时间，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，无尾扑翼飞行器向左倾斜，向左运动；增加给左侧线圈施加电压的时间，减少给右侧线圈施加电压的时间，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，无尾扑翼飞行器向右倾斜，向右运动。

垂直运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力大于无尾扑翼飞行器的重力，无尾扑翼飞行器上升；减少给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力小于无尾扑翼飞行器的重力，无尾扑翼飞行器下降。

向左偏航时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围如图11所示。

向左偏航时一个周期内给左侧线圈施加电压的波形如图12所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段，两条虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段。

向左偏航时一个周期内给右侧线圈施加电压的波形如图13所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段，两条虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段。

向前运动时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围如图14所示。

向前运动时一个周期内给左侧线圈施加电压的波形如图15所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段，两条虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段。

向前运动时一个周期内给右侧线圈施加电压的波形如图16所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段，两条虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段。

向左运动时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围如图17所示。

向左运动时一个周期内给左侧线圈施加电压的波形如图18所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段，两条虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段。

向左运动时一个周期内给右侧线圈施加电压的波形如图19所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段，两条虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无尾扑翼飞行器，包括机架（1）和安装在机架（1）上的扑翼结构，机架（1）下方带有起落架，该无尾扑翼飞行器停放在水平面上时，机架（1）的底面与水平面平行，其特征在于：机架（1）上安装有两套结构相同的独立的扑翼机构，每套扑翼机构均包括机翼（2）、动子（3）、类似工字形软铁芯（4）、线圈（5）、边缘有槽轮（6）和橡胶圈（7），其中，所述的机翼（2）通过第一铰链与所述的动子（3）连接，第一铰链轴线与机架（1）的底面平行，动子（3）通过第二铰链与机架（1）连接，第二铰链轴线与机架（1）底面垂直，动子（3）上固定有圆环形导磁材料（9），其中圆环的圆心在第二铰链轴线上，圆环形导磁材料（9）内侧固定有两块圆弧形永磁体（10），其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，圆弧形永磁体充磁方式为辐射充磁，一块圆弧形永磁体N极在内侧，另一块圆弧形永磁体S极在内侧；所述的类似工字形软铁芯（4）固定在机架（1）上被动子（3）包围，类似工字形软铁芯（4）的外侧为圆弧，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，类似工字形软铁芯（4）中间有一个让第二铰链穿过的通孔；无尾扑翼飞行器静止时，圆弧形永磁体（10）的圆弧的圆心角的角平分线与类似工字形软铁芯（4）外侧的圆弧的圆心角的角平分线垂直；所述的类似工字形软铁芯（4）上对应“工”字一竖部分缠绕有线圈（5），线圈（5）与电源连接；当无尾扑翼飞行器静止时俯视无尾扑翼飞行器，给线圈施加正向电压时，动子（3）受到的磁场力使动子获得顺时针方向的力矩；给线圈施加反向电压时，动子（3）受到的磁场力使动子获得逆时针方向的力矩；一个边缘有槽轮（6）通过第三铰链与动子（3）连接，第三铰链轴线与机架（1）底面垂直，一个边缘有槽轮（6）通过第四铰链与机架（1）连接，第四铰链轴线与机架（1）底面垂直；所述的橡胶圈（7）绷紧在两个边缘有槽轮（6）之间，使无尾扑翼飞行器静止时一套扑翼机构的第二铰链轴线、第三铰链轴线、第四铰链轴线在一个平面内，当机翼（2）和动子（3）围绕第二铰链摆动离开平衡位置时橡胶圈（7）提供回复力；给线圈（5）通方波交流电，机翼（2）会围绕第二铰链摆动，一个周期内最长施加电压时间取周期的20%至60%，方波交流电的频率取机翼围绕第二铰链摆动固有频率的110%至140%，给两套扑翼机构的线圈通的方波交流电频率一致。

2.根据权利要求1所述的无尾扑翼飞行器，其特征在于：动子围绕第二铰链摆动的最大范围取160°至200°，动子上设置有限制机翼攻角的凸起（8），凸起（8）限制机翼围绕第一铰链只能在一个固定的范围内摆动，该范围大小取60°至120°，扑翼飞行器飞行时，机翼可在该范围内围绕第一铰链在空气动力和惯性力的作用下摆动，扑翼飞行器悬停时，机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段和逆时针摆动阶段机翼达到的最小正攻角大小一致。

3.一种权利要求1所述的无尾扑翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于包括以下过程：

偏航运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链顺时针摆动用的时间短，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链逆时针摆动用的时间长，无尾扑翼飞行器获得向左偏航的力矩，向左偏航；增加给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链逆时针摆动用的时间短，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链顺时针摆动用的时间长，无尾扑翼飞行器获得向右偏航的力矩，向右偏航;

前后运动：增加给左侧线圈施加反向电压的时间，减少给左侧线圈施加正向电压的时间，增加给右侧线圈施加正向电压的时间，减少给右侧线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，无尾扑翼飞行器向前倾斜，向前运动；增加给左侧线圈施加正向电压的时间，减少给左侧线圈施加反向电压的时间，增加给右侧线圈施加反向电压的时间，减少给右侧线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，无尾扑翼飞行器向后倾斜，向后运动;

侧向运动：增加给右侧线圈施加电压的时间，减少给左侧线圈施加电压的时间，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，无尾扑翼飞行器向左倾斜，向左运动；增加给左侧线圈施加电压的时间，减少给右侧线圈施加电压的时间，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，无尾扑翼飞行器向右倾斜，向右运动;

垂直运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力大于无尾扑翼飞行器的重力，无尾扑翼飞行器上升；减少给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力小于无尾扑翼飞行器的重力，无尾扑翼飞行器下降。

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