[发明专利]基于十字轴铰链的仿生三维扑动扑翼飞行器及驱动方法

说明书

本发明提供一种基于十字轴铰链的仿生三维扑动扑翼飞行器及驱动方法，基于十字轴铰链的仿生三维扑动扑翼飞行器包括机架(1)、扑动驱动机构(2)、左扑动翼(4)、右扑动翼(5)、折叠控制机构和尾翼(6)；折叠控制机构包括折叠控制器(5)、第1折叠连杆(5D)和第2折叠连杆(5E)。扑动和折叠运动，周期相同，相位差90度。优点为：(1)机翼在下扑时完全展开，在上扑时适当折叠，此种运动能够更接近于鸟类动作，具有仿生程度高、气动效率高、有效载荷大以及机动性好等优点。(2)扑翼过程和折叠过程共用同一个电机驱动，简化了系统的复杂度。

技术领域

本发明属于仿生飞行器技术领域，具体涉及一种基于十字轴铰链的仿生三维扑动扑翼飞行器及驱动方法。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器，它具有体积小、重量轻、机动灵活、效率高等优势，若搭载传感器和相关的数据传输和飞行控制系统，形成微型扑翼无人机平台，就会具有广阔的应用前景。围绕这一课题，各国已经研制出了可控飞行的扑翼飞行器，其中较成功的有美国AeroVironment公司与加利福尼亚大学合作的“Microbat”以及荷兰Delft大学的“Delfly”等，但这些扑翼飞行器距离实用无人机系统的飞行器平台都有一定的距离。

现有扑翼技术普遍存在气动效率低、机动性较差、载荷较小等缺陷，与自然界中如鸟类一类的飞行生物的高效率、高机动性、相对较强的负载能力等特性还有较大的差距，使得这项技术难以实用化。这是因为扑翼的驱动机制多为单纯的上下扑动，与自然界中飞行生物包含折叠、扫掠等灵活自如的扑动方式相去甚远。

对于鸟类和昆虫飞行的相关研究表明，生物扑翼产生“拍飞(Clap-Fling)”、“延时失速(DelyedStall)”、“旋转环流(RotationalCirculation)”和“尾流捕获(WakeCapture)”四种产生大升力的机理，其中“拍飞”和“延时失速”是扑动机翼固有的升力机理，而“旋转环流”和“尾流捕获”是扑翼旋转产生的效果，因此，模仿鸟类的复杂扑动模式有助于提高气动效率。

现有微型扑翼飞行器大多通过复杂的扑翼驱动机构实现扑翼的复合运动，对于鸟类动作的模仿往往不够全面，仿生程度不高；亦或者模仿实现了大部分运动，但造成了机构过于复杂，重量牺牲大，可靠性下降的代价。

中国专利“机械鸟的扑动机构”(授权公告号CN201354146Y，授权公告日2009年12月2日)公开了一种模拟飞鸟展翅飞行的具有三自由度的扑动装置。该装置采用三个电机分别驱动曲柄摇杆机构、齿轮齿环机构和齿轮组实现了模仿飞鸟展翅飞行的拍打、扭转和摆动的三自由度运动。其不足之处是整个机构由三个独立的电机控制，给飞行器带来了多余的废重，且三个独立系统在控制中成串联关系，可靠性较低，机构的组成比较复杂，难以轻量化、小型化，在微型扑翼飞行器上应用受限。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于十字轴铰链的仿生三维扑动扑翼飞行器及驱动方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于十字轴铰链的仿生三维扑动扑翼飞行器，包括机架(1)、扑动驱动机构(2)、左扑动翼(4)、右扑动翼(5)、折叠控制机构和尾翼(6)；

所述机架(1)的左右两侧对称安装左扑动翼(4)和右扑动翼(5)；所述扑动驱动机构(2)包括扑动电机以及同时与所述扑动电机的输出轴联动的并且对称设置的左扑动驱动单元和右扑动驱动单元；所述左扑动驱动单元的输出端与所述左扑动翼(4)连接，所述右扑动驱动单元的输出端与所述右扑动翼(5)连接；所述扑动电机同时驱动所述左扑动驱动单元和右扑动驱动单元动作，进而带动所述左扑动翼(4)和所述右扑动翼(5)同时进行扑动动作；