一种扑翼机机翼气动力差动装置及其控制方法与流程

本发明涉及扑翼机设计领域，具体为一种扑翼机机翼气动力差动装置及其控制方法。

背景技术：

扑翼机相较于传统的固定翼飞机在飞行方式上有根本的不同，其依靠翅膀的上下扑动在产生推力的同时产生升力作为动力进行飞行。要求扑翼机的翅膀有一定的柔性才能在扑动的时候产生向后的气动力，翅膀的刚度对气动力的大小会产生很大的影响，在实际制造扑翼机的时候，往往很难控制两个机翼有相同的刚度，这就造成了翅膀在扑动的时候由于刚度不同产生不同的气动力，从而造成飞机产生偏航力矩和滚转力矩，使飞机偏离直线航行和侧倾，甚至侧倾后坠落。扑翼机主要靠翅膀端部产生气动力，偏离机身轴线较远。因此，动力的不对称产生的影响比固定翼更严重。

目前解决这一问题的方法主要靠尽量减小两片机翼之前刚度的差别，并且通过加装方向舵和副翼来平衡偏航力矩和滚转力矩。

目前解决方案的问题是，扑翼机的机翼很难达到在各个位置各个方向的刚度完全一致，而且扑翼机相较于固定翼来说飞行速度小，方向舵难以产生足够大的操纵力矩。扑翼机的机翼上产生的是高度不定常流，不能像固定翼飞机一样将副翼安装在机翼上，只能安装在尾翼上，但是尾翼的翼展有限，再加上扑翼较小的飞行速度，副翼实际能产生的作用也十分有限。而且这种被动改正的方法本身会带来不小的阻力，降低扑翼机的气动效率。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，平衡扑翼机机翼刚度不一致带来的气动力差，本发明提出一种扑翼机机翼气动力差动装置及其控制方法，对扑翼机机翼气动力进行主动控制。该装置能通过控制机翼在扑动过程产生相对来流的俯仰运动，并控制两侧机翼此运动的幅度，主动控制机翼产生的气动力大小，一方面可以消除机翼在制造过程中的刚度差带来的气动力差，另一方面可以通过两个机翼的气动力差改变飞行方向，从而取代方向舵的作用，减轻扑翼机重量。

本发明的技术方案为：

所述一种扑翼机机翼气动力差动装置，其特征在于：包括处理器、两个传感器、两个舵机和两个摇臂；

两个传感器分别采集扑翼机机翼的扑动相位，当对应机翼上扑到最高点时以及下扑到最低点时产生到位信号，并将到位信号发送给处理器；

处理器在接收到到位信号时输出控制信号给舵机；

所述两个舵机分别安装在与扑翼机两侧机翼最外侧翼段相邻的机翼结构上；舵机输出端连接摇臂内端，摇臂外端与扑翼机机翼最外侧翼段的后梁结构一端连接；

舵机依据控制信号改变与舵机相连的摇臂的偏转角度；其中当机翼上扑到最高点时，舵机带动摇臂上偏到设定角度，当机翼下扑到最低点时，舵机带动摇臂下偏到设定角度。

进一步的优选方案，所述一种扑翼机机翼气动力差动装置，其特征在于：两个舵机带动摇臂的偏转角度能够不同。

所述一种扑翼机机翼气动力差动装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：扑翼机开机后处理器输出舵机偏转位置信号，控制舵机带动摇臂偏转到初始位置；

步骤2：扑翼机机翼上扑，在机翼上扑到最高点时，一个传感器产生到位信号传到处理器，处理器输出舵机偏转角度信号，控制两个舵机带动摇臂同时上偏到设定角度，摇臂带动与之连接的后梁上偏，使扑翼机机翼最外侧翼段产生负迎角；

步骤3：扑翼机机翼从上扑转为下扑，在机翼下扑到最低点时，另一个传感器产生到位信号传到处理器，处理器输出舵机偏转角度信号，控制两个舵机带动摇臂同时下偏到设定角度，摇臂带动与之连接的后梁下偏，使扑翼机机翼最外侧翼段产生正迎角；

步骤4：扑翼机机翼循环扑动，循环扑动过程中重复步骤2和步骤3进行控制，直至扑翼机机翼不再扑动。

进一步的优选方案，所述一种扑翼机机翼气动力差动装置的控制方法，其特征在于：处理器向两个舵机输出的偏转角度信号能够不同，使两个舵机带动摇臂的偏转角度不同。

有益效果

本发明的有益效果是：机翼气动力差动装置能实现处理器控制下的机翼相对来流迎角随上扑下扑协同变化，经过试验，可提高机翼产生的气动力大小，并且可捕获差动控制信号使两侧机翼产生不同的迎角变化幅度，从而产生气动力差，抵消了机翼刚度差异造成的气动力差，并且实现了转向功能，可以使扑翼机去掉方向舵，减轻了扑翼机重量。该装置能方便地修改程序来修改差动程度，体积小，具有较强的通用性，适合安装在一段式或两段式等多种扑翼机上。装置成本低，经济性好。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

附图1是本发明在扑翼机上的安装俯视图；

附图2是控制舵机在扑翼机上安装图；

附图3是控制舵机与机翼外段连接局部图；

附图4是控制舵机下偏局部图；

附图5是控制舵机上偏局部图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

由于目前扑翼机的机翼很难达到在各个位置各个方向的刚度完全一致，造成了翅膀在扑动的时候由于刚度不同产生不同的气动力，从而造成飞机产生偏航力矩和滚转力矩，如果采用常规固定翼飞机的方向舵和副翼控制方式又存在扑翼机相较于固定翼来说飞行速度小，方向舵难以产生足够大的操纵力矩，扑翼机的机翼上产生的是高度不定常流，不能像固定翼飞机一样将副翼安装在机翼上，只能安装在尾翼上，但是尾翼的翼展有限，再加上扑翼较小的飞行速度，副翼实际能产生的作用也十分有限等问题，而且这种被动改正的方法本身会带来不小的阻力，降低扑翼机的气动效率。

