扑翼飞行器

摘要： 为提高扑翼飞行器的气动效率,分析自然界鸟类翅膀运动机理,设计拍打-折叠运动的仿鸟飞行器机构,实现了仿鸟翅膀“8”字型运动轨迹。区别于传统扑翼飞行器的膜状翼结构,模仿鸟类翅膀羽毛分层结构,研制出羽毛机翼。利用计算流体力学仿真软件XFlow,研究机翼初始迎角,展弦比和扑动频率对折叠翼扑翼飞行器的气动特性影响。实验结果表明:机翼初始迎角在5°时取得最大升阻比系数,有利于飞行器快速升空及平飞飞行;扑动频率在4~5 Hz时获得最佳气动效率;机翼展弦比为3,扑翼飞行器获得较优气动性能。羽翼动力折叠翼飞行器成功飞行,为研制机翼多自由度变形仿生机器鸟提供理论上的可行性和有效飞行平台。

摘要： 为了提高扑翼飞行器的飞行性能,借鉴中小型鸟类的飞行运动特征,设计了一种基于空间连杆机构的新型多自由度扑翼机构。首先,通过运动学分析建立了扑翼飞行器驱动机构的运动学模型;然后,在Adams仿真软件中建立了扑翼机构仿真分析模型,对理论分析进行了验证。结果表明,所设计的驱动机构通过单自由度驱动就能够实现扑动、扭转、偏转多个自由度耦合运动。其中,上扑动极限为34.65°、下扑动极限为-29.66°,最大扭转角为15.05°,最小扭转角为-14.9°,偏转角范围为-5.01°~5.21°;输出的“8”字形轨迹与中小型鸟类飞行时的翼尖轨迹相同,具有良好的气动性能。仿真得到的运动学参数与理论计算一致,验证了理论计算的正确性。

摘要： 扑翼飞行器(flapping-wing aerial vehicle,FAV)是一种模仿动物飞行方式的新型飞行器,其具有仿生性且飞行声音小等特点,具有广泛的军事和民用前景。由于扑翼飞行器动力学模型复杂且容易受到风等环境因素的影响,目前尚无成熟稳定的控制算法可以用来控制扑翼飞行器。目前对扑翼飞行器的控制大多仍以手动控制为主,然而手动控制扑翼飞行器的方式会受到飞手操作水平的限制,难以大范围推广。通过对PX4固件和QGC地面站进行定制化改造以满足在一定应用背景下扑翼飞行器的有效控制,实现了扑翼飞行器的自动控制和协同飞行。同时还将扑翼飞行器多机协同飞行设计与实践引入到了"嵌入式计算技术"课程教学中,激发了学生的学习热情,提高了学生的创新实践能力。

摘要： 针对扑翼飞行器自主起降能力缺失、严重影响其适用场景的问题,开展了仿生弹跳机构设计研究。对鸟类跳跃起飞过程中典型的运动状态进行分析,结合其各阶段的后肢骨骼结构、重心、力、速度等运动变化规律,对扑翼飞行器弹跳起飞动态过程进行了设计。基于鸟腿的骨骼解剖学结构,设计了闭链齿轮-五杆仿鸟腿弹跳机构,并基于D-H法推导出弹跳机构运动学方程,利用拉格朗日方程建立了弹跳机构起跳阶段的动力学方程。对弹跳机构进行了详细结构设计,采用ADAMS对简化的弹跳模型进行了仿真分析。仿真结果显示,借助该仿生弹跳机构,扑翼飞行器系统质心速度达到8.4 m/s,大于“信鸽”飞行器起飞所需的速度7.9 m/s,具备弹跳起飞的可能性。

