单向薄膜阀型仿生扑翼机自适应气动力调节翅翼
阅读说明：本技术 单向薄膜阀型仿生扑翼机自适应气动力调节翅翼 (One-way film valve type bionic ornithopter self-adaptive aerodynamic force adjusting wing ) 是由 魏星宇 周峻峰 陈炜昊 王叙宁 李修璇 易志然 张文明 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：一种单向薄膜阀型仿生扑翼机自适应气动力调节翅翼,包括：用于传递驱动力实现翼膜扑动的翼膜约束机构、与翼膜约束机构至少两端相连的翼膜以及设置于翼膜上的单向薄膜阀。本发明通过模仿自然界生物扑翼过程中羽毛间隙的变化,减小扑翼机上扑时的翅翼面积,提高了气动效率,通过机械结构自适应的调节实现结构简单、可靠性高的效果。(A one-way membrane valve type bionic ornithopter self-adaptive aerodynamic force adjusting wing comprises: the wing-shaped film flapping-prevention wing device comprises a wing film restraining mechanism for transmitting driving force to realize wing film flapping, a wing film connected with at least two ends of the wing film restraining mechanism, and a one-way film valve arranged on the wing film. According to the invention, by simulating the change of feather gaps in the natural biological flapping wing process, the wing area of the flapping wing aircraft is reduced when flapping, the pneumatic efficiency is improved, and the effects of simple structure and high reliability are realized through self-adaptive adjustment of a mechanical structure.)
技术领域
本发明涉及的是一种仿生飞行器领域的技术，具体是一种单向薄膜阀型仿生扑翼机自适应气动力调节翅翼。
背景技术
现有扑翼机通过搭载带有环境感知的闭环控制系统已能实现半自主飞行，飞行的灵活性和机动性逐步提升，但在环境条件适应性方面仍面临诸多技术难题，包括：飞行过程中机翼气动力调节困难、精细的电驱动方式调节会增加能量消耗，降低其续航时间和负载等。造成上述问题的主要原因是现有的扑翼机翅翼不具备较高的气动效率和自适应能力。
发明内容
本发明针对现有翅翼上的气阀结构复杂自重较大导致能耗高、响应慢，难以实际应用于小型扑翼机的缺陷，提出一种单向薄膜阀型仿生扑翼机自适应气动力调节翅翼，通过模仿自然界生物扑翼过程中羽毛间隙的变化，减小扑翼机上扑时的翅翼面积，提高了气动效率，通过机械结构自适应的调节实现结构简单、可靠性高的效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：用于传递驱动力实现翼膜扑动的翼膜约束机构、与翼膜约束机构至少两端相连的翼膜以及设置于翼膜上的单向薄膜阀。
所述的翼膜约束机构包括机身和至少一根翼骨，其中：机身与翼骨的一端相连。
所述的翼膜的形状仿照自然界鸟类翅翼设计，可根据实际工作中气动力情况进行一定程度简化与调整。所述的翼膜的尺寸根据翼膜约束机构的尺寸而定。
