全翼扑动与翼尖主动扭转相结合的五自由度扑翼飞行器的制作方法

本发明涉及的是一种飞行器领域的技术，具体是一种具有海鸥及信天翁的扑翼、滑翔和翱翔飞行运动规律，满足双自由度全翼扑动与单自由度翼尖扭转相结合，能够通过扑翼不借助外力静止起飞，超低功耗巡航飞行，全动v尾操纵俯仰和偏航两自由度，且能随时切换扑翼与扑翼滑翔飞行模式从而同时实现高机动与长航时的五自由度扑翼飞行器。

背景技术：

仿鸟扑翼飞行器自古以来便存在于人类的构想、设计、试制与飞行之中。20世纪七八十年代到21世纪以来，英国的ellington、美国的dickison、日本的nakata以及中国的孙茂等一大批动物学家、流体力学家，通过对鸟类、昆虫飞行运动轨迹的精确记录以及空气动力的准确测量计算，基于非定常空气动力学理论，逐渐揭开鸟类、昆虫高升力机制的神奇面纱。这其中包含有前缘涡延迟失速、转动环量、尾迹捕获及打开-合拢四个高升力机制。

进入新世纪，随着微型机电系统的快速发展，接近真实鸟类尺寸的扑翼机已经可以精细化设计制造。2011年，德国festo科技公司研制的smartbird仿海鸥扑翼机，能够准确逼真地模拟鸟类飞行运动规律，周期性扑动和扭转翅膀实现稳定飞行，并拥有一定机动性能。这项具有突破性的科技进展为仿生扑翼机的设计注入了新的活力，基本代表了目前仿鸟扑翼机的设计制造世界最高水平。但是其鸟翼扑动冲程角度仍然难以达到鸟类在机动飞行的大角度，因而其气动力仍不足以支撑同等翼展(2m)鸟类如信天翁的体重(8kg左右)，只能将扑翼机重量控制在480g，因而难以大幅提高起飞重量。而且，鸟类调整飞行姿态的耦合特征未能实现，如翼尖扭转如尾巴摇摆同时操纵偏航和俯仰。再者，其飞行稳定性仍较差，需要添加自然界鸟类没有的垂直尾翼来提高航向稳定性，大大降低了其仿生特性及隐蔽性。

国内的仿鸟扑翼机研制方面以南京航空航天大学昂海松教授团队、西北工业大学宋笔锋教授团队为领军人物。前者在国内首先开展了鸟类扑翼飞行的流体物理研究，同时研制了多种扑翼机如“翔鹰”。这款扑翼机具有蒙皮骨架结构支撑的气动外形，也能实现带主动扭转的鸟类飞行运动。西工大的“信鸽”由薄膜柔性翼产生气动力，结构紧凑，翼展接近真实信鸽外形尺寸，同时也能利用差动装置替代方向舵。但上述二者也未能解决smartbird所面临的三个主要问题，也没有解决仿生扑翼机的起飞难点，故未能真正从仿生角度突破性实现决定起飞的打开合拢高升力机制。

在飞行及仿生优势方面，相比于旋翼、固定翼及微型高频扑翼飞行器，仿鸟扑翼飞行器伴有的低频扑翼运动(2hz以下)可大幅提升飞行效率(扑翼平均功率30w)，显著降低气动噪音(20db以下)，同时拥有极其逼真的仿生外形，因而可以用于长航程、远航时执行低空观测、监视侦查及通信中继等军事任务，也可用于环境监测、航空测绘、野外搜救及民航机场的起飞着陆前驱鸟等民用任务。

技术实现要素：

本发明针对现有技术无法实现仿生扑翼机的扑动静止起飞、低飞行功耗、飞行姿态调整的翼尖鸟尾耦合操纵以及飞行稳定性较低的缺陷，提出一种主翼扑动与翼尖主动扭转相结合的五自由度扑翼飞行器，参照鸟类飞行设计运动规律，实现全翼分段扑动与翼尖主动扭转相结合，能够超低功耗巡航飞行，且能随时切换扑翼与扑翼滑翔飞行模式从而同时实现高机动与长航时特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：空气动力外壳以及设置于其内部的骨架结构、机电驱动装置和飞行控制系统，其中：机电驱动装置分别与骨架结构和飞行控制系统相连，接收控制指令的同时连动骨架结构进行仿生飞行。

