一种新型仿鸟扑翼飞行器及其起飞和转向方法

本发明属于飞行器，具体涉及一种新型仿鸟扑翼飞行器及其起飞和转向方法。

背景技术：

1、仿鸟扑翼飞行器是一种模仿鸟类扑翼飞行的新型飞行器，与传统固定翼、旋翼飞机飞行器相比，可以实现快速起飞、加速和空中悬停，具有高度的机动性、隐蔽性和灵活性，在军事领域和民用方面都有着广泛的应用前景。

2、自然界中鸟的扑翼飞行动作有扑动和折叠，扑动是指翅膀做上下的往复拍打动作，是获取升力的主要方式，折叠是指翅膀在上拍阶段发生弯曲或者折叠变形。现有的仿鸟扑翼飞行器大多是只能实现单一的扑动运动，部分将扑动运动与外翼弯曲运动相结合或者将扑动运动与翼面收展运动相结合，但这些仿鸟扑翼飞行器均无法达到较好的空气动力学性能，同时无法像鸟一样灵活折叠与展开翅膀来实现转向，在林间山地等地形将受到很大的限制。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术不足，提出一种新型仿鸟扑翼飞行器及其起飞和转向方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明一种新型仿鸟扑翼飞行器，包括机架、扑翼驱动机构、翼面展收机构、外翼折展机构、尾翼、转向机构和翼面。

4、所述扑翼驱动机构包括驱动电机、驱动齿轮一和扑动组件；所述驱动电机固定于机架前端中部，并驱动驱动齿轮一转动；机架上位于驱动齿轮一的两侧设有对称设置的两个扑动组件；所述扑动组件包括从动齿轮、曲柄一、连杆一和扑动杆，从动齿轮与机架构成转动副，并与驱动齿轮一啮合，曲柄一一端与从动齿轮固定，另一端与连杆一一端铰接；扑动杆一端与连杆一另一端铰接，并通过回弹装置与机架中部连接；扑动杆中部与机架左侧或机架右侧构成绕水平轴转动的转动副；初始状态下两个扑动组件中的扑动杆呈共线状态。

5、所述机架左、右两侧设有对称设置的两个翼面展收机构；所述翼面展收机构包括内翼、中翼一、中翼二、中翼三、外翼和伸缩杆，中翼一一端与同侧扑动组件中扑动杆的另一端固定，并与内翼一端铰接；内翼另一端与伸缩杆一端同轴固定，并与中翼二一端铰接，中翼三一端与中翼一中部铰接，另一端与外翼一端构成球副。

6、所述每个翼面展收机构上设有一个外翼折展机构；所述外翼折展机构包括连接杆、滑块一、折展杆一和折展杆二，折展杆一一端与中翼二另一端铰接，另一端与折展杆二一端构成绕水平轴转动的转动副，中部与中翼一另一端铰接，折展杆二另一端与外翼中部铰接，所述折展杆一另一端和折展杆二与折展杆一正对那端的下表面均固定有导轨，滑块一与一个导轨构成滑动副或与两个导轨均构成滑动副，连接杆一端与滑块一铰接，另一端与中翼一上位于中翼三和折展杆一之间的位置构成球副；初始状态下，滑块一位于折展杆一和折展杆二的铰接位置处，两个导轨通过滑块一固定；中翼一上三处铰接的铰接轴、中翼二两端的铰接轴以及外翼中部的铰接轴均竖直设置。

7、所述转向机构位于两个翼面展收机构的中间位置，转向机构包括推杆、弹簧一、齿条一、扇形齿轮、连杆二、曲柄二、移动架、丝杆和螺母；所述移动架与机架中部构成滑动副，丝杆的光轴段穿过移动架上开设的台阶孔，并与台阶孔构成转动副，驱动件驱动移动架平移，并驱动丝杆转动；所述螺母与丝杆的螺纹段构成螺旋副，丝杆的螺纹段位于移动架的前端，且丝杆螺纹段远离移动架的一端设有电磁铁，螺母上设有一体成型的键，键嵌入台阶孔上开设的键槽；所述曲柄二一端通过开设的孔洞套置在螺母上，并通过孔洞上开设的键槽和螺母上的键周向定位；所述连杆二的两端与曲柄二另一端和扇形齿轮上偏心位置处铰接，扇形齿轮与移动架构成转动副；所述齿条一位于扇形齿轮下方，并与扇形齿轮啮合，齿条一的两端分别通过一根弹簧一与移动架连接，并与两个推杆的一端分别固定，推杆与移动架构成滑动副，推杆另一端与同侧翼面展收机构中伸缩杆的另一端构成球副；初始状态下，台阶孔上开设的键槽内未完全嵌入螺母上一体成型的键。

