一种微小型悬停扑翼飞行器的矢量控制机构及飞行器的制作方法

[0001]本公开涉及扑翼飞行器技术领域，尤其涉及一种微小型悬停扑翼飞行器的矢量控制机构及飞行器。背景技术：[0002]微小型悬停扑翼飞行器以其仿生的飞行方式和外形、灵活机动的飞行能力等优势得到国内外工程师的重视，特别是在仿蜂鸟、昆虫等的可以悬停飞行生物的微小型悬停扑翼飞行器上面进行了大量深入的研究。纵观现有实现悬停的方案设计，可以将其悬停控制方案分为两类：机翼矢量控制和尾翼控制。采用尾翼控制悬停的方案是将尾翼置于扑打的机翼后部，捕获机翼后缘的高速射流获得可观的控制力矩，这类方案的缺点是在扑翼扑打频率降低的时候后缘气流速度降低导致舵效下降，最终可能使得飞行器失去控制。矢量控制方案是通过多种方式改变扑翼机翼的推力矢量来实现控制，这类方案的一大缺点是控制机构惯量大，对舵机的驱动力提出了很高的要求，有时甚至无法获得满足需求的舵机。技术实现要素：[0003]为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种微小型悬停扑翼飞行器的矢量控制机构及飞行器。[0004]根据本公开的一个方面，一种微小型悬停扑翼飞行器的矢量控制机构，包括：机架、滚转控制机构、两个俯仰航向控制机构及两个对称设置在所述机架左右两侧的机翼；[0005]每个所述机翼均包括翼膜及分别固定于所述翼膜两相邻边缘的前缘杆和翼根杆；翼根杆均靠近所述机架设置，且翼根杆位于前缘杆下方；[0006]所述滚转控制机构包括平行四边形机构及驱动机构；所述平行四边形机构包括两个对称设置在所述机架左右两侧的随动杆和设置在两个随动杆之间的平动杆，所述平动杆的两端分别与两个所述随动杆的一端铰接，两个所述随动杆的另一端均分别与机架铰接，所述驱动机构驱动所述平行四边形机构摆动；[0007]每个俯仰航向控制机构均包括驱动装置、俯仰航向连杆、俯仰航向驱动杆、翼根杆柔性连接件和两个柔性拉索，俯仰航向驱动杆的一端与随动杆转动连接，俯仰航向驱动杆的另一端与翼根杆滑动连接，随动杆和翼根杆通过翼根杆柔性连接件连接，两个柔性拉索的一端分别固定于俯仰航向驱动杆，两个柔性拉索的另一端分别固定于俯仰航向连杆，俯仰航向连杆与机架铰接，俯仰航向连杆与机架的铰接点以及俯仰航向驱动杆与随动杆的铰接点均位于两个柔性拉索之间，驱动装置驱动俯仰航向连杆摆动，通过两个柔性拉索带动俯仰航向驱动杆摆动；或者，[0008]每个俯仰航向控制机构均包括驱动装置、翼根杆柔性连接件、俯仰航向连杆和两个柔性拉索，随动杆和翼根杆通过翼根杆柔性连接件连接，俯仰航向连杆与机架铰接，且俯仰航向连杆与机架的铰接点位于两个绳索之间，随动杆沿其摆动轴线方向开设有滑动槽，滑动槽两端的槽壁均开设有贯穿多的拉索孔，翼根杆插设于滑动槽内，两个柔性拉索的一端分别固定于俯仰航向连杆，两个柔性拉索的另一端分别穿过两个拉索孔均与翼根杆固连；驱动装置驱动俯仰航向连杆摆动，通过两个柔性拉索带动翼根杆在滑槽中沿平行于随动杆的摆动轴线的方向移动。[0009]根据本公开的至少一个实施方式，所述平动杆与所述机架之间设置有滑动结构；所述滑动结构包括沿所述平动杆的长度方向开设的滑槽及滑动配合于所述滑槽内的滑块。[0010]根据本公开的至少一个实施方式，每个所述翼根杆外均套接有滑环，两个所述滑环分别固定于两个所述俯仰航向驱动杆。[0011]根据本公开的至少一个实施方式，每个所述驱动装置均包括固定于机架的俯仰航向舵机及一端球铰接于所述俯仰航向舵机输出端的球头连杆；所述球头连杆的另一端球铰接于所述俯仰航向连杆。[0012]根据本公开的至少一个实施方式，所述驱动机构包括滚转舵机、滚转驱动杆及滚转连杆；所述滚转驱动杆的两端分别固定于所述滚转舵机的输出端及所述滚转连杆的一端；所述滚转连杆的另一端铰接于所述机架；所述平动杆开设有套在所述滚转驱动杆外的竖向的长条孔。