一种扑翼飞行器的滑翔机构与控制方法

1.本发明涉及仿生飞行器领域，特别是涉及扑翼飞行器的滑翔机构与控制方法。


背景技术：

2.扑翼飞行是一种高效节能的飞行方式，自然界中的大型鸟类通常可以通过扑动-滑翔结合 的飞行方式达到节省能量的长距离飞行目的。人类通过模仿鸟类扑动飞行的方式，发明了多 款仿生扑翼飞行机器人，相比传统结构的飞行器来说能够有效节省能量，提高作业半径。
3.在现有的扑翼飞行器当中，大都需要一直扑动翅膀，产生足够的升力维持飞行，但这种 飞行方式需要驱动机构长时间运转来维持翅膀的不间断扑动，长时间运行后能耗较高，不利 于延长扑翼飞行器的续航时间。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种扑翼飞行 器的滑翔机构，能够有效延长扑翼飞行器的续航时间。
5.本发明的扑翼飞行器的滑翔机构，包括：基座；两个翅膀，分别转动连接于基座的左右 两侧，两个翅膀均能够相对于基座上下摆动；扑翼驱动装置，包括扑翼电机和传动装置，扑 翼电机能够通过传动装置带动两个翅膀上下摆动；耦合机构，设置在基座上，耦合机构能够 阻止两个翅膀摆动。
6.根据本发明的一些实施例，扑翼飞行器还包括：感知元件，设置在基座上，感知元件用 于感应两个翅膀相对于基座的转动角度。
7.根据本发明的一些实施例，感知元件包括：传感器支架，固定设置在基座上；角度传感 器，设置在传感器支架上；磁感元件，设置在翅膀上，角度传感器用于感应磁感元件的转动 角度。
8.根据本发明的一些实施例，扑翼电机为外转子电机，耦合机构包括：阻尼元件，转动设 置在基座上；驱动元件，设置在基座上，驱动元件用于驱动阻尼元件转动至抵接扑翼电机的 转子。
9.根据本发明的一些实施例，阻尼元件包括：第一转动连杆，转动设置在基座上；第三转 动连杆，转动设置在基座上；驱动元件能够驱动第一转动连杆和第三转动连杆合拢至夹持扑 翼电机的转子。
10.根据本发明的一些实施例，驱动元件包括：电机支架，设置在基座上；驱动电机，设置 在电机支架上；驱动丝杆，转动设置在电机支架上，驱动电机用于驱动丝杆转动；滑块，与 驱动丝杆螺纹配合，滑块连接第三转动连杆和第一转动连杆。
11.根据本发明的一些实施例，电机支架上设置有导轨，滑块与导轨滑动配合。
12.根据本发明的一些实施例，驱动元件还包括第一拉杆和第二拉杆，第一拉杆两端分别与 滑块和第一转动连杆转动连接，第二拉杆两端分别与滑块和第三转动连杆转动连
接。
13.本发明还公开一种扑翼飞行器的控制方法，用于控制上述扑翼飞行器的滑翔机构，其特 征在于，包括如下步骤：s100、获取翅膀扑动的角速度α；s200、当α＜0时，控制扑翼电机 转速降低直至停转，当扑翼电机停转时控制耦合机构阻止两个翅膀摆动。
14.根据本发明的一些实施例，在步骤s200当中，扑翼电机的pwm控制信号占空比随δθ 的减小而减小，驱动电机的pwm控制信号占空比随δθ的减小而增大，其中δθ为期望角度 θ
exp
与当前翅膀实际角度θr的差值。
15.应用上述扑翼飞行器的滑翔机构，在飞行过程当中，当接收到滑翔指令时，可以控制扑 翼驱动装置，带动两个翅膀摆动至最大翼展位置后停转，然后控制耦合机构，阻止两个翅膀 摆动，使得整个扑翼飞行器进入滑翔模式，相对于现有的扑翼飞行器来说，能够有效降低整 个飞行过程当中的平均能耗，延长续航时间。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显， 或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和 容易理解，其中：
18.图1为本发明实施例中抓扑翼飞行器滑翔机构总体结构的示意图；
19.图2为图1中驱动元件的示意图；
20.图3为图1中耦合机构的示意图；
21.图4为图1中感知元件的示意图；
22.上述附图包含以下附图标记。
