一种微型双扑翼飞行器的制作方法

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种微型双扑翼飞行器。

背景技术：

随着上世纪末飞行器设计理念的不断创新和微电子技术的大幅进步，微型飞行器被提出并快速发展。微型飞行器具有体积小、重量轻和机动性强等特征，适用于复杂环境下的侦查、勘探和协助救援等工作，应用前景广泛。仿生微型扑翼飞行器作为微型飞行器的一个重要分支，随着仿生学设计的发展逐渐开始出现。扑翼微型飞行器依靠扑翼的往复拍动产生升力，通过对扑翼拍动过程的细微控制产生控制力矩,其可在低雷诺数下保持较高的气动效率及灵敏的机动性，具备垂直起降、悬停等飞行能力。

仿昆虫扑翼飞行器模仿自然界中的蜂、蝇等飞行生物，大多具有一对翅膀，其升力、控制力矩均依靠仅有的一对翼产生，这导致这类飞行器普遍存在升力不足、控制舵效较低、控制方案复杂等问题。为解决上述问题，现今提出了微型双扑翼飞行器，此类飞行器有前后两对扑翼，翼数量的增加增大了升力，对前后两对翼的整体控制进行力矩控制和姿态控制，降低了控制舵效和控制设计的难度。上述特征为研制大载荷微型飞行器提供了有效方案。

随着微型双扑翼飞行器研究的深入，当前微型双扑翼飞行器的性能仍有待优化和提升，尤其在升力产生和控制系统设计上。当前微型双扑翼飞行器采用增加扑翼数量的方式实现了增升，但为避免多翼间干扰，各扑翼的拍动幅度大幅减小，这使得各扑翼产生的升力也有所降低，因此还需在飞行器上进一步探究应用各类非定常高升力机制。另一方面，现有微型双扑翼飞行器大多采用电机搭配三个舵机进行三自由度控制。每个舵机均需要安装空间及配套的固定装置，这增加了机构的重量和复杂度，此外每个舵机各有一个控制变量，也需要飞控系统为其配套单独的控制信号通道，这也使得控制律复杂，提高了设计的难度。为此，为进一步的改进和提升微型双扑翼飞行器的飞行性能，仍应研制具有更高升力产生能力、控制方案及控制率简单的微型双扑翼飞行器设计方案。

技术实现要素：

本发明针对现有的微型双扑翼飞行器存在的升力仍需提升、控制机构和控制率仍需简化等问题，发明了一种微型双扑翼飞行器。该飞行器采用前后两对扑翼产生升力，除传统的翼拍动产生升力外，还充分利用双翼“打开-合拢”效应进一步提高升力；飞行器改过去两个直线舵机控制滚转的设计为由单个旋转舵机一并控制前后两对扑翼，进一步简化控制机构、节省控制资源，并减轻飞行器重量、延长续航时间。

所述一种微型双扑翼飞行器，包括一个中间连接结构、一个姿态控制舵机、一个翼根位置控制机构和前后两个完全相同的扑翼系统。

所述中间连接结构为立体结构，上部前后两端开有两个底座安装孔，用于固定前后两套所述扑翼系统的底座，以将所述两套扑翼系统组合为一个整体；所述中间连接结构下部设有姿态控制舵机底座，以便安装所述姿态控制舵机。

所述扑翼系统包括空心杯电机、底座、减速齿轮组、拍动角放大机构及扑翼。所述空心杯电机为大功率有刷电机。所述底座经3d打印整体成型，为左右对称结构；所述底座最下端设有内径稍小于所述空心杯电机外径的空心杯电机安装孔，用于以过盈配合方式安装所述空心杯电机且便于更换；所述底座中部设置三个中间安装孔，用于所述减速齿轮组的安装定位；所述底座的上缘设置两个z型连杆安装孔和两个摇杆安装孔，用于安装所述拍动角放大机构的z型连杆和摇杆；所述底座对称轴的上半部分设置一个顶部滑槽，限制所述拍动角放大机构的滑块在其中水平前后滑动。

所述减速齿轮组包括主轴齿轮，双层齿轮和大齿轮；所述主轴齿轮安装在所述空心杯电机的输出轴上，所述大齿轮和所述双层齿轮安装在所述底座上，所述双层齿轮上下层齿轮分别与所述主轴齿轮和所述大齿轮啮合。所述空心杯电机输出的高速旋转运动通过所述主轴齿轮相继带动所述双层齿轮和所述大齿轮实现减速；所述大齿轮上设驱动连杆安装孔用于安装所述拍动角放大机构的驱动连杆。

