一种可悬停的无尾扑翼飞行器及其控制方法与流程

本发明属于扑翼飞行器，涉及一种可悬停的无尾扑翼飞行器及其控制方法。

背景技术：

1、在扑翼飞行器领域研究中，可悬停扑翼飞行器是一个重要研究方向。无尾扑翼相较于有尾扑翼，有着更强的飞行稳定性和运动灵活性，能够实现类似于旋翼飞行器的垂直起落、空中悬停、高速换向等运动模式。而相较于使用高速旋转的桨叶提供升力的传统旋翼飞行器，扑翼飞行器也有着飞行噪声低、飞行安全性高以及飞行效率高的优势，在空中巡检、仿生勘测、侦察等方面有着巨大的应用潜力。

2、传统的扑翼飞行器主要以由主翼提供升力和尾翼舵面控制方向的大型仿鸟类扑翼为主，尽管该类飞行器有着飞行负载更大、拥有滑翔飞行姿态能够进一步降低能耗等优势，但是该类扑翼飞行器通过控制尾翼实现飞行转向，仍然存在转弯半径大、运动不灵活和飞行抗扰动性差的缺点。此外，大型扑翼机同时存在无法自主起飞和着陆、飞行机理复杂、难以实现自主飞行控制等问题。

3、因此，能够独立控制翅膀扑动频率、幅度和变形方向的无尾扑翼逐渐成为扑翼飞行器的主要研究方向。但现如今的无尾扑翼飞行器主要以仿小型蜂鸟或者其他双翅昆虫的小型双翼扑翼机为主，通过向下扑动翅膀或者通过来回扑动可变形翼，从而向下推动空气来获取升力。虽然该类型无尾扑翼在一定程度上解决了无尾扑翼飞行灵活性差的问题，能够在一定程度上实现类似于旋翼飞行器的悬停和垂直起落的空中运动模式，但是这种飞行器多通过压电制动器或者小型电机驱动仿生翅翼实现运动，无法承载大容量的储能电池，仍存在着负载较小、续航短、对于材料和重量要求严格、制造难度大等缺陷。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种可悬停的无尾扑翼飞行器及其控制方法，降低无尾扑翼的设计制造难度和控制难度，进一步提升无尾扑翼飞行器的负载能力、悬停稳定性、运动灵活性以及续航能力，其具体技术方案如下：

2、一种可悬停的无尾扑翼飞行器，包括碳杆骨架、扑翼组件、控制组件、舵机变向组件，所述扑翼组件对称安装在碳杆骨架两侧，所述控制组件固定安装在碳杆骨架上并通过信号线连接控制舵机变向组件，所述扑翼组件包括：齿轮减速组、翅膀连接摇杆、扑翼翅膀、空心杯电机、下翼摇杆和电机支承板，所述扑翼翅膀通过翅膀连接摇杆与齿轮减速组相连，空心杯电机安装在电机支承板上并驱动连接所述齿轮减速组，进而驱动翅膀连接摇杆来带动扑翼翅膀运动，所述下翼摇杆与扑翼翅膀的两翼面中心的碳杆翼脉下缘固连；所述舵机变向组件包括：两个作齿轮啮合运动的减速组连接板以及分别安装在碳杆骨架头部和尾部的上方舵机和下方舵机，所述减速组连接板的外端部与所述电机支承板通过锁扣方式固定连接，所述上方舵机驱动连接所述的减速组连接板，从而控制扑翼组件，通过调整上方舵机角度控制飞行器俯仰角的转动，所述下方舵机的联轴器和下翼摇杆平行绑定，通过调整下方舵机角度控制飞行器偏航角的转动。

3、进一步的，所述扑翼翅膀是由聚酯薄膜翼面和不同尺寸的碳杆翼脉组成的双翼翅膀布置结构，所述齿轮减速组、翅膀连接摇杆、空心杯电机与扑翼翅膀的驱动配合运行为拍击闭合冲程的活动。

4、进一步的，所述电机支撑板带有环形夹持结构，所述空心杯电机过盈配合连接在该环形夹持结构中。

5、进一步的，所述空心杯电机末端带有连轴齿轮，所述齿轮减速组包括一个减速齿轮、两个啮合连接的曲柄齿轮和两个齿轮连杆；所述空心杯电机通过其末端连轴齿轮驱动连接减速齿轮；所述减速齿轮与电机支承板间通过圆柱销钉进行过盈配合连接同时驱动连接其中的一个曲柄齿轮；两个齿轮连杆的一端通过圆柱销钉分别与两个曲柄齿轮过盈配合连接，另一端与翅膀连接摇杆固定连接；当空心杯电机运行后驱动减速齿轮转动，进而驱动曲柄齿轮带动齿轮连杆运动，经过两级齿轮减速驱使翅膀连接摇杆进行往复运动。

