仿军舰鸟扑动滑翔一体 扑翼原理样机制作以及试飞测试

收藏 打印 发给朋友 发布者：王银操 陶俊杰 刘义春 范中雨

热度0票  浏览90次 时间：2021年9月02日 09:53

（绵阳空天科技有限公司，四川?绵阳?621000）

摘. . 要：仿生扑翼飞行器具有低噪音、低成本、机动性强、携带方便、操作简单的特点，可执行多任务等功能。仿生扑翼飞行器是集成新材料、新技术于一体的复杂系统。其发展潜力大，应用范围广的特点决定了在未来的若干年内将为更多的科研机构所重视。

关键词：仿军舰鸟；扑动滑翔一体；外翼锁定

向往天空，渴望飞翔，这是我们很多人的愿望。虽然现代已经有了固定翼飞行器和旋翼飞行器这两类比较成熟的飞行器，但是纵观自然界，在运动灵活性和飞行效率等方面，上诉两类飞行器远远比不上自然界中的鸟类，人们的部分目光转移到古老而又新颖的仿生鸟类的扑翼飞行器上。早在春秋战国时期，我国就有墨子造木鸢的传说，19 世纪 60 年代，仿生学这个学科被明确提出，再加上近年的各种相关科技不断发展，随着飞控、新型材料、空气动力学、新能源等关键技术的不断进步，仿鸟类的扑翼飞行器有了更加适合发展的大环境。

本课题主要以军舰鸟为蓝本设计扑翼滑翔一体仿生鸟。作为自然界中飞行速度最快的鸟类，军舰鸟俯冲速度最快能达到418 公里/小时，同时，军舰鸟耐力惊人，在觅食时可在天空盘旋多日，最远可飞达 4000 公里，更令人吃惊的是即使在 12 级的狂风中军舰鸟也临危不惧，能够安全从空中飞行、降落，所以军舰鸟也有“飞行冠军”的美誉。

图 1-1 军舰鸟

1.仿生鸟总体设计

1.1 仿生参数设计

军舰鸟作为鹈形目军舰鸟科的 1 属，体长 750～1120 毫米；翅长而强，翅展 1760～2300 毫米。仿造军舰鸟的外形参数，此次设计的扑翼滑翔一体仿生鸟的参数如下：

图 1-2 扑翼飞行器外形参数

整个仿生鸟的翼展 2.1 米，体长 1.1 米，主要分为 3 个部分：机身、双翅、尾翼。

机身的外形参考军舰鸟外形从头部到尾部渐变，头部到机身中段的横截面积从小变大，再从大变小，尾部端部面积小，整体机身形状具有类似军舰鸟外形的流线型，这样可以很大程度上减少飞行时候的空气阻力。

该仿生飞行器需要具备扑翼和滑翔两种飞行模式，在设计尾翼布局布局时，我们采用了 T 字型活动尾翼布局。尾翼布局为平尾加垂尾，平尾和垂尾没有舵面，或者说平尾垂尾本身就是舵面，通过 T 型尾翼绕飞行器尾部的不同偏角来实现飞行器的转向和升降。这种尾翼布局其实是传统的 T 型固定尾翼的变形，但相对而言外形更接近于鸟类的尾翼。

双翅的设计是重点之一，双翅的形状外形直接影响仿生扑翼飞行器扑动时候产生的升力和推力大小。对于鸟类来说，其生物学上的翼型属于内凹翼型（上凸下凹型），并且在翼型下缘的后部几乎演化成完全的薄面。从某种程度上来说，这也是为什么鸟类的翅膀具有很优越的升力特性的原因。该仿生扑翼飞行器参考大型鸟类的翅膀，采用了双曲柄双摇杆布局机翼，飞行器运动过程中，内外翼的扑动幅度和频率不同，且设计翼型为上凸下凹型。

材料方面仿生鸟的主体骨架采用了重量轻、强度高的新型材料：碳纤维，传动机构的齿轮主要采用了高强度重量轻耐磨的 POM（聚甲醛），蒙皮前后分别采用了 EPP（发泡聚丙烯）泡沫和 TPU（热可塑性聚氨酯）薄膜两种材料。