所述拍动角放大机构为曲柄-连杆机构，由驱动连杆、两个z型连杆，两个圆弧连杆和两个摇杆组成。所述驱动连杆两端设置两个驱动连杆连接孔；所述z型连杆两端设有z型连杆连接孔和z型连杆连接槽，中间设有z型连杆中间孔；所述圆弧连杆两端设置两个圆弧连杆连接孔；所述摇杆一端设置摇杆连接孔，另一端沿轴向设置主翼杆安装孔，中间设置摇杆中间孔；第一驱动连杆连接孔与所述驱动连杆安装孔铰接，形成曲柄，第二驱动连杆连接孔与所述两个z型连杆连接槽铰接形成铰接点，所述铰接点被约束在所述底座顶部滑槽内滑动；所述z型连杆经所述z型连杆中间孔铰接在所述底座的z型连杆安装孔，所述z型连杆连接孔与所述第一圆弧连杆连接孔铰接；所述第二圆弧连杆连接孔铰接在所述摇杆中间孔；所述摇杆经所述摇杆连接孔与所述底座摇杆安装孔铰接，所述主翼杆安装孔固连所述主翼杆；所述拍动角放大机构将所述驱动连杆的小幅度往复运动放大成所述摇杆的大幅度摆动。为充分应用多翼拍动的“打开-合拢”高升力机制，应当使每对所述扑翼上拍至极限位置时的距离最近，而连杆机构的传力特性和两对所述扑翼扑动时的空间位置干涉限制了单翼拍动两极限位置之间的角度，因此，本发明中单翼拍动两极限位置之间的角度设计为110°-120°，符合多翼拍动的“打开-合拢”高升力机制原理。

所述扑翼由翼膜、主翼杆、辅翼杆及翼根杆组成。所述翼膜为柔性薄膜，通常采用聚乙烯材料等做成，呈仿生扑翼状。所述主翼杆与所述翼膜前缘粘连，所述辅翼杆粘连在所述翼膜上并与所述主翼杆呈30°。所述翼膜平铺状态下所述翼根杆与所述翼膜左侧粘连且与所述翼膜前缘呈110°-120°，所述扑翼安装之后，所述翼根杆与所述主翼杆垂直，以便使所述翼膜在安装后松弛。拍动过程中，所述主翼杆带动所述辅翼杆和所述翼膜高频往复拍动，所述辅翼杆和所述翼膜在惯性力和气动力的作用下发生变形，所述翼膜的最大变形受所述翼根杆位置的约束，使得上下拍中间时刻所述扑翼展向面积二阶矩位置处的攻角在25°-35°之间，以维持较高的气动效率。通过改变所述翼根杆的前后左右位置，可改变所述翼膜的张紧程度，进而改变上下拍攻角产生不同的气动力和气动力矩。

所述翼根位置控制机构呈h形，四个端点设翼根杆定位孔约束翼根杆，中间梁设舵机臂连接槽；所述姿态控制舵机为微小型大扭矩旋转舵机，安装在所述中间连接结构的下部，舵机臂一端固连一铆钉；飞行控制时所述舵机臂的旋转运动使其端部的所述铆钉产生圆弧运动轨迹，所述铆钉在所述舵机臂连接槽内前后滑动，带动所述翼根位置控制机构左右移动，从而实现将所述姿态控制舵机的转动角转换为所述翼根位置控制机构的左右平移，进而改变所述翼根杆左右位置，实现对所述扑翼变形的控制从而获得气动控制力矩。

一种微型双扑翼飞行器其应用“打开-合拢”机制产生高升力的主要原理为：在一个拍动运动过程中，单翼两极限位置间夹角为110°左右；所述扑翼上拍时，同侧相邻所述扑翼相向运动，当至极限位置时，受减速惯性力的作用左右相邻两个所述扑翼相向合拢，所述两扑翼翼尖部分变形后贴合在一起，之后随上拍转下拍，在所述主翼杆的带动下，所述两扑翼反向运动，原本贴合的翼膜快速打开。由空气动力学原理可知，所述两扑翼快速合拢和打开过程中会有显著的高升力产生，这一高升力将极大补充传统拍动运动产生的升力，从而实现增升效果。

