一种具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器

1.本发明涉及仿生机械设计技术领域，特别涉及一种具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器。


背景技术：

2.扑翼飞行是自然界中绝大多数生物的飞行方式，其与固定翼飞行与旋翼飞行相比，具备灵活、高效、隐蔽等优点。扑翼飞行运动不但将悬停、高速前进、飞行、后退、栖息、快速起飞集于一体，而且具有隐蔽性好、体积小、灵活、轻质等特点，可在复杂空间环境中飞行，不受地面地形环境的限制，在国防领域和民用方面有着广泛的应用价值。能够完成传统飞行器所无法完成的工作。可以类似于昆虫实现超低空飞行，在复杂地形和狭窄空间中高效地执行特定任务，在军事侦查、危险探测、灾难搜救、电子干扰及反恐监视等军事和民用领域具有不可估量的应用潜力。
3.当前研究表明，扑翼的飞行方式是最高效最合理的飞行方式，是在空中飞翔重量相对较轻、运动效率较高的有效运动模式。因此扑翼飞行器是当前最具潜力的飞行器。与其他两种飞行器相对比，它的可微化程度更高，且能够悬停飞行，而且它的飞行状态也更加稳定，飞行效率更高。因此扑翼飞行器是当前飞行器领域的研究重点。基于此，国内外在扑翼飞行器上研究很多；如：加州理工大学研制了一种微小型电机驱动机械结构而成的机械蝙蝠“micro bat”样机，加拿大多伦多大学与美国斯坦福研究中心研制的微型扑翼飞行器“mentor”，荷兰代尔夫特理工大学研制的仿蜻蜓飞行器“del fly”，美国飞行器制造公司aerovironment模仿蜂鸟研制的微型仿蜂鸟飞行器“nanohummingbird”，南京航空航天大学研制的主动变形扑翼飞行器；吉林大学的吴永峰基于金龟子后翅设计的基于液压驱动的仿生可折叠翼；清华大学的研究人员在长时间观察蝙蝠飞行并分析其飞行运动学的基础上设计了一种仿蝙蝠机器人等；
4.现有的扑翼飞行器所用的机翼大都为不可折叠的机翼，而这样的机翼由于不可折叠容易损坏，不易携带且飞行状态单一，飞行效率不高，动力学性能较差。因此，设计一款具有良好的气动特性的扑翼飞行器可以使飞行器获得更佳的空气动力学性能和飞行灵活性。当前扑翼飞行器研究存在飞行效率低、翼气动性能差、飞行时间距离短的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种利用仿生学原理抽象鸟类身体结构而机械复现的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器。
6.为此，本发明技术方案如下：
7.一种具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，由设置在承载式机架上的飞行驱动机构、扑动机构、尾翼、机翼和扑翼锁止机构构成；其中，
8.承载式机架包括竖直设置的平面型支架、背板组、u形外框、两根活动连接杆和两根水平固定杆；u形外框和背板组自前向后设置在平面型支架的中部矩形框内；两根活动连
接杆对称设置在u形外框背侧，二者的一端通过销轴可转动地活动连接在u形外框背侧；两根水平固定杆对称设置在u形外框背侧并位于两根活动连接杆上方，二者的一端对称固定在u形外框背侧；背板组由平行且间隔设置的竖板构成，二者穿装并固定在两根水平固定杆上；
9.飞行驱动机构由驱动电机和齿轮减速机构构成；驱动电机固定在承载式机架上位于后侧的背板背侧，其输出轴通过水平朝向设置并自背板上的开孔穿设至两块背板之间；
10.齿轮减速机构包括小齿轮、第一双层齿轮和第二双层齿轮；小齿轮穿装并固定在驱动电机的输出轴前端；第一双层齿轮和第二双层齿轮相同，二者分别可转动地固定在位于后侧的背板上；第一双层齿轮置于小齿轮一侧，且其大尺寸齿轮与小齿轮啮合；第二双层齿轮置于小齿轮另一侧，且其大尺寸齿轮与第一双层齿轮的小尺寸齿轮啮合；
