扑翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种扑翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的飞行控制方法，包含六个执行器，分别为左扑翼动力组、右扑翼动力组、头旋翼动力组、尾旋翼动力组、头矢量舵机和尾矢量舵机；所述扑翼旋翼混合动力仿昆虫飞行器的飞行可以分解为四个自由度的基本运动：升降运动，俯仰运动，滚转运动，偏航运动；受运动耦合的作用，俯仰运动将进一步影响前后的纵向运动，滚转运动将进一步影响左右的横向运动，通过对六个执行器协同控制，实现飞行器的各个自由度运动的控制。本发明专利技术扑翼旋翼混合动力仿昆虫飞行器的双模式备份冗余飞行控制方法，使操作者可以自主选择扑翼的开启与关闭，也可以保障飞行器在危险情况下安全飞行并降落。器在危险情况下安全飞行并降落。器在危险情况下安全飞行并降落。

Control method of insect like aircraft with flapping wing rotor hybrid power

【技术实现步骤摘要】
扑翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的控制方法


[0001]本专利技术涉及仿生
、航空
与控制
，具体是一种扑翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的飞行控制方法。

技术介绍

[0002]现代战争对于侦察隐蔽化、战场人员保护有越来越高的要求，无人机作为一种可携带侦察设备的低成本飞行器，可以隐蔽地实现战前和战时侦察，为战斗的决策和人员的保护提供丰富的信息。根据升力产生方式的不同，可将无人飞行器划分为固定翼飞行器，旋翼飞行器，扑翼飞行器等类别。相对而言，扑翼飞行器具有更低的飞行噪声和更高的升力效率，外形具有视觉迷惑性。其中仿昆虫扑翼飞行器体积小，隐蔽性高，更适用于隐蔽侦查等场景。国内外以代尔夫特大学为首对仿昆虫扑翼飞行器展开了多种形式的设计研究，类似的还有美国航空环境公司研发的纳米蜂鸟、德国费斯通公司的仿生蜻蜓飞行器和仿生蝴蝶飞行器、韩国建国大学的仿昆虫扑翼机、哈佛大学的机器飞虫和南京航空航天大学的仿生扑翼微型飞行器。国内外研究现状表明，仿昆虫扑翼飞行器技术仍在蓬勃发展当中，但这些扑翼飞行器仍然具有许多诸如可控自由度不全、不利控制耦合、飞行不够稳定、无法悬停飞行、扑翼升力较小、携带任务载荷的能力有限等问题和不足之处，因此其工作空间和任务时间受到了一定的限制。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种扑翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的飞行控制方法，旨在兼顾飞行器仿生外形优美、视觉迷惑性强、飞行性能稳定、体型紧凑小巧、可悬停可飞行等性能特点的同时，提高飞行升力，提升载荷能力，加快飞行速度，并提出一种双模式飞行控制方法，使其更适用于未来隐蔽侦察、警用取证、突击作战等场景中。
[0004]本专利技术提供了一种扑翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器，包括机身、扑翼动力组、矢量旋翼动力组和飞行控制组。
[0005]所述机身包括主机舱、机头、机尾、机舱底盖、侧支撑片、碳棒、底座、犄角和电池。所述主机舱为核心零部件，用于安装和固定整架飞行器所需的扑翼动力组、矢量旋翼动力组和飞行控制组等大部分零部件。所述机头和机尾的结构和外形完全一致，安装时可以通过定位销和定位孔快速定位到主机舱的前接口和后接口上，并使用双面胶或胶水固定。所述机舱底盖同样通过定位销和胶水固定到主机舱的下接口上。此时，机头、主机舱、机舱底盖和机尾形成一个封闭完整的仿生曲面外形机身。所述碳棒的上端插入主机舱下方的碳棒槽中，下端插入所述底座的碳棒槽中。所述侧支撑片的上端贴合在主机舱左右两侧，下端插入底座的侧支撑片槽中，用于粘贴扑翼膜，以及在起飞和降落过程中与碳棒共同支撑飞行器。所述电池固定在底座的上表面或下表面。所述犄角直接粘贴在机头上表面，用于保护旋翼防止碰撞，同时构成仿独角仙的仿生特征，增强视觉迷惑性。
