一种旋进式类扑翼飞行器及其控制方法与流程

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种旋进式类扑翼飞行器及其控制方法。

背景技术：

扑翼微型飞行器是模仿鸟类或昆虫的新概念飞行器，相比旋翼和固定翼微型飞行器在微型化、飞行灵活性、视觉隐蔽性等方面有天然优势。自从上世纪九十年代提出微型飞行器的概念之后，美国、德国、荷兰、日本、印度、以色列等国家都相继成立了专项研究机构，投入大量科研经费，开展微型飞行器及相关技术的研究，并且都取得了不小的成果。

在现有的扑翼的飞行器中，其飞行驱动机构的设计大多是单自由度上下扑动，灵活度相对较低，且具有较大的不稳定性，飞行效率低，耗能较大等问题。在真实的鸟类飞行过程中，翅膀的扑动在三维空间中进行复杂的上下扑动和扭转运动，扑翼飞行器很难进行完全模拟。而且在飞行驱动机构的单自由度上下扑动通常使用连杆机构或齿轮连杆机构实现，这种机构将电机的旋转运动转化成飞行器的扑翼的扑动运动，但是由于扑翼飞行的的驱动机构需要较多的转换机构，能量在传递的过程中会有较大的损失，这就导致扑翼飞行器的扑翼扑动产生的上升力有限，这样扑翼飞行的飞行速度和飞行器体积就会受到飞行驱动机构的影响。

技术实现要素：

本发明提供一种旋进式类扑翼飞行器及其控制方法，以解决现有扑翼飞行器的飞行驱动机构较为复杂，能量在传递的过程中会有较大的损失，扑翼飞行器的扑翼扑动产生的上升力有限，飞行速度和飞行器体积就会受到飞行驱动机构的影响的问题。

本发明采取的技术方案是：第一驱动系统和第二驱动系统分别安装在机体的前部和后部，且同轴设置，所述的第一驱动系统上分别安装有第一螺旋扑翼和第二螺旋扑翼，所述的第二驱动系统上分别安装有第三螺旋扑翼和第四螺旋扑翼，第一换向装置和第二换向装置分别固连在第一驱动系统和第二驱动系统上，第四螺旋扑翼与第一螺旋扑翼的结构相同，第一换向装置和第二换向装置的结构相同，第二螺旋扑翼与第三螺旋扑翼的结构相同，第一驱动系统与第二驱动系统的结构相同。

本发明所述第一螺旋扑翼1的结构是：桨叶一、桨叶二、桨叶三分别固连在第一变桨舵机、第二变桨舵机和第三变桨舵机的输出轴上，并可随输出轴轴线扭转；第一变桨舵机、第二变桨舵机和第三变桨舵机沿圆周方向两两间隔度固定在第一螺旋扑翼固定部上；第一变桨舵机、第二变桨舵机和第三变桨舵机的供电线和信号线分别封装在第一电刷内，并与相应触头连接，第一电刷固定在第一螺旋扑翼固定部上，第一电刷的触头均与在第一滑环的滑槽表面紧密接触，第一滑环固连在第一换向壳体上，且同轴设置，第一螺旋扑翼固定部固连在第一锥齿轮上。

本发明所述第一换向装置的结构是：第一换向壳体内部突出的柱状结构插入第一定轴的并被固定，第一锥齿轮内部为阶梯孔结构，第一锥齿轮通过第二级阶梯孔和第一定轴固连，且两者共轴线；第一螺旋扑翼固定部的空心轴部分插入第一锥齿轮的第一级阶梯孔内，第一螺旋扑翼固定部和第一锥齿轮通过该第一级阶梯孔固连；第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合；第二锥齿轮后端插入第一换向壳体的通孔内；第二锥齿轮和第三锥齿轮相啮合；第三锥齿轮内部为阶梯孔结构；第一动轴和第三锥齿轮通过第一级阶梯孔固连，且共轴线，第一定轴和第三锥齿轮的第二级阶梯轴共轴线；第三锥齿轮实现了对第一动轴轴向定位。