23.24.具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似 的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施 例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等 指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化 描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。
27.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、 小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、 第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指 示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
28.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属 技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
29.参照图1至图4，本实施例的扑翼飞行器的滑翔机构，包括：基座1；两个翅膀，分别转 动连接于基座1的左右两侧，两个翅膀均能够相对于基座1上下摆动；扑翼驱动装置，包括 扑翼电机6和传动装置，扑翼电机6能够通过传动装置带动两个翅膀上下摆动；耦合机构7， 设置在基座1上，耦合机构7能够阻止两个翅膀摆动。
30.应用上述扑翼飞行器的滑翔机构，在飞行过程当中，当接收到滑翔指令时，可以控制扑 翼驱动装置，带动两个翅膀摆动至最大翼展位置后停转，然后控制耦合机构7，阻止两个翅 膀摆动，使得整个扑翼飞行器进入滑翔模式，相对于现有的扑翼飞行器来说，能够有效降低 整个飞行过程当中的平均能耗，延长续航时间。
31.其中，扑翼驱动装置当中，传动装置可以通过多种方式将扑翼电机6的动力传递给两个 翅膀，驱动翅膀上下摆动；例如采用曲柄连杆机构，将电机的旋转运动转化为翅膀的
往复摆 动，或者传动装置采用齿轮齿条机构，通过齿条带动两个翅膀摆动等。
32.本实施例当中，耦合机构7也可以通过多种方式阻止两个翅膀摆动，例如在扑翼电机6 上设置制动装置，在滑翔过程当中阻止扑翼电机6的转子转动；也可以在传动装置或者在翅 膀上设置限位装置，在滑翔时控制限位装置进行限位，锁定翅膀或者传动装置。
33.如图1所示，扑翼飞行器的滑翔机构还包括感知元件2，感知元件2设置在基座 1上，感知元件2用于感应两个翅膀相对于基座1的转动角度；其中，感知元件2能 够检测翅膀的摆动角度，便于电控装置4切换整个扑翼飞行器的扑动模式和滑翔模 式。
34.具体地，感知元件2包括：传感器支架23，固定设置在基座1上；角度传感器21，设置 在传感器支架23上；磁感元件22，设置在翅膀上，角度传感器21用于感应磁感元件22的 转动角度。
35.具体地，磁感元件22安装在翅膀的一端，随着翅膀的扑动而转动，同时角度传感器21 正对着磁感元件2222并保持一定距离，能够确保角度传感器21探测到磁感元件22转动的情 况下避免二者发生干涉。
36.在本实施例中，扑翼飞行器的滑翔机构具体包括基座1、感知元件2、翅膀、电控装置4、 驱动元件5、扑翼电机6、耦合机构7、阻尼元件9和定位元件8；其中基座1适用于安装、 固定或连接其他元件或者机构的部件，感知元件2用于测量翅膀扑动的角度、电控装置4用 于处理感知元件2的数据并控制驱动元件5和扑翼电机6；定位元件8用于连接耦合机构7 和基座1，保证各部分定位准确不发生时干涉。