图 1-4 部分模型零件

1.2 控制系统设计

1.2.1 控制原理

作为扑翼飞行器的难点和重点，也是现代扑翼飞行器和古代扑翼飞行器的最大的区别，飞行控制系统的选择显得尤为重要。该扑翼控制采用人通过遥控器远程操作扑翼飞行器飞行。

扑翼飞行器机身包含的主要电子元器件有：接收机、电调、动力电池、无刷电机、2 个霍尔传感器和 4 个数字舵机。如图 1-4所示，为该仿生扑翼机整体控制电路图。

图 1-5 控制电路图

1.2.2 电子元器件选型

1.2.2.1 电机选型

目前，在市面上所广泛使用的电机除了交流伺服电机、有刷直流电机、步进电机等以外，还有一种在质量、工艺以及功率上都有着相当出色性能的电机类型——直流无刷电机。由于直流无刷电机使用内部的电子换向器，所以相对于有刷直流电机来说，其往往能够达到很高的转速以及比较大的功率。在重量相同的条件下，直流无刷电机具有更大的优越性。因此，在扑翼样机的研制过程中，本项目所选用的主功率电机是航模级的无刷直流电机——朗宇 X2206kv1500 外转无刷电机，电机具体尺寸参数如图 1-6 所示，该款电机具体性能参数如表 1-1 所示。

图 1-6 无刷电机尺寸参数图

表 1-1 朗宇 X2206kv1500 外转无刷电机参数表

产品型号 X2206kv1500 重量 25.2g

定子外径 22mm 空载电流 0.3A 转子直径 27mm

定子厚度 6mm 电机电阻 147m 出轴直径 0mm

定子槽数 12

最大连续

电流

13A/30S 电机长度 22.5mm

转子极数 14

最大连续

功率

150W

电机含轴

总长度

23.3mm

电机 KV

值

1500

最大电池

节数

2~3S

建议使用

电调

12A

1.2.2.2 电调选型

航模级的无刷直流电机的驱动方式从原理上来说其实也是使用 PWM 波（脉宽调质）来进行控制的，为了减小专门为电机设计驱动器的工作量以及保证驱动电路的可靠性，在此处直接选用可以现成购买到的无刷电机调速器——无刷电调。选用电调时需要根据所驱动电机的功率以及最大工作电流来选择，本项目选用的电调为 12A，其持续输出电流能够达到 12A，瞬间最大输出电流能够达到 15A，如图 1-8 所示。该电调具备以下保护功能：

（1）欠压保护：由用户通过程序设定，当电池电压低于保护阈值时，电调自动降低输出功率；（2）过压保护：输入电压超过输入允许范围不予启动，自动保护，同时发出急促的“哔哔”告警音；（3）过热保护：内置温度检测电路，电调温度过高时自动降低输出功率；（4）遥控信号丢失保护：遥控信号丢失 1 秒后降低功率，再有 2 秒无遥控信号则关闭输出。1.2.2.3 接收器及遥控器选型由于仿生扑翼飞行器设计只是用作验证结构设计以及方案设计的可行性，不需要通过应用复杂的控制理论与控制方法来对机体在飞行时的控制性能以及飞行参数进行非常精确的调节，所以在此处同样是选择了航模上的一种通用接收器模块作为接收控制信号并且驱动无刷直流电机与舵机转动的控制器。航模级的接收器一般是使用 2.4GHz 或者是 5.0GHz 的无线信号作为载波来传递数据的，通过配合航模上通用的遥控器可以实现对于无刷直流电机的多种模式调速（线性或非线性）以及对于舵机的比例转角控制。本项目中选用的接收器与遥控器是天地飞四通道和 07 遥控器，其实物图如图 1-8 所示。

图 1-8 接收器和遥控器

1.2.2.4 电池选型

驱动电池选用航模固定翼锂电池 2s。

图 1-9 锂电池

1.2.2.5 尾部舵机选型

平尾的转动需要两个舵机来完成，由于整体仿生扑翼飞行器质量轻，故可以选用较小舵机即可满足平尾的转动。选用舵机——银燕 EmaxES08MA8g 模拟舵机，其舵机的性能参数如表1-2 所示。