一种微型双扑翼飞行器其滚转控制力矩产生方法为：当飞行器需要右滚转力矩时，所述姿态控制舵机逆时针旋转，通过所述翼根位置控制机构带动前后两对所述扑翼的翼根杆同时向右平移，使得左侧所述扑翼翼膜张紧、升力增大，右侧所述扑翼翼膜放松、升力减小，从而产生右滚控制力矩，进而完成飞行器的右滚动作；当飞行器需要左滚力矩时，所述姿态控制舵机顺时针旋转，通过所述翼根位置控制机构带动前后两对所述扑翼翼根杆同时向左平移，使得右侧所述扑翼翼膜张紧、升力增大，左侧所述扑翼翼膜放松、升力减小，从而产生左滚控制力矩，进而完成飞行器的左滚动作。

一种微型双扑翼飞行器的俯仰控制力矩产生方法为：当飞行器需要抬头力矩时，前端所述空心杯电机转速上升，后端所述空心杯电机转速下降，前后两空心杯电机分别驱动所述主轴齿轮及所述减速齿轮组，经过所述拍动角放大机构驱动所述扑翼往复拍动，使得前对所述扑翼拍动频率增高、升力增大，后对所述扑翼拍动频率降低、升力减小，从而产生俯仰控制力矩，进而完成飞行器的抬头动作；当飞行器需要低头力矩时，后端所述空心杯电机转速上升，前端所述空心杯电机转速下降，前后两空心杯电机分别驱动所述主轴齿轮及所述减速齿轮组，经过所述拍动角放大机构驱动所述扑翼往复拍动，使得后对所述扑翼拍动频率增高、升力增大，前对所述扑翼拍动频率降低、升力减小，从而产生俯仰控制力矩，进而完成飞行器的低头动作。

本发明的优点在于：

(1)一种微型双扑翼飞行器，通过一个旋转姿态控制舵机控制了两对扑翼的翼根杆位置，实现滚转控制，有效减轻了飞行器重量，降低了控制难度，节省了控制软硬件资源，并降低了功耗；

(2)一种微型双扑翼飞行器，借助扑翼的“打开-合拢”机制进一步增强了升力产生；

(3)一种微型双扑翼飞行器，将两组扑翼通过两个空心杯电机分别控制，通过空心杯电机转速差动控制各对扑翼的拍动频率，从而使两对扑翼产生不同的气动力，进而产生大俯仰力矩，增大了飞行器俯仰方向的机动性。

附图说明

图1是本发明一种微型双扑翼飞行器整体方案示意图；

图2是本发明一种微型双扑翼飞行器减速齿轮组示意图；

图3是本发明一种微型双扑翼飞行器拍动角放大机构示意图；

图4是本发明一种微型双扑翼飞行器扑翼示意图；

图5是本发明一种微型双扑翼飞行器中间连接结构示意图；

图6是本发明一种微型双扑翼飞行器姿态控制翼根位置控制机构示意图；

图中：

1-减速齿轮组；101-主轴齿轮；102-双层齿轮；103-大齿轮；104-驱动连杆安装孔；105-摇杆安装孔；106-z型连杆安装孔；107-顶部滑槽；108-空心杯电机安装孔；2-拍动角放大机构；201-驱动连杆；202-z型连杆；203-圆弧连杆；204-摇杆；3-空心杯电机；4-底座；5-扑翼；501-主翼杆；502-辅翼杆；503-翼根杆；504-翼膜；6-中间连接结构；601-底座安装孔；602-姿态控制舵机安装孔；7-姿态控制舵机；8-翼根位置控制机构；801-翼根杆定位孔；802-舵机臂连接槽；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种微型双扑翼飞行器，以图中箭头方向为前方，由前后两个完全相同的扑翼系统和一个中间连接结构6、一个姿态控制舵机7、一个翼根位置控制机构8组成。每套所述扑翼系统包括减速齿轮组1、拍动角放大机构2、空心杯电机3、底座4、扑翼5。

如图2所示，所述减速齿轮组1包括主轴齿轮101，双层齿轮102和大齿轮103。所述主轴齿轮101安装在所述空心杯电机输出轴上，所述大齿轮103和所述双层齿轮102安装在所述底座4的所述中间安装孔，所述双层齿轮102上下层齿轮分别与所述主轴齿轮101和所述大齿轮103啮合。所述空心杯电机输出的高速旋转运动通过所述主轴齿轮101相继带动所述双层齿轮102和所述大齿轮103实现减速。所述大齿轮103上设所述驱动连杆安装孔104用于安装所述拍动角放大机构2的所述驱动连杆201。

