CN112009681B - 一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器及其飞行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器及其飞行控制方法。该装置包含底座、动力装置、传动机构、控制机构及拍动翼。所述底座上固定有动力装置、传动机构给和控制机构，并通过加强梁减小底座震动；所述传动机构包括齿轮减速组和连杆机构，连杆连接齿轮与左、右摇臂形成曲柄滑块机构，左、右摇臂中间开有滑槽，与底座滑槽和线性步进舵机输出臂通过铆钉连接，可绕上述连接铆钉实现往复拍动。所述控制机构通过输出臂带动上述连接铆钉实现拍动角平均位置的调节。本发明通过简易连杆组，实现了仿生拍动运动，降低了机构的复杂程度，便于加工；同时通过对拍动角平均位置的调节，将控制力矩的产生与飞行器升力解耦，能够实现俯仰、盘旋等机动。
Description
技术领域
本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器及其飞行控制方法。
背景技术
微机电技术的快速发展，使得传统飞行器微小型化成为可能。在此背景下，上世纪九十年代，微型飞行器的概念被提出，此类飞行器具有广泛的军事和民用用途，现已成为本领域研究的热点。
微型飞行器按照升力产生原理可大致分为固定翼微型飞行器、旋翼微型飞行器及仿生拍动翼微型飞行器。较传统飞行器，微型飞行器尺寸小、飞行速度低，因而其工作时飞行雷诺数也较小，飞行过程中飞行器面临较强的粘性作用，在该情况下，固定翼微型飞行器和旋翼微型飞行器的气动效率普遍较低。昆虫和蜂鸟是自然界中天然的“微型飞行器”，其飞行具有极高的气动效率以及无与伦比的机动能力，科学家基于昆虫的飞行原理提出了仿生拍动翼微型飞行器。仿生拍动翼微型飞行器在微型化和仿生方面都表现出巨大的优势，但在升力产生和飞行控制设计方面具有较大难度，这也成为目前仿生拍动翼微型飞行器发展面临的主要难点之一。
仿生拍动翼微型飞行器无尾翼，其升力产生和飞行控制均通过一对扑翼实现，如何同时实现高升力和高气动力矩产生是一大难题。当前已有的仿生拍动翼微型飞行器飞行策略主要通过改变扑翼上下拍的攻角，实现气动力大小改变，从而飞行器姿态；通过调节拍动角平均位置，实现变化气动力及其作用点与重心距离的改变，产生控制力矩，实现角姿态控制。过去有专利尝试解决这一问题，如专利“一种仿昆虫翅拍动的位置控制机构”(公开号：CN106828922A)公开了一种仿生拍动翼微型飞行器。其拍动驱动机构由五个连杆构成，分别实现了曲柄滑块机构、滑杆摇杆机构、四连杆机构的功能。该机构部件多，单个部件承担多种功能，使得输出拍动运动易受杆件变化显著影响。此外，该控制机构通过左右旋转舵机同步或差动偏转改变拍动翼拍动角平均位置，实现飞行器的三轴姿态控制。但由于旋转舵机的运动轨迹为圆弧形，因此末端摇臂根部的位置变化也是一个圆弧形。由四连杆传动原理可知，这种控制方式在改变拍动翼拍动角平均位置时，还会改变翼拍动幅度，进而同时影响飞行器的高升力的产生。
当前已有的仿生拍动翼微型飞行器扑翼攻角控制方案，多采用调节翼膜松紧的方式进行攻角控制。这类方案仅能粗略的实现攻角的增大或减小，很难精准实时地实现攻角改变，不利于控制舵效评估和精准控制设计。此外，拍动角平均位置改变的方案需要对翼拍动运动机构进行调整和控制，一方面在微型化和集成化设计要求下该方案实现更加困难，另一方面由于升力产生对拍动运动的变化极为敏感，拍动运动机构的调节也会同时导致气动力变化，该方案很难在调节拍动角平均位置的同时保证高升力产生。因此，有必要发明一种能够维持高升力产生且拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器，并进一步发展其飞行控制方法。
