[发明专利]一种可实现大变形及高控制力矩产生的微型扑翼

说明书

本发明公开了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由双向铰链连接，增加了翼根弹性杆在横向、纵向的活动范围，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。此外，扑翼模块化设计，也使得整个双向铰链装置可分解为各个简单的独立单元，便于拆装维修、节约成本。

技术领域

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。

发明内容

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。