所述的空气动力外壳包括：eva泡沫制成的三维鸟翼、鸟身、pla塑料制成的v型鸟尾及羽毛小翼，其中：三维鸟翼与位于翼根部分的鸟身及位于翼尖部分的羽毛小翼相连，鸟身后部与v型鸟尾相连。

所述的机电驱动装置包括：扑翼电机以及与之依次相连的三级行星齿轮减速器、曲柄、摇杆、四连杆和刚接连杆(亦即翼尖翼梁)，其中：四连杆设置于三维鸟翼的翼根部分，刚接连杆设置于三维鸟翼的翼尖部分，较高转速、较低转矩的扑翼电机经过50倍减速比的齿轮减速器可以输出0～4hz的转速，从而曲柄、摇杆、四连杆及刚接连杆实现周期性双自由度扑动。

所述的四连杆包括：设置于三维鸟翼的主翼内的上、下翼梁及其接头。

所述的机电驱动装置中进一步包括与扑翼电机相连的电池及电子调压器。

所述的电池为850mah、11.4v、30c航模锂电池。

所述的电子调压器为15a电子调压器。

所述的骨架结构包括：轻质高强碳纤维制成的翼肋、上、下翼梁、加强梁、隔框和加强杆，其中：两对翼肋分别设置于三维鸟翼的左、右主翼内以及翼尖内，两对上、下翼梁穿过设置于主翼内的翼肋且上翼梁与翼肋胶接，加强梁与加强杆及主翼上翼梁相接，构成鸟翼骨架，隔框设置于鸟身内部，若干加强杆分别穿过机电驱动装置及隔框并与隔框一同构成机身骨架。

所述的隔框包括：三角框、前框、中框、后框和尾框共五个。

所述的飞行控制系统，包括：角度传感器、翼尖扭转舵机、全动v型鸟尾舵机、接收器及飞控板，其中：角度传感器采集速度信号并传输到飞控板，飞控板运算后传输到翼尖扭转舵机，翼尖扭转舵机固定设置于翼尖内的翼肋上，其转轴固定设置于翼尖内的翼梁上从而带动最外部翼肋绕前缘转动，一对全动v型鸟尾舵机设置于鸟身中框与后框之间并与骨架结构中的尾框相连，接收器设置于中框与后框之间并与飞控板相连以接收来自遥控器的操作命令。

所述的角度传感器的磁芯设置于三级行星齿轮减速器中的第二级行星减速齿轮的中心，与该齿轮相胶接并随齿轮转动产生周期变化的磁场，角度传感器的接收芯片固定设置于隔框中的三角框上并与磁芯正对以接收磁场变化信号作为扑动角度信号。

所述的鸟身腹部进一步优选设有热成像仪、内存卡和/或无线传输装置。

该飞行控制系统能够实现翼尖主动扭转的双路混合控制及全动v型鸟尾的俯仰偏航控制。二者联合可以实现偏航滚装的混控以及俯仰的混控。设置于曲柄根部、第三级传动齿轮中心的角度传感器磁芯将变化磁场信号传递给前方角度传感器芯片，读入飞控板，经计算处理后发送给翼尖舵机，使其精确实现扭转角度信号，也能够将遥控器经接收器发送到飞控板的操作信号进行叠加进行输出，从而大大提升飞行机动性、稳定性和控制可靠性。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过机电装置驱动鸟翼进行周期性、大幅度的双自由度扑动及扭转，从而借助骨架支撑的气动外形产生随时间变化的高升力与大推力，通过飞控操作实现起飞、巡航、任务执行与降落等过程。本发明能够由静止状态，不借助外部力量，从上冲程极点下扑(冲程角为92°，水平面以上61°，以下31°)，利用鸟类打开合拢高升力机制产生大于重力的翼面上下压差，可仅通过扑翼提供的气动力实现静止起飞。本发明通过借助良好的气动外形设计和机械驱动装置复现鸟类飞行运动规律，产生高升力和大推力从而静止起飞，利用飞控系统自动切换扑翼飞行与滑翔模式，进而实现长航程、久航时侦察任务，并最终能够短距降落。