为解决这些问题，平衡扑翼机机翼刚度不一致带来的气动力差，本发明提出一种扑翼机机翼气动力差动装置及其控制方法，对扑翼机机翼气动力进行主动控制。该装置能通过控制机翼在扑动过程产生相对来流的俯仰运动，并控制两侧机翼此运动的幅度，主动控制机翼产生的气动力大小，一方面可以消除机翼在制造过程中的刚度差带来的气动力差，另一方面可以通过两个机翼的气动力差改变飞行方向，从而取代方向舵的作用，减轻扑翼机重量。

其中，扑翼机机翼气动力差动装置包括处理器、两个传感器、两个舵机和两个摇臂；在该装置中传感器负责在需要改变控制舵机偏转的时刻发出到位信号，微处理器负责接收传感器信号，并调整控制舵机的偏转状态，摇臂连接在舵机上，摇臂连接扑翼机机翼最外侧翼段的后梁，通过控制舵机摇臂的偏转就可以调整机翼在来流方向的迎角。

具体的，两个传感器分别采集扑翼机机翼的扑动相位，当对应机翼上扑到最高点时以及下扑到最低点时产生到位信号，并将到位信号发送给处理器。处理器在接收到到位信号时输出控制信号给舵机。

所述两个舵机分别安装在与扑翼机两侧机翼最外侧翼段相邻的机翼结构上。例如对于双段机翼式扑翼机，舵机安装在双段机翼式扑翼机的内段机翼后部，而如果是单段式扑翼机，舵机固定在机身上。舵机输出端连接摇臂内端，摇臂外端与扑翼机机翼最外侧翼段的后梁结构一端连接。后梁端部有销孔，通过圆柱销与摇臂外端连接。

舵机的上下偏转可以控制机翼后梁的上下偏转，进而控制机翼的俯仰角，舵机的动作由处理器输出控制信号控制，舵机依据控制信号改变与舵机相连的摇臂的偏转角度。其中当机翼上扑到最高点时，舵机带动摇臂上偏到设定角度，使得接下来机翼下扑过程中扑翼机机翼最外侧翼段上偏，使机翼产生相对来流的负迎角；当机翼下扑到最低点时，舵机带动摇臂下偏到设定角度，使得接下来机翼上扑过程中扑翼机机翼最外侧翼段下偏，使机翼产生相对来流的正迎角。

进一步根据本发明的目的，传感器安装在机身内部，检测扑翼机机翼的扑动相位，对应机翼上扑到最高点的时候和下扑到最低点的时候产生到位信号，处理器在接收到到位信号时输出控制信号，使两个舵机改变摇臂偏转的角度，由上偏改为下偏或由下偏改为上偏，使机翼产生与扑动频率一致的俯仰动作，并且可以通过控制两个舵机带动摇臂偏转不同角度，调整两侧机翼的俯仰动作幅度，进而来调整两侧机翼产生的气动力大小，实现机翼气动力差动，抵消因机翼制造误差带来的气动力不对称。

如图1，2，3所示，本实施例中安装此装置的扑翼机为双段机翼式扑翼机，舵机安装在内段机翼侧后部，通过摇臂与外段机翼的后梁连接，连接方式采用圆柱销连接。在图4中为舵机下偏局部图，机翼上扑时，控制舵机下偏带动与摇臂相连的机翼外段后梁，使机翼外段产生正迎角。在图5中为舵机上偏局部图，机翼下扑时，控制舵机上偏带动与摇臂相连的机翼外段后梁，使机翼外段产生负迎角。

整个扑翼机机翼气动力差动装置的控制过程为：

步骤1：扑翼机开机后处理器输出舵机偏转位置信号，控制舵机带动摇臂偏转到初始位置；

步骤2：扑翼机机翼上扑，在机翼上扑到最高点时，一个传感器产生到位信号传到处理器，处理器输出舵机偏转角度信号，控制两个舵机带动摇臂同时上偏到设定角度，摇臂带动与之连接的后梁上偏，使扑翼机机翼最外侧翼段产生负迎角；

步骤3：扑翼机机翼从上扑转为下扑，在机翼下扑到最低点时，另一个传感器产生到位信号传到处理器，处理器输出舵机偏转角度信号，控制两个舵机带动摇臂同时下偏到设定角度，摇臂带动与之连接的后梁下偏，使扑翼机机翼最外侧翼段产生正迎角；

步骤4：扑翼机机翼循环扑动，循环扑动过程中重复步骤2和步骤3进行控制，直至扑翼机机翼不再扑动。

差动控制信号从地面遥控器传到扑翼机的接收机上，并通过处理器捕获此信号，从而在下一个上扑下扑循环的时候，处理器向两个舵机输出的偏转角度信号不同，使一边的舵机产生更大的偏转量，另一边的舵机的偏转量会相应减小。偏转量越大，机翼外段的俯仰动作程度越大，此机翼产生更大的气动力，可以抵消机翼制造误差造成的两机翼气动力差值。可随遥控器摇杆的位置线性控制偏转量的差值。在摇杆偏到最左侧或最右侧时，可使一侧舵机偏转量达到最大，进一步增加两侧机翼的气动力差值。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。