一種多飛行姿態(tài)的攜尾式撲翼機(jī)

魏辰昊

摘 要：撲翼微型飛行器仿照鳥類和昆蟲的飛行方式，在低雷諾數(shù)條件下相比固定翼類和旋翼類飛行器具有更高的氣動效率及機(jī)動性能。國內(nèi)現(xiàn)有的撲翼機(jī)大多為仿鳥類型，重量及尺寸較大，機(jī)動性差。對比分析單曲柄連桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動的對稱性，提出一種多飛行姿態(tài)的攜尾式撲翼機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案，可實現(xiàn)水平前飛、垂直起飛、俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)及懸停等多種飛行姿態(tài)。設(shè)計方案結(jié)構(gòu)完全對稱，具有較高的集成度，有利于提高撲翼微型飛行器的穩(wěn)定性及機(jī)動性。

關(guān)鍵詞：撲翼；微型飛行器；連桿機(jī)構(gòu)；多飛行姿態(tài)

中圖分類號：V276 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0061-02

1 研究背景及意義

撲翼飛行器模擬自然界鳥類和昆蟲的飛行方式，通過翼的往復(fù)拍動獲得前進(jìn)的動力。在雷諾數(shù)較低的低空環(huán)境及狹小空域內(nèi)，撲翼飛行方式相比旋翼和固定翼具有較高的氣動效率和機(jī)動性能。伴隨著計算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)及MEMS加工工藝的發(fā)展，未來撲翼飛行器有望應(yīng)用于多種場景，發(fā)揮信息收集、監(jiān)視、偵查、探測等多種功能。

撲翼飛行器可分為攜尾式和無尾式，其中攜尾式撲翼機(jī)大多只能實現(xiàn)前飛，不能懸停，如南航的“金鷹”撲翼機(jī)[1]；無尾式撲翼機(jī)可實現(xiàn)垂直起降和定點懸停，典型的代表有美國DARPA的仿蜂鳥無人機(jī)[2]。攜尾式撲翼機(jī)在前飛狀態(tài)下采用類似固定翼飛行器的飛行方式，依靠較低的拍動頻率就可獲得前飛所需的動力及克服自身重量的升力，且尾舵產(chǎn)生的控制力矩較大，可輕松改變航向。與攜尾式撲翼機(jī)相比，無尾式撲翼機(jī)可實現(xiàn)垂直起降和懸停飛行，但要產(chǎn)生克服自身重量的升力所需的拍動頻率較高，對驅(qū)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高。目前，國內(nèi)公開發(fā)表的資料尚未見可實現(xiàn)穩(wěn)定懸停的撲翼機(jī)。提出一種攜尾式的撲翼飛行器驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，兼具無尾式布局的懸停飛行能力，可實現(xiàn)多種飛行姿態(tài)，為發(fā)展更先進(jìn)的仿生撲翼飛行器提供設(shè)計參考。

2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)選型

現(xiàn)有撲翼的驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計，大多數(shù)采用連桿機(jī)構(gòu)形式，一方面，3D打印技術(shù)的成熟使得各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的加工制作變得簡單，另一方面，連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，較容易獲得較高的運(yùn)動精度，也容易實現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律和軌跡設(shè)計。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)往復(fù)拍動運(yùn)動常用的連桿機(jī)構(gòu)，分為單曲柄連桿和雙曲柄連桿，運(yùn)動原理簡圖分別如圖1（a）和（b）所示。單曲柄連桿結(jié)構(gòu)相較雙曲柄連桿簡單，尺寸重量都要小一些。采用Adams進(jìn)行運(yùn)動仿真，分析拍動幅度同為120°的單曲柄連桿和雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)的左右拍動桿角速度變化規(guī)律，如圖1（c）和（d）所示分別為單曲柄連桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)在三個運(yùn)動周期內(nèi)左右翼拍動桿角速度隨時間的變化曲線。可見，雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)的左右翼角速度曲線完全重合，運(yùn)動是左右對稱的，而單曲柄連桿機(jī)構(gòu)的左右翼拍動運(yùn)動存在較大的相位差，這不利于撲翼產(chǎn)生穩(wěn)定、對稱的氣動力，同時會加劇驅(qū)動機(jī)構(gòu)的振動，產(chǎn)生不利于飛控系統(tǒng)設(shè)計的振動信號，也會降低機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命。因此，選取雙曲柄連桿結(jié)構(gòu)形式設(shè)計撲翼機(jī)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

3 攜尾式撲翼機(jī)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計

3.1 控制機(jī)構(gòu)選型

攜尾式與無尾式布局的控制方式不一樣，前者依靠偏轉(zhuǎn)垂直尾翼獲得控制力拒改變飛行方向[3]，后者則通過改變左右撲翼升力的方向和大小而獲得控制力矩。而無尾式撲翼機(jī)的控制機(jī)構(gòu)實現(xiàn)方式又可以分為，一種是利用舵機(jī)改變撲翼拍動桿的安裝位置而調(diào)整左右翼的平均拍動位置和拍動幅值，從而獲得機(jī)動飛行所需力矩，這種設(shè)計更符合自然界的鳥類和昆蟲的姿態(tài)控制形式[4]；另一種是利用舵機(jī)改變撲翼根部碳桿的扭轉(zhuǎn)角，從而改變左右翼產(chǎn)生升力的方向和大小而獲得控制力拒[5]。多飛行姿態(tài)攜尾式撲翼機(jī)可實現(xiàn)水平方向和豎直方向的多種機(jī)動飛行，設(shè)計可改變航向的尾舵，同時兼具改變撲翼拍動桿安裝位置的控制機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)豎直方向的懸停、俯仰、偏航及滾轉(zhuǎn)等多種飛行姿態(tài)，飛行姿態(tài)描述所用各坐標(biāo)軸名稱如圖2所示。