所述的翼膜上设有单向薄膜阀，所述的单向薄膜阀的个数、大小、形状、布局、开启方向等可依赖实际工作中气动力情况而自主设计。
所述的单向薄膜阀包括阀瓣、阀孔与限位机构。
所述的单向薄膜阀的阀瓣的形状为三角形、矩形等常规几何形状。
所述的阀瓣与所述的翼膜整体连接。
所述的阀瓣的其余边界设置有限位机构，实现阀的单向开合功能。所述的限位机构与阀瓣的连接方法为粘贴在所述的阀瓣边缘。
所述的翼膜、阀瓣与限位机构采用聚酰亚胺等柔性轻质材料。
技术效果
本发明整体解决了现有技术结构复杂、难以实施、气动效率低等缺陷，以及主动控制技术能耗高、负载大、响应慢等问题，通过在仿生扑翼机翅翼上开设单向薄膜阀且单向薄膜阀的阀瓣与所述的翼膜整体连接，在不增加额外负载的情况下，有效提升了扑翼机的气动效率，基于机械结构自适应的调节能力，具有结构简单、可靠性高以及环境适应性强等特点。
附图说明
图1和图2为实施例1中扑翼机翅翼处于上挥工作状态的结构示意图；
图3和图4为实施例1中扑翼机翅翼处于下挥工作状态的结构示意图；
图5为实施例1中单向薄膜阀结构示意图；
图6为实施例1中翅翼安装在扑翼机机身的实际效果图；
图7为实施例1的扑翼测试平台展示图；
图8为实施例1中扑翼机正对来流时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀的实际工作效果图；
图9为实施例1中扑翼机与来流呈一定夹角时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀的实际工作效果图；
图10为实施例1的测试结果图；
图11至图14为本发明的实施例2结构示意图；
图11和图12为实施例2中扑翼机翅翼处于上挥工作状态的结构示意图；
图13和图14为实施例2中扑翼机翅翼处于下挥工作状态的结构示意图；
图15为实施例2中翅翼安装在扑翼机机身的实际效果图；
图16为实施例2中扑翼机正对来流时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀的实际工作效果图；
图17为实施例2中扑翼机与来流呈一定夹角时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀的实际工作效果图；
图18为实施例2的测试结果图；
图19至图22为本发明的实施例3结构示意图；
图19和图20为实施例3中扑翼机翅翼处于上挥工作状态的结构示意图；
图21和图22为实施例3中扑翼机翅翼处于下挥工作状态的结构示意图；
图23为实施例3中翅翼安装在扑翼机机身的实际效果图；
图24为实施例3中扑翼机正对来流时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀的实际工作效果图；
图25为实施例3中扑翼机与来流呈一定夹角时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀的实际工作效果图；
图26为实施例3的测试结果图；
图中：1机身、2翼骨、3翼膜、4单向薄膜阀、5阀瓣、6阀孔、7限位机构。
具体实施方式
实施例1
如图1至图5所示，为本实施例涉及的一种具有更高的升力与综合飞行性能的基于单向薄膜阀的机械自适应仿生扑翼机翅翼，能模仿自然界生物扑翼过程中羽毛间隙的变化，具体包括：机身1、翼骨2、翼膜3和单向薄膜阀4，其中，翼骨2、翼膜3和单向薄膜阀4合称为扑翼机翅翼。
如图1至图5所示，翼骨2与机身1固定连接，翼膜3的上端折叠后其自身胶粘，套在翼骨2上，翼膜3的末端与机身1相连，四个形状为三角形、大小不同、开启方向不同的单向薄膜阀4设置于翼膜3上。单向薄膜阀4的形状为边长17.32mm的正三角形，其布局和开启方向如图2、图4所示。
如图5所示，所述的单向薄膜阀4包括：阀瓣5、阀孔6和限位机构7，其中：阀瓣5的约束端5a与翼膜3整体连接，其余边界5b、5c与翼膜3分离；限位机构7两端与翼膜3胶粘，压在阀瓣5上，使阀瓣5难以向图2中纸面外的方向翻折，从而实现阀的单向开合功能。
如图1、图2所示，扑翼机翅翼处于上挥工作状态，阀瓣5受惯性力作用向下翻折，单向薄膜阀4开启，上挥工作状态下翅翼与空气间接触面积减小；