发明内容
现有仿生拍动翼微型飞行器控制升力产生的拍动运动机构复杂，在此基础上进行机构改进实现拍动角平均位置变化用于控制力矩产生和机构集成难度较大，且力矩产生控制易造成升力损失。为解决上述问题，本发明提出了一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器及其飞行控制方法，该飞行器设计更为简单的拍动运动机构和拍动角平均位置改变机构，实现对升力和控制力矩产生的解耦控制。
所述一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器，包括底座、动力装置、传动机构、控制机构及拍动翼。
所述底座为空间立体结构，通过3D打印整体成型，从功能上分为平面安装区、动力装置安装区和支撑骨架。平面安装区主体为一平板结构，包含有左滑槽、右滑槽、中间滑槽、单层齿轮安装孔、双层齿轮安装孔和舵机安装孔。动力装置安装区为七根斜柱与一圆形平台构成的空腔，动力装置放置于空腔中。支撑骨架为空间不规则梁状结构，用于增强底座的刚度，包含支撑梁、加强梁和四根外伸梁，其中支撑梁用于减小平面安装区由于拍动运动造成的平板弯曲变形，加强梁用于加强支撑骨架的抗弯能力，四根外伸梁分别从支撑梁两端延伸而出，其外端有固定控制机构的安装位置。
所述动力装置为仿生拍动翼飞行器的动力源，驱动传动机构实现拍动翼的往复拍动，包含电机和电源。所述动力装置电机采用无刷电机，安装于底座对应空腔中。电源为锂电池，置于底座的支撑骨架的左、右两端外伸梁所夹空间中。
所述传动机构包括齿轮减速组和连杆机构。齿轮减速组包括主轴齿轮、单层齿轮和双层齿轮。所述主轴齿轮安装于动力装置的输出轴上，所述单层齿轮和双层齿轮分别安装于底座的固定孔位中，所述双层齿轮中大齿数齿轮与主轴齿轮啮合，小齿数齿轮与单层齿轮啮合。所述连杆机构包括连杆、左摇臂和右摇臂，所述连杆两端分别有高、低圆柱形凸台，连杆中带高圆柱形凸台的一端连接在单层齿轮上，而带低圆柱形凸台的一端通过铆钉与左摇臂的一端、右摇臂的一端同轴连接，并可在底座的中间滑槽内顺畅滑动。左摇臂中间开有滑槽A、右摇臂中间开有滑槽B，滑槽A与底座的左滑槽通过铆钉连接，滑槽B与底座的右滑槽通过铆钉连接，所述铆钉构成摇臂的滑槽转动点。左、右摇臂空闲的一端有安装孔位，用于与左、右拍动翼的主梁连接。动力装置电机高速转动，经齿轮减速组减速、连杆传动后带动左、右摇臂分别绕左、右摇臂与底座滑槽的连接轴往复拍动。
所述控制机构包含左、右两个线性步进舵机，两个线性步进舵机上各有四个圆柱形安装孔位分别与底座的外伸梁和舵机安装孔通过螺钉固定。所述两个线性步进舵机的输出短臂通过长铆钉分别与左、右摇臂的滑槽、底座的滑槽铆接，带动左、右摇臂的滑槽转动点沿底座的滑槽直线运动，改变拍动翼拍动角平均位置，实现气动力作用点前后位置移动从而产生气动控制力矩。
所述拍动翼由左右两个翼组成，每个扑翼包括主梁、辅梁、张紧梁和翼膜，其中翼膜采用聚酰亚胺材料，主梁、辅梁和张紧梁采用碳纤维杆做成，主梁根部与传动机构摇臂固连，辅梁与主梁呈30°夹角，张紧梁在主梁根部与主梁固连，翼膜的前缘与主梁粘接，翼膜的侧缘与张紧梁粘接。翼在上下拍过程中反复变化攻角，以产生升力。
所述一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器俯仰控制的实施过程为：
(1)当飞行器需要产生抬头俯仰力矩时，左、右线性步进舵机的输出端带动左、右摇臂滑槽转动点沿底座左、右滑槽同步前移，实现左、右摇臂输出的拍动角平均位置同时前移；由于拍动角平均位置前移后，其拍动幅度不变，因而拍动运动产生的气动力大小不变，但其气动力的作用点前移，增大气动力作用点与重心之间的距离，相较于拍动角平均位置改变前，产生抬头力矩；
