仿飞鱼跨介质无人飞行器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种仿飞鱼跨介质无人飞行器，属于仿生机器鱼及飞行器领域。该跨介质无人飞行器以全过程模仿飞鱼的运动行为为目标，根据飞鱼的外形特征进行设计，包括前段、连接段、后段、胸鳍、尾鳍、传动轴和尾夹。飞行器运动过程中包括游动和滑行两种工作模式；在任务执行过程中，通过调整控制飞行器后段和前段的夹角以及尾鳍的拍动频率实现不同模式的切换。该飞行器具有可跨介质运动、隐身性好、高机动性、体积小、易于拆装、成本低的特点。

Flying fish-like trans-medium unmanned aerial vehicle and its control method

The invention discloses a flying fish-like Trans-media unmanned aerial vehicle, which belongs to the field of bionic robotic fish and aircraft. The trans-medium UAV aims to imitate the behavior of flying fish in the whole process. It is designed according to the shape characteristics of flying fish, including the front, connecting, back, pectoral fin, tail fin, transmission shaft and tail clip. In the course of flight, there are two working modes: swimming mode and taxiing mode. In the course of mission execution, different modes are switched by adjusting the angle between the rear and front segments of the aircraft and the flapping frequency of the tail fin. The aircraft has the characteristics of cross-medium motion, good stealth, high maneuverability, small size, easy disassembly and assembly, and low cost.

【技术实现步骤摘要】
仿飞鱼跨介质无人飞行器及其控制方法
本专利技术属于飞行器领域，具体涉及一种仿飞鱼跨介质无人飞行器及其控制方法。
技术介绍
跨介质飞行器是一种既能在空中飞行，又能在水面及水下潜航的新概念飞行器，它兼有飞行器的速度和潜航器的隐蔽性，作为单纯的作战武器，跨介质飞行器具有很好的隐身性能，可以作为突防利器；作为辅助性武器，与潜艇搭配可使两者互补长短，大幅提高潜艇的综合作战能力。跨介质飞行器可增强军队执行突防和打击的能力，甚至有着颠覆和改变现有海战模式的潜力。自然界中有一类生物具备空气与水中的运动能力，例如飞鱼(Flyingfish)、飞乌贼(Flyingsquid)、水栖鸟(Aquaticbirds)、塘鹅(Gannets)等。模仿这类生物的跨介质运动能力成为近年来跨介质无人机设计的热点。飞鱼作为一种可自由切换水、空运动模式的生物，其非常适合作为仿生的对象。为躲避鲨鱼等其他鱼类捕食，飞鱼经常会跃出水面，在空中滑翔。资料显示，一些飞鱼的跳跃高度可达一米多，滑翔距离甚至可以超过10米，具有极其优越的“飞行”性能。飞鱼的升阻比(升力和阻力的比值)都能够维持在5～6之间，这是普通室内微小飞机升阻比的上限。作为一种鱼类，飞鱼既具有极佳的水下游动能力，又具有极佳的气动性能。美国密歇根州立大学(U-M)正在开发一种名为“飞鱼”(FlyingFish)的UAV(无人机)，可在水上起降，用来执行持久海上监视任务，已在加利福尼亚州Monterey地区的近海验证了自主水上起降能力。