附图说明

图1为本发明的侦察任务全过程各飞行模式切换示意图；

图中：降落模式a、扑翼滑翔飞行模式b、侦查扑翼模式c、侦察监视目标任务点d；

图2为空气动力外壳的示意图；

图中：鸟翼a1、鸟身a2、v型尾翼a3、羽毛小翼a4；

图3为机电驱动装置及翼身结构骨架的示意图；

图中：电机b1、一级行星减速齿轮b2、二级行星减速齿轮b3、三级行星减速齿轮b4、曲柄b5、摇杆b6、四连杆b7、刚接连杆b8、翼肋c1、隔框c2、加强杆c3；

图4为飞行控制系统的示意图；

图中：飞控板d1、角度传感器d2、遥控器接收机d3、翼尖扭转舵机d4和d5。

具体实施方式

如图1所示，实施例1的全侦察任务飞行模式包括：扑翼静止起飞与降落模式a、扑翼滑翔飞行模式b、侦查扑翼模式c，其中：

起飞利用扑翼模式。当控制其扑动频率的油门通道推到极点时，鸟翼可以快速从上冲程的极点位置下扑，将空气向下后方迅速压缩，从而获得空气反作用的高升力和大推力。另一方面更准确的讲法，由非定常空气动力学中鸟类飞行中打开-合拢机制可知，当鸟翼从合拢状态迅速打开时，上翼面气流被立刻加速，低压空气迅速形成与上翼面，上下翼面产生了极大的压强差，从而产生大于鸟重的时均高升力实现静止起飞。整个过程中，鸟身会因为微小的气动力差别引起姿态短暂不稳因而发生小幅位移。

起飞完成加速飞行，进入巡航高度时开启扑翼滑翔飞行模式，将大幅减少长航程的耗能，延长航程增加航时。具有一定速度的来流经过固定上反角与攻角均为2°的鸟翼后，机翼产生的升力略小于鸟总重，但仍能通过滑翔飞行损失高度换取一定的飞行距离。与此同时鸟翼身都会持因为续受到航向阻力而降低飞行速度，在速度传感器探测到来流风速小于预设临界速度(大于失速速度)时，飞行控制系统立即重新开启扑翼模式，产生周期性的推力和升力继续按设定任务航线飞行。同时在扑翼滑翔飞行模式下，羽毛小翼可在舵机驱动下沿翼尖下翼面滑道滑出，大幅增加鸟翼的展弦比，利用柔性分叉羽毛削减翼尖涡流，提高巡航升阻比，降低能源消耗，在切换为扑翼模式时沿滑道收回。

当飞行机器鸟将要达到任务执行点附近时，转入持续侦查监测工作的侦查扑翼模式。通过设置于机身腹部的热成像仪成像，并存储到内存卡中或通过图像传输系统将实时图像返回地面站系统，供侦查员进行分析，做出下一步任务指令。

完成任务返场巡航过程依然是扑翼滑翔飞行模式，当靠近着陆点附近满足降落距离和高度时，开启扑翼模式，可以短距离完成降落。

如图2所示，所述的空气动力外壳包括：鸟翼a1、鸟身a2、v型尾翼a3、羽毛小翼a4，其中：鸟翼a1与翼根部的鸟身a2及翼尖部的羽毛小翼a4相连，鸟身a2则与后部的v型尾翼a3相连。