(2)当飞行器需要产生低头俯仰力矩时，左、右线性步进舵机的输出端带动左、右摇臂滑槽转动点沿底座左、右滑槽同步后移，实现左、右摇臂输出的拍动角平均位置同时后移；由于拍动角平均位置后移，其拍动幅度不变，因而拍动运动产生的气动力大小不变，但其气动力的作用点后移，减小气动力作用点与重心之间的距离，相较于拍动角平均位置改变前，产生低头力矩；
所述一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型盘旋飞行的实施过程为：
(1)当飞行器需要进行左盘旋时，左线性步进舵机的输出端带动左摇臂滑槽转动点沿底座左滑槽前移，右线性步进舵机输出端保持不动。实现左摇臂输出的拍动角平均位置向前移动，右摇臂输出的拍动角平均位置保持不变。由于左翼和右翼拍动幅度不变，产生气动力大小不变，但左翼气动力作用点同时前移并向纵向对称平面中心靠拢，因此同时产生抬头力矩和左滚力矩，飞行器实现做左盘旋运动。
(2)当飞行器需要进行右盘旋时，左线性步进舵机输出端保持不动，右线性步进舵机的输出端带动右摇臂滑槽转动点沿底座右滑槽前移。实现左摇臂输出的拍动角平均位置保持不变，右摇臂输出的拍动角平均位置向前移动。由于左翼和右翼拍动幅度不变，产生气动力大小不变，但右翼气动力作用点同时前移并向纵向对称平面中心靠拢，因此同时产生抬头力矩和右滚力矩，飞行器实现做右盘旋运动。
本发明的优点在于：
1、一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器，通过简易连杆机构，实现了仿生拍动运动，降低了机构的复杂程度，提高了拍动机构的***可靠性。
2、一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器，通过两个舵机能准确改变左右翼拍动往复运动的平均位置。将控制力矩的产生与飞行器升力解耦，同时能够实现俯仰、盘旋等机动动作。
附图说明
图1是本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器的整体示意图；
图2是本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器的底座示意图；
图3是本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器的动力装置示意图；
图4是本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器的传动机构示意图；
图5是本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器的右侧控制机构示意图；
图6是本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器的扑翼示意图；
图7是本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器进行俯仰控制时的示意图；
图8是本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼飞行器进行左盘旋控制时的示意图；
图中：
1-底座 2-动力装置 3-传动机构
4-控制机构 5-拍动翼
101-左滑槽 102-右滑槽 103-中间滑槽
104-单层齿轮安装孔 105-双层齿轮安装孔 106-舵机安装孔
107-动力装置底座安装孔 108-支撑梁 109-加强梁
110-外伸梁
201-电机 202-电源
301-主轴齿轮 302-单层齿轮 303-双层齿轮
304-连杆 305-左摇臂 306-右摇臂
401-线性步进舵机 402-长铆钉
501-主梁 502-辅梁 503-张紧梁
504-翼膜
