一种四扑翼飞行器及其控制方法与流程

本发明涉及微型飞行器技术领域，特别涉及一种四扑翼飞行器及其控制方法。

背景技术：

微型飞行器在军事和民用方面具有极其广阔的前景和应用价值。微型飞行器主要分为旋翼、固定翼、扑翼四种类型，其中微型扑翼飞行器是一种模仿自然界飞行生物的新型微型飞行器。微型扑翼飞行器通过扑翼同时产生升力与推力，可以快速地实现姿态改变与位置控制，具有高机动型与高灵活性。在微小尺度下，雷诺数低，空气粘滞力大，扑翼方式产生的非定常升力相比旋翼与固定翼要大很多。相比于旋翼和固定翼飞行器，具有体积小、重量轻、噪声低、效率高、飞行时间长等优点。但是微型扑翼飞行器的制作难度大，飞行性能受机械结构影响大，飞行器的结构设计是一大难点。另一难点为微型扑翼飞行器的控制问题。飞行器的结构多变，扑动频率高，如何稳定及时地控制微型扑翼飞行器的姿态位置是另一难点。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种四扑翼飞行器及其控制方法，以实现飞行器的稳定飞行及姿态控制。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种四扑翼飞行器，所述四扑翼飞行器包括固定支架、机身、扑动机构、扑翼、飞控系统及尾翼，其中固定支架和尾翼分别设置于机身的前、后端；

所述扑动机构为四组，并且沿周向设置于所述固定支架上；

所述扑翼为四组，并且分别与四组所述扑动机构连接，所述扑动机构用于驱动与其连接的所述扑翼进行扑动动作；

所述飞控系统设置于所述机身上，用于控制四组所述扑动机构，从而实现所述四扑翼飞行器的姿态控制。

所述扑动机构包括旋转驱动机构、曲杆连杆机构ⅰ和曲杆连杆机构ⅱ，其中曲杆连杆机构ⅰ和曲杆连杆机构ⅱ对称设置于所述固定支架上，并且与所述扑翼连接；

所述旋转驱动机构设置于所述固定支架上，并且与所述曲杆连杆机构ⅰ和所述曲杆连杆机构ⅱ连接；所述旋转驱动机构用于驱动所述曲杆连杆机构ⅰ和所述曲杆连杆机构ⅱ进行反向摆动。

所述曲杆连杆机构ⅰ包括扑翼摇杆ⅰ和曲柄摇杆ⅰ，其中扑翼摇杆ⅰ的一端与所述固定支架铰接，另一端与所述曲柄摇杆ⅰ的一端铰接，所述曲柄摇杆ⅰ的另一端与所述旋转驱动机构连接；

所述曲杆连杆机构ⅱ包括扑翼摇杆ⅱ和曲柄摇杆ⅱ，其中扑翼摇杆ⅱ的一端与所述固定支架铰接，另一端与所述曲柄摇杆ⅱ的一端铰接，所述曲柄摇杆ⅱ的另一端与所述旋转驱动机构连接。

所述扑翼摇杆ⅰ和所述扑翼摇杆ⅱ的一端通过同一转轴与所述定支架连接；

所述扑翼摇杆ⅰ的另一端与所述曲柄摇杆ⅰ之间通过曲柄连杆轴ⅰ连接，所述曲柄连杆轴ⅰ与所述扑翼摇杆ⅰ和所述曲柄摇杆ⅰ垂直，并且所述曲柄连杆轴ⅰ与所述曲柄摇杆ⅰ之间可相对转动；

所述扑翼摇杆ⅱ的另一端与所述曲柄摇杆ⅱ之间通过曲柄连杆轴ⅱ连接，所述曲柄连杆轴ⅱ与所述扑翼摇杆ⅱ和所述曲柄摇杆ⅱ垂直，并且所述曲柄连杆轴ⅱ与所述曲柄摇杆ⅱ之间可相对转动。