[0006]所述扑翼动力组包括电机、主动齿轮、一级双层齿轮、二级偏心齿轮、连杆、摇臂、
小销钉、主轴销钉、前缘杆和扑翼膜。所述主机舱同时属于扑翼动力组的核心零部件，其上表面具有左右对称分布的一系列孔和凸台，用于安装左右扑翼动力组所需的各个零件。所述电机从主机舱内部插入较大的电机安装孔内，所述主动齿轮的内径略小于电机主轴的外径，用于以过盈配合方式安装在电机转轴上。所述一级双层齿轮通过小销钉固定在主机舱上，一级双层齿轮下齿盘同主动齿轮啮合。所述二级偏心齿轮对称安装在每组扑翼动力组的两侧，同样通过小销钉固定在主机舱上，同一级双层齿轮的上齿盘互相啮合。所述摇臂每组有两个，通过主轴销钉叠放固定在主机舱上。所述连杆每组有两个，使用小销钉将其一头固定在二级偏心齿轮的偏心孔内，另一头固定在摇臂上，进而带动所述前缘杆和扑翼膜在空中扑动。所述侧支撑片贴合在主机舱左右两侧，扑翼膜的根部平整粘贴在侧支撑片上。其中所述电机的动力分别通过主动齿轮、一级双层齿轮和二级偏心齿轮进行两级减速，通过连杆将圆周运动转换为直线运动，驱动摇臂带动扑翼往复扑动产生周期性升力。二级偏心齿轮和连杆的运动左右对称，以保证两片扑翼运动的对称性和同步性。
[0007]所述矢量旋翼动力组包括电机座、舵机、摇臂、转轴、无刷电机、螺旋桨和螺钉。矢量旋翼动力组的零部件主要安装在完全相同的机头和机尾上，因此头部和尾部矢量旋翼动力组的结构和外形也完全一致。所述电机座插在所述机头下表面凸起的电机座安装位上。所述转轴穿过所述电机座和机头电机座安装位上的轴孔中，将两者同轴铰接在一起。使用所述螺钉将所述无刷电机安装在电机座上，所述螺旋桨与无刷电机轴采用过盈配合的安装方式。所述摇臂内嵌于电机座侧面的摇臂槽中，所述舵机通过花键驱动摇臂偏转，从而带动电机座和无刷电机矢量偏转，无刷电机驱动螺旋桨旋转产生矢量升力。
[0008]所述飞行控制组包括飞控板、电调板、六角螺柱、长螺钉和螺母。飞行控制组整体安装在所述主机舱的内部。四根所述长螺钉从上面穿过主机舱上的飞控安装孔。将长螺钉对准所述电调板上的四个安装孔并插入，使用四个所述六角螺柱从下方拧入，将电调板压紧。然后将长螺钉对准所述飞控板上的四个安装孔并插入，再用四颗螺母将飞控板压紧。其中，所述飞控板用于控制飞行器稳定飞行以及模式转换，所述电调板用于同时为四个无刷电机供电和调速。
[0009]本专利技术还提供了一种扑翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的飞行控制方法。所述扑翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器共包含六个执行器，分别为左扑翼动力组、右扑翼动力组、头旋翼动力组、尾旋翼动力组、头矢量舵机和尾矢量舵机。所述扑翼旋翼混合动力仿昆虫飞行器的飞行可以分解为四个自由度的基本运动：升降运动，俯仰运动，滚转运动，偏航运动。受运动耦合的作用，俯仰运动将进一步影响前后的纵向运动，滚转运动将进一步影响左右的横向运动。通过对六个执行器协同控制，可以实现飞行器的各个自由度运动的控制。
[0010]所述升降运动的控制方法是指：在飞控系统的配置中，将控制输出的油门通道信号同步分配给左右扑翼动力组和头尾旋翼动力组。旋翼动力组的油门信号将表现为无刷电机的转速，进而表现为螺旋桨的转速，从而影响升力的大小。扑翼动力组的油门信号将表现为扑翼电机的转速，进而表现为扑翼扑动的频率，从而影响扑翼升力的大小。根据不同的需要，可以分别调整扑翼和旋翼动力的相对比例大小，从而可以调节在悬停飞行时飞行器的整体振动水平。当增大油门的信号时，四个电机的转速将会同步增大，使总升力大于飞行器的重力，从而产生飞行器的上升运动。同样道理，四个电机的转速同步减小时，飞行器则会向下运动。