摘要： 针对传统扑翼飞行器机翼拍打存在相位差的问题,设计了一种使用曲柄滑槽机构传动的扑翼飞行器,对其进行建模和仿真分析,制作样机并进行了实际飞行测试。制作的样机质量为26 g,翼展为340 mm,最高拍打频率为17 Hz。对曲柄滑槽机构进行理论分析,推导出该机构的运动学方程;利用SolidWorks软件对曲柄滑槽机构进行运动学仿真分析,研究了不同曲柄长度和不同拍打频率下扑翼飞行器的运动特性,确定了一个合适的曲柄长度;测试了不同电机型号和减速比下扑翼飞行器的功率消耗,确定一组低功耗的动力装置。研究结果表明,曲柄滑槽传动机构能够实现机翼无相差对称拍打,降低升力不平衡对机身的影响;在曲柄长度为4.5 mm时,机翼的上冲程角和下冲程角分别为45°和-15°,扑翼飞行器能够实现在空中稳定飞行。

摘要： 自然界中飞行生物利用肌肉、骨骼等结构的协同作用实现灵活、敏捷的飞行,具有扑动、悬停、滑翔等多种飞行模式.仿生扑翼飞行器是模拟鸟类和昆虫等飞行模式的一类飞行器,通过机翼的周期性上下扑动产生飞行所需的升力和推力,具有隐蔽性好、能效高和飞行噪声小等优点,得到了各研究机构的广泛关注.由于扑翼飞行器自身的负载能力较小,很难携带大容量的电池,导致其续航时间有限.研究新型轻质高能量密度的电池和高仿生设计实现续航时间的提升,是扑翼飞行器重要的研究方向.但是,针对扑翼飞行器新型电池的研究还处于初级研发阶段,尚不具备机载飞行测试的能力.研究人员从仿生机理分析、机构优化设计以及控制策略研究等方面入手,针对扑翼飞行器能耗问题开展了大量研究,并取得了阶段性成果.总结了有关仿生扑翼飞行器能耗方面的研究进展,分析了静态参数、动态参数和控制策略等对仿生扑翼飞行器能耗的影响,提出了降低能耗的措施,并对未来研究方向做出了展望.

摘要： 扑翼飞行器是受到鸟类及昆虫飞行方式启发而设计的仿生机器人,在军事和民用领域有广阔前景。相较于固定翼和旋翼飞行器,扑翼飞行器具有质量轻、灵活性好、飞行效率高等特点,是飞行器未来发展的热门研究方向。该文首先介绍几种典型的仿生扑翼飞行器,然后简述扑翼飞行器的关键技术和难点,并讨论光学动作捕捉系统在研究中的应用。

摘要： 为了提高扑翼飞行器的飞行性能,借鉴生物的飞行运动特征,设计了一种基于空间摆杆机构的新型多自由度扑翼机构.通过运动学分析建立了扑翼飞行器驱动机构的运动学模型,利用Matlab对驱动机构运动学方程进行求解分析.结果表明:所设计的驱动机构通过单自由度驱动,就能够完成扑动、扭转耦合运动,其中上扑动幅度为64.098°,下扑动幅度为-64.098°,扭转角度为69.422°~99.327°,并且能够输出与生物飞行时翅翼相同的“8”字型轨迹,具有良好的气动性能.

摘要： 针对不同类型的仿生扑翼飞行器的研究现状,指出扑翼飞行器现有发展水平的优势与不足。根据仿生对象的不同,对扑翼飞行器的关键技术进行介绍与分析,包括动力学、结构、材料、建模与控制。在综合分析研究现状的基础上,对未来扑翼飞行器的发展方向进行展望,对可能面临的技术难题进行了预测,为扑翼飞行器技术研究提供参考。

摘要： 扑翼飞行器的驱动机构是扑翼飞行器的动力装置,决定了扑翼飞行器的整机性能.随着人们对扑翼飞行器性能的要求越来越高,各国研究者们对其驱动机构工作原理的探索也越来越深入,从而使扑翼飞行器驱动机构设计理论与方法研究取得了显著进展.在最近几年里,更是涌现出了许多新型高效的驱动机构.本文对近些年出现的传统纯机械式的驱动机构和基于智能材料的驱动机构的应用现状做了详细的研究与总结,并分析了其特点与发展趋势.介绍了柔性结构在扑翼飞行器领域的应用情况,并分析了其在驱动机构中发挥的作用.

