[发明专利]一种分布柔度式扑翼飞行器及扑翼驱动机构的设计方法

说明书

本发明公开了一种分布柔度式扑翼飞行器及扑翼驱动机构的设计方法，属于扑翼飞行器技术领域。一种分布柔度式扑翼飞行器，分布柔度式扑翼驱动机构包括扑翼驱动机构安装架及设置在扑翼驱动机构安装架上的压电双晶片驱动器和分布柔度式传动链；分布柔度式传动链包括一对竖向弹片和一个横向弹片，压电双晶片驱动器的固定端固定在分布柔度式传动链的后端；方法包括a.将压电双晶片驱动器简化为等效单自由度二阶直线振动系统；b.分布柔度式传动链简化为等效“多刚体—扭簧”系统；c.求取扑动翼气动阻力与力矩；d.进行模型组装；e.建立受迫振动方程组；f.取优化问题的目标函数；g.优化设计。它具有工作寿命长，飞行效率高等特点。

技术领域

本发明涉及扑翼飞行器技术领域。

背景技术

扑翼驱动机构是仿生扑翼飞行器的动力系统，其构型方案与动力学性能对扑翼飞行器的飞行能力具有重要影响。传统扑翼驱动机构均采用刚性连杆与摩擦式运动副相结合的构型方案，在大尺度与厘米级的扑翼飞行器中得到了广泛应用。但是当扑翼飞行器的尺寸缩小至毫米量级时，这类“刚性连杆—摩擦运动副”式扑翼驱动机构将出现构件强度下降、运动副磨损剧烈、运动频率难以提升等多种问题。因此人们不得不继续探索其他新型的机构构型方案。

哈佛大学的Wood团队研发了一种由聚酰亚胺薄膜柔性铰链一体连接而成的碳纤维刚性薄板式滑块—摇杆扑翼驱动机构，用于装备硬币大小的“Robobee”和“HMF”系列微型压电扑翼飞行器，其运动频率可达到100Hz以上。但是这类集中柔度式扑翼驱动机构在高频运动过程中，其柔性铰链位置会出现明显的应力集中现象，从而大幅度缩短了其使用寿命。武汉科技大学利用柔性支撑杆设计了一种空间四连杆机构，从而减少了传动链中构件与运动副的数目，起到了减重效果，同时也可借助柔性构件的共振特性节省原动机的能耗，但是该机构仍然无法避免摩擦式运动副的使用，因而也不适合做高频运动。

为使扑翼驱动机构能够满足预期的性能要求，研究者们还需要探索合理的优化设计方法。针对传统“刚性连杆—摩擦运动副”式的和集中柔度式的扑翼驱动机构，研究者们常将原动机、传动链与扑动翼进行独立建模与优化，无法评估各组件之间的动力耦合效应对驱动机构整机性能的影响。因此研究者们继续探索了大量适用于多组件耦合分析的建模与设计方法。上海交通大学曾利用有限元方法为压电双晶片驱动的集中柔度式滑块摇杆扑翼机构建立了压电—多体耦合动力学模型，以精确求解扑动翼在压电双晶片的电场作用下所达到的扑动角度，但是该方法存在计算成本较高的缺点，不适合用于更复杂系统的分析。日本丰田中央研发实验室的Takashi等针对一款可被动前后折叠的压电直驱式仿昆虫扑翼驱动机构建立了“压电单晶片—折叠弹簧—扑动翼”多系统耦合振动模型，该模型在同时考虑各组件质量效应、弹性效应和阻尼效应的条件下，可快速计算出驱动机构的共振频率与扑动翼的最大运动幅度，但该模型仍并不能准确预测机构的运动参数随激励电压的变化规律。此外目前研究者们针对扑翼驱动机构性能的优化仅侧重于扑动翼运动频率与运动幅度的提高，并没有综合考虑机构的整机重量、整机体积、能量转化效率等其他重要性能指标，致使所设计的大部分扑翼驱动机构难以实现装机飞行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种分布柔度式扑翼飞行器及扑翼驱动机构的设计方法，它具有工作寿命长，飞行效率高等特点。并提出相应的整机综合性能优化设计方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种分布柔度式扑翼飞行器，包括机身，飞行控制系统，扑翼驱动机构和一对扑动翼，扑翼驱动机构为分布柔度式扑翼驱动机构，其包括扑翼驱动机构安装架及设置在扑翼驱动机构安装架上的压电双晶片驱动器和分布柔度式传动链；