所述的空气动力外壳采用的蒙皮由1mm和2mm的eva板材裁剪制得。

所述的三维鸟翼全翼展(含机身部分)最长为bmax＝(1.8+x)m，x代表翼尖羽毛小翼的有效长度。该三维鸟翼选取naca7415优化后的flap7415翼型，设置角(与机身周线夹角)为2°。

所述的鸟身全长lb＝716.351mm，最大直径dmax＝150.000mm，鸟头、鸟身及鸟尾分别占比为18.84％，38.58％及42.58％。

所述的v型鸟尾全长lv＝249.772mm，俯视图扇形角为76°，正视图水平面偏角30°，设置角为0°。

所述的扑翼飞行器总重为470g，平均飞行消耗功率约为25w。

该气动外形及运动规律使得仿生扑翼机在扑翼模式下能够有效产生高升力和大推力，同时在扑翼-滑翔模式下，翼尖羽毛小翼将会在上下压差作用下自动打开，有效削减翼尖涡流，远低于常规固定翼飞行器的每公里耗能。由于其外形仿生度可达99％以上，相应的隐蔽性、防御性相比传统扑翼机大大提高。

如图3所示，为电机b1、一级行星减速齿轮b2、二级行星减速齿轮b3、三级行星减速齿轮b4、曲柄b5、摇杆b6、四连杆b7、刚接连杆b8、航模锂电池(图中未示出)、电子调压器(图中未示出)、翼肋c1、隔框c2、加强杆c3。

所述的翼肋共四对且沿鸟翼展向、弦长先不变后减小、厚度不变。翼根弦长275.576mm，翼尖弦长5.000mm。

所述的隔框共五个且沿鸟身纵向、等效直径从头到尾先增加再不变最后减小。前框和中框等效直径均为150.000mm，后框为76.000mm，圆形尾框则为60.000mm。

所述的翼肋和隔框分别由1mm和2mm厚碳纤维板材通过雕刻机加工得到。

翼肋设置于3mm外径、壁厚1mm的碳纤维传动四连杆、刚接连杆及加强梁上。正中心加强杆为6mm外径、壁厚1mm的碳纤维杆，其余纵向加强杆与四连杆内外径相同，一同穿过鸟身各隔框。

如图4所示，飞控系统包括：作为飞控板的arduino单片机d1、作为角度传感器的mlx90316霍尔传感器d2、遥控器接收机d3、作为翼尖扭转舵机的hs-82mg电机d4和d5，作为尾翼舵机的hs-82mg电机(图中未示出)，舵机通过数据线连接到飞控板上。传感器感知的主齿轮转动角度信号输入到飞控板，经过计算后得出所需扭转角度信号，实时发送给舵机执行，实现扑翼的翼尖扭转运动，提供上冲程的大推力。图中未显示v型鸟尾控制俯仰、偏航的升降和方向舵机，也未显示副翼通道的控制，实际情况可根据飞行控制需求将副翼通道与翼尖扭转差动耦合实现滚转，升降舵与翼尖扭转联动耦合实现俯仰。

当扑翼电机a1通电转动后，驱动上述机械装置以2hz频率周期性运动，实现扑翼的二自由度扑动运动，提供下冲程的高升力。同时转动孔通过刚接连杆的翼尖舵机d4和d5设置在翼尖最外端肋上，将驱动整个翼尖发生扭转。其运动规律与主翼扑动在一个周期内有确定的相位差，从而实现扑动上冲程的翼尖攻角增大，下冲程则减小，上下冲程极点附近完成翻转。鸟翼翼根含两个按比例放缩的翼肋c1，翼尖也有两个，上开有圆孔被四连杆上杆和刚接连杆穿过，鸟身纵向则含五个隔框c2，分别固定到五根加强杆c3上。全动v型鸟尾通过万向接头与前方主中心加强杆相连，万向接头在v型鸟尾的中心加强杆上，一同穿过隔框。上述碳纤维骨架与鸟翼身蒙皮共同支撑起外形，可以承受和传递气动力。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不包括：上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。