[发明专利]一种羽翼变形仿生无人飞行器及变形控制方法

说明书

一种羽翼变形仿生无人飞行器及变形控制方法，该飞行器由螺旋桨、翼身融合翼段、伸缩翼段、折叠羽翼控制段、仿生羽翼和稳定尾翼段6大功能部件构成；通过伸缩翼段的伸缩和仿生羽翼的折叠两种基本变形仿生组合来模拟鸟儿翱翔时的气动构型，从而实现羽翼变形仿生无人机在城市、丛林、山地等复杂地形和狭小空间随机乱流低空超低空环境中机动灵活稳定飞行；为了克服传统固定翼或多旋翼无人机难以在复杂近地乱流环境中快速灵活稳定机动穿梭的困难。

技术领域

本发明属于无人飞行器领域，特别涉及一种羽翼变形仿生无人飞行器及变形控制方法。

背景技术

城市、山地或丛林等近地地貌十分复杂，往往会出现各种突发风切变随机乱流现象。不同风速不同风向乱流使得传统固定性或多旋翼无人机操纵性稳定性面临严峻考验。因此迫切需要能适应城市、山地或丛林复杂近地飞行环境的新型无人飞行器。能模拟鸟类和昆虫飞行的智能仿生可变形飞行器技术成为进一步提升无人机气动效率、机动性和飞行环境适应能力的主要发展方向。机器仿生昆虫存在微机械加工制造装配难度大、机载能源容量低、载荷携带能力小、抗阵风性能较差等问题，在恶劣的城市、丛林、山地等复杂近地飞行性能仍面临较大挑战。而仿鸟类飞行器在大小、载重性能和可实现性上相对仿昆虫类飞行器具有优势。目前具有代表性的智能变形飞行器技术对鸟类的仿生着重模仿鸟类飞行的基本姿态或飞行形态，大部分集中在对整体连续变形机翼的研究，主要依靠智能材料驱动来实现机翼变形或折叠保持光滑连续翼型及蒙皮结构，对智能材料结构性能提出了极大挑战，且成本高、结构复杂、变形量小以及控制效果不理想。

发明内容

为了克服传统固定翼或多旋翼无人机难以在复杂近地乱流环境中快速灵活稳定机动穿梭的困难，本发明突破现有智能变形仿生飞行器的设计理念，提出一种羽翼变形仿生无人飞行器及变形控制方法，能够在城市、丛林、山地等复杂地形和狭小空间随机乱流低空超低空环境中机动灵活稳定飞行。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种羽翼变形仿生无人飞行器，采用仿生羽翼翼身融合飞翼气动布局结构，主要由螺旋桨1、固定翼身融合翼段2、伸缩翼段3、折叠羽翼控制机构4、仿生羽翼5和稳定尾翼段6构成；所述螺旋桨1与固定翼身融合翼段2通过旋转轴机械连接；伸缩翼段3通过机械滑轨7嵌套进固定翼身融合翼段2；折叠羽翼控制机构4由前缘铰接头11、羽翼前缘12、一端固定于机械滑轨7上另一端连接羽翼前缘12的预拉弹簧13、与伸缩翼段3外端铰接用于实现折叠角度的铰接关节14组成；折叠羽翼控制机构4与仿生羽翼5通过前缘铰接头11连接；稳定尾翼段6布置于固定翼身融合翼段2尾部，提供额外航向稳定与操纵能力。

所述仿生羽翼5由多片尼龙薄膜材料制成的羽翼片9组成，每片羽翼片9中埋入碳纤维复合材料杆10增加羽翼片9的结构承载强度；每片羽翼片9之间相互重叠，在根部由凯夫拉绳8串联起来；仿生羽翼5最外侧羽翼片9与折叠羽翼控制机构4的羽翼前缘12固接，其余各羽翼片9均与折叠羽翼控制机构4在羽翼前缘12通过前缘铰接头11铰接，使羽翼片9能绕各自对应的前缘铰接头11转动；每片羽翼片9展开时凯夫拉绳8呈绷紧状态，用于限制每片羽翼片9展开后的相对位置；仿生羽翼5展开时由预拉弹簧13的预拉力提供回弹力。

优选的，所述仿生羽翼5由4到12片尼龙薄膜材料制成的羽翼片9组成。

所述的一种羽翼变形仿生无人飞行器的变形控制方法，由伸缩翼段3、仿生羽翼5和折叠羽翼控制机构4构成的组合式多自由度机械变形驱动系统，用于实现飞行器的对称和非对称两种变形模式；伸缩翼段3通过机械滑轨7嵌套进固定翼身融合翼段2，由固定翼身融合翼段2内的步进伺服电机驱动伸缩翼段3沿着机械滑轨7左右滑动实现伸缩翼段3的伸缩变形；飞行器左右两副仿生羽翼5各自的步进伺服电机采用同步工作模式，保证左右两副仿生羽翼5各自的伸缩翼段3保持同样的伸缩变形；羽翼前缘12在铰接关节14的驱动力作用下前后弯折实现仿生羽翼5多角度的折叠变形；飞行器左右两副仿生羽翼5各自的铰接关节14采用独立工作方式，使得左右两副仿生羽翼5能够实现多角度的对称和非对称两种变形模式。