一种无尾翼四轴扑翼飞行器的制作方法

本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种无尾翼四轴扑翼飞行器。

背景技术：

飞行器是在大气层内或大气层外空间飞行的器械，它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。飞行器的结构设计由模仿鸟类飞行动作开始，但鸟类的飞行动作比较复杂，初期的飞行器结构上仅简单的模仿鸟类翅膀的上下扑动，即最原始的扑翼飞行器，该类飞行器存在机动能力相当有限的问题。同时，扑翼飞行器多采用人工抛掷的方式起飞，因此需要栖停机器人技术的配合，或者需要相应设计起落架结构，又或需要相应设置磁吸附、真空吸附的结构。

通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：

现有技术1：

申请号：cn201810077170.8，申请日：2018.01.26，公开(公告)日：2018.08.03，本发明提供了一种扑翼飞行器自主起飞控制系统及方法，系统包括：遥控小车、支架、应变测量装置、车速测量装置、车载控制板、机载控制板；本发明利用车速测量装置进行遥控小车速度的精确控制，利用应变测量装置测得受力状态，并借用这些数据准确得到扑翼飞行器起飞前的状态信息，摆脱传统扑翼飞行器起飞需要手持、不自主的困境，实现扑翼飞行器自主起飞。本发明能够获得更好的扑翼飞行器飞行初始状态；在合适的扑翼频率下，小车系统和飞行器系统结合之后能够降低功率，提高效率。本发明的辅助系统结构紧凑，重量轻，易于携带，便于安装，适合应用在扑翼飞行器的自主起飞控制中。

该申请的扑翼飞行器虽然摆脱了传统扑翼飞行器起飞需要手持、不自主的困境，实现了扑翼飞行器自主起飞，但每次使用时仍需手动将扑翼飞行器安装到遥控小车上，操作较为繁琐。

现有技术2：

申请号：cn201510933810.7，申请日：2015.12.14，公开(公告)日：2016.08.17，本发明提供一种应用在扑翼飞行器的仿生起落架系统及起落控制方法，仿生起落架系统包括：视觉导航单元、运动协调处理器、机械爪单元和全动v尾作动机构；所述视觉导航单元包括左摄像头、右摄像头和图像处理器；所述左摄像头和所述右摄像头对称安装于扑翼飞行器的腹部前方；所述左摄像头和所述右摄像头均连接到所述图像处理器；所述运动协调处理器安装于扑翼飞行器的机体内部，分别与所述图像处理器、所述左机械爪舵机、所述右机械爪舵机和所述作动器机构连接。优点为：在安装该仿生起落架系统后，扑翼飞行器能够具有像鸟类一样的起降能力，提高扑翼飞行器的高效机动性，扩大其应用范围和能力。

该申请的扑翼飞行器安装仿生起落架后，能够具有像鸟类一样的起降能力，但该仿生起落架仅能在树枝、电线等较细的结构上完成起降，无法在平地自主起降，且仿生起落架本身结构复杂，严重增加了扑翼飞行器的重量。

现有技术3：

申请号：cn201710933560.6，申请日：2017.10.09，公开(公告)日：2018.03.13，本发明公开了一种轮腿式跑跳机构及扑翼式机器人，其中轮腿式跑跳机包括连接腿、位于连接腿下端的轮轴以及位于轮轴两端的轮腿机构，在所述连接腿上还设置有用于驱动所述轮轴转动的第一驱动机构，其特征在于：所述轮腿机构包括第一半轮、第二半轮以及蓄能部件，所述第一半轮和第二半轮在一端铰接且可绕铰接点打开或闭合，所述蓄能部件在所述第一半轮和第二半轮闭合时蓄能并在第一半轮和第二半轮打开时释放；在所述轮轴上还设置有驱动所述第一半轮和第二半轮闭合的第二驱动机构；所述第一半轮为与所述轮轴固定的固定轮，所述第二半轮为活动轮。本发明公开的机构具有结构简单，适用性良好，可解决扑翼式机器人自主起飞的难题。

该申请的扑翼式机器人跑跳机构结构增加了机器人的整体重量，不利于机器人能耗的控制。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。

技术实现要素：

本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种无尾翼四轴扑翼飞行器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种无尾翼四轴扑翼飞行器，包括主体机身和沿所述主体机身周向均布设置的四个结构相同的扑翼单元；

