一种四扑翼飞行器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及微型飞行器技术领域，特别涉及一种四扑翼飞行器及其控制方法。四扑翼飞行器包括固定支架、机身、扑动机构、扑翼、飞控系统及尾翼，其中固定支架和尾翼分别设置于机身的前、后端；扑动机构为四组，并且沿周向设置于固定支架上；扑翼为四组，并且分别与四组扑动机构连接，扑动机构用于驱动与其连接的扑翼进行扑动动作；飞控系统设置于机身上，用于控制四组扑动机构，从而实现四扑翼飞行器的姿态控制。本发明专利技术的四套扑动机构互相有气流耦合，升力的产生效率高，可提供的总升力大，有助于提高飞行续航时间，增强飞行器的机动性与灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种四扑翼飞行器及其控制方法
本专利技术涉及微型飞行器
，特别涉及一种四扑翼飞行器及其控制方法。
技术介绍
微型飞行器在军事和民用方面具有极其广阔的前景和应用价值。微型飞行器主要分为旋翼、固定翼、扑翼四种类型，其中微型扑翼飞行器是一种模仿自然界飞行生物的新型微型飞行器。微型扑翼飞行器通过扑翼同时产生升力与推力，可以快速地实现姿态改变与位置控制，具有高机动型与高灵活性。在微小尺度下，雷诺数低，空气粘滞力大，扑翼方式产生的非定常升力相比旋翼与固定翼要大很多。相比于旋翼和固定翼飞行器，具有体积小、重量轻、噪声低、效率高、飞行时间长等优点。但是微型扑翼飞行器的制作难度大，飞行性能受机械结构影响大，飞行器的结构设计是一大难点。另一难点为微型扑翼飞行器的控制问题。飞行器的结构多变，扑动频率高，如何稳定及时地控制微型扑翼飞行器的姿态位置是另一难点。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种四扑翼飞行器及其控制方法，以实现飞行器的稳定飞行及姿态控制。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种四扑翼飞行器，所述四扑翼飞行器包括固定支架、机身、扑动机构、扑翼、飞控系统及尾翼，其中固定支架和尾翼分别设置于机身的前、后端；所述扑动机构为四组，并且沿周向设置于所述固定支架上；所述扑翼为四组，并且分别与四组所述扑动机构连接，所述扑动机构用于驱动与其连接的所述扑翼进行扑动动作；所述飞控系统设置于所述机身上，用于控制四组所述扑动机构，从而实现所述四扑翼飞行器的姿态控制。所述扑动机构包括旋转驱动机构、曲杆连杆机构Ⅰ和曲杆连杆机构Ⅱ，其中曲杆连杆机构Ⅰ和曲杆连杆机构Ⅱ对称设置于所述固定支架上，并且与所述扑翼连接；所述旋转驱动机构设置于所述固定支架上，并且与所述曲杆连杆机构Ⅰ和所述曲杆连杆机构Ⅱ连接；所述旋转驱动机构用于驱动所述曲杆连杆机构Ⅰ和所述曲杆连杆机构Ⅱ进行反向摆动。所述曲杆连杆机构Ⅰ包括扑翼摇杆Ⅰ和曲柄摇杆Ⅰ，其中扑翼摇杆Ⅰ的一端与所述固定支架铰接，另一端与所述曲柄摇杆Ⅰ的一端铰接，所述曲柄摇杆Ⅰ的另一端与所述旋转驱动机构连接；所述曲杆连杆机构Ⅱ包括扑翼摇杆Ⅱ和曲柄摇杆Ⅱ，其中扑翼摇杆Ⅱ的一端与所述固定支架铰接，另一端与所述曲柄摇杆Ⅱ的一端铰接，所述曲柄摇杆Ⅱ的另一端与所述旋转驱动机构连接。所述扑翼摇杆Ⅰ和所述扑翼摇杆Ⅱ的一端通过同一转轴与所述定支架连接；所述扑翼摇杆Ⅰ的另一端与所述曲柄摇杆Ⅰ之间通过曲柄连杆轴Ⅰ连接，所述曲柄连杆轴Ⅰ与所述扑翼摇杆Ⅰ和所述曲柄摇杆Ⅰ垂直，并且所述曲柄连杆轴Ⅰ与所述曲柄摇杆Ⅰ之间可相对转动；所述扑翼摇杆Ⅱ的另一端与所述曲柄摇杆Ⅱ之间通过曲柄连杆轴Ⅱ连接，所述曲柄连杆轴Ⅱ与所述扑翼摇杆Ⅱ和所述曲柄摇杆Ⅱ垂直，并且所述曲柄连杆轴Ⅱ与所述曲柄摇杆Ⅱ之间可相对转动。