本发明所述的第二螺旋扑翼的结构是：桨叶四、桨叶五、桨叶六分别固定在第四变桨舵机、第五变桨舵机、第六变桨舵机的输出轴上；第四变桨舵机、第五变桨舵机、第六变桨舵机沿圆周方向相隔度固定在第一动轴多边形凸台结构上；第四变桨舵机、第五变桨舵机、第六变桨舵机的电源线和信号线分别封装在第二电刷内；第二电刷的触头均与在第二滑环的滑槽表面紧密接触；第二电刷的一端面固连在第一动轴上，且同轴设置；第二滑环固连在第一换向壳体上。

本发明所述第一驱动系统的结构是：第一驱动电机固定在机体外壳的内部凹槽结构上，第一驱动电机内置编码器，齿轮一固连在第一驱动电机输出轴上，齿轮二固连在第一动轴上，并与齿轮一啮合，第一动轴为细长的空心轴并套在第一定轴上，第一动轴在机体外壳外部具有多边形凸台结构；第一定轴通过机体外壳的通孔结构与机体外壳固连，为第一动轴和第一换向装置提供支撑；第一定轴为空心轴，设有通孔；第一定轴的侧面和第一换向壳体内部均开有小孔，可连通第一定轴内孔与第一换向壳体的外部空间。

本发明所述机体的结构是：包括机体外壳、锂电池、无线导航控制装置、供电与信号总线，机体外壳内部呈中空状态，机体外壳内部设有带有凹槽和通孔结构的支架，锂电池固定于机体外壳底部，无线导航控制装置固定在锂电池上，从各个滑环引出的供电与信号总线通过第一换向壳体的小孔、第一定轴的小孔和第一定轴的通孔，并将各变桨舵机的供电线、信号线和电源、无线导航控制装置相连；锂电池同时为两个驱动电机、所有变桨舵机和控制电路供电；无线导航控制装置实现对所有驱动电机和变桨舵机的控制；

本发明所述的机体呈流线型，上表面弯曲，下表面平坦，整体形状仿机翼流体形状。

一种旋进式类扑翼飞行器的控制方法：包括前进实现、升降实现和转向实现方法，其中：

s1：前进实现方法为：

s101：无线导航控制装置接收到发射机信号，驱动第一驱动电机和第二驱动电机以相同转速旋转，从而带动四个螺旋扑翼转动；从第一螺旋扑翼向机体后部看去，第一螺旋扑翼和第三螺旋扑翼顺时针旋转，第二螺旋扑翼和第四螺旋扑翼逆时针旋转；第一螺旋扑翼和第三螺旋扑翼的各桨叶螺旋曲面为左旋，第二螺旋扑翼和第四螺旋扑翼的各桨叶螺旋曲面为右旋；以第一螺旋扑翼为例说明各螺旋扑翼的运动；

s102：设第一变桨舵机的输出轴轴线竖直向上时为第一螺旋扑翼圆周运动的初始位置，设桨叶一的螺旋曲面的螺旋方向向前并与机身中轴线平行时为桨叶一绕第一变桨舵机的输出轴轴线圆周运动的初始位置，其余桨叶的初始位置设定同桨叶一；无线导航控制装置分别通过第一驱动电机及第二驱动电机上的编码器及第一驱动系统、第二驱动系统机械结构可对各螺旋扑翼及各桨叶位置进行感知并控制；

s103：当第一螺旋扑翼在其初始位置开始顺时针转动，桨叶一在第一变桨舵机带动下沿第一变桨舵机输出轴轴线逆时针扭转90度并保持不动，桨叶二、桨叶三保持其初始位置不变；

s104：当第一螺旋扑翼沿其圆周方向顺时针转动到120度位置时，桨叶一在第一变桨舵机带动下复位，桨叶二沿第一变桨舵机输出轴轴线逆时针扭转90度；

s105：当第一螺旋扑翼沿其圆周方向顺时针转动到240度位置时，桨叶二在第二变桨舵机带动下复位，桨叶三沿第三变桨舵机输出轴轴线逆时针扭转90度；

s105：当第一螺旋扑翼沿其圆周方向顺时针转动到360度位置时，桨叶三在第三变桨舵机带动下复位，桨叶一沿第一变桨舵机输出轴轴线逆时针扭转90度，至此往复循环；

s106：第二螺旋扑翼、第四螺旋扑翼除旋转方向及其各桨叶旋转方向与第一螺旋扑翼相反外，其余运动形式均与第一螺旋扑翼相同；第三螺旋扑翼和第一螺旋扑翼运动形式完全相同；

