半自主仿生扑翼飞行器
阅读说明：本技术 半自主仿生扑翼飞行器 (Semi-autonomous bionic flapping wing aircraft ) 是由 胡丹丹 董辰初 管若乔 孙睿哲 黄雨深 于 2021-03-19 设计创作，主要内容包括：一种半自主仿生扑翼飞行器。其包括机架、齿轮组、电机、曲柄、摇臂、内翼、外翼、尾翼、机翼、电池、通讯模块和飞行控制器；本发明效果：双关节的扑翼翼型及类鹰翼面的仿生程度更高,可提高机身的载重及续航能力,飞行姿态更符合鸟类飞行规律,优于常规单关节翼型结构；扑翼的飞行方式充分利用空气流体涡流,以及机翼前端的前缘涡增大飞行器的升力,有效提高推力的效率,利用高空的势能优势,可以实现远距离、长时间的无能源补充飞行任务,有效提高飞行效率；具有质量轻、成本低、能耗低、噪音小等优势。(A semi-autonomous bionic flapping wing air vehicle. The airplane comprises a rack, a gear set, a motor, a crank, a rocker arm, an inner wing, an outer wing, a tail wing, wings, a battery, a communication module and a flight controller; the invention has the following effects: the bionic degree of the flapping wing type wing surface and the eagle-like wing surface with double joints is higher, the load and the endurance capacity of the airplane body can be improved, the flying posture is more in line with the bird flying rule, and the bionic wing type wing structure is superior to the conventional single-joint wing type structure; the flapping wing flight mode fully utilizes the air fluid vortex and the front edge vortex at the front end of the wing to increase the lift force of the aircraft, effectively improves the thrust efficiency, utilizes the potential energy advantage of high altitude, can realize long-distance and long-time non-energy supplement flight task, and effectively improves the flight efficiency; has the advantages of light weight, low cost, low energy consumption, low noise and the like.)
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，特别是涉及一种半自主仿生扑翼飞行器。
背景技术
仿生扑翼飞行机器人是一种能够模仿昆虫或鸟类飞行的仿生机器人，具有效率高、质量轻、机动性强、能耗低等显著优点，因此在国防军事以及民用领域都具有广阔的应用前景，由此成为集合了仿生学、空气动力学、机械学、控制科学等多门前沿学科的一类先进飞行机器人。仿生扑翼飞行机器人具有较高的集成度，能够有效地利用势能，适于完成长时间、远距离、无能源补充条件下的飞行任务。
美国加州理工大学研究团队和伊利诺伊大学香槟分校联合研制了一款仿生蝙蝠扑翼飞行机器人BatBot(B2)；还有美国Aero Vironment公司的蜂鸟机器人Nanohummingbird；美国麻省理工学院研发的Phoenix仿生扑翼飞行机器人；哈佛大学Wood教授团队研发了一款名为RoboBee的飞行昆虫机器人；德国Fasto公司研发的SmartBird；美国加州大学伯克利分校的Julian团队研发了一款微型仿生扑翼飞行机器人H2bird；西北工业大学宋笔锋教授团队研制的名为“信鸽”的仿生扑翼飞行机器人；台湾淡江大学杨龙杰团队研发设计了“Golden Snitch”扑翼机器人；北京科技大学自主研发的USTBird扑翼机器人样机。但这些飞行器的缺点是仿生程度、续航能力和飞行效率低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种半自主仿生扑翼飞行器。
