一種羽翼變形仿生無人飛行器及變形控制方法與流程

2023-07-21 14:11:36

本發明屬於無人飛行器領域，特別涉及一種羽翼變形仿生無人飛行器及變形控制方法。

背景技術：

城市、山地或叢林等近地地貌十分複雜，往往會出現各種突發風切變隨機亂流現象。不同風速不同風向亂流使得傳統固定性或多旋翼無人機操縱性穩定性面臨嚴峻考驗。因此迫切需要能適應城市、山地或叢林複雜近地飛行環境的新型無人飛行器。能模擬鳥類和昆蟲飛行的智能仿生可變形飛行器技術成為進一步提升無人機氣動效率、機動性和飛行環境適應能力的主要發展方向。機器仿生昆蟲存在微機械加工製造裝配難度大、機載能源容量低、載荷攜帶能力小、抗陣風性能較差等問題，在惡劣的城市、叢林、山地等複雜近地飛行性能仍面臨較大挑戰。而仿鳥類飛行器在大小、載重性能和可實現性上相對仿昆蟲類飛行器具有優勢。目前具有代表性的智能變形飛行器技術對鳥類的仿生著重模仿鳥類飛行的基本姿態或飛行形態，大部分集中在對整體連續變形機翼的研究，主要依靠智能材料驅動來實現機翼變形或摺疊保持光滑連續翼型及蒙皮結構，對智能材料結構性能提出了極大挑戰，且成本高、結構複雜、變形量小以及控制效果不理想。

技術實現要素：

為了克服傳統固定翼或多旋翼無人機難以在複雜近地亂流環境中快速靈活穩定機動穿梭的困難，本發明突破現有智能變形仿生飛行器的設計理念，提出一種羽翼變形仿生無人飛行器及變形控制方法，能夠在城市、叢林、山地等複雜地形和狹小空間隨機亂流低空超低空環境中機動靈活穩定飛行。

為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種羽翼變形仿生無人飛行器，採用仿生羽翼翼身融合飛翼氣動布局結構，主要由螺旋槳1、固定翼身融合翼段2、伸縮翼段3、摺疊羽翼控制機構4、仿生羽翼5和穩定尾翼段6構成；所述螺旋槳1與固定翼身融合翼段2通過旋轉軸機械連接；伸縮翼段3通過機械滑軌7嵌套進固定翼身融合翼段2；摺疊羽翼控制機構4由前緣鉸接頭11、羽翼前緣12、一端固定於機械滑軌7上另一端連接羽翼前緣12的預拉彈簧13、與伸縮翼段3外端鉸接用於實現摺疊角度的鉸接關節14組成；摺疊羽翼控制機構4與仿生羽翼5通過前緣鉸接頭11連接；穩定尾翼段6布置於固定翼身融合翼段2尾部，提供額外航向穩定與操縱能力。

所述仿生羽翼5由多片尼龍薄膜材料製成的羽翼片9組成，每片羽翼片9中埋入碳纖維複合材料杆10增加羽翼片9的結構承載強度；每片羽翼片9之間相互重疊，在根部由凱夫拉繩8串聯起來；仿生羽翼5最外側羽翼片9與摺疊羽翼控制機構4的羽翼前緣12固接，其餘各羽翼片9均與摺疊羽翼控制機構4在羽翼前緣12通過前緣鉸接頭11鉸接，使羽翼片9能繞各自對應的前緣鉸接頭11轉動；每片羽翼片9展開時凱夫拉繩8呈繃緊狀態，用於限制每片羽翼片9展開後的相對位置；仿生羽翼5展開時由預拉彈簧13的預拉力提供回彈力。

