一种自主滑翔扑翼飞行器与控制方法

本发明涉及扑翼飞行器，具体是涉及一种自主滑翔扑翼飞行器与控制方法。

背景技术：

1、自然界中的鸟类在飞行过程中借助上升气流在空中盘旋上升和长时间的翱翔。仿鸟扑翼飞行器模仿鸟类飞行的方式，如果仿鸟扑翼飞行器在空中执行任务过程中能够检测到任务区域的上升气流，调整姿态借助上升气流爬升，到达一定高度后进行滑翔，通过扑翼-滑翔模式相结合可减少能量损耗，提升续航时间。

2、目前大部分扑翼飞行器仅仅模仿鸟类翅膀拍打提供升力和推力，飞行方式单一。少部分具有滑翔机构的扑翼飞行器，虽能进行空中滑翔，但还未具备自主寻找上升气流的功能，无法借助上升气流爬升获得更高的滑翔初始高度，且受限于固定的尾翼面积，其在不同气压梯度下适应复杂气流状况的能力有待提高。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，提供一种自主滑翔扑翼飞行器与控制方法，本技术方案解决了上述背景技术中提出的目前大部分扑翼飞行器仅仅模仿鸟类翅膀拍打提供升力和推力，飞行方式单一。少部分具有滑翔机构的扑翼飞行器，虽能进行空中滑翔，但还未具备自主寻找上升气流的功能，无法借助上升气流爬升获得更高的滑翔初始高度的问题。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种自主滑翔扑翼飞行器，包括机身，所述机身的左右两侧均安装有翅膀，所述机身的头部设置有驱动机构和滑翔锁定机构，所述机身的尾部安装有可折叠尾翼，所述滑翔锁定机构用于该飞行器在扑翼和滑翔模式之间自由切换，所述可折叠尾翼用于改变尾翼阻力和控制力矩，且两组所述翅膀之间设置有飞控模块，所述飞控模块安装在机身的顶部，所述机身由两块碳纤维板组成，两块碳纤维板之间通过螺柱套筒连接，所述碳纤维板上还固定连接有传感器支架，所述传感器支架上设置有空速管，且所述飞控模块包括处理器、六轴传感器、气压传感器、gps模块和电子罗盘。

4、优选的，所述驱动机构包括扑翼电机和传动装置，所述扑翼电机通过传动装置带动两个翅膀扑动。

5、优选的，所述滑翔锁定机构包括霍尔角度编码器底座和霍尔角度编码器探头，两组所述碳纤维板之间设置有二级传动轴，所述二级传动轴外表面固定连接有磁环和霍尔角度编码器底座，且所述霍尔角度编码器底座上安装有霍尔角度编码器探头，且所述磁环的侧面与霍尔角度编码器探头垂直。

6、优选的，所述滑翔锁定机构还包括棘爪、橡胶滚轮和凸轮，所述棘爪一端安装在碳纤维板的尾部，所述棘爪另一端与橡胶滚轮转动连接，两块所述碳纤维板之间固定安装有尾翼碳杆固定支座，所述尾翼碳杆固定支座上固定连接有拉力弹簧，所述拉力弹簧另一端与棘爪固定连接，所述凸轮固定安装在二级传动轴的外表面，所述橡胶滚轮始终与凸轮表面贴合，且所述凸轮表面设置有缺口，且所述二级传动轴的外表面还固定连接有二级齿轮，所述凸轮外侧设置有止推环。

7、优选的，所述可折叠尾翼包括尾翼安装支座、微型舵机、舵机齿轮、减速齿轮、一级翼片、二级翼片、固定翼片、连接碳条、第一转动连杆、第二转动连杆、第三转动连杆和第四转动连杆，所述尾翼碳杆固定支座外侧开设有孔洞，且所述孔洞内部穿设有尾翼连接碳杆，且所述尾翼连接碳杆的一端安装有尾翼安装支座，所述微型舵机设置在尾翼安装支座上，所述微型舵机输出端固定连接有舵机齿轮，所述第一转动连杆和第四转动连杆一端与尾翼安装支座转动连接，所述第一转动连杆和第四转动连杆的另一端通过第一连杆和第二连杆与减速齿轮转动连接，其中一组所述减速齿轮与舵机齿轮啮合，所述第二转动连杆和第三转动连杆的一端也与尾翼安装支座转动连接，且所述第二转动连杆和第三转动连杆的外表面贯穿开设有滑槽，所述滑槽内部滑动连接有滑块。

8、优选的，两组所述滑块的底部分别转动连接有第一连接杆和第四连接杆，且所述第一连接杆和第四连接杆的另一端分别与第一转动连杆和第四转动连杆转动连接，两组所述滑块的顶部分别转动连接有第二连接杆和第三连接杆。