电机和减速齿轮组安装于固定板上，连杆驱动齿轮转动安装于所述固定板上，两个摇臂通过分别通过摇臂转轴转动安装于所述固定板顶部；所述电机的输出端连接电机轴齿轮，所述电机轴齿轮与所述减速齿轮组的输入端齿轮啮合，所述减速齿轮组的输出端齿轮与所述连杆驱动齿轮啮合；曲柄转轴与所述连杆驱动齿轮同轴设置，并固定连接于所述连杆驱动齿轮上，其两端各连接一个曲柄，两个所述曲柄分别连接有连杆，两个所述连杆分别通过连杆转轴与两个所述摇臂转动连接；所述摇臂上设柔性扑动翼，构成所述扑翼单元；

两个所述曲柄、两个所述连杆、两个所述摇臂、两个所述连杆转轴及两个所述柔性扑动翼的结构相同，且均对称设于所述固定板两侧。

进一步的，四个所述扑翼单元中，两个位于同一直线的所述扑翼单元沿顺时针方向倾斜，另两个所述扑翼单元以相同的角度沿逆时针方向倾斜。

进一步的，所述扑翼单元沿顺时针方向或逆时针方向倾斜的角度为20°～45°。

进一步的，所述扑翼单元沿顺时针方向或逆时针方向倾斜的角度为30°。

进一步的，所述主体机身包括机架、周向均布设于所述机架外围并与所述机架连接固定的四个连接杆及设于所述机架上的控制模块、陀螺仪和电池，四个扑翼单元分别通过四个所述连接杆与所述机架连接固定。

进一步的，还包括设于所述扑翼单元底部的支撑杆，所述支撑杆连接于所述固定板底部。

本发明提供了一种无尾翼四轴扑翼飞行器，具有以下有益效果：

1、四个独立驱动的扑翼单元可以产生类似于四旋翼的差动推力，并且可以产生俯仰、翻滚动力及偏航力矩，飞行器的动力类型灵活、全面，机动性好；

2、具有垂直起降功能，能够实现自主起降；

3、飞行器结构简单且对称性高，质量分布均匀，重心位于飞行器中心，可实现悬停飞行，具有良好的抗风能力，且控制相对容易，利于控制程序的编写设计。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明扑翼单元的结构示意图；

图4为本发明拍合效应原理图。

图中：

1、主体机身，11、控制模块，12、陀螺仪，13、电池，14、机架，15、连接杆；2、扑翼单元，201、电机，202、电机轴齿轮，203、减速齿轮组，204、连杆驱动齿轮，205、曲柄转轴，206、曲柄，207、连杆，208、固定板，209、摇杆，210、柔性扑动翼，2101、第一扑翼，2102、第二扑翼，2103、第三扑翼，2104、第四扑翼，211、支撑杆，212、摇臂转轴，213、连杆转轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图3所示，其结构关系为：包括主体机身1和沿主体机身1周向均布设置的四个结构相同的扑翼单元2；

电机201和减速齿轮组203安装于固定板208上，连杆驱动齿轮204转动安装于固定板208上，两个摇臂209通过分别通过摇臂转轴212转动安装于固定板208顶部；电机201的输出端连接电机轴齿轮202，电机轴齿轮202与减速齿轮组203的输入端齿轮啮合，减速齿轮组203的输出端齿轮与连杆驱动齿轮204啮合；曲柄转轴205与连杆驱动齿轮204同轴设置，并固定连接于连杆驱动齿轮204上，其两端各连接一个曲柄206，两个曲柄206分别连接有连杆207，两个连杆207分别通过连杆转轴213与两个摇臂209转动连接；摇臂209上设柔性扑动翼210，构成扑翼单元2；

两个曲柄206、两个连杆207、两个摇臂209、两个连杆转轴213及两个柔性扑动翼210的结构相同，且均对称设于固定板208两；电机201工作时，通过连杆驱动齿轮204驱动两个曲柄206同步运动，进而分别通过两个连杆207驱动两个摇杆209及分别连接于其上的两个柔性扑动翼210同步运动，以产生均衡升力。