所述旋转驱动机构包括电机、主动齿轮、一级双层齿轮、二级齿轮ⅰ及二级齿轮ⅱ，其中电机设置于所述固定支架上，并且输出端与主动齿轮连接；

所述一级双层齿轮可转动地设置于所述固定支架上；所述一级双层齿轮包括上齿盘和下齿盘，其中下齿盘与所述主动齿轮啮合；

所述二级齿轮ⅰ和所述二级齿轮ⅱ可转动地设置于所述固定支架上，并且相互啮合；所述二级齿轮ⅰ或所述二级齿轮ⅱ与所述一级双层齿轮的上齿盘啮合；

所述曲柄摇杆ⅰ的另一端铰接在所述二级齿轮ⅰ上偏离中心的位置；

所述曲柄摇杆ⅱ的另一端铰接在所述二级齿轮ⅱ上偏离中心的位置。

所述一级双层齿轮的上齿盘直径小于下齿盘的直径；所述二级齿轮ⅰ和所述二级齿轮ⅱ的直径相等。

所述扑翼包括扑翼ⅰ和扑翼ⅱ，所述扑翼ⅰ和扑翼ⅱ结构相同，均包括扑翼薄膜、扑翼骨架及扑翼前缘杆，其中扑翼薄膜设置于扑翼骨架上，所述扑翼前缘杆的一端与所述扑翼骨架连接；另一端与所述曲杆连杆机构ⅰ或所述曲杆连杆机构ⅱ连接。

所述机身的前端设有相机系统。

一种如上所述的四扑翼飞行器的控制方法，飞控系统固定在机身的中部，实时采集解算四扑翼飞行器的姿态数据，根据设定的姿态期望值，反馈出控制信号传递至四个电机，通过四个电机的转速控制升力，从而实现四扑翼飞行器的飞行控制。

所述方法包括以下过程:

竖直运动：通过飞控系统控制四组扑翼的电机转速一致，以使四组扑翼产生相同的拍打频率，控制电机的转速从而控制不同的升力；从而实现四扑翼飞行器竖直上升、竖直下降及悬停；

俯仰运动：控制左前方电机与右前方电机转速一致，控制左后方电机与右后方电机转速一致；通过左、右前方电机转速与左、右后方电机转速的不同实现四扑翼飞行器的向前或向后的俯仰运动；

横滚运动：控制左前方电机与左后方电机转速一致，控制右前方电机与右后方电机转速一致；通过左、右两侧电机转速的不同实现向左或向右的横滚运动；

偏航运动：控制左前方电机与右后方电机转速一致，转动方向均为顺时针，控制左后方电机与右前方电机转速一致，转动方向均为逆时针；通过两种转速的不同实现顺时针或逆时针偏航运动。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明的四个扑翼结构对称布置，完全相同，模块化的设计有利于微型扑翼飞行器的制造。四套扑动机构互相有气流耦合，升力的产生效率高，可提供的总升力大，有助于提高飞行续航时间，增强飞行器的机动性与灵活性。

2.本发明中心对称的扑翼结构使得仅需要四路控制输出就可以控制四扑翼飞行器的垂直运动、俯仰运动、偏航运动与翻滚运动，控制系统整体条理清晰，易于实现。

3.本发明的搭载飞控系统与相机系统，能实现四扑翼飞行器的自主飞行与避障功能。在手动控制时，飞控系统也能作为辅助系统，根据实时姿态数据调节，增强飞行器的飞行稳定性。

附图说明

图1为本发明四扑翼飞行器的结构示意图；

图2为本发明中扑动机构的结构示意图之一；

图3为本发明中扑动机构的结构示意图之二；

图4为本发明中扑翼的结构示意图；

图5为本发明中铰链接口的结构示意图。

图中：1为扑翼薄膜，2为扑翼骨架，3为扑翼前缘杆，4为相机系统，5为固定支架，6为机身，7为电机，8为飞控系统，9为尾翼，10为扑翼摇杆ⅰ，11为扑翼摇杆ⅱ，12为曲柄摇杆ⅰ，13为曲柄摇杆ⅱ，14为铰链接口，141为铰接孔，15为曲柄连杆轴ⅰ，16为主动齿轮，17为一级双层齿轮，18为二级齿轮ⅱ，19为二级齿轮ⅰ，20为曲柄连杆轴ⅱ。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种四扑翼飞行器，四扑翼飞行器包括固定支架5、机身6、扑动机构、扑翼、飞控系统8及尾翼9，其中固定支架5和尾翼9分别设置于机身6的前、后端；扑动机构为四组，并且沿周向设置于固定支架5上；扑翼为四组，并且分别与四组扑动机构连接，扑动机构用于驱动与其连接的扑翼进行扑动动作；飞控系统8设置于机身6上，用于控制四组扑动机构，从而实现四扑翼飞行器的姿态控制。

本发明的实施例中，如图1所示，机身6的前端设有相机系统4，通过相机系统4实现壁障功能。

本发明的实施例中，扑动机构包括旋转驱动机构、曲杆连杆机构ⅰ和曲杆连杆机构ⅱ，其中曲杆连杆机构ⅰ和曲杆连杆机构ⅱ对称设置于固定支架5上，并且与扑翼连接；旋转驱动机构设置于固定支架5上，并且与曲杆连杆机构ⅰ和曲杆连杆机构ⅱ连接；旋转驱动机构用于驱动曲杆连杆机构ⅰ和曲杆连杆机构ⅱ进行反向摆动。

