一种自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器及其运动控制方法

本发明涉及微型飞行器，具体是一种自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器及其运动控制方法。

背景技术：

1、扑翼微飞行器具有体积小、隐蔽性强、推重比大、灵活度高等显著优点，在对敌渗透作战、隐蔽侦察以及灾后搜救等方面具有巨大的应用潜力，近年来引起了国内外诸多研究机构和学者的研究兴趣。

2、扑翼微飞行器的控制问题自微飞行器概念就已经得到重视，在微飞行器的概念中就提到了可控的要求。微飞行器在实现了克服自重飞行后，控制问题就是亟待解决的问题，只有实现了可控稳定飞行，微飞行器才有真正走向实际应用的价值，为了实现扑翼微飞行器自主稳控飞行的目标所面临的挑战是极大的。

3、通过增加闭环反馈控制回路可以实现飞行器的稳定悬飞，但飞行器的闭环反馈控制实现较复杂，需要增加感知控制元件和控制电路，会增加飞行器的负载，同时反馈控制器的延迟也将大大影响性能。当前研制的昆虫尺度的扑翼微飞行器的载荷能力通常十分有限，且微飞行器本身结构较小，可搭载感控元器件的空间容积较小，克服自重实现起飞已是挑战，如若需要稳定悬飞，增加的反馈控制元器件无疑会使扑翼微飞行器的自重成倍增加，将会大大增加扑翼微飞行器起飞的难度，使扑翼微飞行器难以实现脱线飞行。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的不足，本发明供一种自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器及其运动控制方法，在将人造翅膀与压电驱动机构结合的基础上，通过设置自旋稳定模块，利用气动阻力作用，实现微飞行器的自稳定悬飞，并通过外部信号输入控制，实现微飞行器的可控运动。

2、为实现上述目的，本发明提供一种自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器，包括支撑机身、动力模块与自旋稳定模块；

3、所述动力模块的中的连接在所述支撑机身上，且所述动力模块的两端均设有扑翼组件；

4、所述自旋稳定模块包括自旋转轴、自旋骨架与气动阻尼薄膜，所述自旋转轴的第一端连接在所述支撑机身的顶部，所述自旋骨架转动连接在所述自旋转轴的第二端，所述气动阻尼薄膜设在所述自旋骨架上。

5、在其中一个实施例，所述动力模块的两端均设有两个所述扑翼组件，且四个所述扑翼组件呈x型分布。

6、在其中一个实施例，所述动力模块包括两个压电驱动器；

7、两所述压电驱动器位于同一平面，且所述压电驱动器的第一端与所述支撑机身相连，两所述压电驱动器的第二端分别连接有两所述扑翼组件。

8、在其中一个实施例，所述压电驱动器包括碳纤维预浸料薄板、两片压电陶瓷片与四片氧化铝薄片；

9、两所述压电陶瓷片对称布置于所述碳纤维预浸料薄板中部区域的上下两面，其中两所述氧化铝薄片对称布置于所述碳纤维预浸料薄板第一端区域的上下两面，另外两所述氧化铝薄片对称布置于所述碳纤维预浸料薄板第二端区域的上下两面；

