一種仿蝙蝠撲翼飛行器的設計

宋方會　康與云　褚濤

【摘 要】設計制作了一款仿蝙蝠撲翼飛行器。根據撲翼的工作方式，用電機驅動雙搖桿-雙連桿機構實現撲翼飛行；采用交叉十字法接將兩個電磁舵機相連，保證微型撲翼機的靈活簡約；選用6mm直徑空心杯電機作為驅動電機，選用超小型雙路雙向有刷電子調速器；采用3D快速打印成型技術打印機身，用聚乙烯材質做蒙皮，將撲翼機的重量控制在了20g以內，并通過了飛行實驗。

【關鍵詞】撲翼機；仿生；結構設計；控制系統

1 仿蝙蝠撲翼機的結構設計

1.1 兩自由度撲翼機構設計

蝙蝠在自由飛行過程中僅依靠雙翅的撲動以及蝠身腹部控制攻角，來產生升力及推力飛行的，對仿蝙蝠撲翼微型飛行器而言，它的單側撲翼機構為單自由度機構，為使撲翼機構運動準確，原動件的數量必須等于該機構的自由度的數量，即運動確定的條件是設計機構的自由度數與撲翼機驅動的數量相等[1-3]。仿蝙蝠撲翼機的各構件只作平面運動，所以每個自由構件具有三個自由度。機械機構雖然同時具有兩種運動，但明確只有一個驅動支持，因此要求機構只具有一個自由度。而每個平面低幅（轉動副和移動副）各提供兩個約束，每個平面高副只提供一個約束。自由度的計算公式如式（1）[4]：

其中，N—為構件數，包括機架；Pi—第i類運動副的數量；Ci—第i類運動副引入的約束數。撲翼機構是一個5桿5副的閉環機構，圓柱副引入5個約束，球副引入3個約束，自由度由式（1）計算得：

1.2 減速齒輪組設計

仿蝙蝠撲翼機飛行工作時，撲動頻率高，翼手拍打空氣需要很大作用力，負載較大，微型直流電機無法直接驅動翼手拍打空氣產生升力，且容易造成損壞。因此采用齒輪減速器，用來降低轉速和增大轉矩，以滿足拍打機翼的需要。

微型飛行器，完成飛行所需扭矩小，數量級低，因此兩級展開式圓柱齒輪減速組中齒輪全部選用塑料齒輪或是用PLA3D打印材料。這種齒輪組結構簡單、應用廣泛。撲翼機的上下撲動是對稱的往返運動，需要該機構實現翼手對稱撲動拍打，在減速齒輪組中，連接搖桿的兩個直齒輪對稱放置。該機構實現了翼手同時撲動，對撲翼飛行器平穩飛行具有重要意義。

1.3 機翼設計

飛行器在飛行中機體軸相對于地面的角位置，通常用三個角度來表示：俯仰角：飛行器機體縱軸方向與水平面的夾角；偏航角：飛行器機體縱軸方向在水平面上的投影與該面上參數線之間的夾角；滾轉角：由對稱平面與通過飛行器機體縱軸的鉛垂平面間的夾角。飛行姿態通過無線遙控設備控制伺服機構，進而控制對應的舵面，改變飛行姿態。

參照蝙蝠的翅膀，設計了機翼形狀。參照蝙蝠前肢發達的上臂、前臂和指骨，用1mm纖維桿和0.5mm纖維桿搭建成翼手骨架。

1.4 尾翼設計

仿蝙蝠撲翼機的尾翼和機身相連接，其尾翼主要負責控制俯仰方向和偏航角，采用交叉十字法直接將兩個電磁舵機相連，尾翼的支撐是PLA材料3D打印機打印，蒙皮直接粘貼在打印的倒V支撐上。

2 仿蝙蝠撲翼機的控制系統設計

2.1 舵機的選擇

舵機也叫伺服電動機，是一種位置伺服驅動器，航模飛機的舵面經常用到。航模上實現俯仰、橫滾、偏航就是利用舵機的可控制轉角。傳統舵機主要由以下幾個部分組成：微型電機、舵機搖桿、減速齒輪組、可調電位器、控制電路板等。

