仿生扑翼飞行器及其飞行控制方法与流程

本发明涉及飞行器领域，具体是一种仿生扑翼飞行器及其飞行控制方法。

背景技术：

自然界中，部分鸟类和昆虫的扑翼飞行方式可以实现悬停，具有很高的机动性和很低的能耗。人造扑翼飞行器在军用、民用方面有十分广阔的应用前景。美国研制出了“蜂鸟”微型扑翼飞行器，在人造扑翼飞行器方面取得了突破。

现有技术中，人造扑翼飞行器存在以下问题：

1.使用旋转电机带动机翼摆动，旋转电机与机翼之间需要传动机构将旋转电机的转动转化为机翼的摆动，增加了扑翼飞行器的重量、能耗、噪声。

2.通过控制机翼的攻角来控制扑翼飞行器的飞行，控制机构复杂，增加了扑翼飞行器的重量。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种仿生扑翼飞行器及其飞行控制方法，使用摆动电机直接带动机翼摆动，摆动电机与机翼之间没有传动机构，有利于减少扑翼飞行器的重量、能耗、噪声，通过改变施加到摆动电机两极上的电压的波形来控制扑翼飞行器的飞行，不需要复杂的控制机构来控制扑翼飞行器的飞行，有利于减少扑翼飞行器的重量。扑翼机构强度高，寿命长，制造成本低。

本发明提供的仿生扑翼飞行器，包括机架、连接轴和安装在机架上的两套结构相同的独立的扑翼机构。所述的机架下方带有起落架，该扑翼飞行器停放在水平面上时，机架的底面与水平面平行。每套扑翼机构均包括机翼、动子、电机座、类似工字形软铁芯、线圈、边缘有槽轮、橡胶圈、橡胶柱。所述的机翼通过第一铰链与所述的动子连接。扑翼飞行器静止时，第一铰链轴线与机架的底面平行。动子通过第二铰链与所述的电机座连接，第二铰链轴线与电机座底面垂直，扑翼飞行器静止时的重心在两套扑翼机构的第二铰链轴线的正中间，动子围绕第二铰链摆动的最大范围取160°至200°，动子上设置有限制机翼攻角的凸起，凸起限制机翼围绕第一铰链只能在一个固定的范围内摆动，该范围大小取60°至120°，扑翼飞行器飞行时，机翼可在该范围内围绕第一铰链在空气动力和惯性力的作用下摆动。扑翼飞行器悬停时，机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段和逆时针摆动阶段机翼达到的最小正攻角大小一致。动子上固定有圆环形导磁材料，其中圆环的圆心在第二铰链轴线上，圆环形导磁材料内侧固定有两块圆弧形永磁体，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，圆弧形永磁体充磁方式为辐射充磁，一块圆弧形永磁体n极在内侧，另一块圆弧形永磁体s极在内侧。动子包围着所述的类似工字形软铁芯，类似工字形软铁芯的外侧为圆弧，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，类似工字形软铁芯中间有一个让第二铰链穿过的通孔。扑翼飞行器静止时，圆弧形永磁体的圆弧的圆心角的角平分线与类似工字形软铁芯外侧的圆弧的圆心角的角平分线垂直。所述的线圈绕在类似工字形软铁芯上对应工字一竖部分，线圈与电源连接，类似工字形软铁芯固定在电机座上。当扑翼飞行器静止时俯视扑翼飞行器，给线圈施加正向电压时，动子受到的磁场力使动子获得顺时针方向的力矩；给线圈施加反向电压时，动子受到的磁场力使动子获得逆时针方向的力矩。一个所述的边缘有槽轮通过第三铰链与动子连接，第三铰链轴线与电机座底面垂直，一个边缘有槽轮通过第四铰链与电机座连接，第四铰链轴线与电机座底面垂直。所述的橡胶圈绷紧在两个边缘有槽轮之间，使扑翼飞行器静止时一套扑翼机构的第二铰链轴线、第三铰链轴线、第四铰链轴线在一个平面内，当机翼和动子围绕第二铰链摆动离开平衡位置时橡胶圈提供回复力。电机座由所述的橡胶柱连接到机架上。电机座通过第五铰链与所述的连接轴连接，第五铰链轴线与电机座底面平行，连接轴把两套扑翼机构的电机座连接在一起。扑翼飞行器静止时，电机座底面与机架底面平行。给线圈通方波交流电，机翼会围绕第二铰链摆动，一个周期内最长施加电压时间取周期的40%至100%，交流电的频率取机翼围绕第二铰链摆动固有频率的90%至110%，给两套扑翼机构的线圈通的交流电频率一致。当给左侧扑翼机构的线圈施加正向电压时，给右侧扑翼机构的线圈施加反向电压或不给右侧扑翼机构的线圈施加电压；当给左侧扑翼机构的线圈施加反向电压时，给右侧扑翼机构的线圈施加正向电压或不给右侧扑翼机构的线圈施加电压；当给右侧扑翼机构的线圈施加正向电压时，给左侧扑翼机构的线圈施加反向电压或不给左侧扑翼机构的线圈施加电压；当给右侧扑翼机构的线圈施加反向电压时，给左侧扑翼机构的线圈施加正向电压或不给左侧扑翼机构的线圈施加电压。