10、两所述压电驱动器中的所述碳纤维预浸料薄板一体成型。

11、在其中一个实施例，所述支撑机身包括支撑架以及设在所述支撑架顶端的支撑杆；

12、所述支撑杆的顶端设有下沉的卡槽，两所述压电驱动器中的所述碳纤维预浸料薄板连接处固定卡入所述卡槽；

13、所述自旋转轴的第一端连接在所述支撑杆的顶端。

14、在其中一个实施例，所述动力模块的两端均设有翅膀卡槽；

15、所述翅膀卡槽为扇形平板结构，且所述翅膀卡槽的扇形角端与所述动力模块的端部相连，所述翅膀卡槽的两条侧边上对此连接有所述扑翼组件。

16、在其中一个实施例，所述扑翼组件包括翅膀与柔性被动铰链，所述翅膀均为刚柔复合仿生翅膀，所述柔性被动铰链为刚柔复合单自由度转动铰链；

17、所述柔性被动铰链的下端与所述翅膀的前缘骨架相连，所述的柔性被动铰链的侧端与所述翅膀卡槽的侧边相连。

18、为实现上述目的，本发明还提供一种上述亚克级扑翼微飞行器的运动控制方法，包括：

19、调节扑翼组件中翅膀的初始偏置角度；和/或

20、调节扑翼组件中翅膀振动角度的幅值；和/或

21、调节扑翼组件中翅膀振动的频率；和/或

22、调节外部输入信号的种类，使扑翼组件中的翅膀以不同的振动样式运动，其中，所述外部输入信号为连续交流信号与直流偏置信号的组合。

23、在其中一个实施例，所述调节扑翼组件中翅膀的初始偏置角度包括：

24、给予两个压电驱动器两路独立的控制信号，使其独立产生所需要的运动输出；和/或

25、调节压电驱动器的直流偏置控制信号，以改变压电驱动器初始偏置角度。

26、在其中一个实施例，所述调节扑翼组件中翅膀振动角度的幅值包括：

27、调节压电驱动器的结构参数，以改变压电驱动器振动输出位移阈值；和/或

28、单独调节两个压电驱动器输入的控制信号的幅值；和/或

29、调节扑翼组件中翅膀的翼展与展弦比，以改变压电驱动器的驱动负载，从而改变压电驱动器振动输出位移阈值。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

31、1.本发明中的亚克级扑翼微飞行器通过设置自旋稳定模块，在扑翼微飞行器飞行过程中，自旋稳定模块受不平衡气动力作用自旋调节自身姿态，使扑翼微飞行器在无反馈控制条件下可以处于稳定悬飞状态，且被动机械稳定无延迟，无需复杂的闭环反馈控制回路，可大大降低了扑翼微飞行器稳定飞行的开发难度与成本；

32、2.本发明中的亚克级扑翼微飞行器将人造翅膀与压电驱动机构通过简单的设计与装配组合，使压电驱动为人造翅膀振动提供力与位移，产生升力，形成压电直驱扑翼结构，避免了微尺度下传动机构的能量损耗，提高了实际输出的驱动力，并大大简化了飞行器的制作与装配流程，提高了驱动效率与加工效率；

33、3.本发明中的亚克级扑翼微飞行器在优选方案中采用x型的翅膀结构布置，与同尺度的双翅扑翼飞行器相比，在相同驱动器数量的前提下提高了扑翼产生的升力，增加了系统的载荷能力，同时x型的翅膀结构布置增加了系统的稳定性；

34、4.本发明中的亚克级扑翼微飞行器各个部件的装配简单，因此各结构参数方便调节，通过调节翅膀的结构参数、翅膀x型布置参数、以及驱动的结构参数，可得到不同尺寸与载荷能力的微飞行器；

35、5.本发明中的亚克级扑翼微飞行器的运动控制仅需通过对两个压电驱动器的初始偏置、振幅以及驱动频率进行单独控制即可实现，运动控制相对简单易实现。

技术特征：

1.一种自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器，其特征在于，包括支撑机身、动力模块与自旋稳定模块；

2.根据权利要求1所述的自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器，其特征在于，所述动力模块的两端均设有两个所述扑翼组件，且四个所述扑翼组件呈x型分布。

3.根据权利要求2所述的自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器，其特征在于，所述动力模块包括两个压电驱动器；

4.根据权利要求3所述的自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器，其特征在于，所述压电驱动器包括碳纤维预浸料薄板、两片压电陶瓷片与四片氧化铝薄片；

5.根据权利要求4所述的自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器，其特征在于，所述支撑机身包括支撑架以及设在所述支撑架顶端的支撑杆；

6.根据权利要求3或4或5所述的自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器，其特征在于，所述动力模块的两端均设有翅膀卡槽；

7.根据权利要求6所述的自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器，其特征在于，所述扑翼组件包括翅膀与柔性被动铰链，所述翅膀均为刚柔复合仿生翅膀，所述柔性被动铰链为刚柔复合单自由度转动铰链；

8.一种权利要求7所述亚克级扑翼微飞行器的运动控制方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的运动控制方法，其特征在于，所述调节扑翼组件中翅膀的初始偏置角度包括：

10.根据权利要求8所述的运动控制方法，其特征在于，所述调节扑翼组件中翅膀振动角度的幅值包括：

技术总结本发明公开了一种自旋稳定的亚克级扑翼微飞行器及其运动控制方法，该微飞行器包括支撑机身、动力模块与自旋稳定模块；动力模块的中的连接在支撑机身上，动力模块的两端均设有扑翼组件；自旋稳定模块包括自旋转轴、自旋骨架与气动阻尼薄膜，自旋转轴的第一端连接在支撑机身的顶部，自旋骨架转动连接在自旋转轴的第二端，气动阻尼薄膜设在自旋骨架上。本发明应用于微型飞行器领域，在扑翼微飞行器飞行过程中，自旋稳定模块受不平衡气动力作用自旋调节自身姿态，使扑翼微飞行器在无反馈控制条件下可以处于稳定悬飞状态，且被动机械稳定无延迟，无需复杂的闭环反馈控制回路，可大大降低了扑翼微飞行器稳定飞行的开发难度与成本。技术研发人员：吴宇列,肖定邦,吴学忠,路翔,陈洋,陈杰受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29