一种直驱式微型扑旋翼飞行器及其控制方法

1.本发明属于微小型飞行器技术领域，尤其涉及一种电机往复直接驱动的可控扑旋翼飞行器及其控制方法。


背景技术：

2.微小型飞行器因其尺度优势，具有高机动性、高便携性和优秀的隐蔽性，在人员搜救、环境监测、情报侦查、单兵作战等民用和军用领域具有广泛的应用前景。“扑旋翼”是近年来提出的一种新型适用于微小型飞行器的构型，其将扑翼的扑动与旋翼旋转运动结合起来，用非对称扑动扑翼上扑运动时产生的阻力驱动动力机构旋转运动，从而产生额外的升力，以实现低雷诺数下更高的飞行效率。
3.目前存在的可控扑旋翼飞行器，多为机械式驱动。对于机械式驱动的扑旋翼飞行器，每个控制自由度都需要在整机引入额外的机构来实现，从而增大控制机构复杂度和整机结构重量，为扑旋翼飞行器的微型化、轻型化带来困难。


技术实现要素：

4.为了解决现有机械式驱动扑旋翼飞行器控制机构复杂，结构重量大的问题，提出一种基于电机往复直接驱动(以下简称直驱)的扑旋翼飞行器及其控制方法，具体技术方案如下：
5.一种直驱式微型扑旋翼飞行器，包括一对机翼、动力装置、机身、控制系统、能源模块和起落架，其中，
6.所述动力装置、所述控制系统与所述能源模块均固定在所述机身上，所述动力装置包括第一动力机构和第二动力机构；
7.所述机翼包括机翼a和机翼b，均由支撑部件和翼膜粘接构成，分别与所述动力装置的所述第一动力机构和所述第二动力机构连接；
8.所述机身与所述起落架连接，且所述机身相对于所述起落架具有一个转动自由度；
9.所述控制系统用于控制所述动力装置，所述能源模块用于为所述控制系统和所述动力装置提供电源。
10.进一步地，所述机身包括机架、机身撑杆a、机身撑杆b和起落架连接件，其中，所述机架为所述动力装置提供定位和安装的基础，所述机架通过完全相同的所述机身撑杆a和所述机身撑杆b与所述起落架连接件相连，所述起落架连接件中的轴承与所述起落架连接。
11.进一步地，所述第一动力机构包括电机、电机齿轮、减速齿轮、扭簧固定轴套和扭簧，其中，
12.所述电机齿轮固定在所述电机的输出轴上，并与所述减速齿轮啮合，所述减速齿轮固定在其传动轴上，能够通过传动轴上的轴承相对于所述机架转动；所述扭簧的一端通过所述扭簧固定轴套与所述减速齿轮的传动轴连接，另一端固定在所述机架上，用于储存
和释放所述机翼往复运动的动能；
13.当所述电机输出往复转动时，所述减速齿轮带动其传动轴与所述扭簧固定轴套一起相对于所述机架转动，此时所述扭簧连接在所述扭簧固定轴套上的一端会相对于固定在所述机架上的一端产生相对角位移；
14.所述第二动力机构的结构与所述第一动力机构的结构相同，所述第一动力机构绕所述机架的纵轴中心点旋转180
°
后能够与所述第二动力机构重合。
15.进一步地，所述第一动力机构还包括机翼连接件和机翼限位块，其中，所述机翼连接件通过插销固定在所述减速齿轮上，用于连接所述机翼与所述减速齿轮，所述机翼的末端穿过所述机翼连接件上的通孔后与所述机翼限位块连接，所述机翼的末端在所述机翼连接件上的通孔内能够自由转动，所述机翼限位块通过扇形卡槽卡在所述机翼连接件的伸出部分，用于限制所述机翼迎角的被动变化范围。
16.进一步地，所述支撑部件用于支撑所述翼膜，包括机翼前缘主梁、翼斜撑片、翼撑杆a和翼撑杆b，其中，
17.所述机翼前缘主梁的一端通过所述机翼连接件与所述动力装置连接，随所述动力装置的运动而扑动，产生升力，另一端与所述翼斜撑片呈锐角连接；所述翼撑杆a和所述翼撑杆b平行设置，与所述机翼前缘主梁和呈35
°‑
45
°
夹角，与所述翼斜撑片呈60
°‑
70
°
夹角。
18.进一步地，所述翼膜为聚酰亚胺材质，所述机翼前缘主梁、所述翼斜撑片、所述翼撑杆a和所述翼撑杆b为碳纤维复合材料制成。
19.进一步地，所述起落架包括中轴和支架，所述中轴穿过所述起落架连接件中的轴承与所述机身相连，支架为碳纤维复合材料制成的弯杆，用于为扑旋翼飞行器在地面上提供支撑。
20.进一步地，所述控制系统包括微控制器、电机驱动器和角度传感器，所述角度传感器固定于所述电机的一个输出端，将角度和角速度信息反馈给所述微控制器，所述电机驱动器用于接收所述微控制器的控制信号，并驱动所述电机实现正转、反转以及产生不同的转速；