舵機控制撲翼機的飛行，因受到微型撲翼機尺寸、重量的限制以及飛行時間的要求，舵機應盡可能的輕。傳統舵機的組成過于復雜，對于微型化的撲翼機不適合，因此需選擇輕量級的舵機。

電磁舵機是利用電流的磁效應工作的，電磁舵機有外部線圈和內部永久磁鐵組成。線圈通電產生磁場，永久磁鐵因為電磁場產生偏轉，繼而帶動舵面。為了實現舵機的可控性，需要加上控制電路，控制電路接受控制信號，控制電流通過線圈。

根據控制力度和范圍的大小，撲翼機尾部采用兩個電磁舵機直接連接，并以十字交叉方式連接成萬向節，實現撲翼機的俯仰運動和橫滾運動。

2.2 直流電機的選取

要實現微型撲翼機在天空中飛行，應選擇合適的動力源。微型電機以外形小、效率高適合應用在微型撲翼機上，也易搭配小型化電池。仿蝙蝠微型撲翼機選擇6mm直徑空心杯電機作為驅動電機。

2.3 電子調速器的選取

微型撲翼機選用了微型電機，微型電機是有刷電機，因此只能選取有刷電子調速器。超小型雙路雙向有刷電子調速器，控制芯片采用單片機PIC12F1501，選用低內阻MOSFET，驅動能力極強，持續工作電流3A。每路可輕松驅動2個并聯N20減速電機。

參數如下：①工作電壓3-5.5V。②標準工作持續電流3A，最大脈沖電流20A。③重量2g。④PWM調制頻率可供選擇，60Hz，125Hz，250Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz，4000Hz，8000Hz。

2.4 信號接收機

微型撲翼機在空中飛行和進行偵察工作都需要地面控制及自主控制，因此微型撲翼飛行器需帶有微型信息傳輸和控制系統。撲翼飛行器在空中偵察工作也需要地面控制和自我調節控制，因此必須有通信信號實現機身與控制人員的聯系。仿蝙蝠撲翼飛行器采用了天地飛遙控器和對應接收機，接收機有4個通道，分別與微型小電機、升降電磁舵機、偏航電磁舵機相連接。

接收機四通規格：①類型：微型2.4G電磁舵接收機；②通道數：4通；③尺寸：15.0×12.4×1.8mm；④重量：0.35g；⑤工作電壓：3.3-4.2V；⑥天線長度：30mm。

3 整體組裝

仿蝙蝠撲翼飛行器機械結構設計后，用CATIA軟件進行機構和各零部件的三維建模，為了能靈活的設計機身，同時減輕機身重量，采用3D打印快速成型技術，用不同粗細的碳纖維桿制成骨架。用聚乙烯材質做蒙皮，使微型撲翼機保證在20g以內。

4 結論

本文介紹了一種仿蝙蝠微型撲翼機的設計過程，重點介紹了撲翼機的結構設計和控制系統的設計，用3D快速打印成型技術打印機身，用聚乙烯材質做蒙皮，完成了撲翼機的制作，并通過了飛行實驗。

【參考文獻】

[1]朱保利.多自由度撲翼微型飛行器設計研究[D].西安：南京航空航天大學，2007.

[2]曾銳，昂海松.仿鳥復合振動的撲翼氣動分析[J].南京航空航天大學學報，2003，35（1）：6-12.

[3]王勝春，靳同紅，等.編著.曲柄連桿機構的功用及組成[M].化學化工出版社，北京，2011.

[4]Sean H M（2006），“Design and Analysis of a Mechanism Creating Biaxial Wing Rotation for Applications in Flapping-Wing air Vehicles” Masters Abstracts International， Volume： 44-03， page：1493[Z].

[5]高廣林，宋筆鋒.撲翼飛行器機翼平面形狀設計方法研究[J].飛行力學，2007，27（5）：37-40.

[責任編輯：王楠]