[0013]根据本公开的至少一个实施方式，所述驱动机构包括滚转舵机、滚转驱动杆及滚转连杆；所述滚转连杆的一端铰接于所述机架；所述滚转连杆的另一端及所述滚转舵机的输出端均开设有竖向的长条孔；所述滚转驱动杆固定于所述平动杆，且所述滚转驱动杆的两端均位于所述长条孔内。[0014]根据本公开的至少一个实施方式，所述机架包括呈矩形分布的四个机体贯穿杆及从上到下依次分布的顶板、中间板一、中间板二、中间板三及底板；顶板的四个顶角、中间板一的四个顶角、中间板二的四个顶角、中间板三的四个顶角及底板的四个顶角均分别固定于四个所述机体贯穿杆；两个所述俯仰航向舵机固定于顶板和中间板一之间；所述滚转舵机固定于所述中间板二和所述中间板三之间；两个所述随动杆远离所述平动杆的一端分别与所述中间板二铰接；所述平动杆和所述滚转驱动杆均位于所述中间板三和所述底板之间；所述前缘杆位于所述中间板一和所述中间板二之间。[0015]根据本公开的至少一个实施方式，所述翼根杆柔性连接件的材质为0.2mm玻璃纤维复合材料薄片。[0016]一种飞行器，包括：上述任一项所述的微小型悬停扑翼飞行器的矢量控制机构，还包括：驱动两个所述机翼扑打的机翼驱动机构。附图说明[0017]附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。[0018]图1是本公开的整体结构图；[0019]图2是从y正方向向y负方向看去的局部放大视图(省略翼膜和前缘杆)；[0020]图3是本公开的扑翼滚转控制机构运动示意图；[0021]图4是图3中局部立体结构示意图(省略翼膜和前缘杆)；[0022]图5是本公开的扑翼俯仰控制机构运动示意图；[0023]图6是图5的局部放大视图(省略翼膜和前缘杆)；[0024]图7是本公开的扑翼航向控制机构运动示意图；[0025]图8是本公开的扑翼同时进行俯仰和滚转控制机构运动示意图；[0026]图9是图8的局部放大视图(省略翼膜和前缘杆)；[0027]图10是本公开的机架的结构示意图；[0028]图11是本公开的翼根杆和翼根杆柔性连接件的示意图；[0029]图12是本公开的区别于图1至图7所示的俯仰航向控制机构的示意图；[0030]图13是图12的局部放大视图(省略翼膜和前缘杆)。[0031]附图标记：[0032]1-机体贯穿杆；2-中间板一；3-机翼驱动机构；4-球头连杆；5-俯仰航向连杆；6-柔性拉索；7-翼根杆柔性连接件；8-翼根杆；9-机翼；10-俯仰航向驱动杆；11-随动杆；12-顶板；13-俯仰航向舵机；14-中间板二；15-滚转舵机；16-中间板三；17-滚转驱动杆；18-平动杆；19-底板；20-飞控接收机；21-电池；22-滑环；23-平动杆；231-滑槽；24-滚转连杆；25-前缘杆；26-滑块；27-滑动槽；28-拉索孔。具体实施方式[0033]下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。[0034]需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。[0035]与现有技术相比，本公开的有益效果是：[0036]1.本公开采用平行四边形机构和柔性拉索混合的方式，在不同的控制指令下驱动翼根杆在空间中移动，直接改变机翼在扑打过程中的变形程度，是一种直接矢量力控制，产生的控制力矩十分可观，具有较好的控制效果；[0037]2.本公开采用平行四边形机构和柔性拉索混合的方式，简化了机构的复杂度，减轻了飞行器的重量；[0038]3.本公开使用柔性拉索自适应平行四边形机构的变形，避免采用类似于机械陀螺仪的多层框架设计，进一步减轻飞行器的重量；[0039]4.重量占比最大的舵机固定于机架，相比于串联机构将部分作动器安装在运动机构上的做法，本公开的控制机构的惯量更小，这样对舵机的输出力矩要求较低，可以选用重量更轻的舵机；另外较小的惯量使得控制机构的响应速度更快，控制效果更好。