[发明专利]一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置与飞行控制方法

说明书

本发明涉及一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置及方法，包括扑翼、扭转机构和扭转控制机构，所述的扭转机构包括固定侧和施力侧，所述的施力侧连接扑翼，所述的固定侧连接扭转控制机构，其中，扑翼拍动时，连接扭转控制机构的扭转机构固定侧扭臂保持不动，而连接扑翼的扭转机构施力侧扭臂随着扑翼的运动偏离平衡位置；所述的扭转控制机构的偏转能够带动扭转机构整体转过一定角度；借助一套装置实现对攻角的控制，可有效解决现有扑翼飞行器扑翼拍动攻角和飞行姿态控制借助多套机构实现而导致的飞行器重量增加、复杂性提高的问题；设计简单，可采用多种方式实现控制。

技术领域

本发明设计飞行器领域，具体来说，是一种攻角被动翻转的拍动扑翼与飞行控制方法。

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，微电子技术的飞速发展以及人们对动物飞行和游动机理的不断探索和深入了解，这些原理和技术正在应用于迅速发展起来的微型飞行器设计领域。微型飞行器体积小，重量轻，具有良好的隐蔽性和机动性，适于在较小的空间范围内飞行，并可在某些恶劣环境条件下完成侦察、通讯、勘探、协助救援等任务，在国家安全和国民经济建设等方面具有广泛的应用前景，在世界范围内引起广泛的关注。

在现有的设计中，扑翼拍动攻角的改变和飞行器的控制需要借助多套特定的机构才能实现，这无疑增加了飞行器的重量，也增加了控制系统的复杂程度。而实际上昆虫等生物，它们仅仅通过控制一对翅膀，就能够灵活机动地飞行，完成悬停、跃升、急停、加速、转弯等一系列动作。从仿生的角度出发，如果可以借鉴昆虫翅的结构和功能，那么只需要一套简单的装置，就可以实现扑翼拍动攻角的改变，进而达到飞行姿态控制的目标。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有扑翼飞行器扑翼拍动攻角和飞行姿态控制需要借助复杂机构来实现而导致的飞行器重量增加、复杂性提高的问题，提出了一种扑翼拍动攻角的被动翻转方式及飞行控制方案设计，实现扑翼拍动过程中攻角的被动变化，通过操纵扑翼根部所受弹性力，进而改变扑翼所受气动力和弹性力平衡时翼面与水平面的夹角，产生用于操纵飞行器俯仰和偏航姿态的力矩，实现姿态控制。

本发明完整的技术方案包括：

一种攻角被动翻转的拍动扑翼装置，包括扑翼、扭转机构和偏转机构，所述的扭转机构包括固定侧和施力侧，所述的施力侧连接扑翼，所述的固定侧连接偏转机构，其中，扑翼拍动时，连接偏转机构的扭转机构固定侧扭臂保持不动，而连接扑翼的扭转机构施力侧扭臂随着扑翼的运动偏离平衡位置；所述的偏转机构的偏转能够带动扭转机构整体转过一定角度；所述攻角为拍动平面与翼面之间的夹角。

所述的扭转机构为扭转弹簧，所述的扭转弹簧的扭转方向为相对于其轴线垂直的方向；

所述的偏转机构为电磁舵，所述的电磁舵包括摇臂，所述的摇臂的偏转方向与扭转弹簧轴线方向垂直。

所述的扑翼具体结构为：包括主梁、短梁、斜梁、翼膜以及连接套筒；主梁、短梁、斜梁共面，斜梁位于主梁与短梁之间，短梁根部和斜梁根部固连于主梁的根部处，且连接点位于主梁长度的10％处；翼膜粘在主梁、短梁及斜梁所构成的平面或曲面上，所述套筒连接扑翼和扭转弹簧的施力侧扭臂。

优选的，斜梁与主梁夹角在30°至60°之间；

优选的，短梁与主梁垂直；

优选的，主梁根部长度的10％是主梁的外伸段；

优选的，连接套筒是一个圆柱短管，内径等于扑翼主梁直径，外径等于扭转弹簧内径，并且其中一侧带有外伸的连接耳片。连接套筒的轴线与主梁的轴线重合，主梁插入连接套筒中，二者通过粘连成为一个整体，扭转弹簧施力侧扭臂插入外伸的连接耳片中并粘连为一个整体。扭转弹簧套在连接套筒的外侧并粘连固定。

优选的，主梁、短梁及斜梁采用碳纤维杆制作，翼膜采用聚乙烯薄膜制作，连接套筒采用树脂材料制作。