一种高仿生度仿鸟扑翼飞行器及其使用方法

本发明涉及扑翼飞行器，具体涉及一种高仿生度仿鸟扑翼飞行器及其使用方法。

背景技术：

1、仿鸟扑翼飞行器因具备恶劣环境下的超常适应性、复杂环境下的超长灵活性、作战环境下的超强伪装性及战场环境下的超强感知力，近年来成为各领域的研究热点。但现有扑翼飞行器存在能源利用效率低、任务执行时间短等诸多问题，通过设计仿鸟扑翼飞行器的仿生外形、仿生大握力抓取机构、仿生学运动机翼，可以显著改善仿鸟扑翼飞行器的空气动力学性能和续航能力，但目前鲜有可模仿鸟类飞行运动及暂栖等行为能力的仿鸟扑翼飞行器。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高仿生度仿鸟扑翼飞行器及其使用方法，该仿鸟扑翼飞行器通过仿生身体、仿生尾部、仿生机翼和仿生头部的配合形成的仿鸟外形优化了空气动力学性能，提高了能量的利用率，仿生机翼可以模仿鸟类的翅膀实现收折功能和翼尖“8”字轨迹运动，模仿鸟类飞行动作，大大提高了仿生度，攀附机构可以使仿鸟扑翼飞行器灵活攀附在杆状物上，提高了仿鸟扑翼飞行器的环境适应能力，克服了现有仿鸟扑翼飞行器的机翼只能实现上下简单扑动、无法进行降落、能源利用率低、环境适应性差的技术问题。

2、本发明采用以下具体技术方案：

3、本发明提供了一种高仿生度仿鸟扑翼飞行器，该扑翼飞行器包括仿生头部、仿生身体、仿生尾部、仿生机翼以及攀附机构；

4、所述仿生身体包括流线型外壳、龙骨、电源、头部摆动机构、尾部摆动机构、飞控板和姿态传感器；所述龙骨固定连接于所述流线型外壳内，用于支承所述流线型外壳；所述电源、所述头部摆动机构、所述尾部摆动机构、所述飞控板和所述姿态传感器固定安装于所述龙骨；

5、所述仿生头部通过所述头部摆动机构安装于所述流线型外壳的前端；所述头部摆动机构用于驱动所述仿生头部摆动；

6、所述仿生尾部通过所述尾部摆动机构安装于所述流线型外壳的后端；所述尾部摆动机构用于驱动所述仿生尾部摆动；

7、所述流线型外壳的两侧对称安装有所述仿生机翼，所述仿生机翼用于模仿鸟类飞行过程中翅膀扑动、扭转、翼尖实现“8”字形运动轨迹以及停靠时收折；

8、所述攀附机构位于所述流线型外壳的外侧底部，并固定安装于所述龙骨，用于停靠时抓取杆状物实现攀附；

9、所述电源与所述飞控板、所述姿态传感器、所述头部摆动机构、所述尾部摆动机构、所述仿生机翼以及所述攀附机构电连接；

10、所述飞控板与所述姿态传感器、所述头部摆动机构、所述尾部摆动机构、所述仿生机翼以及所述攀附机构信号连接，用于控制所述头部摆动机构、所述头部摆动机构、所述仿生机翼以及所述攀附机构动作。

11、更进一步地，所述头部摆动机构和尾部摆动机构具有相同结构，均包括固定套筒、竖直摆动舵机、竖直摆动传动杆、竖直摆动滑块、竖直摆动摇杆、水平摆动舵机、水平摆动摇杆以及水平摆动传动杆；

12、所述固定套筒的一端固定连接于所述龙骨，另一端与所述竖直摆动摇杆的顶端铰接；

13、所述竖直摆动舵机固定安装于所述固定套筒的顶端，并与所述飞控板信号连接；

14、所述竖直摆动传动杆的顶端与所述竖直摆动舵机的输出轴固定连接，中下部设置有摆动滑槽；

15、所述竖直摆动摇杆的底端转动安装有所述竖直摆动滑块；

16、所述竖直摆动滑块滑动配合于所述摆动滑槽内；

17、所述水平摆动舵机的底端固定安装于所述竖直摆动摇杆的顶端，并与所述飞控板信号连接；

18、所述水平摆动摇杆的一端转动安装于所述竖直摆动摇杆远离所述固定套筒的一端，另一端固定连接所述仿生头部或者所述仿生尾部；

19、所述水平摆动传动杆的一端固定连接于所述水平摆动舵机的输出轴，另一端固定连接所述水平摆动摇杆。

20、更进一步地，所述水平摆动传动杆的端部通过辐射分布的支撑杆固定连接有支承环；

21、所述支承环用于在摆动过程中通过与所述流线型外壳的内壁接触进行限位。

22、更进一步地，所述龙骨包括平行设置的前圆板和后圆板、固定连接于所述前圆板和所述后圆板之间的圆筒、固定连接于所述前圆板的前端面的第一固定轴以及固定连接于所述后圆板的后端面的第二固定轴；