3.2 攜尾式撲翼機(jī)總體構(gòu)型

多飛行姿態(tài)攜尾式撲翼機(jī)總體構(gòu)型如圖3所示，各部件名稱已在三維構(gòu)型上標(biāo)注。采用雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)驅(qū)動方式，兩組減速比為16的減速齒輪組對稱地安裝在機(jī)身支撐平面上。機(jī)身與水平安定面和垂直安定面為一體設(shè)計，垂直安定面上設(shè)計可偏轉(zhuǎn)的尾舵，通過拉絲與撲翼拍動桿下方的舵機(jī)相連。撲翼拍動桿安裝在機(jī)身平面的滑槽上，其安裝位置點（分為滑槽上部、中部和下部）可通過操縱舵機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 多姿態(tài)機(jī)動飛行實現(xiàn)過程

3.3.1 水平飛行

當(dāng)撲翼上下拍動時，撲翼機(jī)可實現(xiàn)水平面向前飛行。此時，改變航向有兩種方式，一種是調(diào)節(jié)左右撲翼驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可提供水平轉(zhuǎn)彎所需的氣動力矩；另一種模式是偏轉(zhuǎn)尾舵獲得偏航力矩實現(xiàn)水平轉(zhuǎn)彎，如圖4（a）所示。

3.3.2 垂直起降與定點懸停

當(dāng)撲翼前后拍動，可產(chǎn)生豎直方向的升力，實現(xiàn)垂直起降。此時，左右撲翼的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速一樣，左右升力大小相同，氣動中心與撲翼機(jī)重心重合，當(dāng)升力等于重力時，可實現(xiàn)定點懸停。

3.3.3 滾轉(zhuǎn)機(jī)動

撲翼前后拍動，當(dāng)左右兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不一致，產(chǎn)生升力差，撲翼機(jī)獲得繞滾轉(zhuǎn)軸的滾轉(zhuǎn)力矩，實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)機(jī)動，如圖4（b）所示。

3.3.4 俯仰機(jī)動

撲翼前后拍動，當(dāng)舵機(jī)搖臂調(diào)節(jié)左右拍動桿安裝位置同時置于滑槽上部或下部，左右兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，此時兩側(cè)撲翼拍動角平分線同時偏離水平線向上或者向下，產(chǎn)生繞飛行器俯仰軸的俯仰力矩，實現(xiàn)俯仰機(jī)動，如圖4（c）所示。

3.3.5 豎直偏航機(jī)動

撲翼前后拍動，當(dāng)舵機(jī)搖臂調(diào)節(jié)左右拍動桿安裝位置分別置于滑槽上部和下部，左右兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，此時兩側(cè)撲翼拍動角平分線分別偏離水平線向下和向上，產(chǎn)生繞飛行器航向軸的偏轉(zhuǎn)力矩，實現(xiàn)偏航機(jī)動飛行，如圖4（d）所示。

4 結(jié)果與展望

基于雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)，提出了一種可實現(xiàn)多飛行姿態(tài)的攜尾式撲翼機(jī)設(shè)計方案。該撲翼機(jī)集驅(qū)動機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)于一體，具有更小的結(jié)構(gòu)尺寸和更高的機(jī)動性能。具有以下創(chuàng)新點：（1）采用雙曲柄連桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)完全對稱，撲翼拍動運(yùn)動具有更高的穩(wěn)定性；（2）集驅(qū)動及控制機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計，具有更高的集成度和機(jī)動性能；（3）兼具攜尾式和無尾式布局撲翼機(jī)的優(yōu)點，可實現(xiàn)水平和豎直方向的多種飛行姿態(tài)。

撲翼微型飛行器研制的難點在于高性能仿生翼制作、穩(wěn)定性控制、微電子技術(shù)、微型集成化加工方法等。未來應(yīng)深入開展學(xué)科融合建設(shè)，將仿生機(jī)理與先進(jìn)的微電子信息技術(shù)、新材料、新工藝等有機(jī)結(jié)合，加快推進(jìn)微型飛行器的實際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]段文博，昂海松，肖天航.可差動扭轉(zhuǎn)撲翼飛行器的設(shè)計和風(fēng)洞試驗研究[J].實驗流體力學(xué)，2013，27（03）：35-40.

[2]M.Keennon，K.Klingebiel，H. Won， A. Andriukov， Development of the nano hummingbird： a tailless flapping wing micro air vehicle，50th AIAA Aerosp.Sci.MTG，Nashville，January，2012.

[3]Decroon G C H E， Perin M， Remes B D W， et al. The delfly： Design， aerodynamics， and artificial intelligence of a flapping wing robot[C]// Springer Publishing Company， Incorporated，2015.

[4]M.Karasek，A.Hua，Y.Nan，M.Lalami，and A.Preumont，Pitch and roll control mechanism for a hovering flapping wing MAV，Int.J.Micro Air Veh.6（4）（2014）：118-125.

[5]Hoang Vu Phan， Taesam Kang and Hoon Cheol Park.Design and stable flight of a 21 g insect-like tailless flapping wing micro air vehicle with angular rates feedback control，Bioinspiration & Biomimetics.12（3）（2017）.