一种新型两段式仿生扑翼飞行器及其飞行控制方法

本发明涉及仿生飞行器，特别是涉及一种新型两段式仿生扑翼飞行器的飞行控制方法。

背景技术：

1、当前，低空小型飞行器主要分为旋翼式与扑翼式两类；旋翼式飞行器：虽然应用广泛，但存在明显短板 —— 续航时间短（通常 30 分钟以内）、载荷能力有限、飞行噪音大、隐蔽性差，易被探测识别，难以胜任长时间隐蔽侦查、狭小空间作业等场景。

2、单段式扑翼飞行器：虽相较旋翼式噪音噪音低、隐蔽性强，但仍存在核心缺陷：一是升力不足：翼面结构固定，扑动时上下压力差小，升力有限，无法搭载小型传感器、相机等设备；二是能耗高：单段扑翼运动自由度单一，飞行效率低，维持稳定飞行需消耗大量电能，续航时间甚至短于旋翼飞行器；三是稳定性差：仅能实现简单直线飞行，难以完成悬停、转向、变姿态等复杂动作，抗风能力弱；四是结构僵化：翼面无法自适应调节，不同飞行状态（起飞、巡航、悬停）下气动适配性差。

3、国内外高校与企业对扑翼飞行器展开研究，如哈尔滨工业大学、西北工业大学、德国 festo 公司等，研制的样机多为单段刚性或柔性翼结构，未突破升力与能耗的核心矛盾，且无法实现多姿态灵活飞行。现有扑翼飞行器研究多聚焦于单段刚性或柔性翼结构，未突破升力与能耗的核心矛盾，也未实现对鸟类多段骨骼-羽毛协同运动机制的仿生，无法兼顾长续航、高升力、低噪音与多姿态飞行的综合需求。

技术实现思路

1、本发明针对上述技术存在的不足，提出一种新型两段式仿生扑翼飞行器的飞行控制方法。具体技术方案如下：

2、一种新型两段式仿生扑翼飞行器，包括机身骨架、两段式翅形传动机构、百叶窗式仿生羽毛翼面、微型驱动模块、尾翼控制模块和智能控制模块；

3、所述机身骨架为流线型结构，沿飞行器纵长方向延伸，沿自身长度方向依次设有头部舱、驱动舱和尾翼安装座；所述机身骨架内部设置有中心梁结构，所述中心梁结构沿所述机身骨架的纵长方向布置；用于固定两段式翅形传动机构；

4、所述两段式翅形传动机构对称设于机身骨架两侧，与微型驱动模块传动连接；

5、所述百叶窗式仿生羽毛翼面覆盖于两段式翅形传动机构的表面；

6、所述尾翼控制模块安装于机身骨架的尾翼安装座，与智能控制模块电性连接；

7、所述微型驱动模块和智能控制模块集成于机身骨架的驱动舱内，智能控制模块分别与微型驱动模块、两段式翅形传动机构电性连接。

8、所述的一种新型两段式仿生扑翼飞行器，其优选方案为，所述两段式翅形传动机构包括同轴齿轮组、曲柄连杆、翼骨架第一段、翼骨架第二段和双维度调节舵机；

9、所述同轴齿轮组包含一对相互啮合且同轴布置的齿轮；同轴齿轮组安装于机身骨架中部的驱动舱内，与微型驱动模块的输出端啮合；曲柄连杆的一端与同轴齿轮组的输出轴铰接，另一端与翼骨架第二段铰接；

10、所述第一段翼骨架为靠近机身段，所述第二段翼骨架为远离机身段，两段通过旋转关节转动铰接；

11、所述双维度调节舵机固定于第一段翼骨架上，其输出端与第二段翼骨架连接，且与智能控制模块电性连接；所述第二段翼骨架能够在双维度调节舵机的驱动下绕旋转关节转动以调节攻角；

12、所述翼骨架第一段和翼骨架第二段为两组对称设置与机身骨架的左右两侧，同轴齿轮组通过曲柄连杆同步驱动两组翼骨架第一段和翼骨架第二段作对称扑动。

13、所述的一种新型两段式仿生扑翼飞行器，其优选方案为，所述百叶窗式仿生羽毛翼面包括多组独立翼面单元，各翼面单元沿翼骨架第一段和翼骨架第二段的纵长方向呈百叶窗式排列，每个翼面单元的边缘通过微型转轴与翼骨架第一段和翼骨架第二段连接，所述翼面单元能够绕微型转轴自由转动；

14、当翼骨架第一段和翼骨架第二段向下扑动时，翼面单元受空气压力作用相互闭合，形成连续完整百叶窗式仿生羽毛翼面；当翼骨架第一段和翼骨架第二段向上扇动时，翼面单元受空气压力作用相互张开，形成间隙结构；

15、所述翼面单元采用柔性聚酯薄膜材料制成。

16、所述的一种新型两段式仿生扑翼飞行器，其优选方案为，所述驱动模块包括微型直流电机、减速齿轮组和电源管理单元；

17、所述微型直流电机的功率为5w至10w，其输出轴与减速齿轮组的输入轴传动连接，所述减速齿轮组的输出轴与两段式翅形传动机构的同轴齿轮组啮合；

18、所述电源管理单元包括可充电锂电池，可充电锂电池的电压为3.7v、容量≥1000mah，且支持快充，续航时间≥60min，设置于机身骨架内部并与微型直流电机、智能控制模块电性连接，为整机供电；