11.扑动机构由第一半扑动机构和第二半扑动机构构成，二者为由相同部件组成的轴对称结构；半扑动机构由曲柄齿轮、曲柄、第一连杆、第二连杆、内翼摇杆和外翼杆构成；外翼杆由长翼杆和连接在长翼杆一端的短翼杆构成，且二者之间的夹角呈为锐角；第一连杆的一端通过曲柄固定在曲柄齿轮轮盘边缘侧；内翼摇杆和第二连杆呈相互平行设置，二者的一端分别可转动地固定在长翼杆与短翼杆的连接处、以及短翼杆的自由端，二者的另一端分别可转动地固定在第一连杆的另一端和靠近第一连杆另一端的杆体上；两个半扑动机构以二者曲柄齿轮相啮合的方式呈轴对称设置，且第二双层齿轮的小尺寸齿轮与第一半扑动机构的曲柄齿轮啮合；两个曲柄齿轮可自由转动地固定在位于后侧的背板上；两根活动连接杆的另一端分别可转动地连接在两根第二连杆上的对称位置处；
12.扑翼锁止机构包括上齿轮制动钳、下齿轮制动钳、制动齿轮和舵机构成；上齿轮制动钳具有l形钳体，其竖杆顶端设有向其横杆延伸的单制动牙，其横杆底面上且靠近自由端一侧设有一排啮合齿；下齿轮制动钳具有l形钳体，其竖杆顶端设有向其横杆延伸的单制动牙，其横杆顶面上且靠近自由端一侧设有一排啮合齿；上齿轮制动钳与下齿轮制动钳以二者竖杆顶端的制动牙呈相对设置的方式对称布置在制动齿轮两侧，且二者的制动牙分别位于第一双层齿轮的小尺寸齿轮和第二双层齿轮的大尺寸齿轮邻侧，二者的横杆分布在制动齿轮的上下两侧并分别与制动齿轮啮合；制动齿轮可转动地固定在后侧背板上，并与舵机连接；上齿轮制动钳与下齿轮制动钳分别连接在背板上，并能够沿水平方向往复滑动；
13.尾翼由尾翼连接件和尾翼本体构成；尾翼本体为扇形尾翼；尾翼连接件的一端与平面型支架后端活动连接，使其能够在水平方向上自由转动，尾翼连接件的另一端与尾翼本体小端活动连接，使尾翼本体能够在竖直方向上自由转动；
14.机翼由第一半机翼和第二半机翼构成，二者为由相同部件组成的轴对称结构；半机翼包括若干个翼部和两个蒙皮部；若干个翼部分别均匀排并固定在同侧扑动机构的内翼摇杆和外翼杆上；两个蒙皮部分别包覆在位于内翼摇杆上的多个翼部外侧、以及位于外翼杆上的多个翼部外侧。
15.进一步地，驱动电机采用选用航模级的无刷直流电机。
16.进一步地，在齿轮减速机构中，第一双层齿轮的大尺寸齿轮与小齿轮的齿数比为4，第二双层齿轮的大尺寸齿轮与第一双层齿轮的小尺寸齿轮的齿数比为3，第二双层齿轮的小尺寸齿轮与相啮合的曲柄齿轮的齿数比为3.2。
17.进一步地，基于飞行器的整体质量为1000g，扑动机构中的曲柄的长度为30mm，第
一连杆的长度为100mm，第二连杆的长度为200mm，，第二连杆上的固定点p距离与第一连杆与第二连杆连接处的长度为70.5mm；内翼摇杆7的长度为210mm；长翼杆的长度为350mm，短翼杆的长度为30mm，长翼杆与短翼杆之间的夹角为30.73
°
。
18.进一步地，尾翼连接件由水平连接板和斜向连接板相连接构成，二者之间夹角呈钝角；水平连接板的自由端端部开设有轴向通孔，使其通过竖直穿装在轴向通孔内的销轴可转动地固定在承载式机架后端的水平固定板底面上；斜向连接板呈斜向向上设置，其自由端端部设有对称的两个连接耳部，两个连接耳部上开设有贯通的水平通孔；尾翼本体的小端的端部底面上设置有具有水平通孔的连接套，且连接套能够内置于斜向连接板的两个连接耳部之间，使尾翼本体小端通过穿设在两个连接耳部和连接套内的销轴与尾翼连接件形成活动连接。
19.进一步地，翼部采用双凸翼型-naca-2412。
20.与现有技术相比，该具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器成功复现了具有高飞行效率的仿信天翁扑翼结构，其由驱动机构、扑动机构、尾翼和机翼构成的扑翼结构设计采用上扑折叠、下扑展开，大大增加了周期内扑翼所提供的升力，提高了飞行效率；同时还设计了扑翼锁止机构，其通过舵机带动齿轮、以及上、下制动钳动作转动，实现对扑翼结构制动达到可控制扑翼停止状态位置的作用，控制扑翼结构保持翼展开状态，充分利用翼型所提供的升力，增加了飞行距离，提升飞行实现滑翔的飞行模式。
附图说明
21.图1为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的结构示意图；
22.图2为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的正视图；
23.图3为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的俯视图；
