CN110861773A - 一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人 - Google Patents

一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人 Download PDF

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刘上平
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Abstract

本发明提供一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其包括机身、弧面机翼、尾翼、控制机构、空投机构以及电池；弧面机翼对称连接在机身的两侧，在驱动舵机的驱动下扑动，为空投扑翼飞行机器人提供飞行所需的升力和推力；尾翼连接在机身的后端；控制机构包括控制板、惯性测量单元以及全球定位***；惯性测量单元和全球定位***用于对空投扑翼飞行机器人的飞行姿态及位置进行测量；控制板用于接收上位机平台的控制指令，并通过融合惯性测量单元及全球定位***的测量数据，控制空投扑翼飞行机器人飞行，并控制空投机构进行空投。本发明的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人实现了面向扑翼飞行机器人的空投任务，扩充了扑翼飞行机器人的应用领域。

Description

一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人
技术领域
本发明涉及仿生扑翼飞行机器人技术领域，特别是指一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人。
背景技术
仿生扑翼飞行机器人通过模仿自然界的鸟类、昆虫等飞行生物，采用扑动翅膀的方式进行飞行，相比现有的固定翼飞行器和旋翼飞行器，扑翼飞行机器人机动性强，对飞行场地要求较低，飞行效率高，隐蔽性好，在微型无人机空投领域具有广泛的应用前景。
仿生扑翼飞行机器人的特点之一是扑动翅膀飞行时会产生机体抖动，若要完成小范围高精度空投任务，采用滑翔飞行的方式可以大大增加投放的精度。
现有的扑翼飞行机器人大多自重大，载重量低，且采用电机驱动和平面翼设计；其中，采用电机驱动，无电位器的设计使得现有扑翼飞行机器人无法实现翅膀平展滑翔的动作，而采用平面翼的设计，会使得扑翼飞行机器人在滑翔时的升阻比较小，造成滑翔时间和距离较短，且滑翔过程中极易出现往复的失速过程，如此一来大大降低了扑翼飞行机器人的飞行效率和稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，解决现有扑翼飞行机器人自重大、负载能力低、无法自主空投的问题。
通过设计翼根部弧度较大，翼尖部弧度较小的机翼骨架结构，提升了扑翼飞行机器人整体的稳定性、负载能力和飞行效率，仿生度较高。并在此基础上设计了基于视觉控制的自主空投***，利用机载图像采集模块识别空投区域，通过惯性测量单元和全球定位***的测量数据，解算出空投目标区域的相对位置和投放物的预测落点，控制空投机构实现自主空投。
具体地，为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，包括机身、弧面机翼、尾翼、控制机构、空投机构以及电池；
所述机身上固定有驱动舵机，所述弧面机翼对称连接在所述机身的两侧，并与所述驱动舵机传动连接，在所述驱动舵机的驱动下扑动，为所述空投扑翼飞行机器人提供飞行所需的升力和推力；所述尾翼连接在所述机身的后端；
所述控制机构、空投机构以及电池均固定在所述机身上；其中，所述控制机构包括控制板、惯性测量单元以及全球定位***；所述电池、惯性测量单元以及全球定位***均与所述控制板电连接；所述电池用于为所述控制板供电；
所述惯性测量单元和全球定位***用于对所述空投扑翼飞行机器人的飞行姿态及位置进行测量；所述控制板用于接收上位机平台的控制指令，并通过融合所述惯性测量单元及全球定位***的测量数据，通过控制所述驱动舵机控制所述空投扑翼飞行机器人飞行，并控制所述空投机构进行空投。
其中，所述控制机构还包括数传模块，所述数传模块与控制板电连接，用于将所述空投扑翼飞行机器人的飞行姿态及位置实时传输到所述上位机平台。
其中，所述机身包括机身主架、舵机固定件以及横向支撑架；所述舵机固定件插接在所述机身主架的前端，所述驱动舵机固定在所述舵机固定件上；所述横向支撑架一端插接在所述机身主架的后端，另一端与所述驱动舵机插接。