23、所述前圆板和所述后圆板的外周侧与所述流线型外壳的内壁固定连接；

24、所述第一固定轴的前端部与所述头部摆动机构的固定套筒固定连接；

25、所述仿生机翼固定安装于所述第一固定轴；

26、所述第二固定轴的后端部与尾部摆动机构的固定套筒固定连接；

27、所述第二固定轴上固定安装有抓取舵机；

28、所述抓取舵机的输出轴与所述攀附机构的顶端固定连接，用于驱动所述攀附机构转动。

29、更进一步地，所述仿生机翼包括底座、机架、驱动电机、收缩舵机、扑翼收缩机构、扑动机构、侧板、旋转传动杆以及连接板；

30、所述机架能够绕竖直轴线转动地安装于所述底座的顶部；所述驱动电机和所述收缩舵机均固定安装于所述机架内部；所述驱动电机与所述扑动机构传动连接，用于实现所述机架相对所述底座的摆动从而实现扑翼的扑动；所述收缩舵机与所述扑翼收缩机构传动连接，用于实现扑翼的收缩；

31、所述侧板沿竖直方向设置，底端固定安装于所述底座且位于所述机架的一侧；

32、所述旋转传动杆沿水平方向延伸，一端固定连接于所述侧板，另一端转动安装于所述连接板；所述连接板用于固定安装于所述龙骨；所述旋转舵机固定安装于所述龙骨，并与所述旋转传动杆传动连接，用于驱动所述旋转传动杆转动，以通过所述侧板、所述底座和所述机架实现扑翼绕所述旋转传动杆的轴心线转动；

33、所述控制器飞控板与所述驱动电机、所述收缩舵机以及所述旋转舵机信号连接，用于控制所述驱动电机、所述收缩舵机以及所述旋转舵机运转。

34、更进一步地，所述扑翼收缩机构包括收缩传动杆、收缩连杆、v形摇杆、中段扑翼、外段扑翼、扑翼连接器、收缩滑动杆、滑轨、人工羽毛、连接器延伸杆以及扑翼曲柄；

35、所述收缩传动杆穿过所述机架，一端与所述收缩舵机连接，另一端设置有收缩曲柄；所述收缩曲柄、所述收缩连杆、所述v形摇杆、所述中段扑翼以及所述扑翼连接器依次转动连接；

36、所述滑轨采用悬臂结构，内端部固定连接于所述机架的侧面，外端部朝向背离所述收缩曲柄的方向延伸；所述滑轨具有沿水平方向延伸的滑槽；

37、所述v形摇杆的中部折弯处通过固定杆转动安装于所述机架；

38、所述收缩滑动杆滑动配合地安装于所述滑轨的滑槽内，并与所述中段扑翼转动连接；所述收缩舵机通过所述收缩传动杆、所述收缩曲柄和所述收缩连杆驱动所述v形摇杆作往复摆动，从而带动所述中段扑翼完成收缩-展开运动；