该飞行器的特点是当漂流到距最初部署执勤点预定的半径处时，GPS定位系统将触发自主式起降能力，该机将从水上自主起飞、飞回、降落到触发点相对于最初部署执勤点的对称点上。该项目其实而并未真正模仿飞鱼这类动物的空气/水动力学性能、以及飞鱼的动力实现方式。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前尚未有公开专利技术一种充分模仿飞鱼全过程运动方式的跨介质飞行器，并结合仿生机器鱼及无人飞行器等技术，提出了一种仿飞鱼跨介质无人飞行器。与传统的跨介质飞行器相比，该飞行器完全采用仿生结构、体积小、结构紧凑、方便拆卸、成本低、高速性能好的特点。本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种仿飞鱼跨介质无人飞行器，其包括前段、连接段、后段、胸鳍和尾鳍；所述前段和后段通过连接段相连，胸鳍设置于前段的两侧，尾鳍设置于后段的尾部，整体呈仿飞鱼躯干形状；所述前段的壳体由前段上壳体和前段下壳体可拆卸式拼合而成，后部开口；前段上壳体和前段下壳体中均设有隔板，通过隔板形成密闭腔体，密闭腔体中设有舵机座，舵机座中安装有两个胸鳍舵机，两副胸鳍分设于前段两侧，且分别与一个胸鳍舵机配合传动；每副胸鳍均包括若干条骨架，骨架的一端聚拢，另一端能够联动开合，骨架表面覆盖第二蒙皮，形成由胸鳍舵机驱动的可开合翼状结构；前段壳体的后部开口处内设用于连接的第一连接件；所述连接段包括传动结构、前节舵机固定架、后节舵机固定板和舵机；所述前节舵机固定架、后节舵机固定板中各自固定有一个舵机；所述的传动结构由多段连杆组成至少具有两个自由度的传动连接结构，传动结构的两端分别连接前节舵机固定架和后节舵机固定板，其中与前节舵机固定架相连的一端具有水平方向旋转自由度，由前节舵机固定架中的舵机驱动旋转；与后节舵机固定板相连的一端具有竖直方向旋转自由度，由后节舵机固定板中的舵机驱动旋转；所述的前节舵机固定架与所述的第一连接件连接固定；所述后段的壳体由后段上壳体和后段下壳体可拆卸式拼合而成，前后部均开口；所述后段的壳体前部内设第二连接件，所述后节舵机固定板与所述的第二连接件连接固定；所述后段下壳体中固定有电机座和传动轴支撑件；电机座上固定有一个电机，电机的输出轴穿过开设于曲柄上的轴孔并带动曲柄水平转动；曲柄的末端设有第一球轴承，第一球轴承通过环形连接件连接一条直线轴承，环形连接件底部固定有一条芯轴，芯轴插入第一球轴承中构成转动副；传动轴支撑件的轴上套设有第二球轴承；所述传动轴呈多段式，其中部位置呈环形且套于第二球轴承，作为传动轴的往复旋转中心；传动轴的一端呈直杆状，穿过直线轴承形成圆柱套筒副，另一端通过尾夹连接尾鳍；。作为优选，每副所述的胸鳍均有5条线型的长度不一的骨架；由长至短分别为第一骨架、第二骨架、第三骨架、第四骨架、第五骨架；第一骨架的端部呈开有轴孔的定位销，其余四条骨架端部为等大的圆环，定位销依次穿过四个圆环构成能够相对转动的间隙配合，定位销上的轴孔与胸鳍舵机的输出轴配合传动，依次带动第一骨架、第二骨架、第三骨架、第四骨架、第五骨架联动开合。作为优选，所述前节舵机固定架与第一连接件之间通过卡合结构可拆卸式固定，所述后节舵机固定板与第二连接件之间通过卡合结构可拆卸式固定。作为优选，所述的尾鳍采用上小下大的非对称结构。作为优选，所述的尾鳍的摆动角度为无人飞行器中轴线两侧的-15°～15°范围。作为优选，所述的前段和后段之间覆盖有第一蒙皮。作为优选，所述的后段与尾鳍之间覆盖有第三蒙皮。作为优选，所述前段上壳体和前段下壳体之间通过榫卯结构密合固定；所述后段上壳体、后段下壳体之间通过榫卯结构密合固定。作为优选，所述两副胸鳍沿飞行器中轴线镜像对称分布。本专利技术的另一目的在于提供一种上述任一方案所述仿飞鱼跨介质无人飞行器的控制方法，其具体为：飞行器运动过程中包括游动和滑行两种工作模式；在任务执行过程中，通过调整控制飞行器后段和前段的夹角以及尾鳍的拍动频率实现不同模式的切换，其中：在游动模式下，控制后段的水平和垂直自由度摆动，进而改变前进方向，由尾鳍摆动产生飞行器前进的动力，通过尾鳍摆动的快慢控制前进的速度；游动模式下，飞行器的胸鳍将收于飞行器主躯干两侧；无人飞行器从游动模式转为滑行模式时，控制后段与前段呈一定夹角，并增大尾鳍摆动频率，进而增大速度，使飞行器以一定角度离开水面，在飞行器跃出水面的同时展开胸鳍并停止尾鳍摆动，进入滑行模式；在滑行模式下，控制后段和前段位于同一轴线，同时保持胸鳍展开，用于提供滑行时所需的升力，该模式下飞行器处于无动力滑行状态；当飞行器从滑行模式转为游动模式时，控制胸鳍收于主躯干两侧，飞行器进入水中，并开始摆动尾鳍，进入游动模式。