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。
本发明一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器包括底座1、动力装置2、传动机构3、控制机构4及扑翼5。
所述底座1为空间立体结构，通过3D打印整体成型，从功能上分为平面安装区、动力装置安装区和支撑骨架。平面安装区主体为一平板结构，包含有左滑槽101、右滑槽102、中间滑槽103、单层齿轮安装孔104、双层齿轮安装孔105、和舵机安装孔106。动力装置安装区为七根斜柱与一圆形平台构成的空腔，动力装置2放置于空腔中。支撑骨架为空间不规则梁状结构，用于增强底座的刚度，包含支撑梁108、加强梁109和四根外伸梁110，其中支撑梁108用于减小平面安装区由于拍动运动造成的平板弯曲变形，加强梁109用于加强支撑骨架的抗弯能力，四根外伸梁110分别从支撑梁两端延伸而出，其外端有固定控制舵机的安装位置。
所述动力装置2为仿生拍动翼飞行器的动力源，驱动传动机构实现拍动翼5的往复拍动，包含电机201和电源202。所述动力装置电机201采用无刷电机，安装于底座1对应空腔中。电源202为两块3.7V锂电池串联而成，分别置于底座1的支撑骨架的左、右两端外伸梁110所夹空间中。
所述传动机构3包括齿轮减速组和连杆机构。齿轮减速组包括主轴齿轮301、单层齿轮302和双层齿轮303。主轴齿轮301安装于动力装置电机201的输出轴上，单层齿轮302和双层齿轮303分别安装于底座1的固定孔位中，双层齿轮303中大齿数齿轮与主轴齿轮301啮合，小齿数齿轮与单层齿轮302啮合。连杆机构由连杆304、左摇臂305、右摇臂306组成，连杆304两端分别有高、低圆柱形凸台，连杆304中带高圆柱形凸台的一端连接在单层齿轮302上，而带低圆柱形凸台的一端通过铆钉与左摇臂305的一端、右摇臂306的一端同轴连接，并可在底座1的中间滑槽103内顺畅滑动。左摇臂305中间开有滑槽A、右摇臂306中间开有滑槽B，所述滑槽A与底座的左滑槽101通过铆钉连接，所述滑槽B与底座的右滑槽102通过铆钉连接，所述铆钉构成摇臂的滑槽转动点。左摇臂305和右摇臂306空闲的一端有安装孔位，用于与左、右拍动翼5的主梁501连接。动力装置电机201高速转动，经齿轮减速组减速、连杆304传动后带动左摇臂305和右摇臂306分别绕左摇臂305和右摇臂306与底座滑槽的连接轴往复拍动。
所述控制机构4包含左、右两个线性步进舵机401，两个线性步进舵机401上各有四个圆柱形安装孔位分别与底座的外伸梁和舵机安装孔通过螺钉固定。线性步进舵机401的输出短臂通过长铆钉402与左摇臂305(或右摇臂306)的滑槽、底座的左滑槽305(或右滑槽306)铆接，带动左摇臂305(或右摇臂306)的滑槽转动点沿底座左滑槽101(或右滑槽102)直线运动，改变拍动翼拍动角平均位置，实现气动力作用点前后位置移动从而产生气动控制力矩。
所述拍动翼5由左右两个翼组成，每个扑翼包括主梁501、辅梁502、张紧梁503和翼膜504，其中翼膜504采用聚酰亚胺材料，主梁501、辅梁502和张紧梁503采用碳纤维杆做成，主梁501根部与传动机构摇臂固连，辅梁502与主梁501呈30°夹角，张紧梁503在主梁501根部与主梁501固连，翼膜504的前缘与主梁501粘接，翼膜504的侧缘与张紧梁503粘接。翼在上下拍过程中反复变化攻角，以产生升力。
所述一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器俯仰控制的实施过程为：