[0040]如图1至11所示，根据本公开的第一实施方式，提供了一种微小型悬停扑翼飞行器的矢量控制机构，包括：机架、滚转控制机构、两个俯仰航向控制机构及两个对称设置在机架左右两侧的机翼9；[0041]每个机翼9均包括翼膜及分别固定于翼膜两相邻边缘的前缘杆25和翼根杆8；翼根杆8均靠近机架设置，且翼根杆8位于前缘杆25下方；[0042]滚转控制机构包括平行四边形机构及驱动机构；平行四边形机构包括两个对称设置在机架左右两侧的随动杆11和设置在两个随动杆11之间的平动杆2318，平动杆2318的两端分别与两个随动杆11的一端铰接，两个随动杆11的另一端均分别与机架铰接，驱动机构驱动平行四边形机构摆动；或者，如图12所示，每个俯仰航向控制机构均包括驱动装置、翼根杆柔性连接件7、俯仰航向连杆5和两个柔性拉索6，随动杆11和翼根杆8通过翼根杆柔性连接件7连接，俯仰航向连杆5与机架铰接，且俯仰航向连杆5与机架的铰接点位于两个绳索之间，随动杆11沿其摆动轴线方向开设有滑动槽27，滑动槽27两端的槽壁均开设有贯穿多的拉索孔28，翼根杆8插设于滑动槽27内，两个柔性拉索6的一端分别固定于俯仰航向连杆5，两个柔性拉索6的另一端分别穿过两个拉索孔28均与翼根杆8固连；驱动装置驱动俯仰航向连杆5摆动，通过两个柔性拉索6带动翼根杆8在滑槽231中沿平行于随动杆11的摆动轴线的方向移动。[0043]翼根杆柔性连接件7是指其可任意变形，以使俯仰航向驱动杆10能自适应平行四边形机构的摆动变形，翼根杆柔性连接件7可采用现有的塑胶材质等具有弹性的材质制成，本实施例中，翼根杆柔性连接件7的材质为0.2mm玻璃纤维复合材料薄片。[0044]驱动机构可采用现有技术实现，例如舵机等，在本实施例中，驱动机构可包括滚转舵机15、滚转驱动杆17及滚转连杆24；滚转驱动杆17的两端分别固定于滚转舵机15的输出端及滚转连杆24的一端；滚转连杆24的另一端铰接于机架；平动杆2318开设有套在滚转驱动杆17外的竖向的长条孔，或者，[0045]在本公开的至少一个实施方式中，驱动机构可包括滚转舵机15、滚转驱动杆17及滚转连杆24；滚转连杆24的一端铰接于机架；滚转连杆24的另一端及滚转舵机15的输出端均开设有竖向的长条孔；滚转驱动杆17固定于平动杆2318，且滚转驱动杆17的两端均位于长条孔内。[0046]由于滚转舵机15驱动滚转驱动杆17的运动轨迹与平动杆2318的运动轨迹不一致，具体地，滚转驱动杆17的运动轨迹为以滚转舵机15的旋转中心为圆心的一个圆弧，而平动杆2318在整个运动过程中，其自身不发生转动，因此，开设长条孔可避免运动干涉问题。需要说明的是，“竖向”，是指图1中所示坐标系的z方向。[0047]由于平动杆2318位于滚转舵机15的输出端和滚转连杆24之间，因此，滚转驱动杆17不会承受弯矩作用，结构刚性更好。[0048]俯仰航向驱动杆10呈t型，俯仰航向驱动杆10的竖臂远离俯仰航向驱动杆10的横臂的一端与对应的翼根杆8滑动连接，俯仰航向驱动杆10的横臂的中部与对应的随动杆11铰接，俯仰航向驱动杆10的横臂的两端分别与两个柔性拉索6的一端固定。柔性拉索6是指可以柔性弯折变形的构件，在一定程度上具有弹性，以避免俯仰航向控制和滚转控制产生运动干涉，在本实施例中，柔性拉索6为pe材质的编织鱼线。通过设置俯仰航向连杆5和柔性拉索6驱动俯仰航向驱动杆10转动，可将驱动装置固定到机架上，避免直接将驱动装置布置到随动杆11。[0049]驱动装置可采用舵机等现有技术实现，在本实施例中，每个驱动装置均可包括固定于机架的俯仰航向舵机13及一端球铰接于俯仰航向舵机13输出端的球头连杆4；球头连杆4的另一端球铰接于俯仰航向连杆5。通过球头连杆4，连接俯仰航向舵机13和俯仰航向连杆5，从而可缩小本公开x方向的尺寸，从而减小飞行阻力。