无尾扑翼飞行器及其飞行控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107310723A(43)申请公布日2017.11.03(21)申请号201710392976.1(22)申请日2017.05.27(71)申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市秦淮区御道街29号(72)发明人郑祥明冯卓群蒋进徐哲常慧媛刘媛媛(74)专利代理机构江苏圣典律师事务所32237代理人贺翔(51)Int.Cl.B64C33/02(2006.01)H02K33/16(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图7页(54)发明名称无尾扑翼飞行器及其飞行控制方法(57)摘要本发明提供了一种无尾扑翼飞行器及其飞行控制方法，无尾扑翼飞行器包括机架和安装在机架上的两套结构相同的独立的扑翼机构。所述的机架下方带有起落架，该扑翼飞行器停放在水平面上时，机架的底面与水平面平行。每套扑翼机构均包括机翼、动子、类似工字形软铁芯、线圈、边缘有槽轮、橡胶圈。本发明使用摆动电机直接带动机翼摆动，摆动电机与机翼之间没有传动机构，有利于减少扑翼飞行器的重量、能耗、噪声，通过改变施加到摆动电机两极上的电压的波形来控制扑翼飞行器的飞行，不需要复杂的控制机构来控制扑翼飞行器的飞行，有利于减少扑翼飞行器的重量。扑翼机构强度高，寿命长，制造成本低。CN107310723ACN107310723A权利要求书1/2页1.一种无尾扑翼飞行器，包括机架（1）和安装在机架（1）上的扑翼结构，机架（1）下方带有起落架，该扑翼飞行器停放在水平面上时，机架（1）的底面与水平面平行，其特征在于：机架（1）上安装有两套结构相同的独立的扑翼机构，每套扑翼机构均包括机翼（2）、动子（3）、类似工字形软铁芯（4）、线圈（5）、边缘有槽轮（6）和橡胶圈（7），其中，所述的机翼（2）通过第一铰链与所述的动子（3）连接，第一铰链轴线与机架（1）的底面平行，动子（3）通过第二铰链与机架（1）连接，第二铰链轴线与机架（1）底面垂直，动子（3）上固定有圆环形导磁材料（9），其中圆环的圆心在第二铰链轴线上，圆环形导磁材料（9）内侧固定有两块圆弧形永磁体（10），其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，圆弧形永磁体充磁方式为辐射充磁，一块圆弧形永磁体N极在内侧，另一块圆弧形永磁体S极在内侧；所述的类似工字形软铁芯（4）固定在机架（1）上被动子（3）包围，类似工字形软铁芯（4）的外侧为圆弧，其中圆弧的圆心在第二铰链轴线上，类似工字形软铁芯（4）中间有一个让第二铰链穿过的通孔；扑翼飞行器静止时，圆弧形永磁体（9）的圆弧的圆心角的角平分线与类似工字形软铁芯（4）外侧的圆弧的圆心角的角平分线垂直；所述的类似工字形软铁芯（4）上对应“工”字一竖部分缠绕有线圈（5），线圈（5）与电源连接；当扑翼飞行器静止时俯视扑翼飞行器，给线圈施加正向电压时，动子（3）受到的磁场力使动子获得顺时针方向的力矩；给线圈施加反向电压时，动子（3）受到的磁场力使动子获得逆时针方向的力矩；一个边缘有槽轮（6）通过第三铰链与动子（3）连接，第三铰链轴线与机架（1）底面垂直，一个边缘有槽轮（6）通过第四铰链与机架（1）连接，第四铰链轴线与机架（1）底面垂直；所述的橡胶圈（7）绷紧在两个边缘有槽轮（6）之间，使扑翼飞行器静止时一套扑翼机构的第二铰链轴线、第三铰链轴线、第四铰链轴线在一个平面内，当机翼（2）和动子（3）围绕第二铰链摆动离开平衡位置时橡胶圈（7）提供回复力；给线圈（5）通方波交流电，机翼（2）会围绕第二铰链摆动，一个周期内最长施加电压时间取周期的20%至60%，交流电的频率取机翼围绕第二铰链摆动固有频率的110%至140%，给两套扑翼机构的线圈通的交流电频率一致。2.根据权利要求1所述的无尾扑翼飞行器，其特征在于：动子围绕第二铰链摆动的最大范围取160°至200°，动子上设置有限制机翼攻角的凸起（8），凸起（8）限制机翼围绕第一铰链只能在一个固定的范围内摆动，该范围大小取60°至120°，扑翼飞行器飞行时，机翼可在该范围内围绕第一铰链在空气动力和惯性力的作用下摆动，扑翼飞行器悬停时，机翼围绕第二铰链顺时针摆动阶段和逆时针摆动阶段机翼达到的最小正攻角大小一致。3.一种无尾扑翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于包括以下过程：偏航运动：增加给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链顺时针摆动用的时间短，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链逆时针摆动用的时间长，扑翼飞行器获得向左偏航的力矩，向左偏航；增加给两套扑翼机构的线圈施加反向电压的时间，减少给两套扑翼机构的线圈施加正向电压的时间，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链逆时针摆动用的时间短，使两套扑翼机构的机翼围绕第二铰链顺时针摆动用的时