(1)当飞行器需要产生抬头俯仰力矩时，左、右线性步进舵机401的输出端带动左摇臂305和右摇臂306的滑槽转动点沿底座左滑槽101和右滑槽102同步前移，实现左摇臂305和右摇臂306输出的拍动角平均位置同时前移；由于拍动角平均位置前移后，其拍动幅度不变，因而拍动运动产生的气动力大小不变，但其气动力的作用点前移，增大气动力作用点与重心之间的距离，相较于拍动角平均位置改变前，产生抬头力矩；
(2)当飞行器需要产生低头俯仰力矩时，左、右线性步进舵机401的输出端带动左摇臂305和右摇臂306的滑槽转动点沿底座左滑草101右滑槽102同步后移，实现左摇臂305和右摇臂306输出的拍动角平均位置同时后移；由于拍动角平均位置后移，其拍动幅度不变，因而拍动运动产生的气动力大小不变，但其气动力的作用点后移，减小气动力作用点与重心之间的距离，相较于拍动角平均位置改变前，产生低头力矩；
所述一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型盘旋飞行的实施过程为：
(1)当飞行器需要进行左盘旋时，左线性步进舵机的输出端带动左摇臂305滑槽转动点沿底座左滑槽101前移，右线性步进舵机输出端保持不动。实现左摇臂305输出的拍动角平均位置向前移动，右摇臂306输出的拍动角平均位置保持不变。由于左翼和右翼拍动幅度不变，产生气动力大小不变，但左翼气动力作用点同时前移并向纵向对称平面中心靠拢，因此同时产生抬头力矩和左滚力矩，飞行器实现做左盘旋运动。
(2)当飞行器需要进行右盘旋时，左线性步进舵机输出端保持不动，右线性步进舵机的输出端带动右摇臂306滑槽转动点沿底座右滑槽102前移。实现左摇臂305输出的拍动角平均位置保持不变，右摇臂306输出的拍动角平均位置向前移动。由于左翼和右翼拍动幅度不变，产生气动力大小不变，但右翼气动力作用点同时前移并向纵向对称平面中心靠拢，因此同时产生抬头力矩和右滚力矩，飞行器实现做右盘旋运动。
Claims (8)
1.一种拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器，包括底座、动力装置、传动机构、控制机构及拍动翼，其特征在于：
所述底座包含平面安装区、动力装置安装区和支撑骨架；所述平面安装区主体为一平板结构，包含有左滑槽、右滑槽、中间滑槽、单层齿轮安装孔、双层齿轮安装孔和舵机安装孔；
所述动力装置为仿生拍动翼飞行器的动力源，驱动传动机构实现拍动翼的往复拍动，包含电机和电源；
所述传动机构包括齿轮减速组和连杆机构；所述连杆机构包括连杆、左摇臂和右摇臂，所述连杆两端分别有高、低圆柱形凸台，连杆带高圆柱形凸台的一端连接在所述齿轮减速组上，带低圆柱形凸台的一端通过铆钉与左摇臂的一端、右摇臂的一端同轴连接，并可在底座的中间滑槽内顺畅滑动；左摇臂中间开有滑槽A、右摇臂中间开有滑槽B，所述滑槽A与底座左滑槽通过铆钉连接，所述滑槽B与底座的右滑槽通过铆钉连接，所述铆钉构成摇臂的滑槽转动点；左、右摇臂的另一端设有安装孔位，用于与左、右拍动翼的主梁连接；电机高速转动，经齿轮减速组减速、连杆传动后带动左、右摇臂分别绕所述滑槽转动点往复拍动；
所述控制机构包含左、右两个线性步进舵机，所述线性步进舵机的输出短臂通过长铆钉与所述左、右摇臂的滑槽、所述底座的左、右滑槽铆接，带动所述摇臂的滑槽转动点分别沿所述底座的左、右滑槽做直线运动，改变所述拍动翼拍动角平均位置，实现气动力作用点前后位置移动从而产生气动控制力矩；
所述拍动翼由左右两个翼组成，所述翼包括主梁、辅梁、张紧梁和翼膜。
2.一种如权利要求1所述的拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器，其特征在于，所述拍动翼的主梁根部分别与所述传动机构左、右摇臂固连，所述辅梁与所述主梁呈30°夹角，所述张紧梁在所述主梁根部与主梁固连，所述翼膜的前缘与所述主梁粘接，所述翼膜的侧缘与所述张紧梁粘接；所述翼在上下拍过程中反复变化攻角以产生升力。
