一种微小型扑翼飞行器及其飞行方法

文档序号:546283 发布日期:2021-06-04 浏览:14次 >En<

阅读说明:本技术 一种微小型扑翼飞行器及其飞行方法 (Microminiature flapping-wing aircraft and flight method thereof ) 是由 胡建新 苏文峰 徐小雨 于 2021-03-08 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种微小型扑翼飞行器及其飞行方法。现有扑翼机器人结构复杂,部件暴露太多,不利于应对坠落、撞击污损情况。本发明中空心杯电机驱动行星架;行星齿轮铰接在行星架上,并与固定在机身内的内齿圈啮合;行星齿轮的分度圆直径为内齿圈分度圆直径的一半;行星齿轮的分度圆上固定有一根销轴一;内齿圈上固定有两根销轴二,且固定在行星齿轮分度圆上的销轴一与两根销轴二的中心距相等;两个机翼骨架中部与两根销轴二分别构成转动副;两个机翼骨架一端的滑槽均与销轴一构成滑动副;两个机翼骨架的另一端与两个机翼分别固定;空心杯电机由控制模块控制。本发明具有两翼扑动对称、结构简单、传动稳定和传动效率高的优势。(The invention discloses a micro flapping-wing aircraft and a flying method thereof. The existing flapping wing robot has a complex structure, too many exposed parts and is not beneficial to dealing with the conditions of falling, impact and fouling. The hollow cup motor drives the planet carrier; the planet gear is hinged on the planet carrier and is meshed with an inner gear ring fixed in the machine body; the reference circle diameter of the planet gear is half of that of the inner gear ring; a first pin shaft is fixed on the reference circle of the planetary gear; two pin shafts II are fixed on the inner gear ring, and the center distance between the pin shaft I fixed on the reference circle of the planetary gear and the two pin shafts II is equal; the middle parts of the two wing frameworks and the two pin shafts II respectively form revolute pairs; the sliding chutes at one ends of the two wing frameworks and the first pin shaft form sliding pairs; the other ends of the two wing skeletons are respectively fixed with the two wings; the hollow cup motor is controlled by the control module. The invention has the advantages of symmetrical flapping of the two wings, simple structure, stable transmission and high transmission efficiency.)

一种微小型扑翼飞行器及其飞行方法

技术领域

本发明属于微型飞行器技术领域,具体涉及一种微小型扑翼飞行器及其飞行方法。

背景技术

微型飞行器因在现代军事和民用等实际应用上具有极大的优势,成为当今先进国家竞相研究的科技前沿课题。微型扑翼飞行器是一种新型的小尺度仿生机器人,具有效率高、质量轻、机动性强、隐蔽性好等优势。扑翼飞行器能够通过一套扑翼机构完成扑翼飞行器的平飞、侧飞、转弯以及盘旋等功能,相较于采用固定翼和旋翼的飞行方式具有极大的优势。但由于扑翼飞行运动机理的复杂性、微型加工工艺的限制,在实用方面仍有局限性。扑翼飞行器的核心部件为扑动机构,扑动机构的目的是把驱动器的运动转化为扑翼的拍打,就小型扑翼飞行器而言,受到尺寸和重量的限制,扑动机构的设计应遵循减轻结构重量,提高结构强度、机构可靠性和能效性的原则。扑翼机器人上常用的扑动机构有单行星架双摇杆机构、单摇杆机构和双行星架双摇杆机构,这些机构结构复杂,摇杆、齿轮等部件暴露部分太多,不利于飞行器应对坠落、撞击污损,较易损坏。并且扑翼飞行器携带的电池容量受到尺寸限制,提供的电能十分有限,因此有必要进一步提高扑动机构的效率。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题,提供一种微小型扑翼飞行器及其飞行方法。

本发明一种微小型扑翼飞行器,包括机身、驱动机构、机翼和控制模块;所述的驱动机构包括空心杯电机、减速器和扑动机构;所述的扑动机构由行星架、行星齿轮、内齿圈、销轴一、销轴二和机翼骨架组成;空心杯电机的输出轴与行星架的一端通过减速器连接;所述的行星齿轮铰接在行星架另一端,并与固定在机身内的内齿圈啮合;行星齿轮的分度圆直径d与内齿圈的分度圆直径D满足条件:d=0.5D;行星齿轮的分度圆上固定有一根销轴一;内齿圈上固定有两根销轴二;销轴一与两根销轴二的中心距相等;两个机翼骨架的中部与两根销轴二分别构成转动副;机翼骨架的一端开设有滑槽;两个机翼骨架的滑槽均与销轴一构成滑动副;两个机翼骨架的另一端与两个机翼分别固定;空心杯电机由控制模块控制。