8、所述两个翼面展收机构中的内翼、中翼一、中翼二、中翼三和外翼以及两个外翼折展机构的折展杆一和折展杆二上均铺设有翼面；所述尾翼固定于机架后端。

9、优选地，所述回弹装置包括拉杆、滑块二和弹簧二，拉杆两端与扑动杆和滑块二铰接，滑块二与机架上开设的横向滑槽构成滑动副，并通过弹簧二与机架连接。

10、优选地，所述连杆一与固定块铰接，固定块与扑动杆固定。

11、优选地，所述驱动件包括齿条二、转向电机、驱动齿轮二、输出齿轮、锥齿轮一和锥齿轮二，齿条二固定于机架上，转向电机的壳体通过连接架与移动架固定，转向电机的输出轴与连接轴同轴固定，连接轴上固定有驱动齿轮二和锥齿轮一，输出齿轮与连接架构成转动副，并与驱动齿轮二和齿条二啮合，锥齿轮二固定于丝杆的光轴段，并与锥齿轮一啮合。

12、一种新型仿鸟扑翼飞行器的起飞和转向方法，具体如下：

13、起飞方法如下：

14、控制器控制驱动电机驱动驱动齿轮一转动，驱动齿轮一通过两侧的从动齿轮、曲柄一和连杆一带动两个扑动杆绕着两个扑动杆与机架的转动中心轴线分别上下往复转动，同时驱动件驱动移动架往复前进和后退预设距离。

15、当扑动杆向上转动时，扑动杆带动内翼和伸缩杆绕着伸缩杆与相应推杆的铰接点向上转动，内翼通过中翼一和中翼二带动中翼三和折展杆一向上转动，同时驱动件驱动移动架沿着机架后移，移动架通过推杆带动伸缩杆和内翼向后转动，并拉动伸缩杆伸长，内翼与扑动杆之间的夹角增大，同时内翼通过中翼二带动折展杆一向前转动，折展杆一通过折展杆二带动外翼向靠近机架的方向转动，并带动中翼三和连接杆向前转动，翼面展收机构收缩，各翼面进一步叠加在一起，各翼面的展开面积减小，各翼面受到的阻力减小，连接杆向前转动的同时带动滑块一沿两个导轨向靠近外翼的方向移动，滑块一与折展杆一上的导轨脱离，折展杆一和折展杆二解除锁定状态，由于受气流影响，外翼、折展杆二和连接杆向下转动，各翼面受到的阻力进一步减小。

16、当扑动杆向下转动时，扑动杆带动内翼和伸缩杆绕着伸缩杆与相应推杆的铰接点向下转动，内翼通过中翼一和中翼二带动中翼三和折展杆一向下运动，同时驱动件驱动移动架沿着机架前进，移动架通过推杆带动伸缩杆和内翼向前转动，并推动伸缩杆缩短，内翼与扑动杆之间的夹角减小，同时内翼通过中翼二带动折展杆一向后转动，折展杆一通过折展杆二带动外翼向远离机架的方向转动，并带动中翼三和连接杆向后转动，翼面展收机构展开，各翼面进一步展开，各翼面的展开面积增大，各翼面受到的升力增大，连接杆向后转动的同时带动滑块一沿两个导轨向远离外翼的方向移动，但滑块一仍处于折展杆一和折展杆二的铰接位置处，折展杆一和折展杆二仍处于锁定状态，下扑过程中外翼不会受气流影响而向上转动。

17、扑动杆上下往复转动过程中，扑动杆下扑时各翼面受到的升力大于扑动杆上扑时各翼面受到的阻力，从而实现起飞；

18、其中，驱动件驱动移动架往复前进和后退的同时，还驱动丝杆往复正反转，进而带动螺母沿丝杆中心轴线往复前进和后退，该过程中螺母上一体成型的键始终没有脱离台阶孔上的键槽。

19、完成起飞后，控制器控制驱动电机停止工作，两个回弹装置拉动两个扑动杆回复至初始状态，同时驱动件驱动移动架回复至初始位置，进而使得滑块一回复至初始位置，此时进入翱翔状态，各翼面展收机构和各外翼折展机构均处于同一平面内。

20、转弯方法如下：

21、左转时，驱动件驱动丝杆正转，丝杆带动螺母沿丝杆中心轴线前移，当螺母上一体成型的键脱离台阶孔上的键槽后，由于两个弹簧一的作用力，螺母无法随丝杆正转，并继续前移，直至与电磁铁接触，电磁铁阻挡螺母继续前移，丝杆进而带动螺母和曲柄二一起正转，曲柄二通过连杆二推动扇形齿轮正转，扇形齿轮与齿条一啮合，进而带动齿条一和两个推杆向左移动，左侧的推杆推动左侧的伸缩杆和内翼向后转动，左侧内翼与相应扑动杆之间的夹角增大，右侧的推杆拉动右侧的伸缩杆和内翼向前转动，右侧内翼与相应扑动杆之间的夹角减小；而驱动件驱动丝杆正转的同时还驱动移动架前进，移动架通过两侧的推杆推动两侧的伸缩杆和内翼向前转动，两侧内翼与相应扑动杆之间的夹角减小，进而使得左侧内翼与相应扑动杆之间的夹角大于右侧内翼与相应扑动杆之间的夹角，从而使得左侧各翼面的展开面积小于右侧各翼面的展开面积，进而实现左转。

