一种扑翼飞行器用滚转驱动装置

1.本发明涉及扑翼飞行器技术领域。


背景技术：

2.仿生扑翼飞行器效仿了飞行生物众多优点，具有隐蔽性好、飞行效率高、噪声小、机动性能好等特点。
3.现有扑翼飞行器通过扑动扑翼产生升力和推力，通过控制飞行器的尾舵实现对机身姿态的调整，以及飞行方向的控制（参见图12）。尾舵在飞行过程中担负着提供飞行时所需的全部偏航力矩和俯仰力矩的作用。由于尾舵翼展弦比较小，产生的滚转力矩有限，飞行器的机动性不强，灵活性不高，操纵延迟大，且需考虑机身扭矩传递，对结构设计也提出较高要求。
4.目前公开的控制扑翼扑动参数的方式主要有两种，一种是通过调整两侧扑翼的扑动频率实现滚转操纵，例如，中国专利公开号：cn 110712750 a，公开日2020年01月21日，发明名称为一种微型四扑翼飞行器控制系统。这种方式使得驱动系统重量与控制难度大幅增加；另一种是调整翼根位置或前梁固定位置来调节翼膜松紧程度，例如，中国专利公开号：cn 106864750 a，公开日2017年06月20日，发明名称为一种微小型可控翻转平均位置的连杆机构；中国专利公开号：cn114104283a，发明名称为一种仿生微型扑翼飞行器升力及滚转力矩控制方法。这种驱动方式驱动组件过于冗杂，翼根升力产生滚转力矩的力臂短，滚转控制效果有限，且由于前梁是扑翼载荷主要传递部件，持续调整对驱动组件的控制力要求较高，主要用于悬停类扑翼飞行器。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种扑翼飞行器用滚转驱动装置，它具有具有结构合理、操作容易、控制机动灵活等特点。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种扑翼飞行器用滚转驱动装置，包括机身、设置在机身前端的双翼扑动机构和设置在机身后端的双翼攻角调节机构；双翼扑动机构用于驱动左侧攻角可变扑动翼的扑动机构连接梁和右侧攻角可变扑动翼的扑动机构连接梁做对称同步扑动运动，使一对攻角可变扑动翼做同频同幅扑动运动；双翼攻角调节机构包括扑翼攻角调节结构，扑翼攻角控制舵机，舵机摇臂和攻角控制舵杆，舵机摇臂固定在扑翼攻角控制舵机转轴上，扑翼攻角调节结构包括攻角控制臂转动连接件，左侧攻角控制臂和右侧攻角控制臂，攻角控制臂转动连接件与机身转动连接；左侧攻角控制臂和右侧攻角控制臂分别与攻角控制臂转动连接件的左侧部位和右侧部位铰接，且以经过攻角控制臂转动连接件转动轴心的垂面为对称面，对称设置在攻角控制臂转动连接件的左右两侧，左侧攻角控制臂用于与左侧攻角可变扑动翼的攻角调节机构连接
梁固定连接，右侧攻角控制臂用于与右侧攻角可变扑动翼的攻角调节机构连接梁固定连接，左侧攻角控制臂与攻角控制臂转动连接件的铰接部位为左侧攻角可变扑动翼攻角控制点a，右侧攻角控制臂与攻角控制臂转动连接件的铰接部位为右侧攻角可变扑动翼攻角控制点b；攻角控制舵杆的一端与舵机摇臂连接，攻角控制舵杆的另一端与攻角控制臂转动连接件连接。
7.本发明进一步改进在于：双翼扑动机构包括扑翼驱动电机和扑动运动驱动结构；扑动运动驱动结构包括用于与左侧攻角可变扑动翼的扑动机构连接梁固定连接的左侧扑动臂，用于与右侧攻角可变扑动翼的扑动机构连接梁固定连接的右侧扑动臂，扑动臂驱动轮，左侧驱动臂和右侧驱动臂；左侧扑动臂和右侧扑动臂的内端与机身铰接；扑动臂驱动轮包括驱动齿轮，左侧曲柄和右侧曲柄，左侧曲柄和右侧曲柄分别对称设置在驱动齿轮的左侧和右侧，左侧驱动臂的上端与左侧扑动臂球铰连接，左侧驱动臂的下端与左侧曲柄球铰连接，右侧驱动臂的上端与右侧扑动臂球铰连接，右侧驱动臂的下端与右侧曲柄球铰连接，以使扑动运动驱动结构呈左右对称结构；扑翼驱动电机通过齿轮传动结构驱动驱动齿轮转动，以使左侧曲柄和右侧曲柄做偏心运动，通过左侧驱动臂和右侧驱动臂使左侧扑动臂和右侧扑动臂做对称同步扑动运动，从而使一对扑动翼做同频同幅扑动运动，以产生均匀升力。