優選的，所述仿生羽翼5由4到12片尼龍薄膜材料製成的羽翼片9組成。

所述的一種羽翼變形仿生無人飛行器的變形控制方法，由伸縮翼段3、仿生羽翼5和摺疊羽翼控制機構4構成的組合式多自由度機械變形驅動系統，用於實現飛行器的對稱和非對稱兩種變形模式；伸縮翼段3通過機械滑軌7嵌套進固定翼身融合翼段2，由固定翼身融合翼段2內的步進伺服電機驅動伸縮翼段3沿著機械滑軌7左右滑動實現伸縮翼段3的伸縮變形；飛行器左右兩副仿生羽翼5各自的步進伺服電機採用同步工作模式，保證左右兩副仿生羽翼5各自的伸縮翼段3保持同樣的伸縮變形；羽翼前緣12在鉸接關節14的驅動力作用下前後彎折實現仿生羽翼5多角度的摺疊變形；飛行器左右兩副仿生羽翼5各自的鉸接關節14採用獨立工作方式，使得左右兩副仿生羽翼5能夠實現多角度的對稱和非對稱兩種變形模式。

優選的，所述仿生羽翼5在0°-60°間摺疊變形。

本發明和現有技術相比較，具備如下優點：

1、本發明所提出的羽翼變形仿生無人飛行器，採用常規機翼的伸縮和仿生羽翼的摺疊的組合變形技術來模仿飛鳥滑翔時的翅膀形態，能極大提升低空超低空無人機的抗風能力和機動能力。本發明所提出的羽翼變形仿生無人飛行器構型不僅能顯著增加無人機在隨機亂流中的飛行穩定性，適應風速變化極快的城市、山地和叢林近地亂流低空飛行環境，還能根據風向自主調整機翼形狀從而提升不同飛行狀態下的氣動效率。本發明所採用的仿生羽翼非對稱變形構型能產生遠高於常規固定翼或多旋翼飛行器的滾轉力矩係數，從而使本發明具有超機動滾轉飛行能力。

2、基於連續光滑氣動面設計理念設計的常規智能變形飛行器，通常採用壓電或形狀記憶合金等智能材料通過設計複雜驅動機構來實現機翼變形控制。機翼結構的變形量、氣動效率和質量限制對現有智能材料性能提出了極大挑戰，且仍然沒有解決成本高、結構複雜、變形量小和控制效果不理想的難題。本發明通過引入非連續離散變形結構設計技術，採用現有常規尼龍薄膜材料和輕質碳纖維複合材料結構，發明了能模擬飛鳥翱翔時翅膀大範圍變形的多自由度機械式組合變形驅動結構，既滿足羽翼變形控制的功能仿生要求和羽翼結構強度要求，同時羽翼變形結構實現簡單、操控方便、變形靈活和變形量大。

附圖說明

圖1為本發明總體構型圖。

圖2為本發明羽翼變形結構示意圖。

圖3為本發明典型變形構型示意圖，其中圖3(a)為羽翼全展開對稱狀態，圖3(b)為羽翼全摺疊對稱狀態，圖3(c)為羽翼非對稱半摺疊狀態。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發明作進一步詳細說明。

本發明採用翼身融合飛翼布局構型方案，由6大功能部件構成。如圖1所示，包括螺旋槳1、固定翼身融合翼段2、伸縮翼段3、摺疊羽翼控制機構4、仿生羽翼5和穩定尾翼段6六大功能部件構成。固定翼身融合翼段2除作為整個飛行器的主體承力結構外，主要用於裝載動力系統、飛行控制系統、變形結構伺服驅動電機和有效載荷等機電設備。螺旋槳1與固定翼身融合翼段2在頭部通過旋轉軸機械連接，由直流電機提供旋轉驅動力控制螺旋槳1旋轉產生拉力，從而為整個飛行器提供飛行動力。伸縮翼段3在固定翼身融合翼段2內步進電機驅動下可伸展和收縮變形，從而快速改變機翼面積提供不同的空氣動力。仿生羽翼5與摺疊羽翼控制機構4連接，摺疊羽翼控制機構4通過調整羽翼前緣12的摺疊角度來控制仿生羽翼5的羽翼片9的摺疊狀態，從而實現不同羽翼氣動構型產生不同的空氣動力及滾轉力矩。為了進一步增加飛翼布局航向穩定性，在固定翼身融合翼段2尾部布置了穩定尾翼段6，可以提供額外航向穩定與操縱能力。