如图2-3所示，本发明的实施例中，旋转驱动机构包括电机7、主动齿轮16、一级双层齿轮17、二级齿轮ⅰ19及二级齿轮ⅱ18，其中电机7设置于固定支架5上，并且输出端与主动齿轮16连接；一级双层齿轮17可转动地设置于固定支架5上，一级双层齿轮17包括上齿盘和下齿盘，其中下齿盘与主动齿轮16啮合；二级齿轮ⅰ19和二级齿轮ⅱ18可转动地设置于固定支架5上，并且相互啮合，二级齿轮ⅰ19或二级齿轮ⅱ18与一级双层齿轮17的上齿盘啮合。本实施例中，一级双层齿轮17的上齿盘直径小于下齿盘的直径，二级齿轮ⅰ19和二级齿轮ⅱ18的直径相等，通过二级齿轮ⅰ19和二级齿轮ⅱ18的反向旋转驱动曲杆连杆机构ⅰ和曲杆连杆机构ⅱ反向摆动。

如图2-3所示，本发明的实施例中，曲杆连杆机构ⅰ包括扑翼摇杆ⅰ10和曲柄摇杆ⅰ12，其中扑翼摇杆ⅰ10的一端与固定支架5铰接，另一端与曲柄摇杆ⅰ12的一端铰接，曲柄摇杆ⅰ12的另一端与二级齿轮ⅰ19铰接；曲杆连杆机构ⅱ包括扑翼摇杆ⅱ11和曲柄摇杆ⅱ13，其中扑翼摇杆ⅱ11的一端与固定支架5铰接，另一端与曲柄摇杆ⅱ13的一端铰接，曲柄摇杆ⅱ13的另一端与二级齿轮ⅱ18铰接。

进一步地，扑翼摇杆ⅰ10和扑翼摇杆ⅱ11的一端通过同一转轴与定支架5连接；扑翼摇杆ⅰ10的另一端与曲柄摇杆ⅰ12之间通过曲柄连杆轴ⅰ15连接，曲柄连杆轴ⅰ15与扑翼摇杆ⅰ10和曲柄摇杆ⅰ12垂直，并且曲柄连杆轴ⅰ15与曲柄摇杆ⅰ12之间可相对转动。扑翼摇杆ⅱ11的另一端与曲柄摇杆ⅱ13之间通过曲柄连杆轴ⅱ20连接，曲柄连杆轴ⅱ20与扑翼摇杆ⅱ11和曲柄摇杆ⅱ13垂直，并且曲柄连杆轴ⅱ20与曲柄摇杆ⅱ13之间可相对转动。

具体地，曲柄摇杆ⅰ12的另一端铰接在二级齿轮ⅰ19上偏离中心的位置，二级齿轮ⅰ19转动，通过曲柄摇杆ⅰ12带动扑翼摇杆ⅰ10绕转轴摆动。曲柄摇杆ⅱ13的另一端铰接在二级齿轮ⅱ18上偏离中心的位置，二级齿轮ⅱ18转动，通过曲柄摇杆ⅱ13带动扑翼摇杆ⅱ11绕转轴摆动，扑翼摇杆ⅱ11与扑翼摇杆ⅰ10的摆动方向相反。

进一步地，曲柄摇杆ⅰ12和曲柄摇杆ⅱ13的两端均设有铰链接口14。如图5所示，铰链接口14为中空的圆柱体结构，其侧壁上设有铰接孔141，铰接孔141的轴线与圆柱体的轴线垂直。

如图4所示，本发明的实施例中，扑翼包括扑翼ⅰ和扑翼ⅱ，扑翼ⅰ和扑翼ⅱ结构相同，均包括扑翼薄膜1、扑翼骨架2及扑翼前缘杆3，其中扑翼薄膜1设置于扑翼骨架2上，扑翼前缘杆3的一端与扑翼骨架2连接；另一端与曲杆连杆机构ⅰ或曲杆连杆机构ⅱ连接。具体地，扑翼ⅰ中的扑翼前缘杆3与扑翼摇杆ⅰ10连接，扑翼ⅱ中的扑翼前缘杆3与扑翼摇杆ⅱ11连接。通过扑翼摇杆ⅰ10和扑翼摇杆ⅱ11分别带动扑翼ⅰ和扑翼ⅱ进行扑动动作。因扑翼由两面组成，在扑翼摇杆ⅰ10和扑翼摇杆ⅱ11的带动下，循环往复地扑打、展开，从而产生竖直向上的升力。