21.所述能源模块包括锂离子电池和升压模块，所述锂离子电池的输出电压直接给所述微控制器供电，所述升压模块将所述锂离子电池的输入电压升高输出给所述电机驱动器驱动所述电机往复转动。
22.一种直驱式微型扑旋翼飞行器的控制方法，扭簧刚度与机翼的转动惯量使机翼、减速齿轮和机翼连接件组成的转动系统处于共振频率下，通过控制电机输出共振频率下的往复转动，利用减速齿轮将电机输出减速并带动机翼在垂直面内上下扑动，从而产生向上的升力和使飞行器自旋的气动力矩；在飞行器自旋过程中，通过周期性控制方法使微控制器产生具有切分特征的正弦控制信号，分别驱动两侧的扭簧-电机-机翼，使得机翼产生不同的上扑和下扑速度，从而无需额外的机构便能够改变飞行器的动力输出特征，实现直驱式扑旋翼飞行器的姿态控制；具体地，
23.在一个旋转周期内，当飞行器期望产生一个向左的倾斜角时，微控制器会分别产生两个具有切分特征的正弦控制信号；其中一个信号输出给一侧的电机驱动器，使该侧机翼下扑时速度变快，上扑时速度变慢；另一路信号输出给另一侧的电机驱动器，使该侧机翼上扑时速度变快，下扑时速度变慢，实现一侧机翼升力增加，另一侧机翼升力减小，形成一
个滚转力矩控制飞行器倾斜；
24.其中，具有切分特征的正弦控制信号是指将两个不同变化速率的正弦信号进行组合。
25.进一步地，具有切分特征的正弦控制信号为：
[0026][0027]
其中，u(t)＝u(t 1/f)，u是电机的输入电压，t是时间，v是输入电压幅值，f是输入电压频率；σ是切分特征参数，取值范围为0.2-0.8；当σ＝0.5时，输入电压为标准的正弦变化的电压。
[0028]
本发明的有益效果在于：
[0029]
1.本发明提供了一种无需额外控制机构而能实现各轴姿态控制的直驱式机构，采用电机直驱，通过给电机施加按照一定规则分布的信号，使电机进行高频往复运动，从而带动机翼扑动提供升力；通过改变电机的输入信号以改变电机的运动方式，带动两侧机翼进行非对称扑动，从而产生控制力矩，对扑旋翼飞行器进行姿态控制，而无需增加其他控制机构；结构更加简单、紧凑，飞行器体积和重量更小，可靠性高，更好满足微小型飞行器的要求。
[0030]
2.本发明采用扭簧-电机-机翼系统驱动，通过匹配扭簧刚度和机翼转动惯量，电机可以在系统共振点工作，从而产生较大的扑动幅度，飞行效率高。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
[0032]
图1是本发明直驱式扑旋翼飞行器的各系统组成图；
[0033]
图2是本发明直驱式扑旋翼飞行器的机翼结构图；
[0034]
图3是本发明直驱式扑旋翼飞行器的动力装置结构图；
[0035]
图4为本发明的具有切分特征的正弦信号；
[0036]
图5为本发明实施例的直驱式微型扑旋翼实验平台；
[0037]
图6为本发明实施例的直驱式微型扑旋翼测力实验结果；
[0038]
图7为本发明实施例的直驱式微型扑旋翼起飞过程。
[0039]
附图标记说明：
[0040]
1-机翼a，2-机翼b，3-动力装置，4-机身，5-控制系统，6-能源模块，7-起落架，101-机翼前缘主梁，102-翼膜，103-翼斜撑片，104-翼撑杆a，105-翼撑杆b，301-电机，302-电机齿轮，303-减速齿轮，304-扭簧固定轴套，305-扭簧，306-机翼连接件，307-机翼限位块，401-机架，402-机身撑杆a，403-机身撑杆b，404-起落架连接件。
具体实施方式
[0041]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0042]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0043]
本发明采用电机直驱，通过给电机施加按照一定规则分布的信号，使电机进行高频往复运动，从而带动机翼扑动提供升力；通过改变电机的输入信号以改变电机的运动方式，带动两侧机翼进行非对称扑动，从而产生控制力矩，对扑旋翼飞行器进行姿态控制，而无需增加其他控制机构。