其中，所述机身还包括插接在所述机身主架中的水平载物架；所述控制板、惯性测量单元、全球定位***、数传模块以及电池均固定在所述水平载物架上。
其中，所述弧面机翼包括机翼骨架和覆盖在所述机翼骨架上的机翼覆膜；
所述机翼骨架包括固定在一起的前缘杆、外侧杆、弧形的斜撑以及翼肋；所述翼肋和斜撑形成翼面弧度；所述前缘杆的末端与所述驱动舵机的舵机臂固定连接，所述斜撑的末端与位于所述机身后端的后缘固定件铰接。
其中，所述尾翼包括尾翼固定件、尾翼骨架和覆盖在尾翼骨架上的尾翼覆膜；所述尾翼骨架与所述尾翼固定件插接，所述尾翼固定件插接在机身的后端。
其中，所述空投扑翼飞行机器人还包括图像采集模块，所述图像采集模块垂直向下安装在所述机身中间靠前方的位置，所述图像采集模块用于采集航拍图像并将采集的航拍图像实时传输给所述上位机平台显示。
其中，所述空投机构包括空投仓和空投舵机；所述空投舵机和空投仓分别安装在所述机身的两侧，所述空投舵机与所述控制机构电连接，所述空投舵机的舵机臂将空投仓锁闭，当所述空投舵机的舵机臂弹开时，所述空投仓打开。
其中，所述上位机平台用于与所述控制机构通信，向所述控制机构发送控制指令，并实时显示空投扑翼飞行机器人的飞行姿态、位置信息及速度信号。
其中，所述上位机平台还用于根据所述图像采集模块采集的航拍图像自主识别空投区域，并通过融合所述惯性测量单元及全球定位***的测量数据，实时预测空投落点，并在所述图像采集模块传回的航拍图像中显示空投落点。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人的机翼采用渐进变化的弧面结构，相比于现有的平面翼结构具有更好的仿生效果，可以有效提升机身载重量并通过滑翔提高飞行效率，在此基础上设计的基于视觉的自主空投***，通过机载图像采集模块实时采集的图像和机载惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)和全球定位***(Global Positioning System,GPS)的融合数据，预测空投物体落点并执行空投指令，可自主完成空投任务。
附图说明
图1为本发明的空投扑翼飞行机器人的整体结构示意图；
图2为本发明的空投扑翼飞行机器人的另一整体结构示意图；
图3为本发明的机身结构示意图；
图4为本发明的单侧的弧面机翼的结构示意图；
图5为本发明的翼肋的结构示意图；
图6为本发明的机身主架的结构示意图；
图7为本发明的横向支撑架的结构示意图；
图8为本发明的尾翼的结构示意图。
[主要元件符号说明]
1、机翼覆膜；2、前缘杆；3、外侧杆；4、斜撑；5、翼肋；6、圆片；
7、尾翼覆膜；8、横向翼骨；9、第一翼骨；10、第二翼骨；
11、尾翼固定件；12、机身主架；13、第一插槽；14、第三插槽；
15、缝隙；16、第二插槽；17、第四插槽；18、前端插槽；19、后端插槽；
20、单侧开槽；21、后缘固定件；22、横向支撑架；23、驱动舵机臂；
24、舵机固定件；25、驱动舵机；26、图像采集模块；27、空投仓；
28、空投舵机；29、空投舵机臂；30、电池；31、控制板；
32、惯性测量单元；33、全球定位***；34、数传模块；35、水平载物架。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
请参阅图1至图8，本实施例提供一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其包括机身、弧面机翼、尾翼、控制机构、空投机构以及电池30；
机身上固定有驱动舵机25，尾翼连接在机身后端；弧面机翼对称连接在机身两侧，并与驱动舵机25传动连接，左右一对弧面机翼在驱动舵机25的驱动下扑动，为空投扑翼飞行机器人提供飞行所需的升力和推力；飞行过程中驱动舵机25可对两侧的弧面机翼分别独立控制，可进行两侧差相位或差幅控制，以更好的控制飞行姿态；弧面机翼的设计与驱动舵机25相结合，可完成飞行过程中的滑翔动作，且由于驱动舵机25的差动控制，滑翔过程中也可对扑翼飞行机器人的方向和下降速度实时调控，从而更加精准地完成空投任务。
上述控制机构、空投机构以及电池30均固定在机身上；其中，控制机构包括控制板31、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)32、全球定位***(GlobalPositioning System,GPS)33以及数传模块34；电池30、惯性测量单元32、数传模块34以及全球定位***33均与控制板31电连接；电池30用于为控制板31供电；