摘要： 扑翼飞行器因尺度小、使用灵活、隐蔽性高等特点而具有较好的应用前景,其低雷诺数非定常空气动力学特征突出,是目前微型无人机研究的热点之一.为此,大量研究采用动边界数值模拟方法分析了微型飞行器的气动性能和流动机理.本文回顾了微型飞行器的动边界气动数值模拟的应用现状,并对未来研究的重点方向进行了展望.

摘要： 本文为选择出适合扑翼飞行器滑翔飞行和不同幅度扑动飞行的翼型,通过求解N-S方程计算了具有不同厚度的NACA系列翼型在不同沉浮幅值下的气动特性.通过比较平均升阻力系数,平均俯仰力矩系数和平均压力中心等气动特性,选择出既适合滑翔飞行又适合扑动飞行的扑动滑翔翼型.

摘要： 本文主要针对现有的一种微型扑翼飞行器的扑动/滑翔复合飞行模式进行了假设及研究.首先通过风洞试验数据,对这种复合飞行模式的可能性进行了验证;接着参照同等体型及重量的鸟类,对该微型扑翼飞行器的滑翔时间进行了初步假设;最终通过Matlab/Simulink平台对一种复合飞行策略进行了仿真.仿真结果表明,该微型扑翼飞行器具备一定的扑动-滑翔能力.

摘要： 利用拉格朗日方程,建立了仿蝙蝠折叠扑翼飞行器的动力学方程,分析了翅翼气动阻力和转动惯量对曲柄转速的影响.首先利用流体力学原理,建立了折叠翼气动力矩的数学模型;其次,针对单自由度平面连杆机构等效动力学模型,将平面连杆机构看做是质点系和平面刚体系统所组成的混合系统,建立翅翼在拍动和折叠情况下机构等效力矩和等效转动惯量的数学表达式;最后基于拉个朗日方程建立系统的等效动力学模型,求解系统的真实运动规律,为准确计算扑翼飞行器的气动升力提供了理论基础;以UG软件进行动力学仿真验证,两者在仿真结果上趋于一致,为该方法的可行性提供了依据.

摘要： 本文设计了一款用于扑翼飞行器的新型机构,并对其进行了测试.该扑翼飞行器由两条压电片作为驱动,由于压电片所能提供的位移很小,所以需要为其设计合理的放大器来满足扑翼的需求.作者设计了几款不同布局的四连杆机构,通过对比,最终选取了一款位移放大效率最高的放大器,它的放大效率为13.4,是目前所知的应用于扑翼飞行器的放大效率最高的放大器.为了更好地利用共振来获得最小的能量需求(惯性力被抵消),柔性连接用采取代四连杆机构中的刚性铰链,共振频率选取合适的话,整个放大机构可以达到最低的能量需求.经过PATRAN/NASTRAN线性静强度分析,这个柔性机构的放大效率由于变形有所降低,但可以预期的是,在特定的输入频率下,该柔性放大器的放大效率应高于刚性放大器.

摘要： 仿昆虫扑翼飞行器的研究正成为热点.其成功研制对国防和民用领域的重要性不言而喻.基于计算流体动力学方法获得不同二维翼型和三维扑翼拍动运动的流场,进而获得气动力和力矩,并分析能耗.研究结果表明,拍动运动时采用平板薄翼型较NACA0012翼型、椭圆翼型和褶皱翼型可产生更大的升力；但采用NACA0012翼型可获得更高的升阻比.通过对拍动运动的能耗分析发现:悬停飞行时扑翼主要克服气动力和惯性力做功,将扑翼翻转运动的转轴位置布置在距前缘25％～50％弦长之间、采用平板薄翼型或NACA0012翼型以及面积二阶矩尽量小的平面形状、将质量分布靠近转轴和翼根、选用高强度轻质材料可获得最低的能耗,这是可用于微型仿昆虫扑翼飞行器的机翼优化设计方案.研究结果对微型仿昆虫扑翼飞行器的设计提供了参考.