如图3所示，所述拍动角放大机构2为曲柄-连杆机构，由驱动连杆201、两个z型连杆202，两个圆弧连杆203和两个摇杆204组成。所述驱动连杆201两端设置两个驱动连杆连接孔；所述z型连杆202两端设有z型连杆连接孔和z型连杆连接槽，中间设有z型连杆中间孔；所述圆弧连杆203两端设置两个圆弧连杆连接孔；所述摇杆204一端设置摇杆连接孔，另一端沿轴向设置主翼杆501安装孔，中间设置摇杆中间孔；第一驱动连杆连接孔与所述驱动连杆安装孔104铰接，形成曲柄，第二驱动连杆连接孔与所述两个z型连杆连接槽铰接形成铰接点，所述铰接点被约束在所述底座4顶部滑槽107内滑动；所述z型连杆202经所述z型连杆中间孔铰接在所述底座4的z型连杆安装孔106，所述z型连杆连接孔与所述第一圆弧连杆连接孔铰接；所述第二圆弧连杆连接孔铰接在所述摇杆中间孔；所述摇杆204经所述摇杆连接孔与所述底座4的摇杆安装孔铰接，所述主翼杆安装孔固连所述主翼杆501；所述拍动角放大机构2将所述驱动连杆201的小幅度往复运动放大成所述摇杆204的大幅度摆动。

所述空心杯电机3为大功率有刷电机。安装在所述底座下部，用于驱动所述减速齿轮组1和所述拍动角放大机构2，为所述扑翼5提供周期往复运动。

所述底座4经3d打印整体成型，为左右对称结构。所述底座4最下端设定内径稍小于所述空心杯电机3外径的空心杯电机安装孔108，用于以过盈配合方式安装所述空心杯电机3且便于更换；所述底座4中部设有三个中间安装孔，用于所述减速齿轮组1的安装定位；所述底座4的上缘分布两个摇杆安装孔105、两个z型连杆安装孔106，用于安装所述拍动角放大机构2；所述底座4对称轴的上半部分设置一个所述顶部滑槽107，限制所述驱动连杆201上固连的铆钉在其中水平前后滑动。

如图4所示，所述扑翼5由翼膜504、主翼杆501、辅翼杆502及翼根杆503组成。所述翼膜504为柔性薄膜，通常采用聚乙烯材料等做成，呈仿生扑翼状。所述主翼杆501与所述翼膜504前缘粘连，所述辅翼杆502与所述翼膜504粘连并与所述主翼杆501呈30°。在所述翼膜504平铺状态下，所述翼根杆503与所述翼膜504左侧粘连且与所述翼膜504前缘呈110°-120°，所述扑翼5安装之后，所述翼根杆503与所述主翼杆501垂直，以便使所述翼膜504在安装后松弛。拍动过程中，所述主翼杆501带动所述辅翼杆502和所述翼膜504高频往复拍动，所述辅翼杆502和所述翼膜504在惯性力和气动力的作用下发生变形，膜的最大变形受所述翼根杆503位置的约束，使得上下拍中间时刻翼展向面积二阶矩位置处的攻角在25°-35°之间，以维持较高的气动效率。通过改变所述翼根杆503的前后左右位置，可改变所述翼膜504的张紧程度，进而改变上下拍攻角产生不同的气动力和气动力矩。

如图5所示，所述中间连接结构6为立体结构，上部前后两端开有两个底座安装孔601，用于固定前后两套所述扑翼系统的底座4，以将两套所述扑翼系统组合为一个整体。所述中间连接结构6下部设有姿态控制舵机底座，设有姿态控制舵机安装孔602以便安装所述姿态控制舵机7。所述姿态控制舵机7为微小型大扭矩旋转舵机，安装在中间连接结构6的下部，舵机臂上固连一铆钉。

如图6所示，所述翼根位置控制机构8呈h形，四个端点设孔801约束翼根杆503，中间梁设舵机臂连接槽802。飞行控制时所述舵机臂的旋转运动使其端部的所述铆钉产生圆弧运动轨迹，所述铆钉在所述舵机臂连接槽802内前后滑动，带动所述翼根位置控制机构8左右移动，从而实现将所述姿态控制舵机7的转动角转换为所述翼根位置控制机构8的左右平移，进而改变所述翼根杆503左右位置，实现对所述扑翼5变形的控制从而获得气动控制力矩。