s2：升降实现方法为：

s201：在该旋进式类扑翼飞行器前进飞行时；

s202：当第一驱动电机转速大于第二驱动电机，该旋进式类扑翼飞行器实现上升；当第一驱动电机转速小于第二驱动电机，该旋进式类扑翼飞行器实现下降；

s3：转向实现方法为：

s301：在该旋进式类扑翼飞行器前进飞行时；

s302：若该旋进式类扑翼飞行器向左转向，则通过无线导航控制装置对第一螺旋扑翼和第四螺旋扑翼进行调控，保持第二螺旋扑翼和第三螺旋扑翼的运动状态不变；

s303：当第一螺旋扑翼顺时针转动至其初始位置，桨叶一在第一变桨舵机带动下沿第一变桨舵机输出轴轴线逆时针扭转90度，桨叶二、桨叶三保持其初始位置不变；

s304：当第一螺旋扑翼沿其圆周方向顺时针转动到120度位置时，桨叶二沿第一变桨舵机输出轴轴线逆时针扭转90度；

s305：当第一螺旋扑翼沿其圆周方向顺时针转动到180度位置时，桨叶一在第一变桨舵机带动下复位；

s306：当第一螺旋扑翼沿其圆周方向顺时针转动到240度位置时，桨叶三沿第三变桨舵机输出轴轴线逆时针扭转90度；

s307：当第一螺旋扑翼沿其圆周方向顺时针转动到300度位置时，桨叶二在第二变桨舵机带动下复位。

s308：当第一螺旋扑翼沿其圆周方向顺时针转动到360度位置时，桨叶一在第一变桨舵机带动下沿第一变桨舵机输出轴轴线逆时针扭转90度；

s309：第一螺旋扑翼继续沿其圆周方向顺时针转动到30度位置时，桨叶三在第一变桨舵机带动下复位；

s310：第一螺旋扑翼循环该动作过程，第四螺旋扑翼除旋转方向及其各桨叶旋转方向与第一螺旋扑翼相反外，其余运动形式均与第一螺旋扑翼相同；

s311：若该旋进式类扑翼飞行器向右转向，则通过无线导航控制装置对第二螺旋扑翼和第三螺旋扑翼进行调控，保持第一螺旋扑翼和第四螺旋扑翼的运动状态不变；

s312：第二螺旋扑翼、第三螺旋扑翼除旋转方向及其各桨叶旋转方向和向左转向状态下的第一螺旋扑翼和第四螺旋扑翼相反外，其余运动过程均与左转向相同。

本发明的优点是结构新颖，前进时，第一螺旋扑翼通过各桨叶连续扑动产生对其向前、向上和向右的作用力；第二螺旋扑翼通过各桨叶连续扑动产生对其向前、向上和向左的作用力；第三螺旋扑翼通过各桨叶连续扑动产生对其向前、向上和向右的作用力；第四螺旋扑翼通过各桨叶连续扑动产生对其向前、向上和向左的作用力；第一螺旋扑翼和第二螺旋扑翼旋转方向相反，桨叶对所在螺旋扑翼产生的向上的作用力大小相等，分布在机体中轴线两侧；从而在竖直面内，第一螺旋扑翼和第二螺旋扑翼对机体产生的翻转作用的力矩大小相等、旋向相反，相互抵消保证了该飞行器平稳运行；第三螺旋扑翼、第四螺旋扑翼对机体在竖直面产生的翻转作用的力矩同样相互抵消；水平面内，第一螺旋扑翼产生的对其向右作用力和第三螺旋扑翼产生的对其向右作用力，对机体质心产生的力矩作用相抵消，第二螺旋扑翼产生的对其向左作用力和第四螺旋扑翼产生的对其向左作用力，对机体质心产生的力矩作用相抵消；从而，该飞行器在各螺旋扑翼相互作用下，只受到向前和向上的合力，从而保证了飞行器前进飞行。所述的旋进式类扑翼飞行器升降时，通过改变前后第一驱动电机和第二驱动电机转速即可实现；若飞行器上升，第一驱动电机转速大于第二驱动电机，在各螺旋扑翼综合作用下，产生使机体前部抬升的力矩；若飞行器下降，第一驱动电机转速小于第二驱动电机，在各螺旋扑翼综合作用下，产生使机体前部下降的力矩；从而实现了该飞行器升降。所述的旋进式类扑翼飞行器转向时，通过对各螺旋扑翼的桨叶微调得以实现；若左转向，第一螺旋扑翼和第三螺旋扑翼的桨叶在特定阶段扭转后分别产生较大的向左和向右的作用力，在这两个力产生的力矩作用下，该飞行器左转；若右转向，第二螺旋扑翼和第四螺旋扑翼的桨叶在特定阶段扭转后分别产生较大的向右和向左的作用力，在这两个力产生的力矩作用下，该飞行器右转向。