当电机7转动时，带动主动齿轮16与一级双层齿轮17旋转，二级齿轮ⅱ18与二级ⅱ齿轮ⅰ19啮合，被一级双层齿轮17带动后产生对称的转动运动，通过曲柄摇杆ⅰ12与曲柄摇杆ⅱ13分别带动扑翼摇杆ⅰ10与扑翼摇杆11ⅱ，扑翼摇杆ⅰ10与扑翼摇杆11ⅱ与扑翼连接，带动机翼往复运动产生升力。

本发明的四个扑翼结构对称布置，完全相同，模块化的设计有利于微型扑翼飞行器的制造。四套扑动机构互相有气流耦合，升力的产生效率高，可提供的总升力大，有助于提高飞行续航时间，增强飞行器的机动性与灵活性。

一种如上所述的四扑翼飞行器的控制方法，飞控系统8固定在机身6的中部，实时采集解算四扑翼飞行器的姿态欧拉角数据。姿态角度具体就是飞行器的俯仰角、滚转角、偏航角。根据设定的姿态期望值，反馈出控制信号传递至四个电机7，通过四个电机7的转速控制升力，结合尾翼9的稳定气流作用与飞控系统8配置重心的作用，从而改变合力与合力矩，从而实现四扑翼飞行器的飞行控制。

具体地，所述方法包括以下过程:

竖直运动：通过飞控系统8控制四组扑翼的电机7转速一致，以使四组扑翼产生相同的拍打频率，控制电机7的转速从而控制不同的升力；从而实现四扑翼飞行器竖直上升、竖直下降及悬停；

具体地，控制四对扑翼的电机转速一致以产生相同的拍打频率，进而产生相同的升力并使得合力矩为零。当升力大于微型四扑翼飞行器的重力时，微型四扑翼飞行器竖直上升；当升力小于微型四扑翼飞行器的重力时，微型四扑翼飞行器竖直下降；当升力等于微型四扑翼飞行器的重力时，微型四扑翼飞行器悬停。

俯仰运动：控制左前方电机与右前方电机转速一致，控制左后方电机与右后方电机转速一致；通过左、右前方电机转速与左、右后方电机转速的不同实现四扑翼飞行器的向前或向后的俯仰运动。

具体地，当前方两个电机转速小于后方两个电机的转速时，前方两对扑翼产生的升力小于后方两对扑翼产生的升力，产生向前的俯仰力矩，微型四扑翼飞行器向前做俯仰运动；当前方两个电机转速大于后方两个电机的转速时，前方两对扑翼产生的升力大于后方两对扑翼产生的升力，产生向后的俯仰力矩，微型四扑翼飞行器向后做俯仰运动；在此过程中，保持前方两对扑翼产生的升力与后方两对扑翼产生的升力之和不变时，可以保持竖直高度不变。

横滚运动：控制左前方电机与左后方电机转速一致，控制右前方电机与右后方电机转速一致；通过左、右两侧电机转速的不同实现向左或向右的横滚运动。

具体地，当左侧两个电机转速小于右侧两个电机的转速时，左侧两对扑翼产生的升力小于右侧两对扑翼产生的升力，产生向左的俯仰力矩，微型四扑翼飞行器向左做横滚运动；当左侧两个电机转速大于右侧两个电机的转速时，左侧两对扑翼产生的升力大于右侧两对扑翼产生的升力，产生向右的横滚力矩，微型四扑翼飞行器向右做横滚运动；在此过程中，保持左侧两对扑翼产生的升力与右侧两对扑翼产生的升力之和不变时，可以保持竖直高度不变。

偏航运动：控制左前方电机与右后方电机转速一致，转动方向均为顺时针，控制左后方电机与右前方电机转速一致，转动方向均为逆时针；通过两种转速的不同实现顺时针或逆时针偏航运动。

具体地，当左前方、右后方两个电机转速小于左后方、右前方两个电机的转速时，左前方、右后方两个电机产生的反扭矩小于左后方、右前方两个电机产生的反扭矩，微型四扑翼飞行器按顺时针作偏航运动；当左前方、右后方两个电机转速大于左后方、右前方两个电机的转速时，左前方、右后方两个电机产生的反扭矩大于左后方、右前方两个电机产生的反扭矩，微型四扑翼飞行器按逆时针作偏航运动。

本发明中心对称的扑翼结构使得仅需要四路控制输出就可以控制四扑翼飞行器的垂直运动、俯仰运动、偏航运动与翻滚运动，控制系统整体条理清晰，易于实现。同时通过搭载飞控系统与相机系统，能实现四扑翼飞行器的自主飞行与避障功能。在手动控制时，飞控系统也能作为辅助系统，根据实时姿态数据调节，增强飞行器的飞行稳定性。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

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