如图3、图4所示，扑翼机翅翼处于下挥工作状态，阀瓣5受惯性力作用本应向上翻折，但由于限位机构7压在阀瓣5上，阀瓣5难以向上翻折，单向薄膜阀4关闭，下挥工作状态下翅翼与空气间接触面积不变，且大于上挥工作状态下翅翼与空气间接触面积；
如图1至图4所示，单向薄膜阀4能使扑翼机翅翼在上挥与下挥过程中产生升力差，较之无单向薄膜阀的翅翼产生更大的升力；此外，扑翼机两侧的单向薄膜阀4会随飞行状态的改变而产生开合幅度、开合速度上的差异，提高扑翼机的稳定性。
为更好说明单向薄膜阀能够带来上述效果，采用实验进行验证。如图6所示，机身1为法国BionicBird公司生产的MetaFly扑翼机机身，翼骨2采用3D打印的骨架2a与碳纤维棒2b粘合而成，翼膜3采用厚度为0.025mm的聚酰亚胺薄膜制成。MetaFly扑翼机采用外部手柄控制，可实现最大20Hz的扑动频率。
如图7所示，扑翼测试平台包括：风洞(含管道、风机、风机控制器)、三维力和力矩传感器、空间转向铰、数据采集设备、装有测量与控制软件的笔记本电脑，具体为：将翅翼安装在扑翼机上，将扑翼机安装在三维力和力矩传感器上，调节空间转向铰，改变扑翼机与风洞管道轴线的角度(即扑翼机与来流的角度)，保持来流恒定，保持扑翼机在某一特定频率下扑动，读出三维力和力矩随时间变化关系。采用离散傅里叶变换，得到扑动频率f，进而得到该频率下扑翼机所受三维力和力矩分别为为消除底噪影响，在开启风洞前，需测量无风情况下扑翼机所受三维力和力矩，对上述量取平均值，即得到底噪分别为 将有风情况下的三维力和力矩减去各自对应的底噪，即可得到该频率下扑翼机所受的实际三维力和力矩分别为
此时得到的扑翼机所受的实际三维力F和力矩M均在与三维力和力矩传感器固连的坐标系上，如图9中的坐标系xO2y，为衡量扑翼机的实际升力和自适应能力，需要将三维力F和力矩M转化到基坐标系下，如图9中的坐标系xO1y。设固连坐标系xO2y与基坐标系xO1y之间的旋转矩阵为R，则基坐标系下扑翼机所受的实际三维力和力矩分别为：
如图8所示为实施例1中扑翼机正对来流时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀4的实际工作效果图。图中，绿色实线表示阀孔6的边缘，绿色虚线表示阀瓣5的边缘，若只有绿色实线，表示阀孔6与阀瓣5的边缘重合。如图8a所示，当翅翼处于上挥工作状态时，阀瓣5打开，单向薄膜阀4开启；如图8b所示，当翅翼处于下挥工作状态时，阀瓣5受限位机构7阻挡未打开，单向薄膜阀4关闭。由于正对来流，翅翼两侧的单向薄膜阀4的开合状态基本对称。此外，扑翼机扑动过程中，单向薄膜阀始终能正常工作，即阀瓣随翅翼扑动而开启和关闭，不会因过度翻折等而失效。
如图9所示为实施例1中扑翼机与来流呈一定夹角时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀4的实际工作效果图。图中，绿色实线表示阀孔6的边缘，绿色虚线表示阀瓣5的边缘，若只有绿色实线，表示阀孔6与阀瓣5的边缘重合。如图9a所示，当翅翼处于上挥工作状态时，阀瓣5打开，单向薄膜阀4开启；如图9b所示，当翅翼处于下挥工作状态时，阀瓣5受限位机构7阻挡未打开，单向薄膜阀4关闭。由于与来流呈一定角度，翅翼两侧的单向薄膜阀4的开合状态存在差异，并不对称。此外，扑翼机扑动过程中，单向薄膜阀始终能正常工作，即阀瓣随翅翼扑动而开启和关闭，不会因过度翻折等而失效。
将实施例1中扑翼机放置于来流速度为2.0m/s的环境中进行测试，共测试了4个不同的姿态，分别为：绕x轴顺时针旋转10°、绕y轴逆时针旋转10°、绕y轴顺时针旋转10°、绕z轴顺时针旋转30°。测量结果如图10所示，其中蓝色点表示扑翼机装有含单向薄膜阀的翅翼，红色点表示扑翼机装有不含单向薄膜阀的翅翼。
如图10a所示，扑翼机绕x轴顺时针旋转10°，此时含单向薄膜阀的翅翼产生了更大的升力Fz，并产生了更大的绕x轴逆时针旋转的力矩Mx，这意味着含单向薄膜阀的翅翼具有更好的恢复到正对来流的能力，即稳定性。