[0050]俯仰航向驱动杆10与翼根杆8的滑动连接可采用现有结构实现，在本实施例中，每个翼根杆8外均套接有滑环22，两个滑环22分别固定于两个俯仰航向驱动杆10，从而俯仰航向驱动杆10带动翼根杆8摆动时，翼根杆8在摆动的同时也在滑环22内滑动，避免翼根杆8与俯仰航向驱动杆10刚性连接带来运动干涉的问题。[0051]在本公开的至少一个实施方式中，平动杆2318与机架之间可设置滑动结构；滑动结构包括沿平动杆2318的长度方向开设的滑槽231及滑动配合于滑槽231内的滑块26。通过设置滑动结构，可对平动杆2318进行导向，使控制更加精准。在本实施例中，平动杆2318沿其平动方向即y方向开设有滑槽231，滑块26固定于机架，具体地，平动杆2318朝向底板19的表面开设有滑槽231，滑块26固定于底板19。[0052]在本公开的至少一个实施方式中，机架可包括呈矩形分布的四个机体贯穿杆1及从上到下依次分布的顶板12、中间板一2、中间板二14、中间板三16及底板19；顶板12的四个顶角、中间板一2的四个顶角、中间板二14的四个顶角、中间板三16的四个顶角及底板19的四个顶角均分别固定于四个机体贯穿杆1；两个俯仰航向舵机13固定于顶板12和中间板一2之间；滚转舵机15固定于中间板二14和中间板三16之间；两个随动杆11远离平动杆2318的一端分别与中间板二14铰接；平动杆2318和滚转驱动杆17均位于中间板三16和底板19之间；前缘杆25位于中间板一2和中间板二14之间。加工飞控接收机20及电池21均固定在底板19上，整个机架结构在x方向的尺寸较小，飞行阻力更小，同时将机架设置为框架结构，刚性更好，并且更加便于组装。[0053]本公开还提供了一种飞行器，包括：上述任一项的微小型悬停扑翼飞行器的矢量控制机构，还包括：驱动两个机翼9扑打的机翼驱动机构3。机翼驱动机构3可采用现有技术实现，在本领域内，该机翼驱动机构3已公开有多种具体结构，在此不再赘述。[0054]工作原理：[0055]1、滚转控制：滚转舵机15接收到来自飞控接收机20的滚转控制指令后，滚转舵机15的舵机臂转动，带动滚转驱动杆17转动，滚转驱动杆17带动其所在的平行四边形机构变形移动，也就是使得随动杆11转动，这时，与随动杆11连接的翼根杆8同时运动。这样，就使得两侧的翼膜的绷紧程度不一致，绷得较紧的翼膜在扑打过程中变形较小，而较为松弛的翼膜在扑打过程中变形较大。扑打变形较大的翼膜相比于扑打变形较小的翼膜会产生更大的拉力，这时就产生了相应的滚转力矩，实现本公开的滚转控制。[0056]2、俯仰控制和航向控制混合控制：俯仰航向舵机13收到来自飞控接收机20的控制指令后，俯仰航向舵机13的舵机臂转动，俯仰航向舵机13的舵机臂带动球头连杆4向上或向下运动，球头连杆4带动俯仰航向连杆5转动，两个柔性拉索6同时动作，带动俯仰航向驱动杆10摆动，掰动翼根杆柔性连接件7变形，从而使得翼根杆8转动，进而使翼膜绷紧或松弛，在一个扑打周期中，使得前扑形成产生的拉力大于或小于后扑行程，产生抬头或低头的力矩；同时前扑的阻力大于或小于后扑的阻力，产生向左或向右的偏航力矩。[0057]3、俯仰控制：俯仰航向舵机13收到来自飞控接收机20的控制指令后，两个俯仰航向舵机13的舵机臂分别向两个相反的方向转动，从而使两侧的机翼9同时产生抬头或低头力矩，且偏航力矩抵消；[0058]4、航向控制：俯仰航向舵机13收到来自飞控接收机20的控制指令后，两个俯仰航向舵机13的舵机臂均朝同一方向转动，从而使两侧的机翼9同时产生向左或向右的偏航力矩，俯仰力矩抵消。[0059]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。[0060]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。[0061]本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。