仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法技术

本发明专利技术提供了一种仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法，仿昆虫爬壁飞行器包括机身、左右扑翼动力组、头尾旋翼动力组、爬行动力组和飞行控制组，其转换控制方法根据任务过程分为五个阶段，分别为飞行阶段、飞爬转换阶段、爬行阶段、爬飞转换阶段和飞行阶段。本发明专利技术仿昆虫爬壁飞行器以昆虫为仿生对象，采用扑翼旋翼混合动力构型，既能在空中扑翼飞行和悬停，又能在竖直壁面上附着与爬行，拓展了传统飞行器的工作空间与活动能力。本发明专利技术仿昆虫爬壁飞行器具有体积小、飞行速度快、爬行速度快、视觉迷惑性和隐蔽性高、携带任务载荷比重大、支持自主飞行与图像传输功能等突出特点。飞行与图像传输功能等突出特点。飞行与图像传输功能等突出特点。

【技术实现步骤摘要】
仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法


[0001]本专利技术涉及仿生
、航空
与控制
，具体是一种仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法。

技术介绍

[0002]现代战争对于侦察隐蔽化、战场人员保护有越来越高的要求，无人机作为一种可携带侦察设备的低成本飞行器，可以隐蔽地实现战前和战时侦察，为战斗的决策和人员的保护提供丰富的信息。
[0003]扑翼飞行器的优势与研究局限性：根据升力产生方式的不同，可将无人飞行器划分为固定翼飞行器，旋翼飞行器，扑翼飞行器等类别。相对而言，扑翼飞行器具有更低的飞行噪声和更高的升力效率，外形具有视觉迷惑性。其中仿昆虫扑翼飞行器体积小，隐蔽性高，更适用于隐蔽侦查等场景。国内外以代尔夫特大学为首对仿昆虫扑翼飞行器展开了多种形式的设计研究，但这些扑翼飞行器大多升力较小，携带任务载荷的能力有限，并且只能在空中悬停或飞行，不具备爬行能力，因此其工作活动空间和任务持续时间均受到了一定的限制。
[0004]飞爬两栖飞行器的优势与研究现状：针对这种限制，国内外一些团队提出了飞行爬行两栖飞行器的概念，并展开了一些探索性的研究。飞爬两栖飞行器一般可以实现在飞行和爬行两种模式之间切换，从而克服了传统爬行机器人行动不灵活、难以越过障碍物等问题。飞爬两栖飞行器可以在工作空间内任意飞行，飞到指定位置降落，然后爬行到更隐蔽或更接近目标的位置，进行秘密侦查和稳定拍摄等工作。例如美国斯坦福大学研制的采用四旋翼动力的飞爬飞行器，通过四旋翼飞行平台调整姿态，攀附在垂直墙面上，可利用其仿生钩爪在墙面上爬行。但这种飞行器仅能在较为粗糙的墙壁上攀附与爬行。南京理工大学设计的飞爬两栖机器人仍然采用旋翼作为飞行平台，采用真空吸附的方法攀附在平面上，两足交替攀附实现爬壁功能。但这种机器人体型较大，且这两种飞行平台均不具备仿生特性。南航仿生所研制的地面爬行扑翼飞行器，可实现稳定的仿生扑翼飞行，但仅能在地面上缓慢爬行。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种仿昆虫爬壁飞行器及其转换控制方法，旨在兼顾飞行器可悬停、可飞行、可爬行、体积小、飞行速度快、载荷能力强、隐蔽性和视觉迷惑性高等性能、特点的同时，实现飞行器在多种粗糙度壁面上的稳定附着与爬行，以及在飞行与爬行模式之间的流畅平滑转换，从而拓展传统飞行器的运动环境、工作空间以及任务时长，应用于未来隐蔽侦察等场景。
[0006]本专利技术提供了一种仿昆虫爬壁飞行器，包括机身、左扑翼动力组、右扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组、爬行动力组和飞行控制组。
