[發(fā)明專利]一種可懸停仿生蜂鳥飛行器及其操控方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111303257.0
• 申請(qǐng)日: 2021-11-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113830304A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳池來(lái);馬賀;劉少敏;吳青楠;劉友江;張瑞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): B64C33/02
• 分類號(hào): B64C33/02
• 代理公司: 合肥國(guó)和專利代理事務(wù)所(普通合伙) 34131
• 代理人: 張祥騫

本發(fā)明涉及一種可懸停仿生蜂鳥飛行器及其操控方法。該可懸停仿生蜂鳥飛行器包括撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、對(duì)稱設(shè)置在撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的翅翼一與翅翼二、用于調(diào)節(jié)翅翼一撲動(dòng)平面的舵機(jī)組件一、用于調(diào)節(jié)翅翼二撲動(dòng)平面的舵機(jī)組件二、設(shè)置在撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下方的機(jī)尾以及用于驅(qū)動(dòng)機(jī)尾運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)組件三。本發(fā)明通過(guò)一組齒輪相互嚙合配合實(shí)現(xiàn)振幅放大，能夠達(dá)到提高升力的效果。本發(fā)明借助萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，能夠分別實(shí)現(xiàn)兩側(cè)翅翼?yè)鋭?dòng)平面的獨(dú)立傾轉(zhuǎn)，通過(guò)傾轉(zhuǎn)兩側(cè)翅翼?yè)鋭?dòng)平面可實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航控制，通過(guò)機(jī)尾的左右擺動(dòng)可控制整機(jī)重心的左右偏移，同時(shí)產(chǎn)生橫滾調(diào)節(jié)力矩，最終實(shí)現(xiàn)俯仰、橫滾、偏航三自由度的姿態(tài)可控飛行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微型飛行器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可懸停仿生蜂鳥飛行器及其操控方法。

背景技術(shù)

微型飛行器是指體積小于20cm，飛行距離大于5km，且滯空能力大于15min的微小飛行器。微型飛行器具有體積小、質(zhì)量輕、隱蔽性高與機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于軍事偵查、目標(biāo)搜索、通信中繼等關(guān)鍵的敏感應(yīng)用中。與旋翼式、固定翼式微型飛行器相比，撲翼式飛行器具有形象的仿生外形與突出的低噪聲優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的隱蔽性能。此外，當(dāng)飛行器幾何尺寸減小時(shí)，小尺度下低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)特性造成旋翼、固定翼氣動(dòng)效率降低，這導(dǎo)致旋翼式、固定翼式微型飛行器難以實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的微型化，且小尺寸下飛行器運(yùn)行效率低、噪聲大。撲翼系統(tǒng)在小尺度下能夠有效規(guī)避低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)特性帶來(lái)的負(fù)面影響，甚至能夠在昆蟲尺寸下保持較高的氣動(dòng)效率實(shí)現(xiàn)低噪聲、高能效運(yùn)行。以蜂鳥為仿生藍(lán)本的仿生飛行器體積小巧、外形更為生動(dòng)形象、運(yùn)行噪聲低具有突出的隱蔽性，且一般具備像直升機(jī)那樣的懸停飛行能力，可以靈活機(jī)動(dòng)，在軍事偵查等領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。目前，包括美國(guó)航空環(huán)境公司、普渡大學(xué)、韓國(guó)建國(guó)大學(xué)、歐洲布魯塞爾自由大學(xué)等國(guó)際知名研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了仿生蜂鳥飛行器研究計(jì)劃。

基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的撲翼式微型飛行器，一般通過(guò)撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為撲翼的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。這些撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了在有限的翅翼體積下提高升力，須最大限度提高翅翼?yè)鋭?dòng)振幅，為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多團(tuán)隊(duì)采用類似于多級(jí)連桿、滑輪之類的振幅放大機(jī)構(gòu)。這樣的振幅放大機(jī)構(gòu)往往造成撲動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，重量也相對(duì)較大，不利于采用微納加工工藝成型制造及微型化集成。針對(duì)仿生蜂鳥一類的撲翼式微型飛行器飛行操控問(wèn)題，以航空環(huán)境公司為代表的國(guó)際領(lǐng)先研究團(tuán)隊(duì)先后提出了多種通過(guò)實(shí)時(shí)改變翅翼形狀來(lái)產(chǎn)生用于姿態(tài)調(diào)節(jié)的氣動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)操縱控制。這種操控方法在改變翅翼形狀的同時(shí)，也使翅翼的造型偏離設(shè)計(jì)理想形態(tài)，造成升力降低，并且翅翼氣動(dòng)性的改變給翅翼系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性增加了不可預(yù)知的非線性特征，加大了飛行器飛行控制難度，甚至?xí)?dǎo)致飛行器失控而墜落。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種可懸停仿生蜂鳥飛行器及其操控方法，該飛行器的結(jié)構(gòu)緊湊，能夠根據(jù)設(shè)計(jì)需求將撲翼振幅放大至特定大小，以有效提高撲翼升力，且該飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰、橫滾、偏航三自由度姿態(tài)的可控飛行。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種可懸停仿生蜂鳥飛行器，包括撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、對(duì)稱設(shè)置在撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的翅翼一與翅翼二、用于調(diào)節(jié)翅翼一撲動(dòng)平面的舵機(jī)組件一、用于調(diào)節(jié)翅翼二撲動(dòng)平面的舵機(jī)組件二、設(shè)置在撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下方的機(jī)尾以及用于驅(qū)動(dòng)機(jī)尾運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)組件三。

所述撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)組件和齒輪組件；所述驅(qū)動(dòng)組件包括底座和安裝在底座上的電機(jī)；所述底座上設(shè)有轉(zhuǎn)軸一、轉(zhuǎn)軸二、轉(zhuǎn)軸三和轉(zhuǎn)軸四；所述齒輪組件包括安裝在電機(jī)輸出軸上的主動(dòng)齒輪、安裝在轉(zhuǎn)軸一上的雙聯(lián)齒輪、安裝在轉(zhuǎn)軸二上且與雙聯(lián)齒輪的上層齒輪嚙合相連的從動(dòng)齒輪、安裝在轉(zhuǎn)軸三上的分動(dòng)齒輪一和安裝在轉(zhuǎn)軸四上且與分動(dòng)齒輪一嚙合相連的分動(dòng)齒輪二；所述從動(dòng)齒輪通過(guò)連桿與分動(dòng)齒輪一相連；所述雙聯(lián)齒輪的下層齒輪與主動(dòng)齒輪嚙合相連；所述分動(dòng)齒輪一的一側(cè)設(shè)有與其嚙合相連的增幅齒輪一，分動(dòng)齒輪二的一側(cè)設(shè)有與其嚙合相連的增幅齒輪二；所述增幅齒輪一通過(guò)傳動(dòng)組件一與翅翼一及舵機(jī)組件一相連，增幅齒輪二通過(guò)傳動(dòng)組件二與翅翼二及舵機(jī)組件二相連。