3.一种如权利要求1所述的拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器，其特征在于，所述底座通过3D打印整体成型，所述底座的动力装置安装区为七根斜柱与一圆形平台构成的空腔，动力装置放置于空腔中；所述支撑骨架为空间不规则梁状结构，用于增强底座的刚度，包含支撑梁、加强梁和四根外伸梁，所述支撑梁用于减小平面安装区由于拍动运动造成的平板弯曲变形，所述加强梁用于加强支撑骨架的抗弯能力，所述四根外伸梁分别从支撑梁两端延伸而出，其外端有固定所述控制机构的安装位置；所述两个线性步进舵机上各有四个圆柱形安装孔位分别与底座的外伸梁和舵机安装孔通过螺钉固定。
4.一种如权利要求1或3所述的拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器，其特征在于，所述电机采用无刷电机，安装于所述底座对应空腔中；所述电源为高性能锂电池，置于所述底座的支撑骨架的左、右两端外伸梁所夹空间中。
5.一种如权利要求1所述的拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器，其特征在于，所述齿轮减速组包括主轴齿轮、单层齿轮和双层齿轮；所述主轴齿轮安装于所述动力装置的输出轴上，所述单层齿轮和双层齿轮分别安装于所述底座的单层齿轮安装孔、双层齿轮安装孔中，所述双层齿轮中大齿数齿轮与主轴齿轮啮合，小齿数齿轮与所述单层齿轮啮合。
6.一种如权利要求1所述的拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器，其特征在于，所述主梁、辅梁和张紧梁采用碳纤维杆制作，所述翼膜采用聚酰亚胺薄膜材料。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器的俯仰控制方法为：
(1)当飞行器需要产生抬头俯仰力矩时，左、右线性步进舵机的输出端带动左、右摇臂滑槽转动点沿底座左、右滑槽同步前移，实现左、右摇臂输出的拍动角平均位置同时前移；由于拍动角平均位置前移后，其拍动幅度不变，因而拍动运动产生的气动力大小不变，但其气动力的作用点前移，增大气动力作用点与重心之间的距离，相较于拍动角平均位置改变前，产生抬头力矩；
(2)当飞行器需要产生低头俯仰力矩时，左、右线性步进舵机的输出端带动左、右摇臂滑槽转动点沿底座左、右滑槽同步后移，实现左、右摇臂输出的拍动角平均位置同时后移；由于拍动角平均位置后移，其拍动幅度不变，因而拍动运动产生的气动力大小不变，但其气动力的作用点后移，减小气动力作用点与重心之间的距离，相较于拍动角平均位置改变前，产生低头力矩。
8.一种如权利要求1-6任意一项所述的拍动角平均位置可调的仿生拍动翼微型飞行器盘旋飞行的控制方法为：
(1)当飞行器需要进行左盘旋时，左线性步进舵机的输出端带动左摇臂滑槽转动点沿底座左滑槽前移，右线性步进舵机输出端保持不动，实现左摇臂输出的拍动角平均位置向前移动，右摇臂输出的拍动角平均位置保持不变；由于左翼和右翼拍动幅度不变，产生气动力大小不变，但左翼气动力作用点同时前移并向纵向对称平面中心靠拢，因此同时产生抬头力矩和左滚力矩，飞行器实现做左盘旋运动；
(2)当飞行器需要进行右盘旋时，左线性步进舵机输出端保持不动，右线性步进舵机的输出端带动右摇臂滑槽转动点沿底座右滑槽前移，实现左摇臂输出的拍动角平均位置保持不变，右摇臂输出的拍动角平均位置向前移动；由于左翼和右翼拍动幅度不变，产生气动力大小不变，但右翼气动力作用点同时前移并向纵向对称平面中心靠拢，因此同时产生抬头力矩和右滚力矩，飞行器实现做右盘旋运动。
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