[发明专利]一种利用尾翼辅助控制的仿生微型扑翼飞行器

说明书

本发明公开了一种利用尾翼辅助控制的仿生微型扑翼飞行器，涉及微型飞行器领域；包括扑翼、动力系统、传动机构和控制机构。针对仿生微型扑翼飞行器控制力矩不足、续航时间短等问题，本发明在扑翼产生的下洗气流位置增加尾翼，有效利用下洗气流，增强仿生微型扑翼飞行器在偏航和俯仰方向的抗扰动能力；尾翼可充当仿生微型扑翼飞行器的额外控制舵面，与扑翼协同作用，增强飞行器姿态的控制效果；通过所述尾翼可带动飞行器由悬停状态快速转为平飞状态，减少飞行状态转换过程中的升力、高度损失和平飞状态滞空所需推力，同时可通过降低扑翼拍动频率和拍动幅度来降低飞行器滞空所需功耗，增加续航时间。

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体是一种利用尾翼辅助控制的仿生微型扑翼飞行器。

背景技术

微型飞行器是20世纪90年代中期发展起来的一种新型飞行器。近二十年来，随着传统飞行器设计技术的不断提高和微电子技术的不断成熟，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、隐蔽性好等特征，在侦察、通讯、勘探、协助救援等军民领域均有广泛的应用前景。

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日益成熟。仿生微型扑翼飞行器具有仿生外形，其借鉴生物飞行原理，具有机动性强、隐蔽性强、可悬停等能力。近年来，随着人们对昆虫和蜂鸟飞行力学的深入研究，仿生微型扑翼飞行器在微型化方向上有了进一步发展。

目前实际设计的仿蜂鸟微型扑翼飞行器，其两侧扑翼和机构在制造过程中很难达到严格对称，因此飞行器在飞行过程中存在难以避免的初始偏差力矩，需要足够的控制力矩来平衡初始偏差力矩。当前，多数设计的仿生微型扑翼飞行器样机，多通过控制柔性翼变形实现上下拍攻角变化的方式产生对飞行器的控制力矩(如专利CN109436320A，一种飞行器和专利CN110703788A，一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法及其实现)，但由于柔性翼变形同时改变升力与力矩，在保证升力的条件下进行力矩控制存在控制效率不高、控制手段单一、控制力矩不足等缺点，难以满足飞行器平衡姿态和高机动运动所需的较大控制力矩产生需求。此外，在悬停飞行时，扑翼攻角通常设计在最佳效率拍动攻角，当利用攻角控制改变力矩时，扑翼的攻角势必偏离悬停状态下效率最高的设计攻角，使得飞行器的气动效率和续航时间下降。为解决这一问题，除应用传统的翼攻角控制方法进行力矩产生控制外，还应该积极探索其他形式的力矩控制方法在仿生微型飞行器上的应用。

发明内容

本发明针对现有仿生微型扑翼飞行器大多采用攻角控制方案，控制力矩产生方法单一、控制力矩不足、控制过程中攻角偏离高效运动范围导致气动效率下降、续航时间短等问题，提出一种利用尾翼辅助控制的仿生微型扑翼飞行器，通过尾翼的辅助作用来增加控制力矩，并利用尾翼与扑翼的协同控制来改善仿生微型扑翼飞行器在悬停和垂直起降状态时的姿态控制效果，降低飞行器平飞状态的能耗，提高飞行器的续航时间。

一种利用尾翼辅助控制的仿生微型扑翼飞行器，包括扑翼、电机、传动机构和控制机构。

所述扑翼包括左侧翼和右侧翼。所述左侧翼和右侧翼结构相同，均包括前缘翼杆、侧翼杆和翼膜，前缘翼杆与翼膜上缘粘接，侧翼杆与翼膜侧缘粘接，左、右侧翼往复拍动为飞行器提供克服重力的升力、平飞的推力以及姿态控制的气动力矩。所述侧翼杆插入控制机构俯仰控制舵机固定架上的侧翼杆限位孔中，通过俯仰控制舵机固定架拉动实现侧翼杆前后位置改变，据此改变翼膜在上下拍过程中膜的松紧程度和攻角，从而改变翼上产生的力和力矩。

所述电机为微型电机，为飞行器提供动力。

所述传动机构包括齿轮减速组、曲柄、传动放大机构。所述齿轮减速组和曲柄将飞行器电机的高速圆周运动转化为低频往复拍动运动，所述传动放大机构将该往复拍动运动幅度进一步放大，带动所述扑翼以较大幅度进行往复拍动，以产生升力。为减小扑翼运动的惯性载荷从而降低电机功耗、提高飞行器气动效率，所述扑翼的拍动幅度不小于150度。