新型的微型仿生飞行器及其仿真分析方法与流程

本发明涉及仿生学技术领域，特别涉及一种新型的微型仿生飞行器及其仿真分析方法。

背景技术：

目前，常规飞行器的雷诺数属于高雷诺数(re>1×10⁶)的范围,难以实现低雷诺数环境下的自由飞行，飞行效率低等诸多缺点。鸟类与昆虫的飞行雷诺数属于低雷诺数(1×10³<re<1×10⁴)的范围，微型飞行器飞行雷诺数相近与鸟类与昆虫(1×10³<re<1×10⁴)。与常规无人飞行器相比，mav具有体积小、重量轻、成本低的飞行平台优势，操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，无论是在军事领域还是在民用领域，都有十分诱人的应用前景，当前国内外对于微型飞行器的应用场景主要为地质测绘、微型侦察、精准监测和灾后搜救等。当前国内外关于柔性结构的气动弹性问题和非线性气动力理论问题研究的不断加深，微型固定翼飞行器和微型旋翼飞行器的技术越来越成熟，但其自身难以克服的缺点也逐渐暴露出来。固定翼飞行器的尺寸较大、机动性差，对于起飞和降落要求较高，且不能实现悬停飞行。旋翼飞行器虽然能够实现悬停飞行，但是仍然存在低雷诺数环境下载荷小、续航能力差、气动效率低等诸多缺陷。

技术实现要素：

根据本发明实施例，提供了一种新型的微型仿生飞行器，包含：

机体，机体的一端设有机头，机体的另一端设有尾翼；

四肢，四肢设置在机体的底部；

一对扑翼，一对扑翼设置在机体的顶部；

四个动力电机，四个动力电机分别设置在四肢远离机体的一端；

四个舵机，四个舵机分别设置在四肢和机体的连接处；

齿轮传动模块，齿轮传递模块设置在机体上，用于传递动力驱动一对扑翼飞行。

进一步，齿轮传动模块包含：

一对减速齿轮，一对减速齿轮相互啮合且转动设置在机体上；

一对驱动齿轮，一对驱动齿轮分别与一对减速齿轮相互啮合且转动设置在机体上；

一对驱动曲柄，一对驱动曲柄的一端分别套装在一对驱动齿轮的轴上；

一对扑动连杆，一对扑动连杆的一端分别设置在一对驱动曲柄的另一端；

一对折展件，一对折展件分别与一对扑动连杆相连接，一对折展件的一端铰接在一起，一对折展件分别连接一对扑翼。

进一步，齿轮传动模块还包含：

一对备用齿轮，一对备用齿轮分别与一对驱动齿轮相互啮合且转动设置在机体上。

进一步，还包含：一对平衡楫翅，一对平衡楫翅设置在机体上，一对平衡楫翅与机体的连接处均设有微型电机。

进一步，机体的另一端设有微型舵机，微型舵机驱动尾翼左右调整。

进一步，四个舵机控制四肢转动90°。

进一步，机体的机身最大直径小于15cm。

进一步，机体、四肢和一对扑翼采用碳纤维材料。

一种新型的微型仿生飞行器的仿真分析方法，包含步骤如下：

分析提取果蝇楫翅平衡原理；

分析提取蝗虫振翼高速飞行原理；

通过果蝇楫翅平衡原理和蝗虫振翼高速飞行原理结合设计新型的微型仿生飞行器；

将新型的微型仿生飞行器进行仿真模拟；

分析新型的微型仿生飞行器的气动、升阻比、稳定性以及应力，得到仿真实验结果；

反馈仿真实验结果，调整优化新型的微型仿生飞行器的结构参数，直到得到最优模型。

进一步，仿真模拟的仿真环境中无gps和全球导航卫星系统信号。

根据本发明实施例的新型的微型仿生飞行器及其仿真分析方法，该微型仿生飞行器对蝗虫进行结构上的仿生，使扑翼和多旋翼相结合，优化了微型仿生飞行器行器的性能；对果蝇的楫翅的结构进行仿生，使其具备灵活转向的能力，使微型飞行器在障碍物密集且错综复杂的狭小空间中飞行地更加灵活，提升了应用空间，为未来微型仿生飞行器的探索提供了一条可行的道路。并且尺寸小，惯性就小，惯性小，发生撞击的可能性就低一些，这样会使得机器更耐用，相比大型机更为可靠。

