一种基于翼根弹性储能实现拍动幅度可控的仿生扑翼微型飞行器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于翼根弹性储能实现拍动幅度可控的仿生扑翼微型飞行器。本发明专利技术在飞行器中引入翼根弹性止挡结构，实现将翼杆拍动的惯性功在拍动结束和开始阶段的储存为弹性势能，并在扑翼下一拍动初始阶段将其释放，一方面提高了飞行器传动效率，减小飞行器的能量耗散，另一方面加速扑翼在上拍和下拍运动转换过程中的运动，减少了扑翼的翻转时间，从而提高了扑翼的气动效率；同时通过三个旋转舵机、滑轮和凸轮，可实现在不改变传动机构运转的情况下，对扑翼拍动幅度的差动调节，实现仿生拍动控制运动，实现仿生扑翼微型飞行器三轴可控飞行。可控飞行。可控飞行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于翼根弹性储能实现拍动幅度可控的仿生扑翼微型飞行器


[0001]本专利技术涉及微型飞行器领域，具体来说是一种基于翼根弹性储能实现拍动幅度可控的仿生扑翼微型飞行器。

技术介绍

[0002]微小型飞行器的概念于上世纪九十年代被美国国防部高级研究计划局提出，随着MEMS加工和计算机等技术的快速发展，微型飞行器概念逐渐变为现实。微型飞行器在侦察监视、灾后搜救和管道巡视等军用、民用领域有着广阔的应用前景。自然界中昆虫的尺寸与微小型飞行器尺寸相当，并且具有极强的机动性和气动效率。因此，基于昆虫的飞行原理，科学家提出了仿生扑翼微型飞行器的概念。仿生扑翼微型飞行器的扑翼运动类似昆虫翅的翼拍动，在小尺寸、低速飞行条件下能够产生较高的升力，同时，这一布局相较于固定翼和旋翼微型飞行器具有仿生隐蔽性的优点，仿生扑翼微型飞行器也成为目前微型飞行器的设计热点。
[0003]目前的仿生扑翼微型飞行器发展仍面临诸多难点。一方面，由于人造结构难以达到生物肌肉的灵活性，如何实现昆虫翅膀的复杂拍动运动，以产生可控飞行需要的控制力矩成为难题。昆虫通常通过两种方式产生控制力矩，一种是主动控制翅膀在一个拍动周期内的攻角变化，改变左、右翼不同拍动阶段的气动力，从而产生控制力矩；另一种是主动控制翅膀拍动运动，包括拍动幅度或拍动平面的变化，改变左、右翼的气动力大小或方向，从而产生控制力矩。目前公开的仿生扑翼微型飞行器中，多采用攻角控制的方案，控制拍动运动的方案较为少见。攻角控制方案机构较为简单，但其在一个拍动周期内改变扑翼的攻角，使得其无法一直保持最佳效率攻角拍动，因此在控制的过程中会影响扑翼的气动效率，从而影响续航时间；除此之外，由于翼膜多采用柔性材料，对翼膜的攻角控制难以实现精准控制，也对控制系统提出了更高的要求。而控制拍动运动的方案，可以通过改变左右翼的拍动幅度和拍动平均位置来实现控制力矩的产生，并保证扑翼的攻角一直维持在高效率攻角不变，但由于仿生扑翼微型飞行器的传动结构通常处于高速转动状态，因此往往难以对传动结构进行控制，以改变拍动运动。
[0004]另一方面，目前公开的大多数仿生扑翼微型飞行器，大多使用连杆结构实现仿生拍动运动，飞行器的扑翼在上下拍动过程中运动到机构设计的极限拍动位置时，由于翼杆和扑翼的惯性载荷带动，往往会带着扑翼继续运动，使得传动连杆结构进入传动受力不好的状态或死点位置，造成传动效率下降，影响飞行器续航时间。同时，这部分惯性载荷往往通过结构变形、铆钉碰撞和电机堵转等形式被耗散掉，往往会引发拍动运动变形、电机效率下降等多方面问题，进一步造成飞行器升力下降、续航时间减少等问题。
[0005]因此，有必要专利技术一些可解决扑翼在拍动极限位置的惯性载荷存储应用的仿生扑翼微型飞行器，并基于此方案实现拍动运动幅度可调节，并进一步发展其飞行控制方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了一种基于翼根弹性储能实现拍动幅度可控的仿生扑翼微型飞行器。该飞行器可在翼接近上下拍极限位置时将扑翼惯性功转换为弹性势能，并在随后的拍动开始阶段释放，这不仅减小传动机构的能量耗散，同时减少扑翼翻转时间，增加扑翼气动效率。此外，飞行器可通过三个舵机调节左右扑翼拍动幅度和拍动角平均位置，在维持控制过程中扑翼始终处于较高气动效率点的前提下，实现飞行器的三轴控制。