19、所述减速齿轮组为多级减速齿轮组，微型直流电机的高转速经减速齿轮组减速后驱动同轴齿轮组，使翼骨架第一段和翼骨架第二段的扑动频率为5次/s至10次/s。

20、所述的一种新型两段式仿生扑翼飞行器，其优选方案为，所述尾翼控制模块包括碳纤维材质的尾翼骨架、两个尾翼舵机和柔性薄膜材质的尾翼面；所述尾翼骨架固定于机身骨架尾部的尾翼安装座上，两个尾翼舵机分别安装于尾翼骨架水平方向和垂直方向，一个尾翼舵机控制尾翼面的水平偏转，另一个尾翼舵机控制尾翼面的垂直偏转，两个尾翼舵机均与智能控制模块电性连接。

21、所述的一种新型两段式仿生扑翼飞行器，其优选方案为，所述智能控制模块采用感知-决策-执行分层架构，包括微型控制器、姿态传感器、无线通信模块和摄像头；

22、所述微型控制器安装于机身骨架内部；

23、所述姿态传感器集成陀螺仪与加速度计，设置于机身骨架上，与微型控制器的信号输入端电连接，用于实时采集飞行器姿态数据并发送至微型控制器；

24、所述无线通信模块与微型控制器的信号输入端电连接，摄像头搭载于机身骨架的头部舱内并与微型控制器的信号输入端电连接；

25、所述微型控制器的控制信号输出端分别与微型直流电机、双维度调节舵机、尾翼舵机电连接；

26、所述无线通信模块支持2.4g无线传输，其远程控制距离≥500m；所述摄像头为高清微型摄像头，用于实时采集并回传影像数据。

27、所述的一种新型两段式仿生扑翼飞行器，其优选方案为，所述机身骨架采用碳纤维与3d打印pla环保材料复合成型，整机重量小于等于500g。

28、一种新型两段式仿生扑翼飞行器的飞行控制方法，包括以下步骤：

29、s1：启动准备；

30、电源管理单元上电，为各用电模块供电，微型控制器完成初始化并使姿态传感器完成自检，通过所述无线通信模块接收远程终端发送的起飞指令；

31、s2：起飞阶段；

32、微型控制器接收到起飞指令后，控制微型驱动模块启动，所述微型直流电机经所述减速齿轮组驱动所述同轴齿轮组旋转，所述同轴齿轮组通过所述曲柄连杆带动左右两侧的翼骨架第一段和翼骨架第二段以第一预设频率上下往复扑动，

33、同时所述微型控制器控制所述双维度调节舵机驱动翼骨架第二段绕所述旋转关节转动至第一预设攻角，使各所述翼面单元在向下扑动时合拢以产生升力，飞行器垂直起飞；

34、s3：巡航阶段；

35、飞行器达到预设高度后，所述微型控制器控制所述微型直流电机减速，使所述翼骨架第一段和翼骨架第二段以第二预设频率扑动，所述第二预设频率小于所述第一预设频率，所述微型控制器控制所述双维度调节舵机将所述翼骨架第二段调节至第二预设攻角，所述第二预设攻角小于所述第一预设攻角，所述姿态传感器实时采集飞行姿态数据并反馈至所述微型控制器，所述微型控制器根据所述飞行姿态数据调节所述尾翼舵机使飞行器保持水平巡航状态；

36、s4：悬停阶段；

37、所述微型控制器控制所述微型直流电机使所述翼骨架第一段和翼骨架第二段以第三预设频率小幅扑动，所述第三预设频率介于所述第一预设频率与所述第二预设频率之间，同时所述微型控制器根据所述姿态传感器采集的姿态数据动态调节所述双维度调节舵机以改变翼骨架第一段和翼骨架第二段的攻角，并配合调节所述尾翼舵机使飞行器保持空中定点悬停；

38、s5：姿态调节；

39、所述微型控制器通过所述无线通信模块接收远程终端发送的姿态调节指令，根据所述姿态调节指令控制所述尾翼舵机使尾翼面发生偏转，同时调节两段式翅形传动机构的扑动频率和攻角，完成转向、俯仰、侧倾姿态动作；

40、s6 ：降落阶段；

41、所述微型控制器通过所述无线通信模块接收远程终端发送的降落指令后，控制所述微型直流电机降低转速使所述翼骨架第一段和翼骨架第二段的扑动频率逐渐减小，同时控制所述双维度调节舵机将所述翼骨架第一段和翼骨架第二段的攻角减小至第三预设攻角，飞行器缓慢下降着陆后切断整机电源。

42、有益效果

43、本装置采用双维度两段式翅形结构，通过上下扑动与攻角调节两个自由度，解决了传统单段扑翼飞行器自由度不足、姿态单一、气动效率低、难以悬停和灵活转向的问题；采用百叶窗式仿生羽毛翼面，通过下扑合拢增大升力、上扑张开减小阻力的自适应开合结构，解决了现有扑翼升力不足、能耗高、上下压力差小、续航短的问题；采用单电机同轴齿轮同步驱动双侧翅膀，解决了双电机驱动结构复杂、成本高、两侧扑动不同步、故障率高的问题；采用碳纤维与pla环保材料复合的轻量化机身，解决了整机重量大、载荷低、续航受限、结构强度不足的问题；采用姿态传感器与智能控制器构成闭环控制系统，配合尾翼双舵机调节，解决了飞行稳定性差、抗风能力弱、操控精度低、易失控的问题；采用模块化可拆卸设计，解决了传统飞行器维修困难、维护成本高、功能难以拓展、适配场景单一的问题；采用低噪音仿生扑动结构，解决了旋翼飞行器噪音大、隐蔽性差、易被探测识别、不适合隐蔽作业的问题。