24.图4为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的机翼的结构示意图；
25.图5为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的电机轴侧示意图；
26.图6为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的三级齿轮减速机构的结构示意图；
27.图7为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的三级齿轮减速机构的分体结构示意图；
28.图8为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的承载式机架的平面型支架的结构示意图；
29.图9为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的尾翼的结构示意图；
30.图10(a)为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的尾翼本体的结构示意图；
31.图10(b)为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的尾翼连接件的结构示意图；
32.图11(a)为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的扑动机构的结构示意图；
33.图11(b)为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的扑动机构的结构简视图；
34.图12(a)为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的扑动机构处于上扑极限位置状态的结构示意图；
35.图12(b)为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的扑动机构处于上扑极限位置状态的结构简视图；
36.图13(a)为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的扑动机构处于下扑极限位置状态的结构示意图；
37.图13(b)为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的扑动机构处于下扑极限位置状态的结构简视图；
38.图14为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的扑翼锁止机构的结构示意图；
39.图15为本发明的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的电机、三级齿轮减速机构与扑翼锁止机构相配合的结构示意图；
40.图16为本发明的实施例中对扑翼飞行器运动仿真中翼末端水平方向位移与竖直方向位移的关系的仿真结果图像；
41.图17为本发明的实施例中对扑翼飞行器运动仿真中翼末端水平方向位移与竖直方向位移分别随时间变化的仿真结果图像；
42.图18为本发明的实施例中对扑翼飞行器运动仿真中随主动齿轮转动内翼与外翼角度变化关系的仿真结果图像
43.图19为本发明的实施例中对扑翼飞行器运动仿真中随主动齿轮转动驱动角速度与外翼扑动角速度关系的仿真结果图像。
具体实施方式
44.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
45.在本实施例中，仿生扑翼飞行器的设计是对现实世界生物的一种机械复现，其外观、机理与仿生对象越相似，实现设计目标的概率越大。仿生机构的初步尺寸一般由仿生鸟类的外形参数估算得出。因此，基于仿形信天翁的飞行特点，该飞行器的仿生目标为自然界的中大型鸟类，初步估计仿信天翁扑翼飞行器质量为1000克，基于鸟类尺度律，得到该仿生扑翼飞行器目标参数值如下表1所示。
46.表1：
[0047][0048]