本发明还提供了一种仿生扑翼飞行器的飞行控制方法，包括以下过程：

偏航运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，使左侧机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，使右侧机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，左侧扑翼机构产生的拉力的平均作用点在第五铰链轴线前方，右侧扑翼机构产生的拉力的平均作用点在第五铰链轴线后方，左侧扑翼机构的电机座的平均位置向后倾斜，右侧扑翼机构的电机座的平均位置向前倾斜，扑翼飞行器获得向左偏航的力矩，向左偏航；增加给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，使左侧机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，使右侧机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，左侧扑翼机构产生的拉力的平均作用点在第五铰链轴线后方，右侧扑翼机构产生的拉力的平均作用点在第五铰链轴线前方，左侧扑翼机构的电机座的平均位置向前倾斜，右侧扑翼机构的电机座的平均位置向后倾斜，扑翼飞行器获得向右偏航的力矩，向右偏航。

前后运动：增加给左侧扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给左侧扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，增加给右侧扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给右侧扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，扑翼飞行器向前倾斜，向前运动；增加给左侧扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给左侧扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，增加给右侧扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给右侧扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，扑翼飞行器向后倾斜，向后运动。

侧向运动：增加给右侧扑翼机构的线圈施加电压的时间，减少给左侧扑翼机构的线圈施加电压的时间，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，扑翼飞行器向左倾斜，向左运动；增加给左侧扑翼机构的线圈施加电压的时间，减少给右侧扑翼机构的线圈施加电压的时间，使左侧扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使右侧扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，扑翼飞行器向右倾斜，向右运动。

垂直运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力大于扑翼飞行器的重力，扑翼飞行器上升；减少给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力小于扑翼飞行器的重力，扑翼飞行器下降。

本发明有益效果在于：

1、使用摆动电机直接带动机翼摆动，摆动电机与机翼之间没有传动机构，有利于减少扑翼飞行器的重量、能耗、噪声。

2、摆动电机内有一个类似工字形软铁芯，使摆动电机漏磁少，效率高，摆动角度大，产生的力矩大。

3、通过改变施加到摆动电机两极上的电压的波形来控制扑翼飞行器的飞行，不需要复杂的控制机构来控制扑翼飞行器的飞行，有利于减少扑翼飞行器的重量。为了实现偏航运动，采用了通过改变扑翼机构产生的拉力的平均作用点的位置使电机座的平均位置倾斜的方法，不需要使用舵机就能使电机座的平均位置倾斜实现偏航运动。

4、扑翼机构强度高，寿命长，制造成本低。

附图说明

图1为本发明停放在水平面上时的俯视图。

图2为本发明左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动到最大角度且右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动到最大角度的俯视图。

图3为本发明左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动到最大角度且右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动到最大角度的轴测图。