摘要： 国内外学者对柔性翼的气动特性进行了大量研究,然而,柔性翼的研究涉及非定常空气动力学、结构力学、材料力学等多学科,非常复杂,同时,对大尺寸扑翼的空气动力学性能研究则较少涉及.为探索大尺寸扑翼的气动特性,丰富实验数据,文章采用旋臂实验的方法,对扑翼模型进行空气动力学测试,研究不同柔度的柔性扑翼对平均推力的影响,优选出产生最大推力的柔度,以期为大尺寸扑翼飞行器的设计提供参考.

摘要： 仿昆虫扑翼飞行器是一种微尺寸、高机动的微型仿生飞行装置.针对其核心动力装置——微驱动器的结构特点和研究难点,设计了一种基于静电驱动原理的毫米级微扑翼驱动器,并针对各个部件研究了一整套加工工艺与测试方法.运动优化与升力测试结果表明,该微扑翼驱动器(翼展9mm,重量3mg)能够以91Hz的频率实现±40°的拍动和±25°的扭转运动,输出1.5mg的升力,升重比较以往静电微扑翼驱动器有大幅提升.

摘要： 因为目前仿生微型飞行器发展受到最大的制约是能量的消耗.同样的飞行距离,目前的微型扑翼飞行器需要的能量远远大于鸟类.鸟能够长时间、高效率飞行,是由于其翅膀的特殊构造和复杂的变形而形成的能力.本文介绍研究的几种可以主动变形的仿鸟飞行器设计,以期获得更加接近鸟运动的仿生微型飞行器气动特性.文中将对研究的多自由度扑动、差动扑翼、主动面积变形、多段结构形状变形的四种变形的仿鸟飞行器的作简要的介绍,包括结构的设计、气动特性和风洞试验,以及与与常规扑翼进行对比分析.试验结果表明,较之常规扑翼在相同情况下主动结构变形扑翼机可以显著提高升力和对不同飞行状态的适应能力.

摘要： 本文从三个层面表征蜻蜓翅膀多维,多尺度的结构特征,并揭示不同结构特征对翅膀自然频率/模态、动力学响应以及飞行性能的影响.首先,尺度在10mm-50mm 范围内整体翅膀的平面翼型结构;其次,尺度范围在1mm-10mm 范围内翅膀弦向截面的空间褶皱结构;最后,尺度范围在100nm-100um 范围内翅脉和翅膜的微结构特征.为了测量不同尺度下结构的特征尺寸,我们采用不同的实验方法观察蜻蜓翅膀的上述结构特征,实验观察结果表明,翅膀前缘的弦截面具有显著的锯齿状褶皱结构,褶皱的尺寸为5mm-8mm ,并且随着翼展的延伸而减小,三根主要的径向翅脉截面呈现"几丁质-蛋白质"复合的三明治管状结构,处于翅根与前缘翅膜较厚(约100um ),并存在明显的分层.依据观测的翅膀结构特征,创建包含蜻蜓翅膀所有结构特征有限元模型.通过对前翅结构模型的自然频率/模态的提取、悬停飞行过程的动力学响应分析表明,蜻蜓翅膀的前四阶模态可以很好的描述蜻蜓拍打翅膀的变形,其一阶拍打频率为28.633Hz ,与实验测试的结果基本相同(约27.0Hz ).在提取结构模态的基础上,通过施加一个周期拍打构成的分布式载荷,得到翅痣中心随时间的变化关系,翅膀在整个拍打过程中的结构变形,以及约束节点的支反力和扭矩,前翅在整个拍打过程中沿着翼展方向的扭转变形显著,不同时刻的变形姿态更加合理.升力及其分量随时间变化的同步性与实验较吻合,其升力最大幅值为约2.0E-3N .此外,其动态响应过程相对于载荷的时间关系曲线存在延迟现象,随拍打过程的延续,延迟相位角增大.数值模拟的结果证实蜻蜓翅膀的各个结构特征对动力学响应行为的影响,为微型扑翼飞行器的设计和制造起到了重要的作用.