参见图1～图3，该具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器由设置在承载式机架1上的飞行驱动机构、扑动机构、尾翼、机翼和扑翼锁止机构构成。
[0049]
承载式机架1承载飞行器所有结构，并支持各系统安装；具体地，承载式机架1包括竖直设置的平面型支架、背板组、u形外框、两根活动连接杆和两根水平固定杆；其中，
[0050]
参见图8，平面型支架前侧仿形为信天翁头部形状，其中部设计为用于安装驱动电机12和齿轮减速机构的矩形框，其后侧在竖向方向上的宽度逐渐变小以仿形为信天翁腹部
和尾部，且支架内间隔设置并固定有多条竖杆；在后侧支架的后端顶部沿其长度方向向外侧延伸形成水平固定板；该平面型支架的结构基于仿形设计而成，其结构变化并不会给飞行器的飞行性能带来影响，仅考虑其轻量化目标设计而成；
[0051]
参见图15，u形外框和背板组自前向后设置在平面型支架中部的矩形框内；其中，两根活动连接杆对称设置在u形外框背侧，具体地，二者的一端通过销轴可转动地活动连接在u形外框背侧；两根水平固定杆对称设置在u形外框背侧，并位于两根活动连接杆上方，具体地，二者的一端对称固定在u形外框背侧；背板组由平行且间隔设置的竖板构成，二者穿装并固定在两根水平固定杆上；为了最大程度减少背板的质量，背板采用镂空背板。
[0052]
飞行驱动机构由驱动电机12和齿轮减速机构构成；具体地，
[0053]
驱动电机12采用选用航模级的无刷直流电机，其具有电子换向代替传统的机械换向，性能可靠、无磨损，寿命比有刷直流电机提高了约6倍，且无极调速，调速范围广，过载能力强，无无线电干扰，不产生火花；在该仿信天翁扑翼飞行器中，驱动电机12固定在承载式机架1上位于后侧的背板背侧，其输出轴通过背板上的通孔沿水平方向朝前穿设至两块背板之间；
[0054]
参见图5、图6和图7，齿轮减速机构包括小齿轮13、第一双层齿轮14和第二双层齿轮15；其中，小齿轮13穿装并固定在驱动电机12的输出轴前端；第一双层齿轮14和第二双层齿轮15尺寸与结构相同；第一双层齿轮14置于小齿轮13一侧，且其大尺寸齿轮与小齿轮13啮合；第二双层齿轮15置于小齿轮13另一侧，且其大尺寸齿轮与第一双层齿轮14的小尺寸齿轮啮合；安装时，第一双层齿轮14和第二双层齿轮15的中心孔内分别插装并固定有一根固定轴，固定轴的后端插装在固定于背板相应位置处的转动轴承中心孔内活动连接在承载式机架1上位于前侧的背板上，并保持自由转动。
[0055]
基于上述确定的扑翼频率要求，三级减速器高速级和低速级的传动比优选为i1＝(1.3～1.4)i2，即三级减速器分别布置为4、3、3.2；因此，在本实施例中，与电机轴配合小齿轮齿数z1＝8，双层齿轮2中大齿轮齿数z2＝32，双层齿轮2中小齿轮齿数为z3＝10，双层齿轮1中大齿轮齿数z4＝30，双层齿轮1中小齿轮齿数z5＝10，与曲柄连接的大齿轮齿数z6＝32。
[0056]
参见图11(a)，扑动机构由第一半扑动机构和第二半扑动机构构成，二者为由相同部件构成的轴对称结构；以第一半扑动机构为例，其由曲柄齿轮4、曲柄、第一连杆5、第二连杆6、内翼摇杆7和外翼杆8构成；具体地，
[0057]
外翼杆8由长翼杆和连接在长翼杆一端的短翼杆构成，且二者之间的夹角呈为锐角；其中，第一连杆5的一端通过曲柄固定在曲柄齿轮4轮盘边缘侧；内翼摇杆7和第二连杆6呈相互平行设置，二者的一端分别通过销轴可转动地固定在长翼杆与短翼杆的连接处、以及短翼杆的自由端，内翼摇杆7和第二连杆6的另一端分别通过销轴可转动地固定在第一连杆5的另一端和靠近第一连杆5另一端的杆体上；
[0058]
第一半扑动机构和第二半扑动机构以二者曲柄齿轮4相啮合的方式呈轴对称设置，且第二双层齿轮15的小尺寸齿轮与第一半扑动机构的曲柄齿轮4啮合，进而使第一半扑动机构的曲柄齿轮4带动第二半扑动机构的曲柄齿轮4同步地朝相反方向转动，实现扑动动作；曲柄齿轮4的中心孔内分别插装并固定有一根固定轴，固定轴的后端插装在固定于背板相应位置处的转动轴承中心孔内活动连接在承载式机架1上位于前侧的背板上，并保持自由转动；同时，承载式机架1上的两根活动连接杆的另一端通过销轴分别可转动地的活动连
接在两个半扑动机构的第二连杆6上的对称位置处。
[0059]