[0011]所述俯仰运动的控制方法是指：飞控系统将控制输出的俯仰通道信号分别正负分配给头尾旋翼动力组。因此俯仰通道控制信号将反应为头尾旋翼动力组螺旋桨的差速旋转。当两个螺旋桨转速不一致时，飞行器的头部和尾部将会产生升力差，进而产生俯仰力矩，机身向前或向后倾斜，从而实现俯仰运动和纵向运动。
[0012]所述偏航运动的控制方法是指：飞控系统将控制输出的偏航通道信号同步分配给头尾矢量舵机。矢量舵机可以驱动旋翼动力组整体左右偏转，从而使旋翼的推力产生一定的横向分力。由于矢量舵机朝相反方向安装，因此偏航通道信号将反应为头尾矢量舵机摇臂及其旋翼动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的飞行控制方法，其特征在于：包含六个执行器，分别为左扑翼动力组、右扑翼动力组、头旋翼动力组、尾旋翼动力组、头矢量舵机和尾矢量舵机；所述扑翼旋翼混合动力仿昆虫飞行器的飞行可以分解为四个自由度的基本运动：升降运动，俯仰运动，滚转运动，偏航运动；受运动耦合的作用，俯仰运动将进一步影响前后的纵向运动，滚转运动将进一步影响左右的横向运动，通过对六个执行器协同控制，实现飞行器的各个自由度运动的控制。2.根据权利要求1所述的翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的飞行控制方法，其特征在于：所述升降运动的控制方法为：在飞控系统的配置中，将控制输出的油门通道信号同步分配给左右扑翼动力组和头尾旋翼动力组；旋翼动力组的油门信号将表现为无刷电机的转速，进而表现为螺旋桨的转速，从而影响升力的大小；扑翼动力组的油门信号将表现为扑翼电机的转速，进而表现为扑翼扑动的频率，从而影响扑翼升力的大小；根据不同的需要，分别调整扑翼和旋翼动力的相对比例大小，从而可以调节在悬停飞行时飞行器的整体振动水平；当增大油门的信号时，四个电机的转速将会同步增大，使总升力大于飞行器的重力，从而产生飞行器的上升运动；四个电机的转速同步减小时，飞行器则会向下运动；所述俯仰运动的控制方法为：飞控系统将控制输出的俯仰通道信号分别正负分配给头尾旋翼动力组，因此俯仰通道控制信号将反应为头尾旋翼动力组螺旋桨的差速旋转；当两个螺旋桨转速不一致时，飞行器的头部和尾部将会产生升力差，进而产生俯仰力矩，机身向前或向后倾斜，从而实现俯仰运动和纵向运动；所述偏航运动的控制方法为：飞控系统将控制输出的偏航通道信号同步分配给头尾矢量舵机；矢量舵机可以驱动旋翼动力组整体左右偏转，从而使旋翼的推力产生一定的横向分力；由于矢量舵机朝相反方向安装，因此偏航通道信号将反应为头尾矢量舵机摇臂及其旋翼动力组朝相反方向的矢量偏转，进而产生头尾方向相反的横向分力；这组横向分力绕重心竖轴会形成一个航向偏转力矩，机身向左或向右偏航，从而实现偏航运动的控制；所述双模式飞行控制方法为：根据实际应用场景，选择扑翼动力组的开启或关闭；如果扑翼动力组开启，则为扑翼旋翼混合动力模式；如果扑翼动力组关闭或不安装扑翼，则为纯旋翼动力模式。3.根据权利要求2所述的翼旋翼混合动力的仿昆虫飞行器的飞行控制方法，其特征在于：所述扑翼旋翼混合动力模式的滚转运动控制方法为：飞控系统将控制输出的滚转通道信号分别正负分配给左右扑翼动力组，因此滚转通道信号将反应为左右扑翼动力组扑翼扑动频率的差异；当左右两组扑翼扑动频率不一致时，飞行器的左右两侧将会产生升力差，进而产生滚转力矩，机身向左或向右倾斜，从而实现滚转运动和横向运动。4.根据权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昊泽，郑祥明，和浩然，章卓耿，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：