8.双翼扑动机构中的齿轮传动结构包括设置在扑翼驱动电机转轴上的电机轴齿轮，一级齿轮与二级齿轮，一级齿轮与二级齿轮同轴心设置，一级齿轮的直径大于二级齿轮的直径，电机轴齿轮与一级齿轮啮合传动连接，二级齿轮与驱动齿轮啮合传动连接。
9.在双翼攻角调节机构中，舵机摇臂的中部固定在扑翼攻角控制舵机转轴上，攻角控制舵杆为两个，两个攻角控制舵杆的下端分别与舵机摇臂的两端球铰连接，两个攻角控制舵杆的上端分别与攻角控制臂转动连接件的左侧部位和右侧部位球铰连接，扑翼攻角控制舵机通过舵机摇臂带动两个攻角控制舵杆分别进行上下位移，从而使攻角控制臂转动连接件偏转，以使扑翼攻角控制舵机产生的转矩均衡施加在攻角控制臂转动连接件上。
10.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明在运动过程中通过调节左侧攻角可变扑动翼攻角控制点a与右侧攻角可变扑动翼攻角控制点b的高度位置，从而改变左侧攻角可变扑动翼和右侧攻角可变扑动翼攻角大小来调节扑翼升力；使左右一对扑翼产生左右非对称的升力，从而产生滚转力矩，控制飞行器进行滚转操纵。可以在飞行过程中快速改变两侧扑翼俯仰角，解决扑翼飞行器的滚转力矩不足的控制问题，实现扑翼飞行器的快速滚转操纵，明显提高扑翼飞行器机动性。
11.它具有结构合理、操作容易、控制机动灵活等特点。
附图说明
12.图1是扑翼飞行器的结构示意图；图2是图1中滚转驱动装置的结构示意图；图3是扑翼飞行器平飞状态下双翼攻角调节机构的结构示意图；图4是扑翼飞行器向左侧滚转状态下双翼攻角调节机构的结构示意图；图5是扑翼飞行器向右侧滚转状态下双翼攻角调节机构的结构示意图；图6是图2中双翼扑动机构的内部结构示意图；
图7是图1中攻角可变扑动翼的结构示意图；图8是图1中尾舵的结构示意图；图9是扑翼飞行器平飞状态图；图10是扑翼飞行器向左侧滚转状态图；图11是扑翼飞行器向右侧滚转状态图；图12是现有扑翼飞行器的结构示意图。
13.在附图中：1.机身；2. 翼身；3. 扑动机构连接梁；4. 攻角调节机构连接梁；5. 左侧攻角可变扑动翼；6. 右侧攻角可变扑动翼；7. 扑翼攻角控制舵机；7-1. 扑翼攻角控制舵机转轴；8. 舵机摇臂；9. 攻角控制舵杆；10. 攻角控制臂转动连接件；11. 左侧攻角控制臂；12. 右侧攻角控制臂；13. 扑翼驱动电机；14. 左侧扑动臂；15. 右侧扑动臂；16. 左侧驱动臂；17. 右侧驱动臂；18. 驱动齿轮；19. 左侧曲柄；20. 电机轴齿轮；21. 一级齿轮；22. 二级齿轮；23. 俯仰控制舵机；24. 俯仰控制舵杆；25. 垂直安定面；26. 水平安定面；27. 俯仰控制舵面；a. 左侧攻角可变扑动翼攻角控制点；b.右侧攻角可变扑动翼攻角控制点。
具体实施方式
14.下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
15.为了便于说明，将扑翼飞行器作为实施例进行详细介绍。
16.本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。
17.由图1～8所示的实施例可知，本实施例包括机身1、飞行控制系统【pixracer mini飞控系统】和尾舵，它还包括一对攻角可变扑动翼和滚转驱动装置；一对攻角可变扑动翼包括翼身2，扑动机构连接梁3和攻角调节机构连接梁4；扑动机构连接梁3设置在翼身2靠近机身1一侧的前端，攻角调节机构连接梁4设置在翼身2靠近机身1一侧的后端，一对攻角可变扑动翼分别为左侧攻角可变扑动翼5和右侧攻角可变扑动翼6；滚转驱动装置包括双翼扑动机构和双翼攻角调节机构；双翼扑动机构用于驱动左侧攻角可变扑动翼5的扑动机构连接梁3和右侧攻角可变扑动翼6的扑动机构连接梁3做对称同步扑动运动，使一对攻角可变扑动翼做同频同幅扑动运动；双翼攻角调节机构包括扑翼攻角调节结构，扑翼攻角控制舵机7【型号：gdw