惯性测量单元32和全球定位***33用于对空投扑翼飞行机器人的飞行姿态及位置进行测量；控制板31用于接收上位机平台的控制指令，并通过融合惯性测量单元32及全球定位***33的测量数据，通过控制驱动舵机25控制空投扑翼飞行机器人飞行，并控制空投机构进行空投。数传模块34用于将空投扑翼飞行机器人的飞行姿态及位置，如三轴欧拉角、四元数、飞行高度、GPS信号等数据实时传输到上位机平台，从而方便观察和控制。具体地，本实施例中数传模块34采用5.8GHz频段进行实时传输。
具体地，机身包括机身主架12、舵机固定件24、横向支撑架22以及水平载物架35；具体地，在本实施例中，该机身主架12采用碳纤维板做成鸟类身体的外形，同时在不影响机身结构强度的前提下设计了若干减重孔；舵机固定件24与位于机身主架12前端的第一插槽13垂直插接，驱动舵机25固定在舵机固定件24上；横向支撑架22的后端插槽19与位于机身主架12后端的第二插槽16插接，而为了更好的固定驱动舵机25，横向支撑架22的前端插槽18与驱动舵机25下端螺丝孔的位置再次插接。水平载物架35与机身主架12上的第三插槽14插接；上述控制板31、惯性测量单元32、全球定位***33、数传模块34以及电池30均固定在水平载物架35上。
上述弧面机翼包括机翼骨架和覆盖在机翼骨架上的机翼覆膜1；其中，机翼骨架包括固定在一起的前缘杆2、较细的外侧杆3、弧形的斜撑4、翼肋5以及用于固定翼肋5和前缘杆2的圆片6；每侧弧面机翼设计采用两根弧形的翼肋5加上带有弧度的斜撑4，再加上外侧的细杆增加柔性；斜撑4和翼肋5上分别设置有单侧开槽20，为了便于固定，之间用凯夫拉线进行连接，同时外侧杆3与斜撑4的连接也采用凯夫拉线进行连接，不仅可以保证强度还可以增加机翼的柔性，在飞行过程中起到增强飞行稳定性的作用。翼肋5和斜撑4形成翼面弧度，利用伯努利原理提升滑翔飞行时的升力；机翼的外侧杆3可以保证机翼的刚度；而为了保证翼肋不会斜向弯曲，翼肋5和前缘杆2之间的连接用两个圆片6进行夹紧粘牢。
在弧面机翼与机身主架12的连接部分，机翼覆膜1通过机身主架12留出的缝隙15穿过，确保不会上下晃动；前缘杆2的末端与驱动舵机25的驱动舵机臂23固定连接，斜撑4的末端设有一圆孔，与位于机身后端的后缘固定件21上的圆孔铰接，可进行转动。
上述尾翼包括尾翼固定件11、尾翼骨架和覆盖在尾翼骨架上的尾翼覆膜7；其中，尾翼骨架包括两条第一翼骨9、两条第二翼骨10和一条横向翼骨8；尾翼固定件11上镂空四条半圆柱型槽，两条第一翼骨9和两条第二翼骨10分别插接在尾翼固定件11的半圆型槽中，横向翼骨8可增强尾翼刚性；尾翼固定件11插接在机身主架12后端的第四插槽17中，使得尾翼成固定角度。
上述空投机构包括空投仓27和空投舵机28；空投舵机28和空投仓27分别安装在机身主架12的两侧，空投舵机28与控制机构电连接，空投舵机28的空投舵机臂29将空投仓27锁闭，执行空投指令时，空投舵机臂29弹开，此时空投仓27打开，空投仓27内的投掷物自然下落。
进一步地，本实施例的空投扑翼飞行机器人还包括图像采集模块26，该图像采集模块26垂直向下安装在机身主架12中间靠前方的位置，用于采集航拍图像并将采集的航拍图像实时传输给上位机平台显示；上位机平台与控制机构通信，可向控制机构发送控制指令，上位机平台可选波特率、并可实时显示空投扑翼飞行机器人的飞行姿态、角速度、角加速度、遥控器的远程控制(Remote Control，RC)信号、位置信息及速度信号等；同时还可以显示数据曲线，可根据图像采集模块26采集的航拍图像自主识别空投区域，并通过融合惯性测量单元32及全球定位***33的测量数据(飞行速度、机体姿态、飞行高度等)实时预测空投落点，并在图像采集模块26传回的航拍图像中显示空投落点。此外，还可以根据用户输入的指令保存视频流和数据流；作为辅助，用户也可以通过上位机平台手动执行空投指令和复位。
此外，值得一提的是，本实施例的扑翼飞行机器人除机翼覆膜1、尾翼覆膜7及外部设备外，其他部分如机身主架12、机翼骨架、尾翼骨架、横向支撑架22、水平载物架35等均采用1mm或2mm厚度的碳纤维板制成，整机重量仅150g左右，可满足轻量化指标，可在此扑翼飞行机器人平台完成空投任务。
综上，本实施例的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人的机翼采用渐进变化的弧面结构，相比于现有的平面翼结构具有更好的仿生效果，可以有效提升机身载重量并通过滑翔提高飞行效率，在此基础上设计的基于视觉的自主空投***，通过机载图像采集模块实时采集的图像和机载IMU和GPS的融合数据，预测空投物体落点并执行空投指令，可自主完成空投任务。
