[發明專利]一種仿生撲翼飛行器及其控制方法

有效

• 申請號: 202011170335.X
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112278267B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 王少萍;張益鑫;黃文皓;李少石;何思源;王興堅
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64C33/02
• 分類號: B64C33/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 張夢澤

1.一種仿生撲翼飛行器，其特征在于，包括：胸部結構、腹部結構、左翅、右翅和微控系統；所述胸部結構的一側設置所述左翅；所述胸部結構的另一側設置所述右翅；所述胸部結構的末端設置所述腹部結構；

所述胸部結構包括胸部主碳纖維桿、第一驅動舵機和第二驅動舵機；所述胸部主碳纖維桿的頂端設置所述第一驅動舵機和所述第二驅動舵機；所述第一驅動舵機與所述左翅連接；所述第二驅動舵機與所述右翅連接；

所述腹部結構包括腹部碳纖維桿和第三驅動舵機；所述第三驅動舵機設置在所述胸部主碳纖維桿的末端；所述腹部碳纖維桿的頂端與所述第三驅動舵機固定；

所述微控系統設置在所述腹部碳纖維桿的末端；所述微控系統與所述第一驅動舵機、所述第二驅動舵機和所述第三驅動舵機電連接；所述微控系統用于控制所述第一驅動舵機和所述第二驅動舵機以帶動所述左翅和所述右翅做余弦規律的撲打運動，以及控制所述第三驅動舵機以帶動所述腹部碳纖維桿做擺動運動；所述擺動運動與所述余弦規律的撲打運動同頻反相。

2.根據權利要求1所述的仿生撲翼飛行器，其特征在于，所述胸部結構還包括：翅膀動力機構連接組件、左翅根連接件、右翅根連接件和后翅鉸鏈連接件；

所述第一驅動舵機和所述第二驅動舵機均通過所述翅膀動力機構連接組件設置在所述胸部主碳纖維桿的頂端；所述第一驅動舵機通過所述左翅根連接件與所述左翅連接；所述第二驅動舵機通過所述右翅根連接件與所述右翅連接；所述后翅鉸鏈連接件套設在所述胸部主碳纖維桿上；所述后翅鉸鏈連接件的一端與所述左翅鉸接；所述后翅鉸鏈連接件的另一端與所述右翅鉸接。

3.根據權利要求2所述的仿生撲翼飛行器，其特征在于，所述胸部結構還包括：兩個翅膀驅動舵機搖臂；

所述第一驅動舵機通過一個所述翅膀驅動舵機搖臂與所述左翅根連接件連接；所述第二驅動舵機通過另一個所述翅膀驅動舵機搖臂與所述右翅根連接件連接。

4.根據權利要求1所述的仿生撲翼飛行器，其特征在于，所述腹部結構還包括：腹部動力機構連接組件、腹部連接機構和微控系統固定組件；

所述第三驅動舵機通過所述腹部動力機構連接組件設置在所述胸部主碳纖維桿的末端；所述腹部連接機構固定在所述第三驅動舵機上；所述腹部碳纖維桿的頂端插入到所述腹部連接機構中；所述微控系統通過所述微控系統固定組件設置在所述腹部碳纖維桿的末端。

5.根據權利要求1所述的仿生撲翼飛行器，其特征在于，所述微控系統包括zigbee控制芯片；

所述zigbee控制芯片分別與所述第一驅動舵機、所述第二驅動舵機和所述第三驅動舵機電連接。

6.根據權利要求5所述的仿生撲翼飛行器，其特征在于，所述微控系統還包括電子陀螺儀和電源；所述電子陀螺儀、所述電源均與所述zigbee控制芯片電連接；所述電子陀螺儀用于獲取當前的姿態信息。

7.根據權利要求5所述的仿生撲翼飛行器，其特征在于，所述zigbee控制芯片中內置有中樞模式發生器。

8.根據權利要求2所述的仿生撲翼飛行器，其特征在于，所述翅膀動力機構連接組件為采用3D打印方式打印而成。

9.一種仿生撲翼飛行器的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于如權利要求1-8中任意一項所述的仿生撲翼飛行器；所述控制方法包括：

基于當前的姿態信息，采用中樞模式發生器對運動學控制模型進行控制以生成余弦規律撲打控制脈沖信號和擺動運動控制脈沖信號，從而實現姿態調節；所述余弦規律撲打控制脈沖信號用于控制第一驅動舵機和第二驅動舵機以帶動左翅和右翅做余弦規律的撲打運動；所述擺動運動控制脈沖信號用于控制第三驅動舵機以帶動腹部碳纖維桿做擺動運動。

10.根據權利要求9所述的仿生撲翼飛行器的控制方法，其特征在于，所述運動學控制模型為：

其中，為控制左翅撲打的非對稱余弦函數；為控制右翅拍打的非對稱余弦函數；θ_a(t)為腹部碳纖維桿擺動的控制余弦函數；ω為生物學觀測下的撲打角速度；ω＝ω₀[1-Psin(ω₀·t)]；P為非對稱因子；ω₀為勻速剛性撲打的雙翅撲打角速度；ω₀＝2πf；t為時間；f為雙翅撲打頻率；γ為雙翅撲打與腹部碳纖維桿擺動之間的相位差；為左翅撲打的幅值；為右翅撲打的幅值；為左翅撲打的平衡位置；為右翅撲打的平衡位置；A_a為腹部碳纖維桿擺動的幅值，C₀為腹部碳纖維桿擺動的平衡位置。