[0007]所述机身包括主板、底板、电池、铝柱和螺钉。所述电池固定在所述主板的尾部。四
根所述铝柱支撑于主板和所述底板之间，分别与主板和底板上的四个安装孔位相照应，四颗所述螺钉从主板上方将主板和铝柱紧固在一起，另四颗螺钉从底板下方将底板和铝柱紧固在一起，形成起落架。其中，所述主板用于安装和固定整架飞行器所需的大部分零部件，所述铝柱和底板用于在起飞和降落过程中稳定地支撑飞行器。
[0008]所述左扑翼动力组包括底座、主动齿轮、一级双层齿轮、二级偏心齿轮、连杆、摇臂、小销钉、主轴销钉、固定杆、前缘杆、扑翼膜和电机。所述底座安装在主板中间的扑翼动力组安装孔中。所述电机的凸台从下方插入底座中心的电机安装孔内，所述主动齿轮的内径略小于电机主轴的外径，用于以过盈配合方式安装在所述空心杯电机转轴上。所述一级双层齿轮通过小销钉固定在底座上，一级双层齿轮下齿盘同主动齿轮啮合，所述的二级偏心齿轮对称安装在底座两侧，同一级双层齿轮的上齿盘互相啮合。所述摇臂共有两个，通过主轴销钉固定在底座上，所述连杆共有四个，使用小销钉将其一头固定在二级偏心齿轮的偏心孔内，另一头固定在摇臂上，进而带动所述前缘杆和扑翼膜在空中扑动。所述固定杆从下方竖直插入底座的安装孔中，扑翼膜的根部平整粘贴在固定杆上。所述右扑翼动力组的结构与所述左扑翼动力组的结构互为镜像关系，不做重复叙述。其中，电机的动力分别通过主动齿轮、一级双层齿轮和二级偏心齿轮进行两级减速，通过连杆将圆周运动转换为直线运动，驱动摇臂带动扑翼往复扑动产生周期性升力。二级偏心齿轮和连杆的运动左右对称，以保证两片扑翼运动的对称性和同步性。
[0009]所述头部旋翼动力组包括旋翼底座、电机安装座、无刷电机、螺旋桨和螺钉。所述旋翼底座通过定位销与所述主板上的定位孔固定在一起，所述电机安装座通过凸台与旋翼底座上的凹槽固定在一起。使用所述螺钉将所述无刷电机安装在电机安装座上，所述螺旋桨与无刷电机轴采用过盈配合的安装方式。所述无刷电机驱动螺旋桨旋转产生升力。
[0010]所述尾部旋翼动力组包括旋翼底座、电机安装座、舵机、摇臂、转轴、无刷电机、螺旋桨和螺钉。所述旋翼底座通过定位销与所述主板上的定位孔固定在一起。所述转轴穿过所述电机安装座和旋翼底座上的轴孔，将两者同轴铰接在一起。使用所述螺钉将所述无刷电机安装在电机安装座上，所述螺旋桨与无刷电机轴采用过盈配合的安装方式。所述摇臂内嵌于电机安装座的摇臂槽中，所述舵机通过花键驱动摇臂偏转，从而带动电机安装座和无刷电机矢量偏转，无刷电机驱动螺旋桨旋转产生矢量升力。
[0011]所述爬行动力组包括机架、主动齿轮、被动齿轮、减速电机、主轴、外壳、履带轮、履带和粘附垫，整体呈履带式结构。所述机架的背面固定在所述主板的头部，用于支撑和固定爬行动力组的各个零件。所述减速电机安装在机架中间的电机槽中，减速电机轴和所述主轴均采用间隙配合方式安装在机架上。所述主动齿轮与被动齿轮均为直齿圆柱齿轮，相互啮合，用于将电机动力传递至主轴。所述主轴中间与被动齿轮固连，两端与所述履带轮固连，主轴带动前履带轮转动后，驱动所述履带转动使后履带轮以相同速度转动。履带外表面附着所述粘附垫，用于增强壁面爬行时的吸附性和摩擦力。所述外壳扣放在爬行动力组上表面，与机架固接，起到保护传动机构和美化外观的作用。
[0012]所述飞行控制组包括飞控板、电调板、六角螺柱、长螺钉和螺母。四根所述长螺钉从上面穿过主板上的飞控安装孔，四个所述六角螺柱从下方拧入，将长螺钉在主板上固定好。长螺钉穿过所述电调板上的四个安装孔，再用四个六角螺柱将电调板压紧。长螺钉穿过所述飞控板上的四个安装孔，用四颗螺母将电调板压紧。其中，所述飞控板用于控制飞行器
稳定飞行、爬行以及模式转换，所述电调板用于同时为四个无刷电机供电和调速。