ds041mg 9g金属舵机】，舵机摇臂8和攻角控制舵杆9，舵机摇臂8固定在扑翼攻角控制舵机转轴7-1上，扑翼攻角调节结构包括攻角控制臂转动连接件10，左侧攻角控制臂11和右侧攻角控制臂12，攻角控制臂转动连接件10与机身1转动连接；左侧攻角控制臂11和右侧攻角控制臂12分别与攻角控制臂转动连接件10的左侧部位和右侧部位铰接，且以经过攻角控制臂转动连接件10转动轴心的垂面为对称面，对称设置在攻角控制臂转动连接件10的左右两侧，左侧攻角控制臂11用于与左侧攻角可变扑动翼5的攻角调节机构连接梁4固定连接，右侧攻角控制臂12用于与右侧攻角可变扑动翼6的攻角调节机构连接梁4固定连接，左侧攻角
1对攻角控制臂转动连接件10位置的限定使左侧攻角可变扑动翼攻角控制点a与右侧攻角可变扑动翼攻角控制点b处于水平状态，以使左侧攻角可变扑动翼5的攻角与右侧攻角可变扑动翼6的攻角相等，一对攻角可变扑动翼在双翼扑动机构的驱动下做同频同幅扑动运动，以产生均匀升力，从而使扑翼飞行器处于平飞状态；b.向左侧转弯控制方法，参见图10，飞行控制系统接收到遥控器发出的向左侧转弯及转弯速度的控制指令后，控制扑翼攻角控制舵机7工作，根据转弯速度控制指令驱动攻角控制臂转动连接件10旋转相应角度，使左侧攻角可变扑动翼攻角控制点a向上偏转相应高度，以相应减小左侧攻角可变扑动翼5的攻角，使其产生的周期平均升力相应减小；同时使右侧攻角可变扑动翼攻角控制点b向下偏转相应高度，以相应增大右侧攻角可变扑动翼6的攻角，使其产生的周期平均升力相应增大；综合左右两翼周期平均升力变化产生相应左滚转力矩，以使扑翼飞行器向左侧滚转，以控制扑翼飞行器按照转弯速度控制指令的速度向左侧转弯；c.向右侧转弯控制方法，参见图11，飞行控制系统接收到遥控器发出的向右侧转弯及转弯速度的控制指令后， 控制扑翼攻角控制舵机7工作，根据转弯速度控制指令驱动攻角控制臂转动连接件10旋转相应角度，使右侧攻角可变扑动翼攻角控制点b向上偏转相应高度，以相应减小右侧攻角可变扑动翼6的攻角，使其产生的周期平均升力相应减小；同时使左侧攻角可变扑动翼攻角控制点a向下偏转相应高度，以相应增大左侧攻角可变扑动翼5的攻角，使其产生的周期平均升力相应增大；综合左右两翼周期平均升力变化产生相应右滚转力矩，以使扑翼飞行器向右侧滚转，以控制扑翼飞行器按照转弯速度控制指令的速度向右侧转弯。

技术特征：
1.一种扑翼飞行器用滚转驱动装置，其特征在于：包括机身（1）、设置在所述机身（1）前端的双翼扑动机构和设置在所述机身（1）后端的双翼攻角调节机构；所述双翼扑动机构用于驱动所述左侧攻角可变扑动翼（5）的所述扑动机构连接梁（3）和所述右侧攻角可变扑动翼（6）的所述扑动机构连接梁（3）做对称同步扑动运动，使一对攻角可变扑动翼做同频同幅扑动运动；所述双翼攻角调节机构包括扑翼攻角调节结构，扑翼攻角控制舵机（7），舵机摇臂（8）和攻角控制舵杆（9），所述舵机摇臂（8）固定在扑翼攻角控制舵机转轴（7-1）上，所述扑翼攻角调节结构包括攻角控制臂转动连接件（10），左侧攻角控制臂（11）和右侧攻角控制臂（12），所述攻角控制臂转动连接件（10）与所述机身（1）转动连接；所述左侧攻角控制臂（11）和所述右侧攻角控制臂（12）分别与所述攻角控制臂转动连接件（10）的左侧部位和右侧部位铰接，且以经过所述攻角控制臂转动连接件（10）转动轴心的垂面为对称面，对称设置在所述攻角控制臂转动连接件（10）的左右两侧，所述左侧攻角控制臂（11）用于与左侧攻角可变扑动翼（5）的攻角调节机构连接梁（4）固定连接，所述右侧攻角控制臂（12）用于与右侧攻角可变扑动翼（6）的攻角调节机构连接梁（4）固定连接，所述左侧攻角控制臂（11）与所述攻角控制臂转动连接件（10）的铰接部位为左侧攻角可变扑动翼攻角控制点（a），所述右侧攻角控制臂（12）与所述攻角控制臂转动连接件（10）的铰接部位为右侧攻角可变扑动翼攻角控制点（b）；所述攻角控制舵杆（9）的一端与舵机摇臂（8）连接，所述攻角控制舵杆（9）的另一端与所述攻角控制臂转动连接件（10）连接。