优选地,所述的陀螺仪固定在控制模块上,陀螺仪的信号输出端接控制模块。

更优选地,所述的电磁制动器固定在控制模块上,控制空心杯电机的制动;电磁制动器由控制模块控制。

更优选地,所述的控制模块由固定在机身内的电池供电,电磁制动器、陀螺仪和空心杯电机均由控制模块供电。

更优选地,所述的空心杯电机与减速器之间设有散热器。

更优选地,由机身、驱动机构、机翼、控制模块、陀螺仪、电磁制动器和散热器组成的组件的重心位置处放置一个微型电动机,微型电动机的输出轴与摆杆一端固定。

更优选地,遥控模块由发射模块和接收模块组成;控制模块与发射模块和接收模块通讯;遥控模块的型号选用FUTABA4VF。

更优选地,所述机身和机翼骨架的材料均采用碳纤维。

更优选地,所述机翼的材料采用聚脂薄膜。

该微小型扑翼飞行器的飞行方法,具体如下:

遥控模块向控制模块发送指令,控制模块控制空心杯电机转动,空心杯电机经行星架带动行星齿轮,行星齿轮与内齿圈啮合转动;由于行星齿轮的分度圆直径d与内齿圈的分度圆直径D满足条件:d=0.5D,且固定在行星齿轮分度圆上的销轴一与两根销轴二的中心距相等,销轴一的运动轨迹为一条竖直线,从而将行星架的回转运动转化为销轴一的上下往复直线运动,并带动两个机翼骨架摆动,使得两个机翼同步扑动。当机身需要偏转时,控制模块控制微型电动机带动摆杆摆动,使得机身重心偏离而发生偏转;当机身需要摆正时,控制模块根据陀螺仪输入的信号控制微型电动机,从而带动摆杆复位,将机身重新调回两个机翼关于竖直面对称的状态。另外,通过控制模块控制电磁制动器实现空心杯电机的制动,从而实现机翼制动。

本发明具有的有益效果:

1、本发明的扑动机构采用行星架、行星齿轮和内齿圈组成的行星轮轮系作为驱动方式,且由于行星齿轮的分度圆直径d与内齿圈的分度圆直径D满足条件:d=0.5D,且固定在行星齿轮分度圆上的销轴一与两根销轴二的中心距相等,销轴一的运动轨迹为一条竖直线,从而将行星架的回转运动转化为销轴一的上下往复直线运动,并带动两个机翼骨架摆动,相较于单摇臂双曲柄机构、单摇杆机构和双曲柄双摇杆机构有着两翼扑动对称、机械结构简单、传动稳定和传动效率高的优势;其中机翼采用聚脂薄膜,具有高弹性、耐穿刺、耐摩擦、耐高温和抗油污等特点,避免在飞行中撞损,能够适应飞行器的复杂飞行工况。

2、本发明的控制模块结合陀螺仪能实时检测微小型扑翼飞行器飞行过程中的俯仰角、航向角、横滚角等飞行参数,通过飞行控制、姿态测量确定其准确姿态和位置,实现飞行的控制和巡航功能。

3、本发明在飞行过程中能改变质心位置、机翼相位差和相对翼面面积,还能通过机翼摆动速度实现上下扑动速度周期性改变,实现上扑速度快、下扑速度慢,使飞行器在上下飞行中都能够获得较大的升力总量。

