一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼的制作方法

本发明涉及微型扑翼飞行器领域，具体来说是一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼设计。

背景技术：

近年来，随着微机电技术、计算机技术、人工智能等技术的快速发展，同时伴随着飞行器设计技术的持续进步，各类微型飞行器发展越来越迅速。较固定翼和旋翼式微型飞行器，微型扑翼飞行器在低雷诺数下具有较高的气动效率，大量应用仿生性设计。同时，飞行器具有隐蔽性与微型化等优势，已经成为微型飞行器发展的重要方向。当前微型扑翼飞行器在高效精准控制上还面临困难。

目前现有公开的微型扑翼飞行器为了更加接近自然界中的较小体型的昆虫或者蜂鸟，通常采用无尾翼的构型。这类飞行器的飞行控制是通过控制翼面变形进而控制翼的攻角实现，如专利“一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼飞行器”(zl109606675a)、“一种仿生蜂鸟飞行器”(zl110329505a)。上述发明在实际执行过程中通常以舵机拉动翼根弹性杆，借助翼根杆弹性变形的方式改变扑翼前后拍过程翼膜的张紧程度，进而实现扑翼拍动过程中前后拍攻角和翼膜形状的变化，造成前后拍或者左右翼气动力的差别并最终产生俯仰力矩和滚转力矩，实现飞行器的姿态控制。专利：“一种仿生蜂鸟飞行器”(zl110329505a)公开了一种微小型无尾扑翼飞行器，专利中将翼根弹性杆与机架固连，通过舵机横向拉扯弹性杆变形，使左右扑翼翼膜产生变形，从而两侧扑翼出现升力差，产生滚转力矩来控制机体滚转，通过纵向拉扯弹性杆使两侧扑翼同时产生相同的上下拍攻角变化，进而产生俯仰力矩来控制机体低头抬头。上述方案在一定程度上实现了小范围的姿态控制，但由于扑翼翼根弹性杆通常抗弯刚度较大，变形有限，导致扑翼攻角变化以及翼膜张紧变化程度不足，从而产生的俯仰、滚转控制力矩过小，难以实现大幅度姿态调整，这一方面使得飞行器受扰动后很难快速反应。同时导致飞行器进行机动时用于机动以外的控制余量不足，飞行器机动性较差。

技术实现要素：

本发明针对现有微型扑翼飞行器扑翼借助翼根杆变形只能小幅改变翼上下拍过程中翼膜张紧程度，使得上述控制动作所产生的气动控制力矩较小，控制舵效较小不足从而难以维持高效姿态控制的问题，提出了一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼。本发明实现了扑翼翼根杆横向和纵向的运动范围增大，使得扑翼前后拍过程中，翼膜变形程度以及攻角变化更为显著，从而大幅度增加滚转力矩和俯仰力矩的变化范围，增强了控制舵效，从而使得扑翼飞行器的控制效果、抗扰动能力、机动飞行能力大幅提升。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼包括扑翼、固定装置以及变向装置，飞行器包括所述扑翼、拍动传动机构及控制舵机。

所述扑翼包括柔性翼膜、横直梁、斜弹性杆以及翼根弹性杆；柔性翼膜采用聚酰亚胺材料，呈仿生扑翼形状，前缘水平，后缘为一个圆弧形，从翼根向翼尖弦长减小；柔性翼膜的前缘与横直梁粘接，翼根一侧与翼根弹性杆粘接，柔性翼膜平铺状态下所述翼根弹性杆以与所述横直梁粘接部位夹角为100°到120°的方式粘贴在柔性翼膜翼根一侧；斜弹性杆粘接在柔性翼膜上并与横直梁呈20°到50°夹角；横直梁根部与所述拍动传动机构连接；翼根弹性杆的前缘端与变向装置的铰链装置b连接，后缘受所述控制舵机控制，带动变向装置同步转动；所述扑翼安装至飞行器上后，所述横直梁固定不动，悬停状态下所述翼根弹性杆与水平面垂直，所述柔性翼膜松弛，当飞行机动时，所述翼根弹性杆在所述控制舵机的带动下绕所述固定装置双向转动，带动扑翼变形，从而产生控制力矩进行姿态控制。

所述固定装置包括机架、铰链装置a；所述机架为立体结构，用作安装飞行器各部分结构，包括拍动传动机构及控制舵机，机架上所述翼根弹性杆的安装部位设计安装孔位以便固定所述铰链装置a；所述铰链装置a为立体结构，其一端为长方体，与机架固定连接，另一端为u型槽结构，两端有耳片，耳片上方打有通孔，与所述变向装置的变向节连接，使所述变向装置和翼根弹性杆可以绕自身双向转动。