为了达到上述目的，本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器包括机架、齿轮组、电机、曲柄、摇臂、内翼、外翼、尾翼、机翼、电池、通讯模块和飞行控制器；其中，所述的机架包括沿前后方向间隔设置且相互连接的前机架、中间机架和后机架；齿轮组安装在前机架和中间机架之间，包括第一齿轮、第一减速齿轮、第二减速齿轮、第一主齿轮和第二主齿轮；第一主齿轮和第二主齿轮垂直设置在前侧且相啮合；第一齿轮、第一减速齿轮和第二减速齿轮垂直设置在后侧且依次相啮合，第三减速齿轮同时与第一主齿轮相啮合；电机安装在中间机架和后机架之间，输出轴固定在第一齿轮的中心孔内；每个曲柄的一端分别固定在第一主齿轮和第二主齿轮的中心轴前端，另一端分别连接在一根摇臂的内端；机架的两侧分别设有一个内翼，每个内翼包括上部内翼连杆、下部内翼连杆、后部内翼连杆和扭转支座；上部内翼连杆和下部内翼连杆的一端分别铰接在一根摇臂的中部和外端，另一端铰接在扭转支座的内侧部位前部；后部内翼连杆的一端铰接在后机架的顶部外侧，另一端铰接在扭转支座的内侧部位后部；每个内翼的外侧分别设有一个外翼，每个外翼包括内侧外翼连杆、外侧外翼连杆、扭转连杆和外翼舵机；外翼舵机安装在扭转支座的外侧部位，输出端与圆弧形的扭转连杆一端相连，扭转连杆的另一端连接在内侧外翼连杆的一端，内侧外翼连杆的另一端与外侧外翼连杆的内端相连接；尾翼包括尾翼骨架、尾翼连杆、机身主杆、尾翼机架、尾舵支座、尾舵连杆、尾舵连接件和尾翼舵机；两个尾翼舵机安装在中间机架和后机架之间，输出端分别连接在一根尾翼连杆的前端；尾翼机架设置在机架的后方；尾舵支座设置在尾翼机架的后方；尾舵连杆垂直设置，上下端分别固定在尾舵支座的前端上下部；机身主杆的前端固定在后机架中部，后端贯穿尾翼机架的中部后通过尾舵连接件铰接在尾舵连杆的中部；两根尾翼连杆的后端分别贯穿尾翼机架的上部后铰接在尾舵支座的上部两侧部位；两根尾翼骨架呈八字形设置，一端同时连接在尾舵支座的后端下部；多个机翼的中部分别安装在内翼的内、外侧部位以及内侧外翼连杆的中部；电池、通讯模块和飞行控制器均安装在机架上，并且飞行控制器分别与电机、外翼舵机、尾翼舵机和通讯模块电连接；通讯模块与地面操控人员手持的遥控器无线连接；电池用于为本飞行器上各用电部件提供电能。
所述机翼的翼型采用较大展弦比，前缘为光滑的椭圆型曲线，后缘则采用直线型结构，并且机翼的整体采用镂空板状结构。
所述第一减速齿轮和第二减速齿轮均由同轴安装的大齿轮和小齿轮构成；其中第一减速齿轮的大齿轮与第一齿轮相啮合，小齿轮与第二减速齿轮的大齿轮相啮合；而第二减速齿轮的小齿轮则与第一主齿轮相啮合。
所述内侧外翼连杆和外侧外翼连杆的轴向间具有夹角。
所述尾翼机架采用镂空板状结构。
所述的半自主仿生扑翼飞行器还包括安装在机架底面上且与飞行控制器电连接的视觉检测模块，包括摄像头。
本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器具有如下有益效果：
(1)双关节的扑翼翼型及类鹰翼面的仿生程度更高，可提高机身的载重及续航能力，飞行姿态更符合鸟类飞行规律，优于常规单关节翼型结构；
(2)扑翼的飞行方式充分利用空气流体涡流，以及机翼前端的前缘涡增大飞行器的升力，有效提高推力的效率，利用高空的势能优势，可以实现远距离、长时间的无能源补充飞行任务，有效提高飞行效率；
(3)具有质量轻、成本低、能耗低、噪音小等优势。扑翼飞行器主要依靠扑翼飞行及滑翔飞行两种飞行方式，因而扑翼飞行器既具有固定翼飞机能耗低的优点，又具有旋翼机灵活度高的优势。折叠式的机翼可以很大程度上提高飞行器升力和升阻比，进而使飞机可以具备更多实用性功能，可以通过加装GPS和相关传感器使本扑翼飞行器具备自主飞行能力。
附图说明
图1为本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器立体图。
图2为本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器中机架部位结构立体图。
图3为本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器中内翼和外翼连接部位结构立体图。
图4为本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器中齿轮组背面结构示意图。
图5为本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器中齿轮组正面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1-图5所示，本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器包括机架、齿轮组、电机、曲柄6、摇臂7、内翼、外翼、尾翼、机翼26、电池、通讯模块和飞行控制器；其中，所述的机架包括沿前后方向间隔设置且相互连接的前机架15、中间机架14和后机架13；齿轮组安装在前机架15和中间机架14之间，包括第一齿轮1、第一减速齿轮2、第二减速齿轮3、第一主齿轮4和第二主齿轮5；第一主齿轮4和第二主齿轮5垂直设置在前侧且相啮合；第一齿轮1、第一减速齿轮2和第二减速齿轮3垂直设置在后侧且依次相啮合，第三减速齿轮3同时与第一主齿轮4相啮合；电机安装在中间机架14和后机架13之间，输出轴固定在第一齿轮1的中心孔内；每个曲柄6的一端分别固定在第一主齿轮4和第二主齿轮5的中心轴前端，另一端分