[0007]一种基于翼根弹性储能实现拍动幅度可控的仿生扑翼微型飞行器包括传动系统、控制系统、升力系统和动力系统。
[0008]所述传动系统包括传动底座、支撑底座、分布齿轮减速组、连杆、传动放大装置。传动底座用于固定分布齿轮减速组和动力装置，支撑底座用于固定传动放大装置、控制系统的控制执行机构和约束控制系统张紧绳的位置。分布齿轮减速组包括主轴齿轮和减速组齿轮，主轴齿轮安装于动力装置的输出轴上，减速组齿轮由多个齿轮组成，与主轴齿轮啮合，并将动力装置的高速运动减速。连杆的一端连接在末端减速组齿轮的偏心孔位上，另一端通过铆钉与传动放大装置同轴连接，并在支撑底座约束滑槽内顺畅滑动，形成曲柄滑块机构，将分布式齿轮减速组减速后的圆周运动变为连杆的水平面内直线往复滑动。传动放大装置为杆系结构，各组成杆件通过铆钉固定于支撑底座的安装孔位上，将连杆的水平面内直线往复滑动变为翼的往复拍动，同时将翼的往复拍动幅度进行放大，提高气动力的产生。
[0009]所述控制系统包括弹性止挡机构和控制执行机构。弹性止挡机构由左、右弹性止挡机构组成，分别用于约束左、右扑翼极限位置，左、右弹性止挡机构组成相同，均分别由支撑圆柱、翼杆止挡件、弹簧连接件和弹簧组成。支撑圆柱通过铆钉固连于支撑底座的对应孔位中，支撑圆柱侧面分布有圆环凹槽，用于约束翼杆止挡件、弹簧连接件、弹簧和控制执行机构的张紧绳。翼杆止挡件的外侧有一平板结构，用于约束扑翼拍动极限位置，翼杆止挡件的内侧与弹簧连接，弹簧的另一端与弹簧连接件连接，弹簧连接件同时与控制执行机构的张紧绳连接，翼杆止挡件和弹簧连接件可绕支撑圆柱的圆环凹槽进行圆周滑动。当扑翼接近上下拍极限位置时，翼杆止挡件沿圆环凹槽滑动，弹簧连接件受张紧绳约束位置保持不变，此时弹簧被压缩，实现弹性储能功能，当扑翼的惯性力和动能完全转换为弹簧的弹性势能时，扑翼达到拍动极限位置。
[0010]控制执行机构包括控制支撑底座、旋转舵机、滑轮、凸轮和张紧绳。控制支撑底座主体为平板结构，用于安装旋转舵机，控制支撑底座通过两端凸柱上的定位孔与支撑底座两端的孔进行铆接固连。旋转舵机包含左旋转舵机、右旋转舵机和中间旋转舵机。左、右旋转舵机的输出端与滑轮同轴连接，可带动滑轮正转或反转，中间旋转舵机的输出端与凸轮同轴连接，可带动凸轮正转或反转，滑轮和凸轮侧缘有一圆环型凹槽，分别用于约束张紧绳。
[0011]所述升力系统包括左、右两个扑翼，每个扑翼由主梁、柔性梁、竖梁和翼膜组成。所述翼膜为柔性膜，采用聚亚酰胺材料，翼膜的前缘和侧缘分别裹成管状后用粘结剂固定。所述主梁和竖梁分别穿过翼膜前缘和侧缘所形成的管状空间，并可绕管状空间自由转动。竖梁呈90
°
搭于主梁下方，柔性梁粘接在翼膜一侧，与主梁呈30
°
夹角；主梁翼根端与传动系统的翼杆连接。
[0012]所述动力系统为仿生扑翼飞行器的动力源，驱动系统机构实现扑翼的拍动运动。
动力系统由动力装置组成，其中动力装置可为空心杯电机或无刷电机。
[0013]一种基于翼根弹性储能实现拍动幅度可控的仿生扑翼微型飞行器其翼根储能和释放的过程如下：
[0014](1)当扑翼接近上拍或下拍极限位置，扑翼受惯性载荷作用即将超出设计拍动幅度范围时，带动扑翼转动的连杆接触翼杆止挡件，带动翼杆止挡件沿着支撑圆柱的圆环凹槽旋转，翼杆止挡件进而带动弹簧开始压缩；