本发明解决了现有扑翼飞行器的飞行驱动机构较为复杂，能量在传递的过程中会有较大的损失，扑翼飞行器的扑翼扑动产生的上升力有限，飞行速度和飞行器体积就会受到飞行驱动机构的影响的问题，具有螺旋桨式飞行器的传动机构，动力传递损耗小，能量利用率较高的飞行器。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明螺旋扑翼的结构示意图；

图3是本发明的剖视图；

图4是本发明的电路原理图；

图5是本发明的前进模式图；

图6是本发明的转向模式图；

图中，1、第一螺旋扑翼(101、桨叶一102、桨叶二103、桨叶三104、第一变桨舵机105、第二变桨舵机106、第三变桨舵机107、第一螺旋扑翼固定部108、第一滑环109、第一电刷)；2、第一换向装置(201、第一换向壳体202、第一锥齿轮203、第二锥齿轮204、第三锥齿轮)；3、第二螺旋扑翼(301、桨叶四302、桨叶五303、桨叶六304、第四变桨舵机305、第五变桨舵机306、第六变桨舵机307、第二滑环308、第二电刷)；4、第一驱动系统(401、第一驱动电机402、齿轮一403、齿轮二404、第一动轴405、第一定轴)5、机身(501、机体外壳502、锂电池503、无线导航控制装置504、供电与信号总线)；6、第二驱动系统7、第三螺旋扑翼8、第二换向装置9、第四螺旋扑翼。

具体实施方式

第一驱动系统4和第二驱动系统6分别安装在机体5的前部和后部，且同轴设置，所述的第一驱动系统4上分别安装有第一螺旋扑翼1和第二螺旋扑翼3，所述的第二驱动系统6上分别安装有第三螺旋扑翼7和第四螺旋扑翼9，第一换向装置2和第二换向装置8分别固连在第一驱动系统4和第二驱动系统6上，第四螺旋扑翼9与第一螺旋扑翼1的结构相同，第一换向装置2和第二换向装置8的结构相同，第二螺旋扑翼3与第三螺旋扑翼7的结构相同，第一驱动系统4与第二驱动系统6的结构相同。

本发明所述第一螺旋扑翼1的结构是：桨叶一101、桨叶二102、桨叶三103分别固连在第一变桨舵机104、第二变桨舵机105和第三变桨舵机106的输出轴上，并可随输出轴轴线扭转；第一变桨舵机104、第二变桨舵机105和第三变桨舵机106沿圆周方向两两间隔120度固定在第一螺旋扑翼固定部107上；第一变桨舵机104、第二变桨舵机105和第三变桨舵机106的供电线和信号线分别封装在第一电刷109内，并与相应触头连接，第一电刷109固定在第一螺旋扑翼固定部107上，第一电刷109的触头均与在第一滑环108的滑槽表面紧密接触，第一滑环108固连在第一换向壳体201上，且同轴设置，第一螺旋扑翼固定部107固连在第一锥齿轮202上；