本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：1)本专利技术提出的仿飞鱼跨介质无人飞行器能实现跨介质运动，同时兼备飞行器的速度和潜航器的隐蔽性等优点，其具有很好的隐身性能和灵活机动性能。2)本专利技术提出的仿飞鱼跨介质无人飞行器相比于传统的跨介质飞行器，具有非常简洁的外形布局，飞行器外形完全采用仿生设计，根据自然界中的飞鱼的流线型外形整形设计，使其具有更优异的水\空气动力学性能。3)本专利技术提出的仿飞鱼跨介质无人飞行器的胸鳍部位，采用联动设计，构思巧妙，使得其在不同运动模式下可保持合理的姿态。4)本专利技术提出的仿飞鱼跨介质无人飞行器的尾鳍结构，通过尾夹安装，紧固且易于拆卸，可更换不同的尾鳍片。5)本专利技术提出的仿飞鱼跨介质无人飞行器结构设计合理，采用分壳式结构，易于拆卸及零部件的更换。6)本专利技术提出的仿飞鱼跨介质无人飞行器易于操纵，通过控制电机的转速、尾部与鱼身中轴线的夹角，实现飞行器游动模式和滑行模式的变换。7)本专利技术提出的仿飞鱼跨介质无人飞行器机械结构构思巧妙、成本低廉、灵活性高。附图说明图1为仿飞鱼跨介质无人飞行器结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿飞鱼跨介质无人飞行器，其特征在于，包括前段(1)、连接段(2)、后段(3)、胸鳍(4)和尾鳍(5)；所述前段(1)和后段(3)通过连接段(2)相连，胸鳍(4)设置于前段(1)的两侧，尾鳍(5)设置于后段(3)的尾部，整体呈仿飞鱼躯干形状；所述前段(1)的壳体由前段上壳体(8)和前段下壳体(9)可拆卸式拼合而成，后部开口；前段上壳体(8)和前段下壳体(9)中均设有隔板(11)，通过隔板(11)形成密闭腔体，密闭腔体中设有舵机座(13)，舵机座(13)中安装有两个胸鳍舵机(10)，两副胸鳍(4)分设于前段(1)两侧，且分别与一个胸鳍舵机(10)配合传动；每副胸鳍(4)均包括若干条骨架，骨架的一端聚拢，另一端能够联动开合，骨架表面覆盖第二蒙皮(26)，形成由胸鳍舵机(10)驱动的可开合翼状结构；前段(1)壳体的后部开口处内设用于连接的第一连接件(12)；所述连接段(2)包括传动结构(14)、前节舵机固定架(15)、后节舵机固定板(16)和舵机(17)；所述前节舵机固定架(15)、后节舵机固定板(16)中各自固定有一个舵机(17)；所述的传动结构(14)由多段连杆组成至少具有两个自由度的传动连接结构，传动结构(14)的两端分别连接前节舵机固定架(15)和后节舵机固定板(16)，其中与前节舵机固定架(15)相连的一端具有水平方向旋转自由度，由前节舵机固定架(15)中的舵机驱动旋转；与后节舵机固定板(16)相连的一端具有竖直方向旋转自由度，由后节舵机固定板(16)中的舵机驱动旋转；所述的前节舵机固定架(15)与所述的第一连接件(12)连接固定；所述后段(3)的壳体由后段上壳体(19)和后段下壳体(20)可拆卸式拼合而成，前后部均开口；所述后段(3)的壳体前部内设第二连接件(29)，所述后节舵机固定板(16)与所述的第二连接件(29)连接固定；所述后段下壳体(20)中固定有电机座(27)和传动轴支撑件(28)；电机座(27)上固定有一个电机(21)，电机(21)的输出轴穿过开设于曲柄(22)上的轴孔并带动曲柄(22)水平转动；曲柄(22)的末端设有第一球轴承(24)，第一球轴承(24)通过环形连接件(23)连接一条直线轴承(25)，环形连接件(23)底部固定有一条芯轴，芯轴插入第一球轴承(24)中构成转动副；传动轴支撑件(28)的轴上套设有第二球轴承(30)；所述传动轴(6)呈多段式，其中部位置呈环形且套于第二球轴承(30)，作为传动轴(6)的往复旋转中心；传动轴(6)的一端呈直杆状，穿过直线轴承(25)形成圆柱套筒副，另一端通过尾夹(7)连接尾鳍(5)；。...