摘要： 本发明公开了一种用于扑旋翼飞行器的质心控制系统，所述质心控制系统包括配重滑块和用于带动所述配重滑块在滑动平面上移动以调整位置的滑块驱动组件，所述滑块驱动组件包括可带动配重滑块沿第一方向移动的第一驱动机构和可带动配重滑块沿第二方向移动的第二驱动机构，所述第一方向所在的直线与所述第二方向所在的直线互不重合。本发明还公开了一种扑旋翼飞行器，所述扑旋翼飞行器包括上述的质心控制系统。本发明的质心控制系统及扑旋翼飞行器具有结构简单、重量轻、环境适应性好、控制效率高、可靠性强、无需反扭矩机构等优点，并可实现多个方向的灵活飞行。

摘要： 本公开涉及一种扑翼飞行器的机翼及扑翼飞行器，其中的扑翼飞行器的机翼包括机翼主体，机翼主体的翼型截面构造为由上表面和下表面围合成的弯弓形；机翼主体的前缘线和后缘线分别为曲线；在沿机翼主体的展向上，前缘线和后缘线的距离逐渐减小，机翼主体的厚度逐渐减小。通过上述技术方案，使扑翼飞行器机翼的翼型弯度和厚度及其沿翼展方向的分布具有变化，从而使机翼在外形上更加接近鸟类的翅膀，改善了机翼在扑动条件下的气动效率，增大了飞行器的有效载荷；在飞行器滑翔时，能够提供更显著的升力，适合应用于扑动‑滑翔混合飞行模式的扑翼飞行器，能够显著减小能耗、增大飞行半径和飞行时间。

摘要： 本申请公开了一种扑翼飞行器驱动装置及扑翼飞行器。该扑翼飞行器驱动装置包括驱动支架及扑翼结构，扑翼结构通过转轴设置在驱动支架上。驱动支架上设置有铁芯，铁芯上套设有线圈。扑翼结构位于铁芯上方，扑翼结构面向铁芯的一侧设置有永磁体，线圈通电时，线圈与铁芯产生磁场，该磁场吸引或排斥永磁铁，使得扑翼结构靠近或远离铁芯转动。本申请的扑翼飞行器驱动装置，交替为线圈通入电流和反向电流，可以实现扑翼结构上下扑动，从而可以为扑翼飞行器提供动力，通过调整通入电流的大小和变向频率，可以调整扑翼结构的扑动力度、幅度和频率，为扑翼飞行器提供不同的升力和速度，可以丰富扑翼飞行器的驱动方式，提高扑翼飞行器的载荷能力。

摘要： 本发明涉及仿生独角仙扑翼飞行器及控制扑翼飞行器方法，通过观察高速摄像机所记录的独角仙的飞行过程，发现独角仙的双翅在扑动过程中会有扑动、摆动和扭转三个自由度，在这三种运动形式下，其双翅翅尖在空中的运动轨迹为“8”字形，“8”字形尾迹运动方式可以优化气动特性减少能耗。本发明是基于独角仙的飞行特性和气动理论，提供一种仿生独角仙扑翼飞行器，使扑翼在飞行过程中实现扑动、摆动和扭转三个自由度运动，并相互影响实现仿生翼翼尖“8”字形轨迹的运动方式。

摘要： 本发明公开了一种水空跨介质扑翼飞行器的变后掠机翼组件，包括：机身；转动架，设置在机身前端的一侧，转动架的前端与机身转动连接；第一摆杆，转动设置在转动架上，第一摆杆能够相对于转动架上下摆动；翼面，固定设置在第一摆杆上；扑翼驱动机构，设置在机身上，扑翼驱动机构用于驱动第一摆杆相对于转动架上下摆动；机翼调整机构，设置在机身上，机翼调整机构用于驱动转动架相对于机身左右转动；应用上述水空跨介质扑翼飞行器的变后掠机翼组件能够提高飞行器在不同工况下飞行的性能；本发明还提供一种扑翼飞行器。