参见图12和图13，第二连杆6和内翼摇杆7位于同一平面内，第一连杆5与外翼杆8位于同一平面；该扑动机构实现向上扑动时，其两个半扑动机构的内翼摇杆7与外翼杆8夹角减小，翼整体进行折叠；该扑动机构实现向下扑动时，其两个半扑动机构的内翼摇杆7与外翼杆8夹角增大，翼整体进行展开，减小上扑阻力，增大下扑引起的升力，即增大扑翼飞行器一个扑动周期的升力。
[0060]
如图11(b)所示第一半扑动机构的结构简视图；图中，oa为曲柄，作为动力源头带动结构运动，ac为第一连杆，fdg为整体即外翼杆8，bf为内翼摇杆7，cd为第二连杆，其上点p为固定点，固定于承载式机架1上两根活动连接杆的另一端处；根据鸟类尺度率并结合信天翁身形，给出基础设计条件，翼展为1400mm，翼扑动角度范围为50～100
°
，扑翼运动周期具有急回运动特性，以及飞行器在整个运动周期中应该有的两个特殊位置，即下扑极限位置和上扑极限位置中，即曲柄与水平面之间的夹角等于连杆与水平面之间的夹角，参见图12(b)和图13(b)，得到优化尺寸结果为：曲柄的长度为30mm，第一连杆的长度为100mm，第二连杆的长度为200mm，，第二连杆上的固定点p距离与第一连杆与第二连杆连接处的长度为70.5mm；该尺寸设计满足曲柄上扑转动角度为158
°
，小于180
°
，扑动过程具有急回运动特性；内翼摇杆7的长度为210mm；长翼杆的长度为350mm，短翼杆的长度为30mm，长翼杆与短翼杆之间的夹角为30.73
°
。
[0061]
该齿轮减速机构与扑动机构与驱动电机12相互配合，形成有一个由驱动电机12驱动的三级减速器；具体地，驱动电机12与小齿轮13连接，形成传动机构；小齿轮13和第一双层齿轮14的大尺寸齿轮构成第一级减速器，第一双层齿轮14的小尺寸齿轮和第二双层齿轮15的大尺寸齿轮构成第二级减速器，第二双层齿轮15的小尺寸齿轮和扑动机构中的一个曲柄齿轮4构成第三级减速器；进而，在驱动电机12的驱动下，利用三级减速器将驱动传递给扑动机构，实现扑动机构上下扑动动作。
[0062]
参见图14，扑翼锁止机构包括上齿轮制动钳16、下齿轮制动钳17、制动齿轮18和舵机构成；其中，制动齿轮18的中心孔插装固定有固定轴，固定轴的后端插装在固定于后侧背板相应位置处的转动轴承中心孔内，并与固定在后侧背板背面的舵机连接，使制动齿轮18可在舵机的驱动下自由转动；上齿轮制动钳16具有l形钳体，其竖杆顶端设有向其横杆延伸的制动牙，其横杆底面上且靠近自由端一侧设有与制动齿轮18啮合的一排啮合齿；下齿轮制动钳17具有l形钳体，其竖杆顶端设有向其横杆延伸的制动牙，其横杆顶面上且靠近自由端一侧设有与制动齿轮18啮合的一排啮合齿；上齿轮制动钳16与下齿轮制动钳17以二者竖杆顶端的制动牙呈相对设置的方式对称布置在制动齿轮18两侧，且二者的横杆分布在制动齿轮18的上下两侧，并分别与制动齿轮18啮合；在位于前侧的背板正面还对称设置有两个能够沿水平方向滑移的滑轨，使上齿轮制动钳16和下齿轮制动钳17分别通过两个滑轨上的滑块活动连接在前侧背板上；
[0063]
该扑翼锁止机构通过舵机带动制动齿轮18转动，由于上齿轮制动钳16和下齿轮制动钳17同时与制动齿轮18啮合，因此，当制动齿轮18发生正向或反向转动时，上齿轮制动钳16和下齿轮制动钳17能够同步相向运动或反向运动；进而，当上齿轮制动钳16和下齿轮制动钳17的制动钳通相向运动时，二者的两个单制动牙的间距逐渐缩短，并分别插入至第一双层齿轮14的小尺寸齿轮和第二双层齿轮16的大尺寸齿轮中使其制动，达到可控制扑翼停
止状态位置的作用，实现滑翔的飞行模式，同时通过充分利用翼型所提供的升力，增加了飞行距离，提升飞行效率；当上齿轮制动钳16和下齿轮制动钳17的制动钳通反向运动时，二者的两个单制动牙的间距逐渐增大，释放第一双层齿轮14的小尺寸齿轮和第二双层齿轮16的大尺寸齿轮，使其恢复至转动状态。
[0064]
参见图9和图10，尾翼由尾翼连接件10和尾翼本体11构成；其中，尾翼连接件10由水平连接板和斜向连接板相连接构成，二者之间夹角呈钝角，优选为120
°