要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。

附图说明

图1为根据本发明实施例新型的微型仿生飞行器的四肢收拢状态下立体结构示意图；

图2为根据本发明实施例新型的微型仿生飞行器的四肢展开状态下立体结构示意图；

图3为根据本发明实施例新型的微型仿生飞行器的齿轮传动模块主视结构示意图；

图4为根据本发明实施例新型的微型仿生飞行器的齿轮传动模块立体结构示意图；

图5为根据本发明实施例新型的微型仿生飞行器仿真分析方法的流程图；

图6为根据本发明实施例新型的微型仿生飞行器仿真分析方法的仿真流程图。

图7为根据本发明实施例新型的微型仿生飞行器仿真分析方法的仿真实验结构图。

具体实施方式

以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。

首先，将结合图1~4描述根据本发明实施例的新型的微型仿生飞行器，用于解决微型飞行器低雷诺数环境下载荷小、续航能力差、气动效率低等诸多缺点，用于智慧农业、物流交通、安全监控与搜救等的应用场景很广。

如图1~4所示，本发明实施例的新型的微型仿生飞行器，具有机体1、四肢2、一对扑翼3、四个动力电机4、四个舵机（图上未示出）以及齿轮传动模块。

具体地，如图1~2所示，在本实施中，机体1的一端设有机头11，机体1的另一端设有尾翼12；四肢2设置在机体1的底部；一对扑翼3设置在机体1的顶部；通过机体1、四肢2以及一对扑翼3构成微型飞行器的基本组成结构，四个动力电机4分别设置在四肢2远离机体1的一端，用于让飞行器进行多旋翼飞行；四个舵机（图上未示出）分别设置在四肢2和机体1的连接处，用于实现微型飞行器进行扑翼3飞行和多旋翼飞行的切换，齿轮传递模块设置在机体1上，用于传递动力驱动一对扑翼3飞行，实现微型仿生飞行器飞行。

进一步，如图3~4所示，齿轮传动模块包含：一对减速齿轮62、一对驱动齿轮62、一对驱动曲柄63、一对扑动连杆64和一对折展件65。在本实施例中，一对减速齿轮62相互啮合且转动设置在机体1上；一对驱动齿轮62分别与一对减速齿轮62相互啮合且转动设置在机体1上；一对驱动曲柄63的一端分别套装在一对驱动齿轮62的轴上；一对扑动连杆64的一端分别设置在一对驱动曲柄63的另一端；一对折展件65分别与一对扑动连杆64相连接，一对折展件65的一端铰接在一起，且采用球形铰链，一对折展件65分别连接所述一对扑翼3。通过外接电机，驱动一对减速齿轮62运动，带动一对驱动齿轮62转动，使得一对驱动曲柄63转动，再通过一对驱动曲柄63的带动一对扑动连杆64运动，使一对折展件65做周期摆动，从而实现微型飞行器的扑翼3飞行。

进一步，如图3~4所示，在本实施例中，齿轮传动模块还包含：一对备用齿轮66，一对备用齿轮66分别与一对驱动齿轮62相互啮合且转动设置在机体1上，一对备用齿轮66可作为急停和防故障装置，且外接电机，只有在一对减速齿轮62发生故障的时候，可以通过电机让一对备用齿轮66开始运转，保证微型飞行器的正常飞行，也可在特殊情况下，起到急停的作用。

进一步，如图1~2所示，本发明实施例的新型的微型仿生飞行器还包含：一对平衡楫翅7，一对平衡楫翅7设置在机体1上，一对平衡楫翅7与机体1的连接处均设有微型电机，可以在多旋翼形态是控制方向平衡，保证设备的稳定提供方向。

进一步，如图1~2所示，在本实施例中，机体1的另一端设有微型舵机（图上未示出），微型舵机（图上未示出）驱动尾翼12左右调整，可以实现控制微型飞行器的转向。

进一步，如图1~2所示，在本实施例中，四个舵机（图上未示出）控制四肢2转动90°，保证四肢2转动的角度，提高微型飞行器运行稳定。

进一步，如图1~2所示，在本实施例中，机体1的机身最大直径小于15cm，尺寸较小、使得惯性小，降低发生撞击的可能性，使得机器更耐用，相比大型机更为可靠。

进一步，如图1~2所示，在本实施例中，机体1、四肢2和一对扑翼3采用碳纤维材料，使微型飞行器密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，耐腐蚀性好，良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等优点。

在工作的时候，微型飞行器可以分为多旋翼飞行和扑翼飞行两个状态，当飞行器升高到一定高度时，可以选择由多旋翼飞行转换为扑翼飞行或滑翔状态，减小电量损耗，增大续航时间。

以上，参照图1~4描述了根据本发明实施例的新型的微型仿生飞行器，该微型仿生飞行器对蝗虫进行结构上的仿生，使扑翼和多旋翼相结合，优化了微型仿生飞行器行器的性能；对果蝇的楫翅的结构进行仿生，使其具备灵活转向以及高速飞行下能迅速平衡能力的能力，使微型飞行器在障碍物密集且错综复杂的狭小空间中飞行地更加灵活，提升了应用空间，为未来微型仿生飞行器的探索提供了一条可行的道路。并且尺寸小，惯性就小，惯性小，发生撞击的可能性就低一些，这样会使得机器更耐用，相比大型机更为可靠。