6、进一步的，其中一个减速连接板的中段设有螺栓孔，所述舵机变向组件还包括：上舵机支承板、下舵机支承板和舵机联轴器，所述上方舵机通过上舵机支承板固连于碳杆骨架头部，上方舵机的输出轴通过舵机联轴器连接所述的中段设有螺栓孔的减速组连接板，通过上方舵机输出驱使两个减速组连接板作齿轮啮合运动；所述下方舵机通过下舵机支承板固定于主体碳杆尾部。

7、进一步的，所述碳杆骨架上还通过过盈配合固定设置有减速组支承板，所述减速组连接板与减速组支承板间通过螺栓和螺母进行连接。

8、进一步的，所述控制组件包括：电池、小型飞控、主控连接板和电池连接板，所述小型飞控和电池分别通过主控连接板和电池连接板与碳杆骨架固连，并通过信号线连接控制所述的空心杯电机、上方舵机和下方舵机。

9、进一步的，所述电池用于为飞行器供电，所述小型飞控带有六轴陀螺仪，经过数据采集和解算得到飞行器的姿态角、三轴加速度和三轴加速度数据，并通过串级pid控制方法实现飞行器绕姿态角转轴运动的角速度环和角度环的闭环，从而实现该飞行器的自主飞行运动控制。

10、一种可悬停的无尾扑翼飞行器的控制方法，利用带有六轴陀螺仪的小型飞控，经过数据采集和解算得到飞行器的姿态角、三轴加速度和三轴加速度数据，并通过串级pid控制方法实现飞行器绕姿态角转轴运动的角速度环和角度环的闭环，从而通过信号线对对称安装在碳杆骨架两侧的扑翼组件进行独立控制，通过调整空心杯电机的输出控制飞行器在竖直方向的运动，协调飞行器的起飞、悬停和降落进程，通过调整下方舵机角度来调整偏航角以及调整上方舵机角度来调整俯仰角的大小调整升力在水平方向上的分量，从而实现水平方向的自主运动。

11、本发明的优势和有益效果在于：

12、（1）本发明给出了一种可悬停的无尾扑翼飞行器的设计及控制方法，完成了主体碳杆支架、薄膜翼面、减速组、舵机变向组件的结构设计和小型飞控的硬件设计，实现了小型扑翼飞行器的空中独立运动控制，能够较好的地实现扑翼飞行器垂直起落、悬停和空中移动功能，相较于传统的有尾扑翼飞行器更加灵活，能够承载更多的负载，拥有较长的续航时间。

13、（2）本发明设计的扑翼翅膀采用了梯形的翅膀外缘，并使用0.3mm的碳杆翼脉加固梯形翼面的底边和斜对角线，保证翅膀扑动刚度的同时，能够最大程度地保留翼面扇动时的被动变形，提高升力效率。

14、（3）本发明设计的减速组机构采用空心杯电机驱动，和减速组间通过过盈配合连接，最大程度地减少了驱动机构的重量，减速组部分的输出摇杆最大可以提供90度的翼面冲程角度，有效改善了无尾扑翼飞行器在翅膀高速扑动过程中上下缘变形过快导致下缘翼面卷曲，丢失升力的问题。

15、（4）本发明的舵机变向组件通过改变对侧两翼中心平面和初始中心平面的二面角控制扑翼飞行器在横滚角的运动，同时通过舵机控制翼面下缘变形方向控制偏航角的运动，相较于通过直接控制无尾扑翼翅膀运动幅度和相位实现独立控制的控制方法更加稳定和灵活，有较快的响应速度。

技术特征：

1.一种可悬停的无尾扑翼飞行器，包括碳杆骨架（1）、扑翼组件、控制组件、舵机变向组件，所述扑翼组件对称安装在碳杆骨架（1）两侧，所述控制组件固定安装在碳杆骨架（1）上并通过信号线连接控制舵机变向组件，其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种可悬停的无尾扑翼飞行器，其特征在于：所述扑翼翅膀（4）是由聚酯薄膜翼面和不同尺寸的碳杆翼脉组成的双翼翅膀布置结构，所述齿轮减速组（2）、翅膀连接摇杆（3）、空心杯电机（7）与扑翼翅膀（4）的驱动配合运行为拍击闭合冲程的活动。