[0013]本专利技术还提供了一种仿昆虫爬壁飞行器的转换控制方法。根据实际应用场景，将爬壁飞行器的任务过程分为五个阶段，分别为飞行阶段、飞爬转换阶段、爬行阶段、爬飞转换阶段，最终恢复为飞行阶段。每个阶段对应一种控制方法。所述仿昆虫爬壁飞行器共有六个执行器，包括左扑翼动力组、右扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组、矢量偏转舵机和爬行动力组。
[0014]所述飞行阶段的控制方法是指：左右扑翼动力组和头尾旋翼动力组共同产生升力，为飞行器提供升降运动的操控。头尾旋翼动力组差速旋转产生俯仰力矩，为飞行器提供俯仰运动和纵向运动的操控。左右扑翼动力组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿昆虫爬壁飞行器，其特征在于：包括机身、扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组、爬行动力组和飞行控制组；所述扑翼动力组为分布在机身两侧互为镜像的一对扑翼动力装置，动力装置通过经过减速后通过连杆将圆周运动转换为直线运动，驱动摇臂带动扑翼往复扑动产生周期性升力；所述头部旋翼动力组安装在机身头部，通过驱动旋翼旋转产生升力；所述尾部旋翼动力组安装在机身尾部，通过驱动旋翼旋转产生升力；所述爬行动力组为履带式结构，包括机架、主动齿轮、被动齿轮、减速电机、主轴、外壳、履带轮、履带和粘附垫；所述机架的背面固定在机身的头部，所述减速电机安装在机架中间的电机槽中，减速电机轴和所述主轴均采用间隙配合方式安装在机架上；所述主动齿轮与被动齿轮均为直齿圆柱齿轮，相互啮合，将电机动力传递至主轴；所述主轴中间与被动齿轮固连，两端与所述履带轮固连，主轴带动前履带轮转动后，驱动所述履带转动使后履带轮以相同速度转动；所述履带外表面附着所述粘附垫，用于增强壁面爬行时的吸附性和摩擦力；所述外壳扣放在爬行动力组上表面，与机架固接；所述飞行控制组包括固定在机身上的飞控板和电调板，飞控板通过电调板与扑翼动力组、头部旋翼动力组、尾部旋翼动力组以及爬行动力组中的电机连接。2.根据权利要求1所述的仿昆虫爬壁飞行器，其特征在于：所述的机身包括主板、底板、电池、铝柱和螺钉，所述电池固定在所述主板的尾部；四根所述铝柱支撑于主板和所述底板之间，分别与主板和底板上的四个安装孔位相照应，四颗所述螺钉从主板上方将主板和铝柱紧固在一起，另四颗螺钉从底板下方将底板和铝柱紧固在一起，形成起落架。3.根据权利要求1所述的仿昆虫爬壁飞行器，其特征在于：所述的扑翼动力装置包括底座、主动齿轮、一级双层齿轮、二级偏心齿轮、连杆、摇臂、小销钉、主轴销钉、固定杆、前缘杆、扑翼膜和电机；所述底座安装在机身中间的扑翼动力组安装孔中；所述电机的凸台从下方插入底座中心的电机安装孔内，所述主动齿轮的内径略小于电机主轴的外径，用于以过盈配合方式安装在所述电机转轴上；所述一级双层齿轮通过小销钉固定在底座上，一级双层齿轮下齿盘同主动齿轮啮合，所述的二级偏心齿轮对称安装在底座两侧，同一级双层齿轮的上齿盘互相啮合；所述摇臂共有两个，通过主轴销钉固定在底座上，所述连杆共有四个，使用小销钉将其一头固定在二级偏心齿轮的偏心孔内，另一头固定在摇臂上，进而带动所述前缘杆和扑翼膜在空中扑动；所述固定杆从下方竖直插入底座的安装孔中，扑翼膜的根部平整粘贴在固定杆上。4.根据权利要求1所述的仿昆虫爬壁飞行器，其特征在于：所述的头部旋翼动力组包括旋翼底座、电机安装座、无刷电机、螺旋桨和螺钉；所述旋翼底座通过定位销与机身上的定位孔固定在一起，所述电机安装座通过凸台与旋翼底座上的凹槽固定在一起。5.根据权利要求1所述的仿昆虫爬壁飞行器，其特征在于：所述的尾部旋翼动力组包括旋翼底座、电机安装座...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昊泽，郑祥明，吉爱红，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：