[0044]
如图1所示，一种直驱式微型扑旋翼飞行器，包括一对机翼、动力装置3、机身4、控制系统5、能源模块6和起落架7，其中，
[0045]
动力装置3、控制系统5与能源模块6均固定在机身4上，动力装置3包括第一动力机构和第二动力机构；
[0046]
机翼包括机翼a1和机翼b2，均由支撑部件和翼膜102粘接构成，分别与动力装置3的第一动力机构和第二动力机构连接；
[0047]
机身4与起落架7连接，且机身4相对于起落架7具有一个转动自由度；
[0048]
控制系统5用于控制动力装置3，能源模块6用于为控制系统5和动力装置3提供电源。
[0049]
在一些实施方式中，机身4包括机架401、机身撑杆a402、机身撑杆b403和起落架连接件404，其中，机架401为动力装置提供定位和安装的基础，机架401通过完全相同的机身撑杆a402和机身撑杆b403与起落架连接件404相连，起落架连接件404中的轴承与起落架7连接。
[0050]
如图3所示，在一些实施方式中，第一动力机构包括电机301、电机齿轮302、减速齿轮303、扭簧固定轴套304和扭簧305，其中，
[0051]
电机齿轮302固定在电机301的输出轴上，并与减速齿轮303啮合，减速齿轮303固定在其传动轴上，能够通过传动轴上的轴承相对于机架401转动；扭簧305的一端通过扭簧固定轴套304与减速齿轮303的传动轴连接，另一端固定在机架401上，用于储存和释放机翼往复运动的动能；
[0052]
当电机301输出往复转动时，减速齿轮303带动其传动轴与扭簧固定轴套304一起相对于机架401转动，此时扭簧305连接在扭簧固定轴套304上的一端会相对于固定在机架401上的一端产生相对角位移。
[0053]
第二动力机构的结构与第一动力机构的结构相同，第一动力机构绕机架401的纵轴中心点旋转180
°
后能够与第二动力机构重合。
[0054]
在一些实施方式中，第一动力机构还包括机翼连接件306和机翼限位块307，其中，机翼连接件306通过插销固定在减速齿轮303上，用于连接机翼与减速齿轮303，机翼的末端穿过机翼连接件306上的通孔后与机翼限位块307连接，机翼的末端在机翼连接件306上的通孔内能够自由转动，机翼限位块307通过扇形卡槽卡在机翼连接件306的伸出部分，用于
限制机翼迎角的被动变化范围。
[0055]
电机齿轮302固接于电机301的输出轴上，电机齿轮302与减速齿轮303配合形成减速比为10:1的减速轮系，扭簧固定轴套304将扭簧305的一端与减速齿轮303固定，另一端固定于机架401上，机翼连接件306将机翼固定于减损齿轮303上，但不限制机翼前缘主梁101的转动，机翼限位307将机翼前缘主梁101的转动限制在一定角度中。
[0056]
在一些实施方式中，如图2所示，支撑部件用于支撑翼膜102，包括机翼前缘主梁101、翼斜撑片103、翼撑杆a104和翼撑杆b105，其中，
[0057]
机翼前缘主梁101的一端通过机翼连接件306与动力装置连接，随动力装置3的运动而扑动，产生升力，另一端与翼斜撑片103呈锐角连接；翼撑杆a104和翼撑杆b105平行设置，与机翼前缘主梁101和呈35
°‑
45
°
夹角，与翼斜撑片103呈60
°‑
70
°
夹角。
[0058]
在一些实施方式中，翼膜102为聚酰亚胺材质，机翼前缘主梁101、翼斜撑片103、翼撑杆a104和翼撑杆b105为碳纤维复合材料制成。
[0059]
以机翼a1为例，包含直径1mm的机翼前缘主梁101、厚度0.012mm的聚酰亚胺翼膜102、厚度0.1mm的翼斜撑片103、直径0.5mm的翼撑杆a104和直径0.5mm的翼撑杆b105，机翼前缘主梁101通过机翼连接件306与动力装置3相连，随动力装置3运动而扑动，产生升力。
[0060]
在一些实施方式中，起落架7包括中轴和支架，中轴穿过起落架连接件404中的轴承与机身4相连，支架为碳纤维复合材料制成的弯杆，用于为扑旋翼飞行器在地面上提供支撑。
[0061]