所述变向装置包括铰链装置b、变向节；所述铰链装置b为立体结构，其上端为u型槽结构，两端有耳片，耳片上方打有通孔，下方为圆柱体结构，圆柱体下方留有圆柱形孔位，用于安装所述翼根弹性杆；所述变向节中心部分为一立方体，四面凸出有小圆台，前后两面小圆台插入所述铰链装置a中预留孔位，形成转动副，左右两面小圆台插入所述铰链装置b预留的通孔中，形成转动副，从而所述铰链装置b可带动所述翼根弹性杆绕所形成的两个转动副进行双向转动。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼的制作及安装过程为：

(1)裁剪出柔性翼膜，用柔性翼膜分别折叠包裹住所述横直梁以及翼根弹性杆，将所述斜弹性杆粘接在对应位置；将扑翼的横直梁与机架所安装的拍动机构连接，将翼根弹性杆插入铰链装置b的弹性杆安装端圆孔并粘接固定。

(2)通过铆钉将两个铰链装置a的长方体端分别铆接到机架翼根处安装孔，并分别将u型端与变向节连接；之后将两个铰链装置b与变向节安装，使扑翼通过所述变向装置与机架连接；此时所述铰链装置a通孔对应方向为左右方向，所述铰链装置b通孔对应方向为前后方向。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼其控制方法，进行飞行机动时，扑翼拍动产生升力，通过控制左右扑翼张紧程度形成升力差进行滚转控制，通过改变扑翼攻角产生阻力矩进行俯仰控制；飞行器悬停时，拍动传动机构带动扑翼在水平面内拍动产生升力；当飞行器无需进行姿态控制悬停，所述翼根弹性杆与机架平面及所述扑翼横直梁垂直，此时扑翼上下拍的翼膜变形程度相同，上下拍攻角变化也一致，此时没有控制力矩产生。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼其控制方法，当飞行器需要产生向右滚转力矩时，舵机向右侧拉动两个扑翼的翼根弹性杆末端，所述翼根弹性杆绕变向节与铰链装置b形成的转动副向右转动，从而使得左侧扑翼柔性翼膜张紧，右侧扑翼柔性翼膜放松；相较于悬停状态，左侧扑翼柔性翼膜张紧，攻角增加；右侧扑翼柔性翼膜放松，攻角减小；从而左侧扑翼升力增加，右侧扑翼升力减小，产生向右滚转力矩；当飞行器需要产生向右滚转力矩时，则舵机向左侧拉动两个扑翼的翼根弹性杆末端。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼其控制方法，当飞行器需要产生抬头的俯仰控制力矩时，舵机向前拉动扑翼翼根弹性杆末端，翼根弹性杆与铰链装置b一同绕变向节与铰链装置a形成的转动副向前转动，从而使得左、右两侧扑翼上拍时攻角增加，扑翼有效受力面积增大，下拍时攻角减小，扑翼有效受力面积减小，从而在一个拍动周期内产生一个向后的阻力，由于阻力产生作用点在飞行器重心之上，从而产生向前抬头的俯仰力矩；当飞行器需要产生低头的俯仰控制力矩时，则舵机向后拉动扑翼的翼根弹性杆末端。

本发明的优点在于：

1、一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼，将扑翼翼根弹性杆与机架固定的连接方式改变为通过双向铰链连接，增加了翼根弹性杆在横向、纵向的活动范围，从而增大了翼膜张紧变化范围与扑翼攻角变化范围，进而增大了滚转力矩和俯仰力矩的变化区间，增强了控制舵效，从而使得扑翼飞行器的控制效果、抗扰动能力、机动飞行能力大幅提升。

2、一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼，通过模块化设计，使得整个双向铰链装置分解为各个简单的独立单元，便于应用，同时便于拆装维修，个别单元损坏时无需整体更换，节约成本。