如图5~7所示，本实用新型实施例新型的微型仿生飞行器的仿真分析方法，包含步骤如下：

s1：分析提取果蝇楫翅平衡原理。

如图5所示，果蝇的前翅下的一对后翅；这后翅是一对感觉灵敏器官，状如哑铃，顶端有结的短杆状物。这对小棒被称为楫翅，又称为平衡棒。平衡棒不但使果蝇能直接起飞，而且是使果蝇保持航向的导航器官。每当果蝇飞行时，这一对棒状体就高速回旋，以维持飞行稳度，要实现空中悬浮、急速转向等高难度飞行动作，果蝇仅需在保证肌肉机械运动的同时改变扑翼倾斜的角度即可。只要扑翼间有9°差异就足以让果蝇轻松转向飞行，要实现空中悬浮、急速转向等高难度飞行动作，果蝇仅需在保证肌肉机械运动的同时改变扑翼倾斜的角度即可。

s2：分析提取蝗虫振翼高速飞行原理。

如图5所示，蝗虫在飞行过程中通过左右扑翼同步拍动主要提供升力与前进动力，并且扑翼拍动频率越大,气动力越大，飞行速度越快。蝗虫的扑翼在拍打时会发生变形和扭曲，使空气能够平滑地从扑翼表面流过，弯曲而扭结的扑翼能够有效地提供相比于扁平且刚性的扑翼模型10%的额外升力，并且增加50%的功效。蝗虫通过保持扑翼与气流之间的角度不变，避免了扭结的模型中，减小了气流沿扑翼分开后形成的旋涡产生的摩擦力，并通过使摩擦力最小化来保存能量

s3：通过果蝇楫翅平衡原理和蝗虫振翼高速飞行原理结合设计新型的微型仿生飞行器。

如图5所示，设计的微型仿生飞行器机架整体采用优质3k东丽碳纤维材料，机身最大直径小于等于15cm。四个机臂始端与碳纤维板机架主中心板和副中心板之间联结有微型舵机，在飞行控制器mcu模块的信号传输下，微型仿生飞行器的四个超微型舵机受pwm波信号控制使得四个机臂同时向上或向下扭转90°，使得微型仿生飞行器完成飞行模式的切换。该装置共有多旋翼飞行和扑翼飞行以及多旋翼和扑翼混合飞行三种飞行状态。此外，当飞行器升高到一定高度时，扑翼飞行状态可以在飞行机控制器的控制下切换为远距离滑翔状态，以减小电量损耗，增大续航时间。

s4：将新型的微型仿生飞行器进行仿真模拟。

为测试系统性能，在开源自动驾驶仿真平台air⁃sim上进行仿真实验，仿真环境如图6所示。该平台模拟真实世界复杂未知环境，无gps与全球导航卫星系统（globalnavigationsatellitesystem，gnss）信号，无人机需要避开大型建筑物、密集树木、废旧汽车、路障等障碍物，并按照数字顺序依次穿越红色圆环，保证不碰撞圆环和其它障碍物，不漏穿错穿圆环。

无人机避开障碍物、穿越障碍圈的过程为：保证远离除圆环之外的障碍物，并且需识别圆环；在开始之后进行4次判断，首先判断是否成功起飞，如果失败则进入起飞失败策略重新起飞，如果成功，则摄像头开始启动；在飞机前行的同时根据摄像头拍摄的图像开始识别与检测，判断是否发现圆环，若未发现圆环，飞机向左或向右移动，如果发现圆环，则飞机向圆环方向移动并开始穿越圆环；最后判断是否穿越成功，如果穿越成功则记入成功数目，否则进入穿越圆环失败策略。仿真流程图如下图6所示。

为完成该测试，系统不仅需准确避障，还需识别场景中特定红色障碍圈。在仿真环境中所有障碍圈的颜色为红色并形成一块特殊标识的连通区域，采用两边扫描法识别并标记图片中所有连通区域。利用hsv颜色空间识别红色区域，再使用霍夫变换等方法检测需要穿越的圆环位置与半径，确保无人机尽可能从圆环中心穿过，避免与障碍物碰撞。

如图7所示，

s5：分析新型的微型仿生飞行器的气动、升阻比、稳定性以及应力，得到仿真实验结果。

s6：反馈仿真实验结果，调整优化新型的微型仿生飞行器的结构参数，直到得到最优模型。

以上，参照图5~7描述了根据本发明实施例的新型的微型仿生飞行器的仿真分析方法，通过对对果蝇平衡机理和蝗虫飞行机理的揭示，对果蝇进行楫翅平衡功能的仿生并对蝗虫进行柔性翅膜结构的仿生，使微型仿生飞行器可以在障碍物密集且错综复杂的狭小空间中高速灵活的飞行，提升了应用空间。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。