优选的，四个扑翼单元2中，两个位于同一直线的扑翼单元2沿顺时针方向倾斜，另两个扑翼单元2以相同的角度沿逆时针方向倾斜，使飞行器可以产生偏航力矩。

优选的，扑翼单元2沿顺时针方向或逆时针方向倾斜的角度为20°～45°。

优选的，扑翼单元2沿顺时针方向或逆时针方向倾斜的角度为30°

优选的，主体机身1包括机架14、周向均布设于机架14外围并与机架14连接固定的四个连接杆15及设于机架14上的控制模块11、陀螺仪12和电池13，四个扑翼单元2分别通过四个连接杆15与机架14连接固定。

优选的，还包括设于扑翼单元2底部的支撑杆211，支撑杆211连接于固定板208底部，各支撑杆211用于支撑飞行器完成起飞、降落。

具体使用时，当飞行器处于悬停飞行状态时，可以通过同步改变各电机201的转速来调节飞行器的飞行高度。同步提高四个扑翼单元2的各柔性扑动翼210的拍打频率，飞行器上升，同步降低四个扑翼单元2的各柔性扑动翼210的拍打频率，飞行器下降。

通过非同步改变飞行器两侧的扑翼单元2的电机201转速可实现飞行器向一侧的运动。如同步提高左侧两个扑翼单元2的电机201的转速，并同步降低右侧两个扑翼单元2的电机201的转速，可使飞行器左侧的升力增大，右侧的升力减小，使飞行器绕y轴向右侧横滚，实现飞行器向右侧的运动；反之，同步提高右侧两个扑翼单元2的电机201的转速，并同步降低左侧两个扑翼单元2的电机201的转速，可使飞行器右侧的升力增大，左侧的升力减小，使飞行器绕y轴向左侧横滚，实现飞行器向左侧的运动。

通过非同步改变飞行器前后的扑翼单元2的电机201转速可实现飞行器的俯仰运动。如同步提高前方两个扑翼单元2的电机201的转速，并同步降低后方两个扑翼单元2的电机201的转速，可使飞行器前方的升力增大，后方的升力减小，使飞行器绕x轴向后运动；反之，如同步提高后方两个扑翼单元2的电机201的转速，并同步降低前方两个扑翼单元2的电机201的转速，可使飞行器后方的升力增大，前方的升力减小，使飞行器绕x轴向前运动。

通过非同步改变飞行器对角线方向的扑翼单元2的电机201转速可实现飞行器的偏航运动。如同步提高左前和右后两个扑翼单元2的电机201的转速，并同步降低左后和右前两个扑翼单元2的电机201的转速，可使飞行器绕z轴偏航运动，进行俯视角度下的顺时针转动；反之，如同步提高左后和右前两个扑翼单元2的电机201的转速，并同步降低左前和右后两个扑翼单元2的电机201的转速，可使飞行器绕z轴偏航运动，进行俯视角度下的逆时针转动。

飞行器的四个扑翼单元由独立的电机驱动，其推力矢量均可以独立控制，配合扑翼单元沿顺时针或逆时针方向的倾斜设置，可以产生滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，能够实现与四旋翼飞行器一样的姿态控制力矩，并实现完全的悬停控制，操纵性优良。

飞行器还具有自然界中昆虫飞行的拍合机制，如图4所示，第一扑翼2101和第三扑翼2103与第二扑翼2102和第四扑翼2104做往复的相向、向背转动。其中，a和e为第一扑翼2101运动的两个极限位置，a和b为第二扑翼2102运动的两个极限位置，b和c为第三扑翼2103运动的两个极限位置，c和d为第四扑翼2104运动的两个极限位置。

当第二扑翼2102与第三扑翼2103相向运动，同时第一扑翼2101与第二扑翼2102向背运动时，同时第三扑翼2103与第四扑翼2104向背运动时，第二扑翼2102和第三扑翼2103于极限位置b近距离拍合，发生一次拍合效应；当第二扑翼2102与第三扑翼2103相背运动，同时第一扑翼2101与第二扑翼2102相向运动时，同时第三扑翼2103与第四扑翼2104相向运动时，第一扑翼2101和第二扑翼2102于极限位置a近距离拍合，同时第三扑翼2103与第四扑翼2104于极限位置c近距离拍合，发生两次拍合效应；即每个扑动周期内发生三次拍合效应，增强拍合效应产生的尾涡，显著提高拍合机制带来的空气动力学性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。