本发明所述第一换向装置2的结构是：第一换向壳体201内部突出的柱状结构插入第一定轴405的并被固定，第一锥齿轮202内部为阶梯孔结构，第一锥齿轮202通过第二级阶梯孔和第一定轴405固连，且两者共轴线；第一螺旋扑翼固定部107的空心轴部分插入第一锥齿轮202的第一级阶梯孔内，第一螺旋扑翼固定部107和第一锥齿轮202通过该第一级阶梯孔固连；第一锥齿轮202和第二锥齿轮203相啮合；第二锥齿轮203后端插入第一换向壳体201的通孔内；第二锥齿轮203和第三锥齿轮204相啮合；第三锥齿轮204内部为阶梯孔结构；第一动轴404和第三锥齿轮204通过第一级阶梯孔固连，且共轴线，第一定轴405和第三锥齿轮204的第二级阶梯轴共轴线；第三锥齿轮204实现了对第一动轴404轴向定位；

本发明所述的第二螺旋扑翼3的结构是：桨叶四301、桨叶五302、桨叶六303分别固定在第四变桨舵机304、第五变桨舵机305、第六变桨舵机306的输出轴上；第四变桨舵机304、第五变桨舵机305、第六变桨舵机306沿圆周方向相隔120度固定在第一动轴404多边形凸台结构上；第四变桨舵机304、第五变桨舵机305、第六变桨舵机306的电源线和信号线分别封装在第二电刷308内；第二电刷308的触头均与在第二滑环307的滑槽表面紧密接触；第二电刷308的一端面固连在第一动轴404上，且同轴设置；第二滑环307固连在第一换向壳体201上；

本发明所述第一驱动系统4的结构是：第一驱动电机401固定在机体外壳501的内部凹槽结构上，第一驱动电机401内置编码器，齿轮一402固连在第一驱动电机401输出轴上，齿轮二403固连在第一动轴404上，并与齿轮一402啮合，第一动轴404为细长的空心轴并套在第一定轴405上，第一动轴404在机体外壳501外部具有多边形凸台结构；第一定轴405通过机体外壳501的通孔结构与机体外壳501固连，为第一动轴404和第一换向装置2提供支撑；第一定轴405为空心轴，设有通孔；第一定轴405的侧面和第一换向壳体201内部均开有小孔，可连通第一定轴405内孔与第一换向壳体201的外部空间；

本发明所述机体5的结构是：包括机体外壳501、锂电池502、无线导航控制装置503、供电与信号总线504，机体外壳501内部呈中空状态，机体外壳501内部设有带有凹槽和通孔结构的支架，锂电池502固定于机体外壳501底部，无线导航控制装置503固定在锂电池502上，从各个滑环引出的供电与信号总线504通过第一换向壳体201的小孔、第一定轴405的小孔和第一定轴405的通孔，并将各变桨舵机的供电线、信号线和电源502、无线导航控制装置503相连；锂电池502同时为两个驱动电机、所有变桨舵机和控制电路供电；无线导航控制装置503实现对所有驱动电机和变桨舵机的控制；

所述的机体5呈流线型，上表面弯曲，下表面平坦，整体形状仿机翼流体形状。

一种旋进式类扑翼飞行器的控制方法：包括前进实现、升降实现和转向实现方法，其中：

s1：前进实现方法为：

s101：无线导航控制装置503接收到发射机信号，驱动第一驱动电机401和第二驱动电机601以相同转速旋转，从而带动四个螺旋扑翼转动；从第一螺旋扑翼1向机体后部看去，第一螺旋扑翼1和第三螺旋扑翼7顺时针旋转，第二螺旋扑翼3和第四螺旋扑翼9逆时针旋转；第一螺旋扑翼1和第三螺旋扑翼7的各桨叶螺旋曲面为左旋，二螺旋扑翼3和第四螺旋扑翼9的各桨叶螺旋曲面为右旋；以第一螺旋扑翼1为例说明各螺旋扑翼的运动；

s102：设第一变桨舵机104的输出轴轴线竖直向上时为第一螺旋扑翼1圆周运动的初始位置，设桨叶一101的螺旋曲面的螺旋方向向前并与机身5中轴线平行时为桨叶一101绕第一变桨舵机104的输出轴轴线圆周运动的初始位置，其余桨叶的初始位置设定同桨叶一101；无线导航控制装置503分别通过第一驱动电机401及第二驱动电机601上的编码器及第一驱动系统4、第二驱动系统6机械结构可对各螺旋扑翼及各桨叶位置进行感知并控制；