39、所述外段扑翼固定连接于所述扑翼连接器背离所述中段扑翼的一端；

40、所述中段扑翼和所述外段扑翼的底端均匀分布有所述人工羽毛；

41、所述连接器延伸杆的一端转动连接于所述扑翼连接器，另一端与所述扑翼曲柄的一端转动连接；

42、所述扑翼曲柄的另一端转动连接于所述v形摇杆。

43、更进一步地，所述扑动机构包括固定锥齿轮、结构固定杆、从动锥齿轮、姿态转换传动杆、姿态转换连杆以及姿态转换摇杆；

44、所述结构固定杆沿竖直方向设置，底端固定安装于所述底座的顶面，顶端固定安装有所述固定锥齿轮，中部贯穿所述机架设置；

45、所述从动锥齿轮能够转动地安装于所述机架朝向所述侧板的一侧，并与所述固定锥齿轮啮合；

46、所述姿态转换传动杆穿过所述机架，一端与所述驱动电机连接，另一端设置有姿态转换曲柄；

47、所述姿态转换曲柄、所述姿态转换连杆以及所述姿态转换摇杆依次转动连接；

48、所述姿态转换摇杆的另一端与所述从动锥齿轮同轴固定连接。

49、更进一步地，所述外段扑翼为分段结构，包括依次连接的第一外段扑翼、第二外段扑翼以及第三外段扑翼；

50、所述第一外段扑翼背离所述第二外段扑翼的一端固定连接于所述扑翼连接器；

51、在所述第一外段扑翼、所述第二外段扑翼以及所述第三外段扑翼的底端均固定安装有所述人工羽毛。

52、更进一步地，所述攀附机构包括末端连接件、固定架、抓取舵机、外套筒、传动套筒、连接套筒、动力元件、传动组件以及夹具；

53、所述末端连接件的一端部与所述固定架固定连接，另一端部与所述抓取舵机固定连接；

54、所述固定架固定安装于所述外套筒的一端部；

55、所述抓取舵机固定安装于所述龙骨，并与所述飞控板信号连接，用于调节所述夹具的角度；

56、所述外套筒的另一端部通过所述连接套筒与所述传动套筒固定连接，所述外套筒、所述连接套筒以及所述传动套筒同轴设置；

57、所述夹具能够自动闭合地安装于所述传动套筒远离所述连接套筒的一端部；

58、所述动力元件固定安装于所述外套筒内；

59、所述传动组件传动连接于所述动力元件与所述夹具之间，用于通过所述动力元件产生的动力使所述夹具张开。

60、另外，本发明还提供了一种高仿生度仿鸟扑翼飞行器的使用方法，该使用方法包括以下步骤：

61、起飞阶段，飞控板接收起飞指令，姿态传感器检测飞行器姿态并传入飞控板，飞控板对比当前姿态和飞行指令后发出抓取指令和扑动指令；攀附机构根据抓取指令调整起飞角度并模仿鸟类蹬地的动作，然后松开攀附物；仿生机翼根据扑动指令执行扑动动作，在攀附机构松开攀附物后增加升力输出进行起飞；起飞后攀附机构根据抓取指令再次收紧，并模仿鸟类将攀附机构收起；

62、飞行阶段，姿态传感器将飞行器的实时姿态信息传递至飞控板；飞控板根据飞行器的姿态信息和飞行指令发出调整指令；仿生机翼通过执行调整指令来调整机翼的扑动速度、扑动角度、扑动姿态，从而调整飞行器姿态；

63、降落阶段，飞控板接收到降落指令，根据降落地信息和当前姿态计算控制指令，并发出抓取指令和扑动指令；攀附机构根据抓取指令调整降落时夹具角度，同时打开夹具并自锁，在此期间仿生机翼根据扑动指令配合攀附机构运动；攀附机构调整完成后，仿生机翼根据扑动指令降落，降落瞬间攀附机构自动完成抓握；飞行器抓握成功后收起仿生机翼。

64、有益效果：

65、1、仿鸟扑翼飞行器通过仿生身体、仿生尾部、仿生机翼和仿生头部的配合形成仿鸟外形，仿生身体采用流线型外壳，优化了空气动力学性能，提高了能量的利用率，仿生机翼可以模仿鸟类的翅膀实现扑动、扭转、收折功能和翼尖“8”字轨迹运动，模仿鸟类飞行动作，大大提高了仿生度，攀附机构可以使仿鸟扑翼飞行器灵活攀附在杆状物上，提高了仿鸟扑翼飞行器的环境适应能力，克服了现有仿鸟扑翼飞行器的机翼只能实现上下简单扑动、无法进行降落、能源利用率低、环境适应性差的技术问题。

66、2、仿鸟扑翼飞行器通过头部摆动机构实现仿生头部在水平和竖直方向的摆动，同时通过尾部摆动机构实现仿生尾部在水平和竖直方向的摆动，通过头尾的摆动有利于实现飞行过程中的升力控制和整体平衡。

67、3、仿鸟扑翼飞行器的仿生机翼通过扑翼收缩机构能够实现扑翼的收叠及展开，通过扑动机构实现扑翼的扑动，通过旋转传动杆实现扑翼的转动，从而能够增加扑翼的运动自由度，实现增强仿生度的同时提高气动效率，提高能源利用效率。

68、4、仿鸟扑翼飞行器的攀附机构通过夹具实现了对杆状物的大握力攀附，使飞行器具备常见环境下的暂栖能力，实现超长待机，大大增加任务执行时间。

69、5、上述仿鸟扑翼飞行器可应用于未来战场，具备态势感知、攀附长时待机侦察、战地组网等能力，对适应新形态战争，提高作战效能具有重要的战略意义。