图 1-10 银燕 EmaxES08MA8g 模拟舵机

表 1-2 尾翼舵机性能参数表

产品

型号

ES08MA

产品

尺寸

32*11.5*24mmmm

产品

重量

12g

工作

扭矩

1.5KG·cm

反应

转速

0.12 秒/60 度

（4.8V）

使用

温度

0℃-55℃

死区

设定

1-2usec

插头

类型

JR、FUTABA 通用

转动

角度

最大 90 度

舵机

类型

模拟舵机

工作

电流

200mA/60°

使用

电压

4.8—6V

结构

材质

金属齿轮

1.2.2.6 外翼扭转舵机选型

外翼扭转舵机选用舵机——DEKO1295 高压大扭力双轴承金属舵机，其舵机性能参数如表 1-3 所示。

图 1-11DEKO1295 高压大扭力双轴承金属舵机

表 1-3 外翼扭转舵机性能参数表

产品

型号

DEKO1295

产品

尺寸

28.5*12*23mmmm

产品

重量

20g

工作

扭矩

5.8KG·cm

（7.4V）

反应

转速

0.067 秒/60 度

（7.4V）

使用

温度

0℃-55℃

死区

设定

3usec

插头

类型

JR、FUTABA 通用

转动

角度

最大 90 度

舵机

类型

模拟舵机

工作

电流

300mA/60°

使用

电压

6—8V

结构

材质

金属齿轮

1.2.2.7 传感器选型

在选择外翼传感器时，由于扑翼飞行器的整体重量要求低，优先选择了霍尔传感器，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。

在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。它的性能参数见表 1-4。

图 1-12 霍尔传感器1.3 齿轮传动系统设计

扑翼飞行器的驱动与传动机构是扑翼飞行器的机械结构的的核心内容。

首先，确认驱动与传动机构的形式。

本项目的扑翼飞行器的飞行速度要求是可以在一定范围内调节的，所以驱动机构采用的是无刷电机的方案来实现电机的调速，从而调节曲柄齿轮的速度，最终影响扑翼的扑动频率。

作为传动机构的方案，本次项目通过对比多种设计方案选用了两级传动齿轮的减速机构，其拥有传动平稳、减速比较大、结构紧凑、整体结构重量轻等特点。

图 1-13 驱动与传动机构结构图

由图 1-13 可以看出：本机构采用两级齿轮传动，先由电机驱动电机齿轮，传递给中间的双联齿轮的大齿轮，完成一级减速；再通过双联小齿轮传递给右曲柄齿轮完成二级减速；最后由右曲柄齿轮与左曲柄齿轮外啮合，实现右曲柄齿轮和左曲柄齿轮的同步反向运动。

仔细分析设计的二级减速传动机构，可以清晰地获得如图1-14 的运动传递路线图。二级减速机构的设计可以避免大减速比造成的机构振动与大噪音，保证扑翼机飞行时的平稳性。另外，两个曲柄齿轮外啮合的设计在保证机构同步性设计要求的同时简化了传动机构，减少了动力源个数。

图 1-14 运动传递路线图

根据大型鸟类翅翼的扑动频率将扑翼飞行器的翅膀的扑动频率定为为 2.0Hz，结合前人制作仿生扑翼飞行器的经验，考虑负载的加入对扑动频率的影响和计算方便，把翅翼扑动频率定为 2Hz 此仿生扑翼飞行器选用 KV1500 无刷直流电机，它的额定工作电压为 7.4V，转速 n=11100r/min。

因为电机的转速很高，所以需要对其通过齿轮传动进行减速处理，根据电机转速对传动比进行计算:

i=n/60/2×40%=37

i=n/60/2×50%=46.25

式中 i 是传动比；n 是电机转速；2 为翅翼拍打频率；乘以 50%和 40%是因为电机在加上负载之后的转速大约会减少50%~60%。确定了系统的传动比之后，采用两级齿轮组对电机进行减速。

由于整体仿生扑翼飞行器机身尺寸小，故齿轮减速组体积也小，为了满足高减速比，必然齿轮模数选择较小数值。查阅相关齿轮设计资料，本项目采用的两级齿轮组进行减速：一级减速齿轮模数为 0.8 模，齿数分别为 Z 1 =8，Z 2 =87；二级减速齿轮模数为 0.8 模，齿数分别为 Z 3 =25，Z 4 =85。故该齿轮组真实减速比 i 真 ：

i 真=Z2×Z4/Z1/Z3≈37（满足设计范围）

2.仿生鸟总装配

此次项目的扑翼飞行器处于原理样机阶段，装配模式采用的是以手工装配为主，辅以部分工装的方式装配的。

2.1 预处理

加工回来的零部件会有毛刺，必须用磨砂纸把每个部件处理干净，否则在蒙蒙皮的时候出现蒙皮和肋条粘接不完全和刺坏蒙皮的现象。

2.2 机身骨架装配

机身隔框主要使用碳纤维管或者碳纤维板加工而成，我们在这里使用 406 等速干胶水方便快捷的连接扑翼飞行器的骨架。