2.根据权利要求1所述的一种扑翼飞行器用滚转驱动装置，其特征在于：所述双翼扑动机构包括扑翼驱动电机（13）和扑动运动驱动结构；所述扑动运动驱动结构包括用于与所述左侧攻角可变扑动翼（5）的所述扑动机构连接梁（3）固定连接的左侧扑动臂（14），用于与所述右侧攻角可变扑动翼（6）的所述扑动机构连接梁（3）固定连接的右侧扑动臂（15），扑动臂驱动轮，左侧驱动臂（16）和右侧驱动臂（17）；所述左侧扑动臂（14）和所述右侧扑动臂（15）的内端与所述机身（1）铰接；所述扑动臂驱动轮包括驱动齿轮(18)，左侧曲柄(19)和右侧曲柄，所述左侧曲柄(19)和所述右侧曲柄分别对称设置在所述驱动齿轮(18)的左侧和右侧，所述左侧驱动臂（16）的上端与所述左侧扑动臂（14）球铰连接，所述左侧驱动臂（16）的下端与所述左侧曲柄(19)球铰连接，所述右侧驱动臂（17）的上端与所述右侧扑动臂（15）球铰连接，所述右侧驱动臂（17）的下端与所述右侧曲柄球铰连接，以使所述扑动运动驱动结构呈左右对称结构；所述扑翼驱动电机（13）通过齿轮传动结构驱动所述驱动齿轮(18)转动，以使所述左侧曲柄(19)和所述右侧曲柄做偏心运动，通过所述左侧驱动臂（16）和所述右侧驱动臂（17）使所述左侧扑动臂（14）和所述右侧扑动臂（15）做对称同步扑动运动，从而使一对所述扑动翼做同频同幅扑动运动，以产生均匀升力。3.根据权利要求2所述的一种扑翼飞行器用滚转驱动装置，其特征在于：所述双翼扑动机构中的所述齿轮传动结构包括设置在扑翼驱动电机转轴上的电机轴齿轮（20），一级齿轮（21）与二级齿轮（22），所述一级齿轮（21）与所述二级齿轮（22）同轴心设置，所述一级齿轮（21）的直径大于所述二级齿轮（22）的直径，所述电机轴齿轮（20）与所述一级齿轮（21）啮合传动连接，所述二级齿轮（22）与所述驱动齿轮(18)啮合传动连接。4.根据权利要求1、2或3所述的一种扑翼飞行器用滚转驱动装置，其特征在于：在所述双翼攻角调节机构中，所述舵机摇臂（8）的中部固定在所述扑翼攻角控制舵机转轴（7-1）
上，所述攻角控制舵杆（9）为两个，两个所述攻角控制舵杆（9）的下端分别与所述舵机摇臂（8）的两端球铰连接，两个所述攻角控制舵杆（9）的上端分别与所述攻角控制臂转动连接件（10）的左侧部位和右侧部位球铰连接，所述扑翼攻角控制舵机（7）通过所述舵机摇臂（8）带动两个所述攻角控制舵杆（9）分别进行上下位移，从而使所述攻角控制臂转动连接件（10）偏转，以使所述扑翼攻角控制舵机（7）产生的转矩均衡施加在所述攻角控制臂转动连接件（10）上。

技术总结
本发明公开了一种扑翼飞行器用滚转驱动装置，属于扑翼飞行器技术领域。包括机身、飞行控制系统和尾舵，它还包括一对攻角可变扑动翼和滚转驱动装置；一对攻角可变扑动翼包括翼身，扑动机构连接梁和攻角调节机构连接梁；滚转驱动装置包括双翼扑动机构和双翼攻角调节机构；双翼扑动机构用于驱动左侧攻角可变扑动翼的扑动机构连接梁和右侧攻角可变扑动翼的扑动机构连接梁做对称同步扑动运动，使一对攻角可变扑动翼做同频同幅扑动运动；双翼攻角调节机构包括扑翼攻角调节结构，扑翼攻角控制舵机，舵机摇臂和攻角控制舵杆，左侧攻角可变扑动翼和右侧攻角可变扑动翼通过滚转驱动装置对称设置在机身的左侧和右侧。它具有结构合理、控制机动灵活等特点。控制机动灵活等特点。控制机动灵活等特点。


技术研发人员：孟瑞 宣建林 翟晨光 张旺旺 朱志超
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.10.31
技术公布日：2023/4/18