22、完成左转后，驱动件驱动丝杆反转，同时由于两个弹簧一回复力的作用，两个弹簧一带动齿条一和两侧的推杆向右移动至初始位置，齿条一与扇形齿轮啮合，进而带动扇形齿轮反转，扇形齿轮通过连杆二带动曲柄二反转，曲柄二带动螺母反转，螺母转向与丝杆转向相同，螺母相对于丝杆静止，当齿条一回复至初始位置后，两个弹簧一的作用力阻止螺母继续反转，丝杆带动螺母后退至初始位置，螺母上一体成型的键嵌入台阶孔上的键槽，驱动件驱动丝杆反转的同时还驱动移动架后退，直至移动架后退至初始位置。

23、右转时，驱动件驱动丝杆正转，丝杆带动螺母沿丝杆中心轴线前移，当螺母上一体成型的键脱离台阶孔上的键槽后，两个弹簧一的作用力阻止螺母随丝杆正转，螺母继续前移，直至与电磁铁接触，驱动件驱动丝杆正转的同时还驱动移动架前进，移动架通过两侧的推杆推动两侧的伸缩杆和内翼向前转动，两侧伸缩杆与相应扑动杆之间的夹角减小；接着控制器控制电磁铁通电，电磁铁吸附住螺母；然后驱动件驱动丝杆反转，丝杆带动螺母和曲柄二一起反转，曲柄二通过连杆二推动扇形齿轮反转，扇形齿轮与齿条一啮合，进而带动齿条一和两个推杆向右移动，右侧的推杆推动右侧的伸缩杆和内翼向后转动，右侧内翼与相应扑动杆之间的夹角增大，左侧的推杆拉动左侧的伸缩杆和内翼向前转动，左侧内翼与相应扑动杆之间的夹角减小，驱动件驱动丝杆反转的同时还驱动移动架后退，移动架通过两侧的推杆推动两侧的伸缩杆和内翼向后转动，两侧伸缩杆与相应扑动杆之间的夹角增大，进而使得左侧内翼与相应扑动杆之间的夹角小于右侧内翼与相应扑动杆之间的夹角，从而使得左侧各翼面的展开面积大于右侧各翼面的展开面积，进而实现右转。

24、完成右转后，驱动件驱动丝杆正转，同时由于两个弹簧一回复力的作用，两个弹簧一带动齿条一和两侧的推杆向左移动至初始位置，齿条一与扇形齿轮啮合，扇形齿轮正转，并通过连杆二带动曲柄二和螺母正转，螺母转向与丝杆转向相同，螺母相对于丝杆静止，当齿条一回复至初始位置后，控制器控制电磁铁断电，螺母与电磁铁断开连接，驱动件驱动丝杆反转，两个弹簧一的作用力阻止螺母随丝杆反动，丝杠带动螺母后退至初始位置，螺母上一体成型的键嵌入台阶孔的键槽内，同时驱动件驱动移动架移动至初始位置。

25、本发明有益效果如下：

26、1、本发明通过将扑动运动、外翼弯曲运动以及翼面收展运动结合在一起，使扑翼产生较大升力和推力，提高气动力效率，实现起飞，并通过使两侧各翼面的展开面积形成面积差来调整飞行姿态，实现转向。具体地，本发明通过驱动两侧扑动杆同步上下往复转动带动相应的翼面展收机构上下往复转动，同时驱动件驱动移动架往复后退和前进，进而带动翼面展收机构往复收缩和展开，并带动外翼折展机构往复解锁和锁定，使得上扑过程中各翼面的展开面积减小，各翼面受到的阻力减小，同时外翼折展机构解锁，翼面展收机构中外翼受气流影响向下运动，进一步减小各翼面受到的阻力，而下扑过程中各翼面的展开面积增大，各翼面受到的升力增大，同时外翼折展机构锁定，外翼不会受气流影响而发生转动，使得下扑升力大于上扑阻力，实现起飞，同时进一步提高了气动效率；本发明通过推动转向机构中两侧的推杆向左或向右运动，进而使得左侧各翼面的展开面积小于右侧各翼面的展开面积或右侧各翼面的展开面积小于左侧各翼面的展开面积，从而实现左转或右转，灵活改变飞行姿态，能够穿越林间山地等复杂环境。

27、2、本发明通过回弹装置使扑动杆在完成起飞后能够迅速回至初始状态，进入翱翔姿态。

28、3、本发明中翼面和尾翼均采用仿生羽翼，质量轻，减少了飞行中的能量损耗，延长了续航时间。