s103：当第一螺旋扑翼1在其初始位置开始顺时针转动，桨叶一101在第一变桨舵机104带动下沿第一变桨舵机104输出轴轴线逆时针扭转90度并保持不动，桨叶二102、桨叶三103保持其初始位置不变；

s104：当第一螺旋扑翼1沿其圆周方向顺时针转动到120度位置时，桨叶一101在第一变桨舵机104带动下复位，桨叶二102沿第一变桨舵机104输出轴轴线逆时针扭转90度；

s105：当第一螺旋扑翼1沿其圆周方向顺时针转动到240度位置时，桨叶二102在第二变桨舵机105带动下复位，桨叶三103沿第三变桨舵机106输出轴轴线逆时针扭转90度；

s105：当第一螺旋扑翼1沿其圆周方向顺时针转动到360度位置时，桨叶三103在第三变桨舵机106带动下复位，桨叶一101沿第一变桨舵机101输出轴轴线逆时针扭转90度，至此往复循环；

s106：第二螺旋扑翼3、第四螺旋扑翼9除旋转方向及其各桨叶旋转方向与第一螺旋扑翼1相反外，其余运动形式均与第一螺旋扑翼1相同；第三螺旋扑翼7和第一螺旋扑翼1运动形式完全相同；

s2：升降实现方法为：

s201：在该旋进式类扑翼飞行器前进飞行时；

s202：当第一驱动电机401转速大于第二驱动电机601，该旋进式类扑翼飞行器实现上升；当第一驱动电机401转速小于第二驱动电机601，该旋进式类扑翼飞行器实现下降；

s3：转向实现方法为：

s301：在该旋进式类扑翼飞行器前进飞行时；

s302：若该旋进式类扑翼飞行器向左转向，则通过无线导航控制装置503对第一螺旋扑翼1和第四螺旋扑翼9进行调控，保持第二螺旋扑翼3和第三螺旋扑翼7的运动状态不变；

s303：当第一螺旋扑翼1顺时针转动至其初始位置，桨叶一101在第一变桨舵机104带动下沿第一变桨舵机104输出轴轴线逆时针扭转90度，桨叶二102、桨叶三103保持其初始位置不变；

s304：当第一螺旋扑翼1沿其圆周方向顺时针转动到120度位置时，桨叶二102沿第一变桨舵机104输出轴轴线逆时针扭转90度；

s305：当第一螺旋扑翼1沿其圆周方向顺时针转动到180度位置时，桨叶一101在第一变桨舵机104带动下复位；

s306：当第一螺旋扑翼1沿其圆周方向顺时针转动到240度位置时，桨叶三103沿第三变桨舵机106输出轴轴线逆时针扭转90度；

s307：当第一螺旋扑翼1沿其圆周方向顺时针转动到300度位置时，桨叶二102在第二变桨舵机104带动下复位；

s308：当第一螺旋扑翼1沿其圆周方向顺时针转动到360度位置时，桨叶一101在第一变桨舵机104带动下沿第一变桨舵机104输出轴轴线逆时针扭转90度；

s309：第一螺旋扑翼1继续沿其圆周方向顺时针转动到30度位置时，桨叶三103在第一变桨舵机106带动下复位；

s310：第一螺旋扑翼1循环该动作过程，第四螺旋扑翼9除旋转方向及其各桨叶旋转方向与第一螺旋扑翼1相反外，其余运动形式均与第一螺旋扑翼1相同；

s311：若该旋进式类扑翼飞行器向右转向，则通过无线导航控制装置503对第二螺旋扑翼3和第三螺旋扑翼7进行调控，保持第一螺旋扑翼1和第四螺旋扑翼9的运动状态不变；

s312：第二螺旋扑翼3、第三螺旋扑翼7除旋转方向及其各桨叶旋转方向和向左转向状态下的第一螺旋扑翼1和第四螺旋扑翼9相反外，其余运动过程均与左转向相同。