；水平连接板的自由端端部开设有轴向通孔，使其通过竖直穿装在轴向通孔内的销轴可转动地固定在承载式机架1后端的水平固定板底面上；斜向连接板呈斜向向上设置，其自由端端部设有对称的两个连接耳部，两个连接耳部上开设有贯通的水平通孔；尾翼本体11采用扇形尾翼，其小端的端部底面上设置有具有水平通孔的连接套，且连接套能够内置于斜向连接板的两个连接耳部之间，使尾翼本体11小端通过穿设在两个连接耳部和连接套内的销轴与尾翼连接件10形成活动连接；该尾翼机构作为主要的转向部件，其结构中包含有两个异面位置的转动副，该两个转动副在投影上垂直以实现上下、左右方向的转动；
[0065]
尾翼通过两个舵机机构控制其动作；具体地，每个舵机机构由舵机和连杆构成；两个舵机机构中的两个舵机对称固定在位于机架1中部的后侧背板上；与两个舵机相连接的曲轴分别通过连杆与尾翼本体11的大端的对称位置处通过球铰链相连接；在实际应用中，当两个舵机以相同方向转动，且其上的两个曲轴带动连杆同向向尾翼本体11大端方向伸长时，则尾翼向下摆动；当两个舵机以相同方向转动，且其上的两个曲轴带动连杆同向向尾翼本体11小端方向缩短时，则尾翼向上摆动；当两舵机以相反方向转动，且左侧曲轴带动连杆同向向尾翼本体11小端方向缩短，而右端曲轴带动连杆同向向尾翼本体11大端方向伸长时，则尾翼向左转动；当两舵机以相反方向转动，且左侧曲轴带动连杆同向向尾翼本体11小端方向缩短，而右端曲轴带动连杆同向向尾翼本体11大端方向伸长时，则尾翼向右转动；进而，尾翼在两个舵机机构的控制下实现上下、左右四向转动；进而使飞行器实现左右转向、向下俯冲、滑翔等动作的功能。
[0066]
参见图4，机翼由第一半机翼和第二半机翼构成，二者为由相同部件组成的轴对称结构；以第一半机翼为例，第一半机翼包括七个翼部9和两个蒙皮部，其中，三个翼部9均匀排布在扑动机构的内翼摇杆7上(各翼部9利用前端底面上设置的凹槽插装固定在内翼摇杆7上)，并避开关节处蒙皮；另外四个翼部9均匀排布在扑动机构的外翼杆8上(各翼部9利用前端底面上设置的凹槽插装固定在外翼杆8上)，并避开关节处蒙皮；
[0067]
在本实施例中，基于扑翼飞行器参数设定，其雷诺数约为114561，翼部9采用双凸翼型-naca-2412，相对于同类型的对称翼型naca-0012、平凸翼型naca-66和凹凸翼型naca-m20，其点升力系数低，升阻比高，力矩系数低，飞行效果最好。
[0068]
该具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器的实现飞行的具体工作原理为：
[0069]
扑翼飞行器扑动时，电机将电池储存的化学能转化为电机末端齿轮的旋转运动，并经由第一级减速器、第二级减速器和第三级减速器，将旋转运动降转速，以增大扭矩；该合适的转速传输至扑动机构中，两个相啮合的曲柄齿轮使第一半扑动机构和第二半扑动机构形成对称同步的双摇杆扑动结构，实现扑动动作；具体地，当向上扑时，扑翼内外翼夹角减小，扑翼机构折叠；而当向下扑时，扑翼内外翼夹角增大，扑翼机构展开；同时，该扑动机构具有急回特性，即上扑所用时间占一个扑动周期的较小部分，下扑所用时间占一个扑动
周期的较大部分；滑翔模式利用扑翼锁止机构，具体为：通过舵机带动齿轮转动，制动齿轮18同时与上齿轮制动钳16和下齿轮制动钳17啮合，利用布置于第一双层齿轮14的两侧的制动钳，需要制动时，舵机转动，两个齿轮制动钳之间距离缩短，直至两个齿轮制动钳卡死第一双层齿轮14的转动，扑翼机构的自由度为1，即扑动动作完全静止停止，可使得翼静止在翼展最大状态，达到可控制扑翼停止状态位置的作用，实现滑翔的飞行模式。
[0070]
为了对本实施例的扑翼飞行器的飞行效果进行验证，在本实施例中进一步借助solid works中motion分析，建立虚拟样机运动仿真模型，分析虚拟样机运动状态，分析机翼末端位移、机翼转动角度、角速度等关键运动参数，验证样机的设计要求与运动特点相符。其中，在分析设计中，不考虑扑翼扭转，在运动学仿真中得到翼末端运动轨迹为梨形。
[0071]
如图16所示为翼末端水平方向位移与竖直方向位移的关系的仿真结果图像。
[0072]
如图17所示为翼末端水平方向位移与竖直方向位移分别随时间变化的仿真结果图像。
[0073]
如图18所示为随主动齿轮转动内翼与外翼角度变化关系的仿真结果图像。
[0074]
如图19所示为随主动齿轮转动驱动角速度与外翼扑动角速度关系的仿真结果图像。