9、优选的，所述尾翼安装支座上通过螺栓固定连接有u型固定碳板，所述第二连接杆和第三连接杆的另一端分别与u型固定碳板两侧转动相连，且所述一级翼片、二级翼片、固定翼片通过所述连接碳条分别固定在第一转动连杆、第二转动连杆、第三转动连杆、第四转动连杆和u型固定碳板末端的凹槽上。

10、一种自主滑翔扑翼飞行器的控制方法，括如下步骤：

11、s1、通过气压传感器获取实时高度h，设定滑翔安全高度h1、最小滑翔高度h2、限制盘旋高度h3；

12、s2、扑翼飞行器起飞，到达h1后继续爬升，翅膀频率降到1～3hz；

13、s3、当扑翼飞行器接近h2，通过霍尔角度编码器探头检测二级齿轮的转动角度，从而计算出翅膀的角速度，当翅膀角速度小于0，翅膀位于下扑行程，设置凸轮角度为θ1和θ2之间的缓冲区域，当凸轮转动到θ1时控制电机刹车，凸轮上的缺口刚好越过橡胶滚轮位置，在翅膀不超过θ2时由于翅膀受向上的气动力带动二级传动轴反转，凸轮上的缺口被动锁定在棘爪的橡胶滚轮上，此时扑翼飞行器的翅膀的角度被固定且翼展最大；若此过程翅膀超出最小目标角度θ2时，重新开启电机，以低速状态重复此步骤；

14、s4、在翅膀停止扑动的情况下通过扑翼飞行器的垂直速度判断是否在上升热气流区域，若时间t内vh>0，扑翼飞行器保持一定的攻角在空中进行盘旋接近上升热气流区域中心，到达h3后开始俯冲进入滑翔模式；若时间t内vh<0，扑翼飞行器提前进入滑翔状态；扑翼飞行器滑翔高度低于h1则重新开启电机，进入扑翼模式。

15、优选的，在s3中当二级齿轮角度即为凸轮转动角度，二级齿轮转动一圈则翅膀扑动一个周期，可通过二级齿轮转动角度算出翅膀角度，从而解算出翅膀的角速度；翅膀因环境影响无法达到目标翼展时可在电机低速时重复此步骤；且在s4中当扑翼飞行器在vh>0时，寻找上升热气流保持高度，在vh<0时，势能转化为动能获得较远水平距离的滑翔。

16、优选的，通过空速管检测空速s和飞控模块检测地速g，计算风速w＝g-s，通过不同风速改变尾翼微型舵机的pwm值，微型舵机带动一级翼片、二级翼片展合，微型舵机转动不同角度对应尾翼不同面积的变化从而改变尾翼阻力和控制力矩。

17、与现有技术相比，本发明提供了一种自主滑翔扑翼飞行器与控制方法，具备以下有益效果：

18、本发明相比于大部分扑翼飞行器，可通过滑翔锁定机构在扑翼和滑翔模式之间自由切换，结构简单，容易实现。相比于已有的少部分滑翔扑翼飞行器，可利用上升气流进行盘旋，同时设置可折叠尾翼改变翼面积从而改变尾翼阻力和控制力矩，适应不同气压梯度下的复杂气流状况，提高样机的稳定性和机动性，有效提高在空中执行任务的续航时间。

技术特征：

1.一种自主滑翔扑翼飞行器，其特征在于，包括机身，所述机身的左右两侧均安装有翅膀，所述机身的头部设置有驱动机构和滑翔锁定机构，所述机身的尾部安装有可折叠尾翼，所述滑翔锁定机构用于该飞行器在扑翼和滑翔模式之间自由切换，所述可折叠尾翼用于改变尾翼阻力和控制力矩，且两组所述翅膀之间设置有飞控模块，所述飞控模块安装在机身的顶部，所述机身由两块碳纤维板组成，两块碳纤维板之间通过螺柱套筒连接，所述碳纤维板上还固定连接有传感器支架，所述传感器支架上设置有空速管，且所述飞控模块包括处理器、六轴传感器、气压传感器、gps模块和电子罗盘。

2.根据权利要求1所述的一种自主滑翔扑翼飞行器，其特征在于：所述驱动机构包括扑翼电机和传动装置，所述扑翼电机通过传动装置带动两个翅膀扑动。

3.根据权利要求1所述的一种自主滑翔扑翼飞行器，其特征在于：所述滑翔锁定机构包括霍尔角度编码器底座和霍尔角度编码器探头，两组所述碳纤维板之间设置有二级传动轴，所述二级传动轴外表面固定连接有磁环和霍尔角度编码器底座，且所述霍尔角度编码器底座上安装有霍尔角度编码器探头，且所述磁环的侧面与霍尔角度编码器探头垂直。