【技术特征摘要】
1.一种仿飞鱼跨介质无人飞行器，其特征在于，包括前段(1)、连接段(2)、后段(3)、胸鳍(4)和尾鳍(5)；所述前段(1)和后段(3)通过连接段(2)相连，胸鳍(4)设置于前段(1)的两侧，尾鳍(5)设置于后段(3)的尾部，整体呈仿飞鱼躯干形状；所述前段(1)的壳体由前段上壳体(8)和前段下壳体(9)可拆卸式拼合而成，后部开口；前段上壳体(8)和前段下壳体(9)中均设有隔板(11)，通过隔板(11)形成密闭腔体，密闭腔体中设有舵机座(13)，舵机座(13)中安装有两个胸鳍舵机(10)，两副胸鳍(4)分设于前段(1)两侧，且分别与一个胸鳍舵机(10)配合传动；每副胸鳍(4)均包括若干条骨架，骨架的一端聚拢，另一端能够联动开合，骨架表面覆盖第二蒙皮(26)，形成由胸鳍舵机(10)驱动的可开合翼状结构；前段(1)壳体的后部开口处内设用于连接的第一连接件(12)；所述连接段(2)包括传动结构(14)、前节舵机固定架(15)、后节舵机固定板(16)和舵机(17)；所述前节舵机固定架(15)、后节舵机固定板(16)中各自固定有一个舵机(17)；所述的传动结构(14)由多段连杆组成至少具有两个自由度的传动连接结构，传动结构(14)的两端分别连接前节舵机固定架(15)和后节舵机固定板(16)，其中与前节舵机固定架(15)相连的一端具有水平方向旋转自由度，由前节舵机固定架(15)中的舵机驱动旋转；与后节舵机固定板(16)相连的一端具有竖直方向旋转自由度，由后节舵机固定板(16)中的舵机驱动旋转；所述的前节舵机固定架(15)与所述的第一连接件(12)连接固定；所述后段(3)的壳体由后段上壳体(19)和后段下壳体(20)可拆卸式拼合而成，前后部均开口；所述后段(3)的壳体前部内设第二连接件(29)，所述后节舵机固定板(16)与所述的第二连接件(29)连接固定；所述后段下壳体(20)中固定有电机座(27)和传动轴支撑件(28)；电机座(27)上固定有一个电机(21)，电机(21)的输出轴穿过开设于曲柄(22)上的轴孔并带动曲柄(22)水平转动；曲柄(22)的末端设有第一球轴承(24)，第一球轴承(24)通过环形连接件(23)连接一条直线轴承(25)，环形连接件(23)底部固定有一条芯轴，芯轴插入第一球轴承(24)中构成转动副；传动轴支撑件(28)的轴上套设有第二球轴承(30)；所述传动轴(6)呈多段式，其中部位置呈环形且套于第二球轴承(30)，作为传动轴(6)的往复旋转中心；传动轴(6)的一端呈直杆状，穿过直线轴承(25)形成圆柱套筒副，另一端通过尾夹(7)连接尾鳍(5)；。2.如权利要求1所述的仿飞鱼跨介质无人飞...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓见，路宽，刘丰睿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33