3.如权利要求1所述的一种可悬停的无尾扑翼飞行器，其特征在于：所述电机支撑板（15）带有环形夹持结构，所述空心杯电机（7）过盈配合连接在该环形夹持结构中。

4.如权利要求1所述的一种可悬停的无尾扑翼飞行器，其特征在于：所述空心杯电机（7）末端带有连轴齿轮，所述齿轮减速组（2）包括一个减速齿轮（16）、两个啮合连接的曲柄齿轮（17）和两个齿轮连杆（18）；所述空心杯电机（7）通过其末端连轴齿轮驱动连接减速齿轮（16）；所述减速齿轮（16）与电机支承板（15）间通过圆柱销钉（19）进行过盈配合连接同时驱动连接其中的一个曲柄齿轮（17）；两个齿轮连杆（18）的一端通过圆柱销钉（19）分别与两个曲柄齿轮（17）过盈配合连接，另一端与翅膀连接摇杆（3）固定连接；当空心杯电机（7）运行后驱动减速齿轮（16）转动，进而驱动曲柄齿轮（17）带动齿轮连杆（18）运动，经过两级齿轮减速驱使翅膀连接摇杆（3）进行往复运动。

5.如权利要求1所述的一种可悬停的无尾扑翼飞行器，其特征在于：其中一个减速连接板（8）的中段设有螺栓孔，所述舵机变向组件还包括：上舵机支承板（6）、下舵机支承板（11）和舵机联轴器（20），所述上方舵机（12）通过上舵机支承板（6）固连于碳杆骨架（1）头部，上方舵机（12）的输出轴通过舵机联轴器（20）连接所述的中段设有螺栓孔的减速组连接板（8），通过上方舵机（12）输出驱使两个减速组连接板（8）作齿轮啮合运动；所述下方舵机（24）通过下舵机支承板（11）固定于主体碳杆（1）尾部。

6.如权利要求1所述的一种可悬停的无尾扑翼飞行器，其特征在于：所述碳杆骨架（1）上还通过过盈配合固定设置有减速组支承板（23），所述减速组连接板（8）与减速组支承板（23）间通过螺栓（21）和螺母（22）进行连接。

7.如权利要求1所述的一种可悬停的无尾扑翼飞行器，其特征在于：所述控制组件包括：电池（5）、小型飞控（9）、主控连接板（13）和电池连接板（14），所述小型飞控（9）和电池（5）分别通过主控连接板（13）和电池连接板（14）与碳杆骨架（1）固连，并通过信号线连接控制所述的空心杯电机（7）、上方舵机（12）和下方舵机（24）。

8.如权利要求7所述的一种可悬停的无尾扑翼飞行器，其特征在于：所述电池（5）用于为飞行器供电，所述小型飞控（9）带有六轴陀螺仪，经过数据采集和解算得到飞行器的姿态角、三轴加速度和三轴加速度数据，并通过串级pid控制方法实现飞行器绕姿态角转轴运动的角速度环和角度环的闭环，从而实现该飞行器的自主飞行运动控制。

9.一种采用权利要求1~8任意一项所述的一种可悬停的无尾扑翼飞行器的控制方法，其特征在于：利用带有六轴陀螺仪的小型飞控（9），经过数据采集和解算得到飞行器的姿态角、三轴加速度和三轴加速度数据，并通过串级pid控制方法实现飞行器绕姿态角转轴运动的角速度环和角度环的闭环，从而通过信号线对对称安装在碳杆骨架（1）两侧的扑翼组件进行独立控制，通过调整空心杯电机（7）的输出控制飞行器在竖直方向的运动，协调飞行器的起飞、悬停和降落进程，通过调整下方舵机（24）角度来调整偏航角以及调整上方舵机（12）角度来调整俯仰角的大小调整升力在水平方向上的分量，从而实现水平方向的自主运动。

技术总结本发明属于扑翼飞行器技术领域，涉及一种可悬停的无尾扑翼飞行器及其控制方法，该飞行器包括碳杆骨架、扑翼组件、控制组件、舵机变向组件，所述扑翼组件对称安装在碳杆骨架两侧，控制组件固定安装在碳杆骨架上并通过信号线连接控制舵机变向组件，舵机变向组件包括分别安装在碳杆骨架头部和尾部的上方舵机和下方舵机，通过调整上方舵机角度控制飞行器俯仰角的转动，通过调整下方舵机角度控制飞行器偏航角的转动。本发明的飞行器实现了空中悬停和自主控制功能，且制作简单，结构紧凑，柔性翅膀保证了飞行过程的低噪声和飞行安全性，在空中巡检、侦察等应用场景中拥有较大潜力。技术研发人员：徐翔宇,王进,陈一凯,蔡奇峰,郑植,于欢,陆国栋受保护的技术使用者：余姚市机器人研究中心技术研发日：技术公布日：2024/7/9