一种微型双扑翼飞行器其应用“打开-合拢”机制产生高升力的主要原理为：在一个拍动运动过程中，单翼两极限位置间夹角为110°左右；所述扑翼5上拍时，同侧相邻所述扑翼5相向运动，当至极限位置时，受减速惯性力的作用左右相邻两所述扑翼5相向合拢，两翼翼尖部分变形后贴合在一起，之后随上拍转下拍，在所述主翼杆501的带动下，两翼反向运动，原本贴合的所述翼膜504快速打开。由空气动力学原理可知，两翼快速合拢和打开过程中会有显著的高升力产生，这一高升力将极大补充传统拍动运动产生的升力，从而实现增升效果。

一种微型双扑翼飞行器按照如下方法装配：首先装配一侧所述扑翼系统。所述主轴齿轮101通过过盈配合与所述空心杯电机3连接，所述空心杯电机3通过过盈配合装配在所述底座4的所述空心杯电机安装孔108中。所述大齿轮103通过铆钉装配在所述底座4中间位置的安装孔上，所述双层齿轮102可通过铆钉装配在所述大齿轮安装孔左右任意一侧。所述双层齿轮102与所述主轴齿轮101、所述大齿轮103啮合。所述驱动连杆201一端的第一驱动连杆连接孔与所述大齿轮103的驱动连杆安装孔铰接，形成曲柄，另一端的第二驱动连杆连接孔与两个所述z型连杆202一端的z型连杆连接槽铰接，该铰接点被约束在所述底座4的所述顶部滑槽107内滑动。两个所述z型连杆202经所述z型连杆中间孔分别铰接在所述底座4上的所述z型连杆安装孔106中，又经一端的所述z型连杆连接孔与所述圆弧连杆203一端的第一圆弧连杆连接孔铰接。所述圆弧连杆203另一端的第二圆弧连杆连接孔铰接在所述摇杆204的摇杆中间孔。两个所述摇杆204一端沿轴向开主翼杆安装孔以固连所述主翼杆501，另一端的摇杆连接孔分别与所述底座4上缘的摇杆安装孔105通过空心铆钉连接，所述翼根杆503的一端粘连在铆钉的空心中。然后将两套组装完毕的所述扑翼系统的空心杯电机安装孔装配在中间连接结构6的孔601中，使两套扑翼系统一前一后纵向固连，将所述姿态控制舵机7通过孔602安装于所述姿态控制舵机底座上。最后装配所述翼根位置控制机构8，将顶点的四个翼根定位孔801分别安装于四个所述翼根杆503，中部的所述舵机臂连接槽802与所述姿态控制舵机臂铰接。一种微型双扑翼飞行器装配完毕。

一种微型双扑翼飞行器其滚转控制力矩产生方法为：当飞行器需要右滚转力矩时，所述姿态控制舵机7逆时针旋转，通过所述翼根位置控制机构8带动前后两对所述翼根杆503同时向右平移，使得左侧所述扑翼的翼膜504张紧、升力增大，右侧所述扑翼的翼膜504放松、升力减小，从而产生右滚控制力矩，进而完成飞行器的右滚动作；当飞行器需要左滚转力矩时，所述姿态控制舵机7顺时针旋转，通过所述翼根位置控制机构8带动前后两对所述翼根杆503同时向左平移，使得右侧所述扑翼的翼膜504张紧、升力增大，左侧所述扑翼的翼膜504放松、升力减小，从而产生左滚控制力矩，进而完成飞行器的左滚动作。

一种微型双扑翼飞行器的俯仰控制力矩产生方法为：前端所述空心杯电机转速上升，后端所述空心杯电机转速下降，前后两空心杯电机分别驱动所述主轴齿轮101及所述减速齿轮组1，经过所述拍动角放大机构2驱动所述扑翼5往复拍动，使得前对所述扑翼拍动频率增高、升力增大，后对所述扑翼拍动频率降低、升力减小，从而产生俯仰控制力矩，进而完成飞行器的抬头动作；当飞行器需要低头力矩时，后端所述空心杯电机转速上升，前端所述空心杯电机转速下降，前后两空心杯电机分别驱动所述主轴齿轮101及所述减速齿轮组1，经过所述拍动角放大机构2驱动所述扑翼5往复拍动，使得后对所述扑翼5拍动频率增高、升力增大，前对所述扑翼5拍动频率降低、升力减小，从而产生俯仰控制力矩，进而完成飞行器的低头动作。