[发明专利]一种基于双翼差动及舵机重心变化实现高控制力矩产生的仿生扑翼微型飞行器

说明书

本发明公开了一种基于双翼差动及舵机重心变化实现高控制力矩产生的仿生扑翼微型飞行器及其控制力矩产生方法。该飞行器包含升力系统、传动系统、控制系统和动力系统。所述传动系统通过分布齿轮减速组齿轮和曲柄‑连杆组合在较小空间内实现机翼往复拍动。所述控制系统通过两个独立舵机分别带动扑翼张紧梁的前后左右移动实现扑翼攻角的有效调节。本发明扑翼张紧梁与底座上的球铰装置连接，受滚转舵机和俯仰控制，这有效提高扑翼攻角改变范围，提高扑翼产生的控制力矩。此外，当仿生扑翼微型飞行器进行姿态控制时，还通过控制舵机重心偏转进一步增强了舵效，有效提升了扑翼产生的控制力矩。

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种基于双翼差动及舵机重心变化实现高控制力矩产生的仿生扑翼微型飞行器。

背景技术

随着MEMS加工、信息遥感、计算机科学等技术的迅猛发展，微型飞行器开始从概念变为现实。微型飞行器在侦察监视、低空巡逻、反恐爆破等军用领域以及拟态观测和消防救灾等民用领域均有着广阔的应用前景。当前按照飞行的原理，微型飞行器大致分为三类：固定翼微型飞行器、旋翼微型飞行器和仿生扑翼微型飞行器。

微型飞行器尺寸小、飞行速度低，其飞行时翼处于低雷诺数的流动。此时，固定翼微型飞行器和旋翼微型飞行器受飞行原理的限制普遍气动效率较低、机动性较差，尺度越小性能越差，因而两种布局微型飞行器在微型化方面也都受到了极大的限制。近年来，通过对昆虫飞行的深入研究，人们提出了仿生扑翼微型飞行器的概念。仿生扑翼微型飞行器借助类似昆虫翅的翼拍动，在低雷诺数下拥有较高的升力产生能力和高气动效率，这使得这一布局较固定翼和旋翼微型飞行器具有隐蔽性好、利于微小型化等优点，仿生扑翼微型飞行器也成为目前微型飞行器的设计热点。

仿生扑翼微型飞行器大多采用无尾式布局，如何寻找等效的控制舵面来实现高控制力矩的产生是其设计的一大难题。目前公开的大多数仿生扑翼微型飞行器，通常利用扑翼充当等效舵面，这类飞行器大多通过翼根处安装的舵机拉动扑翼翼根梁，使各翼上下拍时膜的张紧程度发生变化，以此调节扑翼上下拍的攻角，实现气动力的改变并最终产生控制力矩。如公开号为CN 109606675 A的专利“一种基于单曲柄双摇杆机构的微型仿生扑翼微型飞行器”就采用这样的一种设计方案。采用这一控制方案的仿生扑翼飞行器其扑翼的张紧梁顶端多固定在底座上成为悬臂梁形式，当控制舵机拉动张紧梁时，张紧梁绕顶端固定端弯曲变形产生张紧梁位置的变化。受限于直线舵机的行程和空间布置，翼根梁整体弯曲程度不够大，对翼膜的拉动不够大，翼膜变形不明显，从而扑翼攻角改变不明显，产生的控制力矩有限。

上述方法虽然在一定程度上能改变扑翼翼膜的变形，调节扑翼的攻角，产生控制力矩，但在具体实施上受限于空间和结构设计，张紧梁随舵机位移有限，产生的控制力矩有限。此外，当微型扑翼飞行器需要较大控制力矩时，由于其完全依靠扑翼充当控制舵面，扑翼的攻角改变较大，此时扑翼难以工作在气动效率较高的攻角范围内，也影响了扑翼高升力的产生。因此，除借助扑翼本身控制实现控制力矩产生外，也有必要发明一些其它的控制力矩产生方法。

发明内容

本发明针对现有仿生扑翼微型飞行器仅通过控制扑翼膜变形来获得控制力矩的现状，为解决该方案攻角改变范围有限、产生的控制力矩较小、控制力矩产生形式单一的问题，提出了一种基于双翼差动及舵机重心变化实现高控制力矩产生的仿生扑翼微型飞行器，以满足飞行器高机动飞行时高控制力矩产生的需求。

一种基于双翼差动及舵机重心变化实现高控制力矩产生的仿生扑翼微型飞行器，包括升力系统、传动系统、控制系统和动力系统。

所述升力系统由左右两个扑翼组成，所述扑翼产生的气动力作用点与重心不重合，每个扑翼由主梁、柔性梁、张紧梁和翼膜组成。所述翼膜为柔性膜，采用聚亚酰胺材料，翼膜的前缘和侧缘分别裹成管状后用粘结剂固定。所述主梁和张紧梁分别穿过翼膜前缘和侧缘所形成的管状空间，并可绕管状空间自由转动。两根柔性梁粘接在翼膜同侧，分别与主梁呈20°、50°夹角；主梁翼根端与传动系统的翼杆连接，张紧梁的前缘端与控制系统的球铰装置连接，后缘端插入控制系统的俯仰舵机架的张紧梁约束孔位中。