如图10b所示，扑翼机绕y逆时针旋转10°，此时含单向薄膜阀的翅翼产生了更大的升力Fz，并产生了更小的绕y轴逆时针旋转的力矩My，这意味着含单向薄膜阀的翅翼能够减小扑翼机继续绕y轴逆时针偏转的力矩，具有更好的稳定性。
如图10c所示，扑翼机绕y轴顺时针旋转10°，此时含单向薄膜阀的翅翼产生了与不含单向薄膜阀的翅翼相似的升力Fz，并不含单向薄膜阀的翅翼相似的绕y轴逆时针旋转的力矩Mx，这意味着这种情况下两种翅翼的性能接近。
如图10d所示，扑翼机绕z轴顺时针旋转10°，此时含单向薄膜阀的翅翼产生了与不含单向薄膜阀的翅翼相似的升力Fz，但产生了更大的绕z轴逆时针旋转的力矩Mz，这意味着含单向薄膜阀的翅翼能够减小扑翼机继续绕z轴逆时针偏转的力矩，甚至能够使扑翼机恢复到正对来流的情况，具有更好的稳定性。
综合以上内容，即可说明实施例1中扑翼机翅翼较之无单向薄膜阀翅翼能够产生更大的升力，并提高扑翼机的稳定性。
实施例2
如图11至图14所示，为本实施例涉及的一种具有更高的升力与综合飞行性能的基于单向薄膜阀的机械自适应仿生扑翼机翅翼，能模仿自然界生物扑翼过程中羽毛间隙的变化，具体包括：机身1、翼骨2、翼膜3和单向薄膜阀4，其中，翼骨2、翼膜3和单向薄膜阀4合称为扑翼机翅翼。
如图11至图14所示，翼骨2与机身1固定连接，翼膜3的上端折叠后其自身胶粘，套在翼骨2的上，翼膜3的末端与机身1相连，两个形状为三角形、大小不同、开启方向不同的单向薄膜阀4设置于翼膜3上。单向薄膜阀4的形状为边长17.32mm的正三角形，其布局和开启方向如图12、图14所示。
如图11、图12所示，扑翼机翅翼处于上挥工作状态，阀瓣5受惯性力作用向下翻折，单向薄膜阀4开启，上挥工作状态下翅翼与空气间接触面积减小；
如图13、图14所示，扑翼机翅翼处于下挥工作状态，阀瓣5受惯性力作用本应向上翻折，但由于限位机构7压在阀瓣5上，阀瓣5难以向上翻折，单向薄膜阀4关闭，下挥工作状态下翅翼与空气间接触面积不变，且大于上挥工作状态下翅翼与空气间接触面积；
为更好说明单向薄膜阀能够带来上述效果，采用实验进行验证。如图15所示，机身1为法国BionicBird公司生产的MetaFly扑翼机机身，翼骨2采用3D打印的骨架2a与碳纤维棒2b粘合而成，翼膜3采用厚度为0.025mm的聚酰亚胺薄膜制成。
如图16所示为实施例2中扑翼机正对来流时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀4的实际工作效果图。图中，绿色实线表示阀孔6的边缘，绿色虚线表示阀瓣5的边缘，若只有绿色实线，表示阀孔6与阀瓣5的边缘重合。如图16a所示，当翅翼处于上挥工作状态时，阀瓣5打开，单向薄膜阀4开启(由于位置特殊，部分阀瓣在翅翼上挥和下挥时均未打开，故未标出)；如图16b所示，当翅翼处于下挥工作状态时，阀瓣5受限位机构7阻挡未打开，单向薄膜阀4关闭。由于正对来流，翅翼两侧的单向薄膜阀4的开合状态基本对称。此外，在各种频率下，单向薄膜阀始终能正常工作，即阀瓣正常开启和关闭，不会因过度翻折而失效。
如图17所示为实施例2中扑翼机与来流呈一定夹角时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀4的实际工作效果图。图中，绿色实线表示阀孔6的边缘，绿色虚线表示阀瓣5的边缘，若只有绿色实线，表示阀孔6与阀瓣5的边缘重合。如图17a所示，当翅翼处于上挥工作状态时，阀瓣5打开，单向薄膜阀4开启(由于位置特殊，部分阀瓣在翅翼上挥和下挥时均未打开，故未标出)；如图17b所示，当翅翼处于下挥工作状态时，阀瓣5受限位机构7阻挡未打开，单向薄膜阀4关闭。由于与来流呈一定角度，翅翼两侧的单向薄膜阀4的开合状态存在差异，并不对称；
将实施例2中扑翼机放置于来流速度为2.0m/s的环境中进行测试，共测试了4个不同的姿态，分别为：绕x轴顺时针旋转10°、绕y轴逆时针旋转10°、绕y轴顺时针旋转10°、绕z轴顺时针旋转30°。测量结果如图18所示，其中蓝色点表示扑翼机装有含单向薄膜阀的翅翼，红色点表示扑翼机装有不含单向薄膜阀的翅翼。