此外，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物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
还需说明的是，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 (10)

1.一种基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，包括机身、弧面机翼、尾翼、控制机构、空投机构以及电池；
所述机身上固定有驱动舵机，所述弧面机翼对称连接在所述机身的两侧，并与所述驱动舵机传动连接，在所述驱动舵机的驱动下扑动，为所述空投扑翼飞行机器人提供飞行所需的升力和推力；所述尾翼连接在所述机身的后端；
所述控制机构、空投机构以及电池均固定在所述机身上；其中，所述控制机构包括控制板、惯性测量单元以及全球定位***；所述电池、惯性测量单元以及全球定位***均与所述控制板电连接；所述电池用于为所述控制板供电；
所述惯性测量单元和全球定位***用于对所述空投扑翼飞行机器人的飞行姿态及位置进行测量；所述控制板用于接收上位机平台的控制指令，并通过融合所述惯性测量单元及全球定位***的测量数据，通过控制所述驱动舵机控制所述空投扑翼飞行机器人飞行，并控制所述空投机构进行空投。
2.如权利要求1所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述控制机构还包括数传模块，所述数传模块与所述控制板电连接，用于将所述空投扑翼飞行机器人的飞行姿态及位置实时传输到所述上位机平台。
3.如权利要求2所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述机身包括机身主架、舵机固定件以及横向支撑架；所述舵机固定件插接在所述机身主架的前端，所述驱动舵机固定在所述舵机固定件上；所述横向支撑架一端插接在所述机身主架的后端，另一端与所述驱动舵机插接。
4.如权利要求3所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述机身还包括插接在所述机身主架中的水平载物架；所述控制板、惯性测量单元、全球定位***、数传模块以及电池均固定在所述水平载物架上。
5.如权利要求1所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述弧面机翼包括机翼骨架和覆盖在所述机翼骨架上的机翼覆膜；
所述机翼骨架包括固定在一起的前缘杆、外侧杆、弧形的斜撑以及翼肋；所述翼肋和斜撑形成翼面弧度；所述前缘杆的末端与所述驱动舵机的舵机臂固定连接，所述斜撑的末端与位于所述机身后端的后缘固定件铰接。
6.如权利要求1所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述尾翼包括尾翼固定件、尾翼骨架和覆盖在所述尾翼骨架上的尾翼覆膜；所述尾翼骨架与所述尾翼固定件插接，所述尾翼固定件插接在机身的后端。
7.如权利要求1所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述空投扑翼飞行机器人还包括图像采集模块，所述图像采集模块垂直向下安装在所述机身中间靠前方的位置，所述图像采集模块用于采集航拍图像并将采集的航拍图像实时传输给所述上位机平台显示。
8.如权利要求1所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述空投机构包括空投仓和空投舵机；所述空投舵机和空投仓分别安装在所述机身的两侧，所述空投舵机与所述控制机构电连接，所述空投舵机的舵机臂将所述空投仓锁闭，当所述空投舵机的舵机臂弹开时，所述空投仓打开。
9.如权利要求7所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述上位机平台用于与所述控制机构通信，向所述控制机构发送控制指令，并实时显示所述空投扑翼飞行机器人的飞行姿态、位置信息及速度信号。
10.如权利要求9所述的基于弧面翼设计的空投扑翼飞行机器人，其特征在于，所述上位机平台还用于根据所述图像采集模块采集的航拍图像自主识别空投区域，并通过融合所述惯性测量单元及全球定位***的测量数据，实时预测空投落点，并在所述图像采集模块传回的航拍图像中显示空投落点。
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