在一些实施方式中，控制系统包括微控制器、电机驱动器和角度传感器，角度传感器固定于电机301的一个输出端，将角度和角速度信息反馈给微控制器，电机驱动器用于接收微控制器的控制信号，并驱动电机301实现正转、反转以及产生不同的转速；
[0062]
能源模块包括锂离子电池和升压模块，锂离子电池的输出电压直接给微控制器供电，升压模块将锂离子电池的输入电压升高输出给电机驱动器驱动电机301往复转动；较佳地，锂离子电池输出电压为7.4-8.4v，升压模块将锂离子电池的输出电压升高到28v给电机驱动器供电。
[0063]
一种直驱式微型扑旋翼飞行器的控制方法，扭簧刚度与机翼的转动惯量使机翼、减速齿轮和机翼连接件组成的转动系统处于共振频率下，通过控制电机输出共振频率下的往复转动，利用减速齿轮将电机输出减速并带动机翼在垂直面内上下扑动，从而产生向上的升力和使飞行器自旋的气动力矩；在飞行器自旋过程中，通过周期性控制方法使微控制器产生具有切分特征的正弦控制信号，分别驱动两侧的扭簧-电机-机翼，使得机翼产生不同的上扑和下扑速度，从而无需额外的机构便能够改变飞行器的动力输出特征，实现直驱式扑旋翼飞行器的姿态控制；具体地，
[0064]
在一个旋转周期内，当飞行器期望产生一个向左的倾斜角时，微控制器会分别产生两个具有切分特征的正弦控制信号；其中一个信号输出给一侧的电机驱动器，使该侧机翼下扑时速度变快，上扑时速度变慢；另一路信号输出给另一侧的电机驱动器，使该侧机翼上扑时速度变快，下扑时速度变慢，实现一侧机翼升力增加，另一侧机翼升力减小，形成一个滚转力矩控制飞行器倾斜；
[0065]
其中，具有切分特征的正弦控制信号是指将两个不同变化速率的正弦信号进行组合。
[0066]
如图4所示，具有切分特征的正弦控制信号为：
[0067][0068]
其中，u(t)＝u(t 1/f)，u是电机的输入电压，t是时间，v是输入电压幅值，f是输入电压频率；σ是切分特征参数，取值范围为0.2-0.8；当σ＝0.5时，输入电压为标准的正弦变化的电压。
[0069]
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
[0070]
实施例1
[0071]
根据前述过程制作直驱式微型扑旋翼飞行器样机，翼展约为85mm，整机重量为12g(不含能源模块)。
[0072]
将实验样机固定在如图5所示的实验平台上，通过一个可以自由旋转的导电滑环连接样机和单轴力传感器，其中，导电滑环包括动导电滑环和静导电滑环，二者相对转动的同时能够保证样机的持续供电，单轴力传感器一端固定在实验平台上，另一端通过连接件与导电滑环相连。
[0073]
实验过程中使用稳压电源代替能源模块对样机供电，通过数据采集器获得经过放大器放大后的单轴力传感器测得的电压信号，并根据预先标定的测力传感器的量程转换为力的数据。
[0074]
测力实验结果如图6所示，测试样机扑动频率设定为27hz，稳压电源输入电压为20v，采样时间为4秒。选取扑动较为稳定的一段时间进行平均升力的计算，计算得到的平均升力为12.7gf。
[0075]
此外，进行了直驱式扑旋翼飞行器的牵线起飞实验，将样机固定在起飞台架上，使用稳压电源供电，供电电压为24v，供电线长度约为0.5m，线重约为2g。使用高速摄像机拍摄起飞过程，拍摄帧率为1000fps。直驱式微型扑旋翼飞行器的起飞过程如图7所示，起飞过程持续时间约为1s，爬升高度约为0.50m，起飞姿态稳定。
[0076]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0077]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0078]
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指
示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
[0079]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。