图4为本发明本发明去掉机翼、动子、边缘有槽轮、橡胶圈的俯视图。

图5为本发明动子的轴测图。

图6为扑翼飞行器静止时一套扑翼机构的类似工字形软铁芯、线圈、圆环形导磁材料、圆弧形永磁体的俯视图。

图7为本发明机架的轴测图。

图8为本发明连接轴的轴测图。

图9为本发明机翼的轴测图。

图10为本发明电机座的轴测图。

图11为本发明类似工字形软铁芯、线圈的轴测图。

图12为本发明边缘有槽轮的轴测图。

图13为本发明橡胶柱的轴测图。

图14为向左偏航时去掉机翼、动子、边缘有槽轮、橡胶圈的左视图。

图15为向左偏航时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围。

图16为向左偏航时一个周期内给左侧扑翼机构的线圈施加电压的波形。

图17为向左偏航时一个周期内给右侧扑翼机构的线圈施加电压的波形。

图18为向前运动时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围。

图19为向前运动时一个周期内给左侧扑翼机构的线圈施加电压的波形。

图20为向前运动时一个周期内给右侧扑翼机构的线圈施加电压的波形。

图21为向左运动时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围。

图22为向左运动时一个周期内给左侧扑翼机构的线圈施加电压的波形。

图23为向左运动时一个周期内给右侧扑翼机构的线圈施加电压的波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的仿生扑翼飞行器整体结构如图1所示，包括机架1（如图7所示）、连接轴2（如图8所示）和扑翼机构，机架1下方带有起落架，该扑翼飞行器停放在水平面上时，机架的底面与水平面平行，机架1上安装有两套结构相同的独立的扑翼机构。

图2为本发明左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动到最大角度且右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动到最大角度的俯视图。

图3为本发明左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动到最大角度且右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动到最大角度的轴测图。

每套扑翼机构均包括机翼3（如图9所示）、动子4（如图5所示）、电机座5（如图10所示）、类似工字形软铁芯6（如图6所示）、线圈7、边缘有槽轮8（如图12所示）、橡胶圈9和橡胶柱10（如图13所示），其中，所述的机翼3通过第一铰链与所述的动子4连接，第一铰链轴线与机架1底面平行，动子4通过第二铰链与电机座5连接，第二铰链轴线与机架1电机座5的底面垂直，动子4上固定有圆环形导磁材料12，其中圆环的圆心在第二铰链轴线上，圆环形导磁材料12内侧固定有两块圆弧形永磁体13，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，圆弧形永磁体充磁方式为辐射充磁，一块圆弧形永磁体n极在内侧，另一块圆弧形永磁体s极在内侧（如图11所示）；所述的类似工字形软铁芯6固定在机架1上被动子4包围，类似工字形软铁芯6的外侧为圆弧，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，类似工字形软铁芯6中间有一个让第二铰链穿过的通孔；扑翼飞行器静止时，圆弧形永磁体13的圆弧的圆心角的角平分线与类似工字形软铁芯6外侧的圆弧的圆心角的角平分线垂直；所述的类似工字形软铁芯6上对应“工”字一竖部分缠绕有线圈7，线圈7与电源连接；当扑翼飞行器静止时俯视扑翼飞行器，给线圈7施加正向电压时，动子4受到的磁场力使动子4获得顺时针方向的力矩；给线圈7施加反向电压时，动子4受到的磁场力使动子4获得逆时针方向的力矩；一个边缘有槽轮8通过第三铰链与动子4连接，第三铰链轴线与电机座5底面垂直，一个边缘有槽轮8通过第四铰链与电机座5连接，第四铰链轴线与电机座5底面垂直；所述的橡胶圈9绷紧在两个边缘有槽轮8之间，使扑翼飞行器静止时一套扑翼机构的第二铰链轴线、第三铰链轴线、第四铰链轴线在一个平面内，当机翼3和动子4围绕第二铰链摆动离开平衡位置时橡胶圈9提供回复力；电机座5由所述的橡胶柱10连接到机架1上（如图4所示），电机座5通过第五铰链与所述的连接轴2连接，第五铰链轴线与电机座5底面平行，连接轴2把两套扑翼机构的电机座5连接在一起；扑翼飞行器静止时，电机座底面与机架底面平行。给线圈通方波交流电，机翼会围绕第二铰链摆动，一个周期内最长施加电压时间取周期的40%至100%，交流电的频率取机翼围绕第二铰链摆动固有频率的90%至110%，给两套扑翼机构的线圈通的交流电频率一致。