37.如图2至图4所示，扑翼电机6为外转子电机，耦合机构7包括：阻尼元件9，转动设 置在基座1上；驱动元件5，设置在基座1上，驱动元件5用于驱动阻尼元件9转动至抵接 扑翼电机6的转子；其中，驱动元件5能够驱动阻尼元件9转动至抵接扑翼电机6的转子， 为扑翼电机6的转子提供制动力，阻止扑翼电机6转动，保证了滑翔过程当中翅膀位置的稳 定。
38.具体地，阻尼元件9包括：第一转动连杆71，转动设置在基座1上；第三转动连杆75， 转动设置在基座1上；驱动元件5能够驱动第一转动连杆71和第三转动连杆75合拢至夹持 扑翼电机6的转子；其中，阻尼元件9包括第一转动连杆71、第二转动连杆72、第三转动连 杆75和第四转动连杆76，第一转动连杆71与第二转动连杆72固定平行安装，其一端与定 位元件8连接，并能够围绕该连接点转动，另一端与第一拉杆73连接，第一拉杆73的另一 端与滑块52转动连接；第三固定环与第四固定环平行固定安装，其一端与定位元件8连接， 并能够围绕该连接点转动，另一端与第二拉杆74转动连接，第二拉杆74的另一端与滑块52 连接，当滑块52远离扑翼电机6运动时，扑翼电机6两侧的两个转动连杆组能够向内夹合， 抵接扑翼电机6的转子，为翅膀提供制动力，阻止翅膀摆动；当滑块52靠近扑翼电机6滑动 时，扑翼电机6两侧的两个转动连杆组能够向外转动，翅膀的制动力消失，能够正常摆动。
39.其中，如图3所示，驱动元件5包括导轨51、滑块52、电机支架53、驱动电机54和驱 动丝杆55，其中导轨51和驱动电机54都设置在电机支架53上，驱动丝杆55转动设置在电 机支架53上，滑块52与驱动丝杆55螺纹配合，滑块52与导轨51滑动配合；其中，驱动电 机54带动驱动丝杆55转动，带动滑块52朝向或远离扑翼电机6移动，实现对扑翼电机6的 转子的制动控制。
40.本实施例还提供一种扑翼飞行器的控制方法，用于控制上述扑翼飞行器的滑翔机构进行 滑翔，包括如下步骤：s100、获取翅膀扑动的角速度α；s200、当α＜0时，控制扑翼电
机6 转速降低直至停转，当扑翼电机6停转时控制耦合机构7阻止两个翅膀摆动。
41.其中，在步骤s200当中，扑翼电机6的pwm控制信号占空比随δθ的减小而减小，驱 动电机54的pwm控制信号占空比随δθ的减小而增大，其中δθ为期望角度θ
exp
与当前翅膀 实际角度θr的差值。
42.具体地，在本实施例的扑翼飞行器的控制方法当中，当接收到滑翔的指令后，感知元件2 获取翅膀的转动位置，此处设定翅膀在最高位置时的转角为最大转角θ
max
，翅膀在最低位置时 的转角为0，电控装置4通过差分计算角速度α，其计算公式如下。
[0043][0044]
即后一时刻角度值θ
t
减前一时刻角度值θ
t-1
后除以时间差，通过α判断翅膀处于上扑还是 下扑过程，当α为正数时，翅膀角度值逐渐增大，翅膀为上扑过程；当α为负数时，翅膀角 度值逐渐减小，翅膀为下扑过程；在滑翔时，翅膀在水平方向投影面积最大的位置即为翅膀 在滑翔过程中的期望位置，此时翅膀的角度即为期望角度θ
exp
；当判断翅膀为下扑过程时， 电控装置4根据翅膀的角速度α以及期望角度θ
exp
与当前翅膀实际角度θ
t
的差值δθ来控制扑 翼电机6和驱动电机54的pwm信号来控制扑翼飞行器进入滑翔状态；其中，扑翼电机6的 pwm信号占空比随着δθ减小而减小，直至δθ为0时扑翼电机6完全停止，而驱动电机545 的pwm信号占空比随着δθ而增大，直至δθ为0时阻尼元件9对扑翼电机6的转子进行制 动；最后判断翅膀是否到达期望角度θ
exp
，若已到达，扑翼电机6和驱动电机54停止转动， 翅膀停止摆动，扑翼飞行器由普通状态变为滑翔状态。
[0045]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技 术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变 化。