所述旋转驱动机构包括电机、主动齿轮、一级双层齿轮、二级齿轮Ⅰ及二级齿轮Ⅱ，其中电机设置于所述固定支架上，并且输出端与主动齿轮连接；所述一级双层齿轮可转动地设置于所述固定支架上；所述一级双层齿轮包括上齿盘和下齿盘，其中下齿盘与所述主动齿轮啮合；所述二级齿轮Ⅰ和所述二级齿轮Ⅱ可转动地设置于所述固定支架上，并且相互啮合；所述二级齿轮Ⅰ或所述二级齿轮Ⅱ与所述一级双层齿轮的上齿盘啮合；所述曲柄摇杆Ⅰ的另一端铰接在所述二级齿轮Ⅰ上偏离中心的位置；所述曲柄摇杆Ⅱ的另一端铰接在所述二级齿轮Ⅱ上偏离中心的位置。所述一级双层齿轮的上齿盘直径小于下齿盘的直径；所述二级齿轮Ⅰ和所述二级齿轮Ⅱ的直径相等。所述扑翼包括扑翼Ⅰ和扑翼Ⅱ，所述扑翼Ⅰ和扑翼Ⅱ结构相同，均包括扑翼薄膜、扑翼骨架及扑翼前缘杆，其中扑翼薄膜设置于扑翼骨架上，所述扑翼前缘杆的一端与所述扑翼骨架连接；另一端与所述曲杆连杆机构Ⅰ或所述曲杆连杆机构Ⅱ连接。所述机身的前端设有相机系统。一种如上所述的四扑翼飞行器的控制方法，飞控系统固定在机身的中部，实时采集解算四扑翼飞行器的姿态数据，根据设定的姿态期望值，反馈出控制信号传递至四个电机，通过四个电机的转速控制升力，从而实现四扑翼飞行器的飞行控制。所述方法包括以下过程:竖直运动：通过飞控系统控制四组扑翼的电机转速一致，以使四组扑翼产生相同的拍打频率，控制电机的转速从而控制不同的升力；从而实现四扑翼飞行器竖直上升、竖直下降及悬停；俯仰运动：控制左前方电机与右前方电机转速一致，控制左后方电机与右后方电机转速一致；通过左、右前方电机转速与左、右后方电机转速的不同实现四扑翼飞行器的向前或向后的俯仰运动；横滚运动：控制左前方电机与左后方电机转速一致，控制右前方电机与右后方电机转速一致；通过左、右两侧电机转速的不同实现向左或向右的横滚运动；偏航运动：控制左前方电机与右后方电机转速一致，转动方向均为顺时针，控制左后方电机与右前方电机转速一致，转动方向均为逆时针；通过两种转速的不同实现顺时针或逆时针偏航运动。本专利技术的优点及有益效果是：1.本专利技术的四个扑翼结构对称布置，完全相同，模块化的设计有利于微型扑翼飞行器的制造。四套扑动机构互相有气流耦合，升力的产生效率高，可提供的总升力大，有助于提高飞行续航时间，增强飞行器的机动性与灵活性。2.本专利技术中心对称的扑翼结构使得仅需要四路控制输出就可以控制四扑翼飞行器的垂直运动、俯仰运动、偏航运动与翻滚运动，控制系统整体条理清晰，易于实现。3.本专利技术的搭载飞控系统与相机系统，能实现四扑翼飞行器的自主飞行与避障功能。在手动控制时，飞控系统也能作为辅助系统，根据实时姿态数据调节，增强飞行器的飞行稳定性。附图说明图1为本专利技术四扑翼飞行器的结构示意图；图2为本专利技术中扑动机构的结构示意图之一；图3为本专利技术中扑动机构的结构示意图之二；图4为本专利技术中扑翼的结构示意图；图5为本专利技术中铰链接口的结构示意图。图中：1为扑翼薄膜，2为扑翼骨架，3为扑翼前缘杆，4为相机系统，5为固定支架，6为机身，7为电机，8为飞控系统，9为尾翼，10为扑翼摇杆Ⅰ，11为扑翼摇杆Ⅱ，12为曲柄摇杆Ⅰ，13为曲柄摇杆Ⅱ，14为铰链接口，141为铰接孔，15为曲柄连杆轴Ⅰ，16为主动齿轮，17为一级双层齿轮，18为二级齿轮Ⅱ，19为二级齿轮Ⅰ，20为曲柄连杆轴Ⅱ。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。如图1所示，本专利技术提供的一种四扑翼飞行器，四扑翼飞行器包括固定支架5、机身6、扑动机构、扑翼、飞控系统8及尾翼9，其中固定支架5和尾翼9分别设置于机身6的前、后端；扑动机构为四组，并且沿周向设置于固定支架5上；扑翼为四组，并且分别与四组扑动机构连接，扑动机构用于驱动与其连接的扑翼进行扑动动作；飞控系统8设置于机身6上，用于控制四组扑动机构，从而实现四扑翼飞行器的姿态控制。