附图说明

图1是本发明一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼的整体示意图；

图2是本发明一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼膜平铺状态下的示意图；

图3是本发明一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼的固定装置示意图；

图4是本发明一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼的变向装置示意图；

图5是本发明一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼的右滚控制示意图；

图6是本发明一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼的抬头控制示意图；

图7是本发明一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼下拍时攻角减小示意图；

图中：

1-扑翼2-固定装置3-变向装置

101-柔性翼膜102-横直梁103-斜弹性杆

104-翼根弹性杆201-机架202-铰链装置a

301--铰链装置b302-变向节

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼，如图1所示，包括扑翼1、固定装置2及变向装置3。

如图2所示，所述扑翼包括柔性翼膜101、横直梁102、斜弹性杆103以及翼根弹性杆104。柔性翼膜101采用聚酰亚胺材料，呈仿生扑翼形状，前缘水平，后缘为一个圆弧形，从翼根向翼尖弦长减小；柔性翼膜101的前缘与横直梁102粘接，翼根一侧与翼根弹性杆104粘接，柔性翼膜101平铺状态下翼根弹性杆104以与横直梁102粘接部位夹角为100°到120°的方式粘贴在柔性翼膜101翼根一侧；斜弹性杆103粘接在柔性翼膜101上并与横直梁102呈20°到50°夹角；横直梁102根部与飞行器拍动传动机构连接；翼根弹性杆104的前缘端与变向装置3的铰链装置b301连接，后缘受控制舵机控制，带动变向装置3同步转动；所述扑翼1安装至飞行器上后，横直梁102固定不动，悬停状态下翼根弹性杆104与水平面垂直，柔性翼膜101松弛，当飞行机动时，翼根弹性杆104在控制舵机的带动下绕固定装置2双向转动，带动扑翼1变形，从而产生控制力矩进行姿态控制。

如图3所示，所述固定装置2包括机架201、铰链装置a202；所述机架201为立体结构，用作安装飞行器各部分结构包括拍动传动机构、控制舵机，机架201上翼根弹性杆104的安装部位设计安装孔位以便固定铰链装置a202；铰链装置a202为立体结构，其一端与机架201固定连接，另一端与变向装置3的变向节302连接，使变向装置3和翼根弹性杆104可以绕固定装置2双向转动。

如图4所示，所述变向装置3包括铰链装置b301、变向节302；其中铰链装置b301为立体结构，其一端与变向节302连接，并可绕安装轴转动，其另一端用以固定扑翼1翼根弹性杆104；变向节302为立体结构，作为活动关节连接固定装置2与铰链装置b301，使得铰链装置b301带动翼根弹性杆104可通过变向节302围绕固定装置2进行双向运动。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼的制作及安装过程为：

(1)裁剪出柔性翼膜101，用柔性翼膜101分别折叠包裹住横直梁102以及翼根弹性杆104，将斜弹性杆103粘接在对应位置；将横直梁102与机架201所安装的拍动机构连接，将翼根弹性杆104插入铰链装置b301的弹性杆安装端圆孔并粘接固定。

(2)通过铆钉将两个铰链装置a202的长方体端分别铆接到机架201翼根处安装孔，并分别将u型端与变向节302连接；之后将两个铰链装置b301与变向节安装，使扑翼1通过变向装置3与机架201连接；此时铰链装置a202通孔对应方向为左右方向，铰链装置b301通孔对应方向为前后方向。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼其控制方法，进行飞行机动时，扑翼1拍动产生升力，通过控制左右扑翼1张紧程度形成升力差进行滚转控制，通过改变扑翼1攻角产生阻力矩进行俯仰控制；飞行器悬停时，拍动传动机构带动扑翼1在水平面内拍动产生升力；飞行器无需进行姿态控制，翼根弹性杆104与机架201平面及扑翼横直梁102垂直，此时扑翼1上下拍的柔性翼膜101变形程度相同，上下拍攻角变化也一致，此时没有控制力矩产生。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼其控制方法，如图5所示，当飞行器需要产生向右滚转力矩时，舵机向右侧拉动扑翼1的翼根弹性杆104末端，翼根弹性杆104绕变向节302与铰链装置b301形成的转动副向右转动，从而使得左侧扑翼1柔性翼膜101张紧，右侧扑翼1柔性翼膜101放松；相较于悬停状态，左侧扑翼1柔性翼膜101张紧，攻角增加；右侧扑翼1柔性翼膜101放松，攻角减小；从而左侧扑翼1升力增加，右侧扑翼1升力减小，产生向右滚转力矩；当飞行器需要产生向右滚转力矩时，则舵机向左侧拉动两个扑翼1的翼根弹性杆104末端。

所述一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼其控制方法，如图6所示，当飞行器需要产生抬头的俯仰控制力矩时，舵机向前拉动扑翼1翼根弹性杆104末端，翼根弹性杆104与铰链装置b301一同绕变向节302与铰链装置a202形成的转动副向前转动，从而使得左、右两侧扑翼1相对于上拍时攻角增加，扑翼有效受力面积增大，下拍时攻角减小，扑翼有效受力面积减小，如图7所示，从而在一个拍动周期内产生一个向后的阻力，由于阻力产生作用点在飞行器重心之上，从而产生向前抬头的俯仰力矩；当飞行器需要产生低头的俯仰控制力矩时，则舵机向后拉动扑翼1的翼根弹性杆104末端。