扑翼飞行器静止时的重心在两套扑翼机构的第二铰链轴线的正中间，动子4围绕第二铰链摆动的最大范围取160°至200°，动子4上设置有限制机翼攻角的凸起11，凸起11限制机翼3围绕第一铰链只能在一个固定的范围内摆动，该范围大小取60°至120°，扑翼飞行器飞行时，机翼3可在该范围内围绕第一铰链在空气动力和惯性力的作用下摆动，扑翼飞行器悬停时，机翼3围绕第二铰链顺时针摆动阶段和逆时针摆动阶段机翼3达到的最小正攻角大小一致。

本发明还提供了一种仿生扑翼飞行器的飞行控制方法，包括以下过程：

偏航运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，使左侧机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，使右侧机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，左侧扑翼机构产生的拉力的平均作用点在第五铰链轴线前方，右侧扑翼机构产生的拉力的平均作用点在第五铰链轴线后方，左侧扑翼机构的电机座的平均位置向后倾斜，右侧扑翼机构的电机座的平均位置向前倾斜，扑翼飞行器获得向左偏航的力矩，向左偏航；增加给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，使左侧机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，使右侧机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，左侧扑翼机构产生的拉力的平均作用点在第五铰链轴线后方，右侧扑翼机构产生的拉力的平均作用点在第五铰链轴线前方，左侧扑翼机构的电机座的平均位置向前倾斜，右侧扑翼机构的电机座的平均位置向后倾斜，扑翼飞行器获得向右偏航的力矩，向右偏航；

前后运动：增加给左侧扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给左侧扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，增加给右侧扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给右侧扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线后方，其中摆动角取开口向外的角，扑翼飞行器向前倾斜，向前运动；增加给左侧扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给左侧扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，增加给右侧扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给右侧扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动角的角平分线移到第二铰链轴线前方，其中摆动角取开口向外的角，扑翼飞行器向后倾斜，向后运动；

侧向运动：增加给右侧扑翼机构的线圈施加电压的时间，减少给左侧扑翼机构的线圈施加电压的时间，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，扑翼飞行器向左倾斜，向左运动；增加给左侧扑翼机构的线圈施加电压的时间，减少给右侧扑翼机构的线圈施加电压的时间，使左侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度大，使右侧机翼围绕第二铰链摆动的幅度小，扑翼飞行器向右倾斜，向右运动；

垂直运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力大于扑翼飞行器的重力，扑翼飞行器上升；减少给两套扑翼机构的线圈施加电压的时间，使两套扑翼机构产生的升力小于扑翼飞行器的重力，扑翼飞行器下降。

图14为向左偏航时去掉机翼、动子、边缘有槽轮、橡胶圈的左视图，图中电机座的位置为平均位置。

向左偏航时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围如图15所示。

向左偏航时一个周期内给左侧扑翼机构的线圈施加电压的波形如图16所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段，两条虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段。

向左偏航时一个周期内给右侧扑翼机构的线圈施加电压的波形如图17所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段，两条虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段。

向前运动时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围如图18所示。

向前运动时一个周期内给左侧扑翼机构的线圈施加电压的波形如图19所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段，两条虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段。

向前运动时一个周期内给右侧扑翼机构的线圈施加电压的波形如图20所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段，两条虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段。

向左运动时两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链摆动范围如图21所示。

向左运动时一个周期内给左侧扑翼机构的线圈施加电压的波形如图22所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段，两条虚线间的时间为左侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段。

向左运动时一个周期内给右侧扑翼机构的线圈施加电压的波形如图23所示，横坐标为时间，纵坐标为电压，纵轴到左侧虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链逆时针摆动阶段，两条虚线间的时间为右侧机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。