本专利技术的实施例中，如图1所示，机身本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四扑翼飞行器，其特征在于，所述四扑翼飞行器包括固定支架(5)、机身(6)、扑动机构、扑翼、飞控系统(8)及尾翼(9)，其中固定支架(5)和尾翼(9)分别设置于机身(6)的前、后端；/n所述扑动机构为四组，并且沿周向设置于所述固定支架(5)上；/n所述扑翼为四组，并且分别与四组所述扑动机构连接，所述扑动机构用于驱动与其连接的所述扑翼进行扑动动作；/n所述飞控系统(8)设置于所述机身(6)上，用于控制四组所述扑动机构，从而实现所述四扑翼飞行器的姿态控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种四扑翼飞行器，其特征在于，所述四扑翼飞行器包括固定支架(5)、机身(6)、扑动机构、扑翼、飞控系统(8)及尾翼(9)，其中固定支架(5)和尾翼(9)分别设置于机身(6)的前、后端；
所述扑动机构为四组，并且沿周向设置于所述固定支架(5)上；
所述扑翼为四组，并且分别与四组所述扑动机构连接，所述扑动机构用于驱动与其连接的所述扑翼进行扑动动作；
所述飞控系统(8)设置于所述机身(6)上，用于控制四组所述扑动机构，从而实现所述四扑翼飞行器的姿态控制。


2.根据权利要求1所述的四扑翼飞行器，其特征在于，所述扑动机构包括旋转驱动机构、曲杆连杆机构Ⅰ和曲杆连杆机构Ⅱ，其中曲杆连杆机构Ⅰ和曲杆连杆机构Ⅱ对称设置于所述固定支架(5)上，并且与所述扑翼连接；
所述旋转驱动机构设置于所述固定支架(5)上，并且与所述曲杆连杆机构Ⅰ和所述曲杆连杆机构Ⅱ连接；所述旋转驱动机构用于驱动所述曲杆连杆机构Ⅰ和所述曲杆连杆机构Ⅱ进行反向摆动。


3.根据权利要求2所述的四扑翼飞行器，其特征在于，所述曲杆连杆机构Ⅰ包括扑翼摇杆Ⅰ(10)和曲柄摇杆Ⅰ(12)，其中扑翼摇杆Ⅰ(10)的一端与所述固定支架(5)铰接，另一端与所述曲柄摇杆Ⅰ(12)的一端铰接，所述曲柄摇杆Ⅰ(12)的另一端与所述旋转驱动机构连接；
所述曲杆连杆机构Ⅱ包括扑翼摇杆Ⅱ(11)和曲柄摇杆Ⅱ(13)，其中扑翼摇杆Ⅱ(11)的一端与所述固定支架(5)铰接，另一端与所述曲柄摇杆Ⅱ(13)的一端铰接，所述曲柄摇杆Ⅱ(13)的另一端与所述旋转驱动机构连接。


4.根据权利要求3所述的四扑翼飞行器，其特征在于，所述扑翼摇杆Ⅰ(10)和所述扑翼摇杆Ⅱ(11)的一端通过同一转轴与所述定支架(5)连接；
所述扑翼摇杆Ⅰ(10)的另一端与所述曲柄摇杆Ⅰ(12)之间通过曲柄连杆轴Ⅰ(15)连接，所述曲柄连杆轴Ⅰ(15)与所述扑翼摇杆Ⅰ(10)和所述曲柄摇杆Ⅰ(12)垂直，并且所述曲柄连杆轴Ⅰ(15)与所述曲柄摇杆Ⅰ(12)之间可相对转动；
所述扑翼摇杆Ⅱ(11)的另一端与所述曲柄摇杆Ⅱ(13)之间通过曲柄连杆轴Ⅱ(20)连接，所述曲柄连杆轴Ⅱ(20)与所述扑翼摇杆Ⅱ(11)和所述曲柄摇杆Ⅱ(13)垂直，并且所述曲柄连杆轴Ⅱ(20)与所述曲柄摇杆Ⅱ(13)之间可相对转动。


5.根据权利要求3所述的四扑翼飞行器，其特征在于，所述旋转驱动机构包括电机(7)、主动齿轮(16)、一级双层齿轮(17)、二级齿轮Ⅰ(19)及二级齿轮Ⅱ(18)，其中电机(7)设置于所述固定支架(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洛，崔龙，王宏伟，白宁，刘钊铭，张峰，田申，许伟，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21