[0075]
由上述所得的仿真运动轨迹可知，该扑翼飞行器的运动过程确实具有急回运动特性；其中，翼末端位移图说明机构能够完成运动传递，实现机构末端周期性运动；内、外翼角度变化可得到扑翼扑动角度符合合计要求，且内、外翼夹角可有两图计算；扑翼机构模型的运动学仿真结果与上述提出的机构设计要求得到的相符合，且达到了设计的目标，该设计的有效性和准确性得到验证。
[0076]
综上所述，该扑翼飞行器参考信天翁翼结构与运动规律，针对其飞行效率高的客观事实，进行仿生学设计，将平面四连杆机构和齿轮齿条机构相结合，设计了一种高飞行效率的仿信天翁扑翼机构，系统共两个驱动单元，其一完成扑翼结构的扑动与折叠，实现扑动动作；其二控制鸟翼处于固定状态，实现滑翔功能。经过对机构的计算与分析设计，得到了机构运动简图，并建立了扑翼机构三维模型。对其关键点的轨迹、位移、角度、角速度等参数进行了仿真分析，且仿真结果验证了设计要求提出的各项目标。

技术特征：
1.一种具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，其特征在于，由设置在承载式机架(1)上的飞行驱动机构、扑动机构、尾翼、机翼和扑翼锁止机构构成；其中，承载式机架(1)包括竖直设置的平面型支架、背板组、u形外框、两根活动连接杆和两根水平固定杆；u形外框和背板组自前向后设置在平面型支架的中部矩形框内；两根活动连接杆对称设置在u形外框背侧，二者的一端通过销轴可转动地活动连接在u形外框背侧；两根水平固定杆对称设置在u形外框背侧并位于两根活动连接杆上方，二者的一端对称固定在u形外框背侧；背板组由平行且间隔设置的竖板构成，二者穿装并固定在两根水平固定杆上；飞行驱动机构由驱动电机(12)和齿轮减速机构构成；驱动电机(12)固定在承载式机架(1)上位于后侧的背板背侧，其输出轴通过水平朝向设置并自背板上的开孔穿设至两块背板之间；齿轮减速机构包括小齿轮(13)、第一双层齿轮(14)和第二双层齿轮(15)；小齿轮(13)穿装并固定在驱动电机(12)的输出轴前端；第一双层齿轮(14和第二双层齿轮(15)相同，二者分别可转动地固定在位于后侧的背板上；第一双层齿轮(14)置于小齿轮(13)一侧，且其大尺寸齿轮与小齿轮(13)啮合；第二双层齿轮(15)置于小齿轮(13)另一侧，且其大尺寸齿轮与第一双层齿轮(14)的小尺寸齿轮啮合；扑动机构由第一半扑动机构和第二半扑动机构构成，二者为由相同部件组成的轴对称结构；半扑动机构由曲柄齿轮(4)、曲柄、第一连杆(5)、第二连杆(6)、内翼摇杆(7)和外翼杆(8)构成；外翼杆(8)由长翼杆和连接在长翼杆一端的短翼杆构成，且二者之间的夹角呈为锐角；第一连杆(5)的一端通过曲柄固定在曲柄齿轮(4)轮盘边缘侧；内翼摇杆(7)和第二连杆(6)呈相互平行设置，二者的一端分别可转动地固定在长翼杆与短翼杆的连接处、以及短翼杆的自由端，二者的另一端分别可转动地固定在第一连杆(5)的另一端和靠近第一连杆(5)另一端的杆体上；两个半扑动机构以二者曲柄齿轮(4)相啮合的方式呈轴对称设置，且第二双层齿轮(15)的小尺寸齿轮与第一半扑动机构的曲柄齿轮(4)啮合；两个曲柄齿轮(4)可自由转动地固定在位于后侧的背板上；两根活动连接杆的另一端分别可转动地连接在两根第二连杆(6)上的对称位置处；扑翼锁止机构包括上齿轮制动钳(16)、下齿轮制动钳(17)、制动齿轮(18)和舵机构成；上齿轮制动钳(16)具有l形钳体，其竖杆顶端设有向其横杆延伸的单制动牙，其横杆底面上且靠近自由端一侧设有一排啮合齿；下齿轮制动钳(17)具有l形钳体，其竖杆顶端设有向其横杆延伸的单制动牙，其横杆顶面上且靠近自由端一侧设有一排啮合齿；上齿轮制动钳(16)与下齿轮制动钳(17)以二者竖杆顶端的制动牙呈相对设置的方式对称布置在制动齿轮(18)两侧，且二者的制动牙分别位于第一双层齿轮(14)的小尺寸齿轮和第二双层齿轮(16)的大尺寸齿轮邻侧，二者的横杆分布在制动齿轮(18)的上下两侧并分别与制动齿轮(18)啮合；制动齿轮(18)可转动地固定在后侧背板上，并与舵机连接；上齿轮制动钳(16)与下齿轮制动钳(17)分别连接在背板上，并能够沿水平方向往复滑动；尾翼由尾翼连接件(10)和尾翼本体(11)构成；尾翼本体(11)为扇形尾翼；尾翼连接件(10)的一端与平面型支架后端活动连接，使其能够在水平方向上自由转动，尾翼连接件(10)的另一端与尾翼本体(11)小端活动连接，使尾翼本体(11)能够在竖直方向上自由转动；机翼由第一半机翼和第二半机翼构成，二者为由相同部件组成的轴对称结构；半机翼