和实施例1类似，可说明实施例2中扑翼机翅翼较之无单向薄膜阀翅翼能够产生更大的升力，并提高扑翼机的稳定性。
实施例3
如图19至图22所示，为本实施例涉及的一种具有更高的升力与综合飞行性能的基于单向薄膜阀的机械自适应仿生扑翼机翅翼，能模仿自然界生物扑翼过程中羽毛间隙的变化，具体包括：机身1、翼骨2、翼膜3和单向薄膜阀4，其中，翼骨2、翼膜3和单向薄膜阀4合称为扑翼机翅翼。
如图19至图22所示，翼骨2与机身1固定连接，翼膜3的上端折叠后其自身胶粘，套在翼骨2上，翼膜3的末端与机身1相连，其上共开设两个形状分别为三角形和矩形、大小不同、开启方向不同的单向薄膜阀4设置于翼膜3上。其中，三角形单向薄膜阀为边长17.32mm的正三角形，矩形单向薄膜阀长和宽分别为93.26mm、12.22mm，其布局和开启方向如图20、图22所示。
如图19、图20所示，扑翼机翅翼处于上挥工作状态，阀瓣5受惯性力作用向下翻折，单向薄膜阀4开启，上挥工作状态下翅翼与空气间接触面积减小；
如图21、图22所示，扑翼机翅翼处于下挥工作状态，阀瓣5受惯性力作用本应向上翻折，但由于限位机构7压在阀瓣5上，阀瓣5难以向上翻折，单向薄膜阀4关闭，下挥工作状态下翅翼与空气间接触面积不变，且大于上挥工作状态下翅翼与空气间接触面积；
为更好说明单向薄膜阀能够带来上述效果，采用实验进行验证。如图23所示，机身1为法国BionicBird公司生产的MetaFly扑翼机机身，翼骨2采用3D打印的骨架2a与碳纤维棒2b粘合而成，翼膜3采用厚度为0.025mm的聚酰亚胺薄膜制成。
如图24所示为实施例3中扑翼机正对来流时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀4的实际工作效果图。图中，绿色实线表示阀孔6的边缘，绿色虚线表示阀瓣5的边缘，若只有绿色实线，表示阀孔6与阀瓣5的边缘重合。如图24a所示，当翅翼处于上挥工作状态时，阀瓣5打开，单向薄膜阀4开启(矩形单向薄膜阀因变形较大，故只标出阀瓣5边缘)；如图24b所示，当翅翼处于下挥工作状态时，阀瓣5受限位机构7阻挡未打开，单向薄膜阀4关闭。由于正对来流，翅翼两侧的单向薄膜阀4的开合状态基本对称。此外，在各种频率下，单向薄膜阀始终能正常工作，即阀瓣正常开启和关闭，不会因过度翻折而失效。
如图25所示为实施例3中扑翼机与来流呈一定夹角时，扑翼机翅翼上挥和下挥时单向薄膜阀4的实际工作效果图。图中，绿色实线表示阀孔6的边缘，绿色虚线表示阀瓣5的边缘，若只有绿色实线，表示阀孔6与阀瓣5的边缘重合。如图25a所示，当翅翼处于上挥工作状态时，阀瓣5打开，单向薄膜阀4开启；如图25b所示，当翅翼处于下挥工作状态时，阀瓣5受限位机构7阻挡未打开，单向薄膜阀4关闭。由于与来流呈一定角度，翅翼两侧的单向薄膜阀4的开合状态存在差异，并不对称；
将实施例3中扑翼机放置于来流速度为2.5m/s的环境中进行测试，共测试了4个不同的姿态，分别为：绕x轴顺时针旋转15°、绕y轴逆时针旋转10°、绕y轴顺时针旋转10°、绕z轴顺时针旋转30°。测量结果如图26所示，其中蓝色点表示扑翼机装有含单向薄膜阀的翅翼，红色点表示扑翼机装有不含单向薄膜阀的翅翼。
和实施例1类似，可说明实施例3中扑翼机翅翼较之无单向薄膜阀翅翼能够产生更大的升力，并提高扑翼机的稳定性。
综上，本发明通过设计带有单向薄膜阀的翼膜机构，模仿自然界生物扑翼过程中羽毛间隙的变化，在不增加额外负载的情况下，减小扑翼机上扑时的翅翼面积，有效提升了扑翼机的气动效率，采用机械结构自适应的调节能力克服了现有主动控制技术能耗高、负载大、响应慢等问题，具有结构简单、可靠性高以及环境适应性强等特点。
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由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
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