摘要： 本公开涉及一种扑翼飞行器以及控制扑翼飞行器的方法。根据本公开的扑翼飞行器，包括：齿轮传动组件(100)，设置在扑翼飞行器的机身上，并包括沿扑翼飞行器的中心线对称布置且在配合侧相互啮合的第一齿轮(101)和第二齿轮(102)；动力源(200)，包括第一动力源(201)和第二动力源(202)，第一动力源(201)和/或第二动力源(202)为齿轮传动组件(100)提供动力，以带动第一齿轮(101)和第二齿轮(102)往复运动；以及飞翼(300)，直接连接到第一齿轮(101)和第二齿轮(102)，以在第一齿轮(101)和第二齿轮(102)往复运动时，在一角度范围内上下运动。

摘要： 本实用新型涉及一种扑翼飞行器的三维扑翼机构及微型扑翼飞行器。本实用新型提供了一种扑翼飞行器的三维扑翼机构，包括机架、旋转驱动机构、扭转扑动机构和折展机构，其中，所述旋转驱动机构设置在所述机架上，所述扭转扑动机构与所述机架铰接，所述折展机构与所述扭转扑动机构铰接，所述旋转驱动机构与所述扭转扑动机构连接，所述扭转扑动机构包括驱动曲柄、与所述驱动曲柄铰接的扭转连接件和扭转杆，所述折展机构包括折展杆和平行四连杆机构。本实用新型的有益效果是：使得扭转扑动机构和折展机构具有翅翼扑动、折展、扭转的运动特性，其中上下扑动时间不对称，飞行状态更贴近于鸟类飞行实际扑动规律，具有很高的仿真程度。

摘要： 本实用新型涉及一种微型扑翼飞行器的扑翼机构及微型扑翼飞行器。本实用新型提供了一种微型扑翼飞行器的扑翼机构，包括机架、连杆和前翼，所述机架上设有旋转驱动装置和与所述旋转驱动装置连接的减速机构，所述减速机构包括旋转输出部，所述机架铰接有平面连杆机构，所述平面连杆机构为平行四边形机构，所述连杆的一端与所述旋转输出部铰接。本实用新型还提供了一种微型扑翼飞行器。本实用新型的有益效果是：具有扑动、折翼、前翼扭转的运动特性，具有良好的对称性，增加了飞行器的飞行稳定性，拥有复杂灵活的机翼运动，有利于实现复杂的飞行任务，结构简单、紧凑，体积小，重量轻，适合对体积和重量要求比较高的微型扑翼飞行器。

摘要： 本实用新型提供一种扑翼飞行器、扑翼飞行器收纳箱及套装，包括：机身，机身连接有尾翼连接座，尾翼连接座包括第一插接结构和第一电连接端子；尾翼，尾翼设置有尾翼连接块，尾翼连接块包括第二插接结构和第二电连接端子；在尾翼连接座与尾翼连接块连接的情况下，第一插接结构与第二插接结构可拆卸地插接在一起，第一电连接端子与第二电连接端子插接电连接。两处连接结构的存在可以保证机身与尾翼之间机械连接的可靠性，同时兼顾电信号的传输，实现对尾翼的控制。此外，两处连接均为可拆卸地连接，可以简化拆装过程，降低拆装难度，同时便于后期对各零部件的维修或更换，拆装后的扑翼飞行器占用空间更小，便于收纳和携带。

摘要： 本实用新型属于飞行器技术领域，涉及一种扑翼飞行器驱动机构和扑翼飞行器。该扑翼飞行器驱动机构包括：相互连接的第一电机和第一齿轮，第一电机被配置为驱动第一齿轮转动；相互连接的第二电机和第二齿轮，第二电机被配置为驱动第二齿轮转动；齿轮传动组件，第一齿轮和第二齿轮均与齿轮传动组件啮合以驱动齿轮传动组件转动；相互啮合的第三齿轮和第四齿轮，第三齿轮和第四齿轮的其中之一与齿轮传动组件啮合；以及第一曲柄摇杆组件和第二曲柄摇杆组件，第一曲柄摇杆组件与第三齿轮铰接，第二曲柄摇杆组件与第四齿轮铰接。该扑翼飞行器驱动机构可以驱动扑翼上下扑动，并且可以提高电机的驱动效率以及使用寿命。