仿生羽翼5為為本發明模擬鳥類翅膀對稱和不對稱變形的核心功能部件。如圖2所示，仿生羽翼5由尼龍薄膜材料預摺疊而成用於模擬飛鳥羽毛的4‐12片(但不僅限於此數量)羽翼片9組合而成。為了增加每片羽翼片9的結構承載強度，在每片羽翼片中埋入碳纖維複合材料杆10。每一片羽翼具有相互重疊部分防止氣流穿透仿生羽翼5。整個仿生羽翼5由凱夫拉繩8將各羽翼片在根部串聯起來。仿生羽翼5最外側羽翼片9與摺疊羽翼控制機構4的羽翼前緣12固接，其餘各羽翼片9均與摺疊羽翼控制機構4在羽翼前緣12通過前緣鉸接頭11鉸接。仿生羽翼5在自然初始狀態下預製為展開形態，展開時凱夫拉繩8呈繃緊狀態，用於限制每片羽翼片9展開後的相對位置。而仿生羽翼5前緣受到固定於伸縮翼段3上的預拉彈簧13的作用而保持水平位置。預拉彈簧13的拉力一方面可以消除機械結構之間的間隙，另一方面可以在飛行狀態抵抗展開羽翼收到氣流向後阻力而保證仿生羽翼5展開時的穩定性。因此在本發明中，仿生羽翼5展開時由預拉彈簧13的預拉力提供回彈力，而展開的相對位置由凱夫拉繩8所限制。當需要仿生羽翼5摺疊時，羽翼前緣12在鉸接關節14的驅動力作用下向後彎折快速簡便實現仿生羽翼5的0°-60°之間(可不僅限於該區間)的摺疊變形。

羽翼結構變形操縱機構是本發明的核心技術之一。羽翼變形仿生飛行器的羽翼伸縮和摺疊變形多自由度驅動系統由伸縮翼段3、外側的摺疊羽翼控制機構4和仿生羽翼5組成，如附圖2所示。伸縮翼段3的外廓尺寸稍小於固定翼身融合翼段2，通過機械滑軌7嵌套進固定翼身融合翼段2與其裝配到一起，並由固定翼身融合翼段2內部的伺服電機驅動伸縮翼段3的伸長和收縮實現伸縮翼段3的伸縮變形。羽翼變形仿生飛行器左右兩副機翼各配備一個步進伺服電機，這兩個步進伺服電機採用同步工作模式，保證左右兩副機翼的伸縮翼段3保持同樣的伸縮變形量。通過伺服電機驅動伸縮翼段3不同的伸縮變形就可以實現整個飛行器機翼面積的顯著改變，從而產生不同的空氣動力。羽翼前緣12在鉸接關節14的驅動力作用下前後彎折實現仿生羽翼5在0°-60°之間(但不限於該角度區間)的摺疊變形；飛行器左右兩副羽翼各自的鉸接關節14採用獨立工作方式，使得左右兩副仿生羽翼5可以實現0°-60°之間(但不限於該角度區間)的對稱和非對稱摺疊兩種變形模式。附圖3(a)和圖3(b)為仿生羽翼5對稱變形模式下的全展開和全摺疊兩種狀態，分別對應於仿生羽翼5的0°和60°的摺疊角；對稱全展開狀態用於高升力巡航段飛行，對稱全摺疊狀態則由於機翼面積的減小帶來空氣阻力的減小而實現快速飛行。附圖3(c)為仿生羽翼5在反對稱摺疊模式下的半摺疊狀態，其中左邊仿生羽翼5摺疊60°，右邊仿生羽翼5摺疊0°；左右兩側不對稱羽翼面積產生不同大小的法向力從而產生滾轉力矩。