包括若干个翼部(9)和两个蒙皮部；若干个翼部(9)分别均匀排并固定在同侧扑动机构的内翼摇杆(7)和外翼杆(8)上；两个蒙皮部分别包覆在位于内翼摇杆(7)上的多个翼部(9)外侧、以及位于外翼杆(8)上的多个翼部(9)外侧。2.根据权利要求1所述的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，其特征在于，驱动电机(12)采用选用航模级的无刷直流电机。3.根据权利要求1所述的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，其特征在于，在齿轮减速机构中，第一双层齿轮(14)的大尺寸齿轮与小齿轮(13)的齿数比为4，第二双层齿轮(15)的大尺寸齿轮与第一双层齿轮(14)的小尺寸齿轮的齿数比为3，第二双层齿轮(15)的小尺寸齿轮与相啮合的曲柄齿轮的齿数比为3.2。4.根据权利要求1所述的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，其特征在于，基于飞行器的整体质量为1000g，扑动机构中的曲柄的长度为30mm，第一连杆的长度为100mm，第二连杆的长度为200mm，，第二连杆上的固定点p距离与第一连杆与第二连杆连接处的长度为70.5mm；内翼摇杆7的长度为210mm；长翼杆的长度为350mm，短翼杆的长度为30mm，长翼杆与短翼杆之间的夹角为30.73
°
。5.根据权利要求1所述的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，其特征在于，尾翼连接件(10)包括水平连接板和斜向连接板相连接，二者之间夹角呈钝角；水平连接板的自由端端部开设有轴向通孔，使其通过竖直穿装在轴向通孔内的销轴可转动地固定在承载式机架1后端的水平固定板底面上；斜向连接板呈斜向向上设置，其自由端端部设有对称的两个连接耳部，两个连接耳部上开设有贯通的水平通孔；尾翼本体(11)的小端的端部底面上设置有具有水平通孔的连接套，且连接套能够内置于斜向连接板的两个连接耳部之间，使尾翼本体(11)小端通过穿设在两个连接耳部和连接套内的销轴与尾翼连接件(10)形成活动连接。6.根据权利要求1所述的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，其特征在于，尾翼连接件(10)还包括两个舵机机构，每个舵机机构由舵机和连杆构成；两个舵机机构中的两个舵机对称固定在位于机架1中部的后侧背板上；与两个舵机相连接的曲轴分别通过连杆与尾翼本体11的大端的对称位置处通过球铰链相连接。7.根据权利要求1所述的具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，其特征在于，翼部(9)采用双凸翼型-naca-2412。

技术总结
本发明公开了一种具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器，由设置在承载式机架上的飞行驱动机构、扑动机构、尾翼、机翼和扑翼锁止机构构成；该具有高飞行效率的仿信天翁扑翼飞行器成功复现了具有高飞行效率的仿信天翁扑翼结构，其由驱动机构、扑动机构、尾翼和机翼构成的扑翼结构设计采用上扑折叠、下扑展开，大大增加了周期内扑翼所提供的升力，提高了飞行效率；同时还设计了扑翼锁止机构，其通过舵机带动齿轮、以及上、下制动钳动作转动，实现对扑翼结构制动达到可控制扑翼停止状态位置的作用，控制扑翼结构保持翼展开状态，充分利用翼型所提供的升力，增加了飞行距离，提升飞行实现滑翔的飞行模式。翔的飞行模式。翔的飞行模式。


技术研发人员：刘振忠 张海明 张国彬 张润锋 郑来旺
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/5/6