[0015](2)弹簧的另一端与弹簧连接件连接，在控制执行机构保持不动时，弹簧连接件受到张紧绳的约束，保持位置不动，该过程弹簧压缩，将翼杆止挡件传递过来的动能转换为弹性势能，并通过翼杆止挡件对带动扑翼转动的连杆施加与扑翼运动方向相反的阻力，使当前拍动过程更快结束；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于翼根弹性储能的可控拍动幅度仿生扑翼微型飞行器，其特征在于，包括传动系统、控制系统、升力系统和动力系统；所述传动系统包括传动底座、支撑底座、分布齿轮减速组、连杆、传动放大装置；所述控制系统包含弹性止挡机构和控制执行机构，所述弹性止挡机构通过弹簧将扑翼在拍动极限位置的惯性储存为弹性势能并释放，加速扑翼在拍动极限位置的运动过程，提高扑翼拍动的气动效率，减小传动系统的能量损耗；所述控制执行机构由控制支撑底座、旋转舵机、滑轮、凸轮和张紧绳组成，旋转舵机的输出端分别与滑轮或凸轮同轴连接，可带动滑轮或凸轮正转、反转，从而通过张紧绳带动弹性止挡机构转动，改变扑翼上拍或下拍的极限位置，从而实现拍动幅度和拍动平均位置调节，实现俯仰、滚转和偏航控制力矩产生；所述升力系统包括左、右两个扑翼，所述扑翼由主梁、柔性梁、张紧梁和翼膜组成；所述动力系统为仿生扑翼飞行器的动力源，驱动系统机构实现扑翼的拍动运动，动力系统由动力装置组成，其中动力装置可为空心杯电机或无刷电机。2.如权利要求1所述一种基于翼根弹性储能的可控拍动幅度仿生扑翼微型飞行器，其特征在于，所述翼膜为柔性膜，采用聚亚酰胺材料，翼膜的前缘和侧缘分别裹成管状后用粘结剂固定，所述主梁和竖梁分别穿过翼膜前缘和侧缘所形成的管状空间，并可绕管状空间自由转动，竖梁呈90
°
搭于主梁下方，柔性梁粘接在翼膜一侧，与主梁呈30
°
夹角；主梁翼根端与传动系统的翼杆连接。3.如权利要求1所述一种基于翼根弹性储能的可控拍动幅度仿生扑翼微型飞行器，其特征在于，所述传动底座用于固定分布齿轮减速组和动力装置，所述支撑底座用于固定传动放大装置、控制系统的控制执行机构和约束控制系统的张紧绳，所述分布齿轮减速组包括主轴齿轮和减速组齿轮，主轴齿轮安装于动力装置的输出轴上，减速组齿轮与主轴齿轮啮合，并将动力装置的高速运动减速；所述连杆的一端连接在末端减速组齿轮的偏心孔位上，另一端通过铆钉与传动放大装置同轴连接，并在支撑底座约束滑槽内顺畅滑动，形成曲柄滑块机构，将分布式齿轮减速组减速后的圆周运动变为水平面内的直线往复滑动；传动放大装置为杆系结构，各组成杆件通过铆钉固定于支撑底座的安装孔位上，将连杆的水平面内直线往复滑动变为翼的往复拍动，同时将翼的往复拍动幅度进行放大，提高气动力的产生。4.如权利要求1所述一种基于翼根弹性储能的可控拍动幅度仿生扑翼微型飞行器，其特征在于，所述弹性止挡机构由左、右弹性止挡机构组成，分别用于约束左、右扑翼极限位置；所述左、右弹性止挡机构组成相同，均分别由支撑圆柱、翼杆止挡件、弹簧连接件和弹簧组成；所述支撑圆柱通过铆钉固连于支撑底座的对应孔位中，支撑圆柱侧面分布有圆环凹槽，用于约束翼杆止挡件、弹簧连接件、弹簧和控制执行机构的张紧绳；所述翼杆止挡件的外侧有一平板结构，用于约束扑翼拍动极限位置，翼杆止挡件的内侧与弹簧连接，弹簧的另一端与弹簧连接件连接；所述弹簧连接件同时与控制执行机构的张紧绳连接，所述翼杆止挡件和弹簧连接件可绕支撑圆柱的圆环凹槽进行圆周滑动；当扑翼接近上下拍极限位置时，翼杆止挡件沿圆环凹槽滑动，弹簧连接件受张紧绳约束位置保持不变，此时弹簧被压缩，实现弹性储能功能，当扑翼的惯性力和动能完全转换为弹簧的弹性势能时，扑翼达到拍动极限位置。5.一种如权利要求1
‑
4任意一项所述的一种基于翼根弹性储能的可控拍动幅度仿生扑
翼微型飞行器，其翼根弹性储能和释放的过程如下：(1)当扑翼接近上拍或下拍极限位置，扑翼受惯性载荷作用即将超出设计拍动幅度范围时，带动扑翼转动的连杆接触翼杆止挡件，带动翼杆止挡件沿着支撑圆柱的圆环凹槽旋转，翼杆止挡件进而带动弹簧开始压缩；(2)弹簧的另一...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴江浩，程诚，曹赫宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：