4、本发明的行星架、行星齿轮和内齿圈组成的行星轮轮系不产生侧向力,运行平稳,因而磨损小、振动小、允许更高的扑翼速度。

附图说明

图1为本发明一种微小型扑翼飞行器的结构立体图。

图2为本发明中扑动机构的一个结构立体图。

图3为本发明中扑动机构的另一个结构立体图。

图4为本发明中空心杯电机、减速器、控制模块、陀螺仪、散热器和电磁制动器的装配立体图。

图5为本发明中控制模块与遥控模块、空心杯电机、微型电动机、电磁制动器和陀螺仪的信号传输图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2、3和4所示,一种微小型扑翼飞行器,包括机身1、驱动机构、机翼2和控制模块14;驱动机构包括空心杯电机3、减速器4和扑动机构;扑动机构由行星架5、行星齿轮6、内齿圈7、销轴一8、销轴二9和机翼骨架10组成;空心杯电机3的输出轴与行星架5的一端通过减速器4连接;行星齿轮6铰接在行星架另一端,并与固定在机身1内的内齿圈7啮合;行星齿轮的分度圆直径d与内齿圈的分度圆直径D满足条件:d=0.5D;行星齿轮6的分度圆上固定有一根销轴一8;内齿圈7上固定有两根销轴二9,且固定在行星齿轮分度圆上的销轴一与两根销轴二的中心距相等;两个机翼骨架10的中部与两根销轴二9分别构成转动副;机翼骨架10的一端开设有滑槽11;两个机翼骨架10的滑槽11均与销轴一8构成滑动副;两个机翼骨架10的另一端与两个机翼2分别固定;空心杯电机3由控制模块14控制。

作为一个优选实施例,陀螺仪15固定在控制模块14上,陀螺仪15的信号输出端接控制模块14。控制模块14通过陀螺仪输入的信号判断机身1的旋转角度和倾斜程度。

作为一个更优选实施例,电磁制动器13固定在控制模块14上,控制空心杯电机3的制动;电磁制动器13由控制模块14控制。

作为一个更优选实施例,控制模块14由固定在机身1内的电池16供电,电磁制动器13、陀螺仪15和空心杯电机3均由控制模块14供电。

作为一个更优选实施例,空心杯电机3与减速器4之间设有散热器12,提高空心杯电机的寿命。

作为一个更优选实施例,由机身1、驱动机构、机翼2、控制模块14、陀螺仪15、电磁制动器13和散热器12组成的组件的重心位置处放置一个微型电动机17,微型电动机的输出轴与重量为1g的摆杆一端固定;控制模块14根据陀螺仪15输入的信号控制微型电动机,从而带动摆杆偏转,完成飞行器角度调节。

作为一个更优选实施例,遥控模块18由发射模块和接收模块组成;控制模块14与发射模块和接收模块通讯;遥控模块的型号选用FUTABA4VF,发射的信号频率为30Hz。

作为一个更优选实施例,机身和机翼骨架的材料均采用碳纤维,保证强度的前提下做到整机质量低(最低能做到低于20g),且弯曲变形量小。

作为一个更优选实施例,机翼的材料采用聚脂薄膜,具有高弹性,避免在飞行中撞损。

作为一个更优选实施例,控制模块14采用型号为PIC16F616的芯片,通过设置寄存器来改变输入信号的占空比,调节空心杯电机3的转速,从而调节机翼2扑动的频率。

作为一个更优选实施例,空心杯电机的最高转速为5500转/分钟。

作为一个更优选实施例,减速器采用两级圆柱齿轮减速器,传动比为1/36。

作为一个更优选实施例,陀螺仪采用三轴微机械陀螺仪。

作为一个更优选实施例,电池为3.7V充电锂电池,电容量为180mA,重为2.5g。

如图1、2、3、4和5所示,该微小型扑翼飞行器的飞行方法,具体如下:

遥控模块18向控制模块14发送指令,控制模块14控制空心杯电机3转动,空心杯电机3经行星架5带动行星齿轮6,行星齿轮6与内齿圈7啮合转动;由于行星齿轮的分度圆直径d与内齿圈的分度圆直径D满足条件:d=0.5D,且固定在行星齿轮分度圆上的销轴一与两根销轴二的中心距相等,销轴一的运动轨迹为一条竖直线,从而将行星架的回转运动转化为销轴一的上下往复直线运动,并带动两个机翼骨架10摆动,使得两个机翼2同步扑动。当机身1需要偏转(如侧飞、转弯)时,控制模块14控制微型电动机带动摆杆摆动,使得机身1重心偏离而发生偏转;当机身1需要摆正(如平飞、盘旋)时,控制模块14根据陀螺仪15输入的信号控制微型电动机,从而带动摆杆复位,将机身1重新调回两个机翼2关于竖直面对称的状态。另外,通过控制模块14控制电磁制动器13实现空心杯电机3的制动,从而实现机翼2制动。

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