别连接在一根摇臂7的内端；机架的两侧分别设有一个内翼，每个内翼包括上部内翼连杆8、下部内翼连杆9、后部内翼连杆23和扭转支座24；上部内翼连杆8和下部内翼连杆9的一端分别铰接在一根摇臂7的中部和外端，另一端铰接在扭转支座24的内侧部位前部；后部内翼连杆23的一端铰接在后机架13的顶部外侧，另一端铰接在扭转支座24的内侧部位后部；每个内翼的外侧分别设有一个外翼，每个外翼包括内侧外翼连杆10、外侧外翼连杆11、扭转连杆12和外翼舵机25；外翼舵机25安装在扭转支座23的外侧部位，输出端与圆弧形的扭转连杆12一端相连，扭转连杆12的另一端连接在内侧外翼连杆10的一端，内侧外翼连杆10的另一端与外侧外翼连杆11的内端相连接；尾翼包括尾翼骨架16、尾翼连杆17、机身主杆18、尾翼机架19、尾舵支座20、尾舵连杆21、尾舵连接件22和尾翼舵机；两个尾翼舵机安装在中间机架14和后机架13之间，输出端分别连接在一根尾翼连杆17的前端；尾翼机架19设置在机架的后方；尾舵支座20设置在尾翼机架19的后方；尾舵连杆21垂直设置，上下端分别固定在尾舵支座20的前端上下部；机身主杆18的前端固定在后机架13中部，后端贯穿尾翼机架19的中部后通过尾舵连接件22铰接在尾舵连杆21的中部；两根尾翼连杆17的后端分别贯穿尾翼机架19的上部后铰接在尾舵支座20的上部两侧部位；两根尾翼骨架16呈八字形设置，一端同时连接在尾舵支座20的后端下部；多个机翼26的中部分别安装在内翼的内、外侧部位以及内侧外翼连杆10的中部；电池、通讯模块和飞行控制器均安装在机架上，并且飞行控制器分别与电机、外翼舵机25、尾翼舵机和通讯模块电连接；通讯模块与地面操控人员手持的遥控器无线连接；电池用于为本飞行器上各用电部件提供电能。
所述机翼26的翼型采用较大展弦比，前缘为光滑的椭圆型曲线，后缘则采用直线型结构，这种翼型可以使机翼26在下扑阶段受到向上和向前两个方向的压力，保证上下翼面的完整光滑，并且机翼26的整体采用镂空板状结构，这样可保证气流顺滑流过，由此降低气动阻力，减少自身负重。通过上述设置，可以大幅度提高机翼26产生的升力和推力，提高升阻比。
所述第一减速齿轮2和第二减速齿轮3均由同轴安装的大齿轮和小齿轮构成；其中第一减速齿轮2的大齿轮与第一齿轮1相啮合，小齿轮与第二减速齿轮3的大齿轮相啮合；而第二减速齿轮3的小齿轮则与第一主齿轮4相啮合。
所述内侧外翼连杆10和外侧外翼连杆11的轴向间具有夹角。
所述尾翼机架19采用镂空板状结构。
所述的半自主仿生扑翼飞行器还包括安装在机架底面上且与飞行控制器电连接的视觉检测模块，包括摄像头。
现将本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器的工作原理阐述如下：
当本发明提供的半自主仿生扑翼飞行器需要飞行时，由地面操控人员利用遥控器通过通讯模块向飞行控制器发出相应指令，在飞行控制器的控制下，启动电机，由此将电机的旋转运动通过第一齿轮1无减速地传递给第一减速齿轮2，由第一减速齿轮2对电机转速进行一级减速；然后将一级减速后的旋转运动再传递给第二减速齿轮3，由第二减速齿轮3对一级减速后的电机转速进行二级减速，再将二级减速后的旋转运动传递给第一主齿轮4，最后将第一主齿轮4的旋转运动无差地传递给第二主齿轮5，这种异步减速设计能够有效避免左、右机翼26在运动时可能产生的相位差。
之后第一主齿轮4和第二主齿轮5的旋转运动将完全传递给曲柄6。在第一主齿轮4和第二主齿轮5的驱动下，两个曲柄6将分别带动相应的摇臂7进行回转运动，由此带动上部内翼连杆8和下部内翼连杆9绕内侧外翼连杆10进行上下摆动。由于下部内翼连杆9与摇臂7的连接位置相比于上部内翼连杆8与摇臂7的连接位置低，所以在摇臂7的一个回转运动带动下，上部内翼连杆8在内翼翼展方向上的缩进程度小于下部内翼连杆9在内翼翼展方向上的缩进程度，使得外翼在上部内翼连杆8和下部内翼连杆9的带动下做与内翼相反方向的上下摆动。当曲柄6与摇臂7的夹角为零且有重合时，内翼与外翼在做上扑动作，且为上扑的极限角度，此时内翼与外翼产生折叠收缩；同理，当曲柄6与摇臂7的夹角为180度而没有重合时，内翼与外翼在做下扑动作，且为下扑的极限，此时内翼与外翼伸展开。这样，上、下反复扑翼的最终结果是：上扑时，内翼与外翼折叠收缩，以减少飞行时的上升阻力；下扑时，内翼与外翼伸展开扇动气流，由此增加飞行的上升动力。
在上述飞行过程中，可通过扭转连杆12将外翼舵机25产生的扭转运动作用于内侧外翼连杆10，内侧外翼连杆10再将这种扭转运动作用于外侧外翼连杆11，利用外翼末端的扭转，可实现外翼沿展向扭转角的非线性变化，进而完成全机身的俯仰运动，当内翼、机翼、外翼运动至同一直线时，机身整体为平直姿态，扭转角为0度；反之，产生相应的扭转角。当左、右外翼的扭转方向相反时就可以实现飞行时的转向。
在上述飞行过程中，尾翼舵机将带动尾翼连杆17进行前后运动，在尾翼连杆17的带动下，尾舵构件20、尾舵连杆21和尾舵连接件22可以实现绕固定点的扭转运动，由于尾舵构件20与尾翼骨架16是相固连的，所以尾翼骨架16会随着尾舵构件20的运动方式进行同样方式的扭转，而且尾翼末端的扭转角度会大幅度放大，由此起到辅助转向的作用。
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