4.根据权利要求3所述的一种自主滑翔扑翼飞行器，其特征在于：所述滑翔锁定机构还包括棘爪、橡胶滚轮和凸轮，所述棘爪一端安装在碳纤维板的尾部，所述棘爪另一端与橡胶滚轮转动连接，两块所述碳纤维板之间固定安装有尾翼碳杆固定支座，所述尾翼碳杆固定支座上固定连接有拉力弹簧，所述拉力弹簧另一端与棘爪固定连接，所述凸轮固定安装在二级传动轴的外表面，所述橡胶滚轮始终与凸轮表面贴合，且所述凸轮表面设置有缺口，且所述二级传动轴的外表面还固定连接有二级齿轮，所述凸轮外侧设置有止推环。

5.根据权利要求1所述的一种自主滑翔扑翼飞行器，其特征在于：所述可折叠尾翼包括尾翼安装支座、微型舵机、舵机齿轮、减速齿轮、一级翼片、二级翼片、固定翼片、连接碳条、第一转动连杆、第二转动连杆、第三转动连杆和第四转动连杆，所述尾翼碳杆固定支座外侧开设有孔洞，且所述孔洞内部穿设有尾翼连接碳杆，且所述尾翼连接碳杆的一端安装有尾翼安装支座，所述微型舵机设置在尾翼安装支座上，所述微型舵机输出端固定连接有舵机齿轮，所述第一转动连杆和第四转动连杆一端与尾翼安装支座转动连接，所述第一转动连杆和第四转动连杆的另一端通过第一连杆和第二连杆与减速齿轮转动连接，其中一组所述减速齿轮与舵机齿轮啮合，所述第二转动连杆和第三转动连杆的一端也与尾翼安装支座转动连接，且所述第二转动连杆和第三转动连杆的外表面贯穿开设有滑槽，所述滑槽内部滑动连接有滑块。

6.根据权利要求5所述的一种自主滑翔扑翼飞行器，其特征在于：两组所述滑块的底部分别转动连接有第一连接杆、第四连接杆、第二转动连杆和第三转动连杆，且所述第一连接杆和第四连接杆的另一端分别与第一转动连杆和第四转动连杆转动连接，两组所述滑块的顶部分别转动连接有第二连接杆和第三连接杆。

7.根据权利要求6所述的一种自主滑翔扑翼飞行器，其特征在于：所述尾翼安装支座上通过螺栓固定连接有u型固定碳板，所述第二连接杆和第三连接杆的另一端分别与u型固定碳板两侧转动相连，且所述一级翼片、二级翼片、固定翼片通过所述连接碳条分别固定在第一转动连杆、第二转动连杆、第三转动连杆、第四转动连杆和u型固定碳板末端的凹槽上。

8.一种自主滑翔扑翼飞行器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种自主滑翔扑翼飞行器的控制方法，其特征在于，在s3中当二级齿轮角度即为凸轮转动角度，二级齿轮转动一圈则翅膀扑动一个周期，可通过二级齿轮转动角度算出翅膀角度，从而解算出翅膀的角速度；翅膀因环境影响无法达到目标翼展时可在电机低速时重复此步骤；且在s4中当扑翼飞行器在vh>0时，寻找上升热气流保持高度，在vh<0时，势能转化为动能获得较远水平距离的滑翔。

10.根据权利要求8所述的一种自主滑翔扑翼飞行器的控制方法，其特征在于，通过空速管检测空速s和飞控模块检测地速g，计算风速w＝g-s，通过不同风速改变尾翼微型舵机的pwm值，微型舵机带动一级翼片、二级翼片展合，微型舵机转动不同角度对应尾翼不同面积的变化从而改变尾翼阻力和控制力矩。

技术总结本发明公开了一种自主滑翔扑翼飞行器与控制方法，包括机身，所述机身的左右两侧均安装有翅膀，所述机身的头部设置有驱动机构和滑翔锁定机构，所述机身的尾部安装有可折叠尾翼，且两组所述翅膀之间设置有飞控模块，所述飞控模块安装在机身的顶部，所述机身由两块碳纤维板组成，两块碳纤维板之间通过螺柱焊接。相比于大部分扑翼飞行器，可通过滑翔锁定机构在扑翼和滑翔模式之间自由切换，结构简单，容易实现。相比于已有的少部分滑翔扑翼飞行器，可利用上升气流进行盘旋，同时设置可折叠尾翼改变翼面积从而改变尾翼阻力和控制力矩，适应不同气压梯度下复杂气流状况，提高样机的稳定性和机动性，提高在空中执行任务的续航时间。技术研发人员：区浩华,汪超,朱永乐受保护的技术使用者：东莞理工学院技术研发日：技术公布日：2024/11/4