技术领域
[0001] 本发明涉及扑翼飞行器技术领域，具体是涉及一种自主滑翔扑翼飞行器与控制方法。
相关背景技术
[0002] 自然界中的鸟类在飞行过程中借助上升气流在空中盘旋上升和长时间的翱翔。仿鸟扑翼飞行器模仿鸟类飞行的方式，如果仿鸟扑翼飞行器在空中执行任务过程中能够检测到任务区域的上升气流，调整姿态借助上升气流爬升，到达一定高度后进行滑翔，通过扑翼‑滑翔模式相结合可减少能量损耗，提升续航时间。
[0003] 目前大部分扑翼飞行器仅仅模仿鸟类翅膀拍打提供升力和推力，飞行方式单一。少部分具有滑翔机构的扑翼飞行器，虽能进行空中滑翔，但还未具备自主寻找上升气流的功能，无法借助上升气流爬升获得更高的滑翔初始高度，且受限于固定的尾翼面积，其在不同气压梯度下适应复杂气流状况的能力有待提高。
具体实施方式
[0033] 以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
[0034] 实施例1
[0035] 请参照图1‑9所示，一种自主滑翔扑翼飞行器，包括机身Ⅲ，机身Ⅲ的左右两侧均安装有翅膀Ⅱ，机身Ⅲ的头部设置有驱动机构和滑翔锁定机构Ⅰ，机身Ⅲ的尾部安装有可折叠尾翼Ⅳ，滑翔锁定机构Ⅰ用于该飞行器在扑翼和滑翔模式之间自由切换，可折叠尾翼Ⅳ用于改变尾翼阻力和控制力矩，且两组翅膀Ⅱ之间设置有飞控模块8，飞控模块8安装在机身Ⅲ的顶部，机身Ⅲ由两块碳纤维板11组成，两块碳纤维板11之间通过螺柱套筒12连接，碳纤维板11上还固定连接有传感器支架，传感器支架上设置有空速管1，且飞控模块8包括stm32处理器、六轴传感器、气压传感器、GPS模块和电子罗盘。
[0036] 驱动机构包括扑翼电机2和传动装置，扑翼电机2通过传动装置带动两个翅膀Ⅱ扑动。
[0037] 滑翔锁定机构Ⅰ包括霍尔角度编码器底座3和霍尔角度编码器探头4，两组碳纤维板11之间设置有二级传动轴9，二级传动轴9外表面固定连接有磁环5和霍尔角度编码器底座3，且霍尔角度编码器底座3上安装有霍尔角度编码器探头4，且磁环5的侧面与霍尔角度编码器探头4垂直。
[0038] 滑翔锁定机构还包括棘爪13、橡胶滚轮15和凸轮16，棘爪13一端安装在碳纤维板11的尾部，棘爪13另一端与橡胶滚轮15转动连接，两块碳纤维板11之间固定安装有尾翼碳杆固定支座6，尾翼碳杆固定支座6上固定连接有拉力弹簧14，拉力弹簧14另一端与棘爪13固定连接，凸轮16固定安装在二级传动轴9的外表面，橡胶滚轮15始终与凸轮16表面贴合，且凸轮16表面设置有缺口，且二级传动轴9的外表面还固定连接有二级齿轮17，凸轮16外侧设置有止推环10。
[0039] 在本方案中，如图3所示，滑翔锁定机构Ⅰ处于扑翼模式下，齿轮正转，凸轮16通过D形孔固定在二级传动轴9上，用止推环10进行轴向固定，二级齿轮17正转时棘爪13不影响凸轮转动，通过拉力弹簧14提供预紧力，棘爪13上的橡胶滚轮15始终与凸轮表面贴合，橡胶滚轮15可起缓冲吸振的作用；如图4所示，此时滑翔锁定机构Ⅰ处于滑翔模式，当电机停转时，翅膀Ⅱ受气动力作用会带动二级传动轴9反转，凸轮16上的缺口会被动锁定在橡胶滚轮15上，阻止翅膀上扑，可实现翅膀Ⅱ在滑翔模式下的翅膀角度锁定和扑翼‑滑翔模式的自由切换。
[0040] 如图2所示，磁环5与二级传动轴9过盈配合，磁环5侧面要与霍尔角度编码器探头4平行，霍尔角度编码器探头4随二级齿轮17的转动检测出AB相脉冲，二级齿轮17角度即为凸轮16转动角度，二级齿轮17转动一圈则翅膀扑动一个周期，可算出翅膀频率f，采用四倍频方法计算齿轮转动角度θ，同时可解算出翅膀角度θ’，以下为齿轮角度和翅膀频率的计算公式：
[0041] 检测到上升沿和下降沿计数器+1；PPR：霍尔角度编码器的分辨率
[0042] 以下为翅膀频率计算公式：
[0043] 该时间内统计到的编码器脉冲数；T0：每次的统计时间。
[0044] 可折叠尾翼Ⅳ包括尾翼安装支座18、微型舵机19、舵机齿轮25、减速齿轮20、一级翼片36、二级翼片36、固定翼片38、连接碳条35、第一转动连杆26、第二转动连杆27、第三转动连杆30和第四转动连杆33，所述尾翼碳杆固定支座6外侧开设有孔洞，且所述孔洞内部穿设有尾翼连接碳杆7，且所述尾翼连接碳杆7的一端安装有尾翼安装支座18，微型舵机19设置在尾翼安装支座18上，微型舵机19输出端固定连接有舵机齿轮25，第一转动连杆26和第四转动连杆33一端与尾翼安装支座18转动连接，第一转动连杆26和第四转动连杆33的另一端通过第一连杆21和第二连杆23与减速齿轮20转动连接，其中一组减速齿轮20与舵机齿轮25啮合，第二转动连杆27和第三转动连杆30的一端也与尾翼安装支座转动连接，且第二转动连杆27和第三转动连杆30的外表面贯穿开设有滑槽，滑槽内部滑动连接有滑块34。
[0045] 两组滑块34的底部分别转动连接有第一连接杆28和第四连接杆32，且第一连接杆28和第四连接杆32的另一端分别与第一转动连杆26和第四转动连杆33转动连接，两组滑块
34的顶部分别转动连接有第二连接杆29和第三连接杆31，且尾翼安装支座18上通过螺栓24固定连接有U型固定碳板22，第二连接杆29和第三连接杆31的另一端分别与U型固定碳板22两侧转动相连，且一级翼片36、二级翼片37、固定翼片38通过连接碳条35分别固定在第一转动连杆26、第二转动连杆27、第三转动连杆30、第四转动连杆33和U型固定碳板22末端的凹槽上。
[0046] 实施例2
[0047] 一种自主滑翔扑翼飞行器的控制方法，括如下步骤：
[0048] S1、通过气压传感器获取实时高度h，设定滑翔安全高度h1、最小滑翔高度h2、限制盘旋高度h3；
[0049] S2、扑翼飞行器起飞，到达h1后继续爬升，翅膀频率降到1～3hz；
[0050] S3、当扑翼飞行器接近h2，通过霍尔角度编码器探头4检测二级齿轮17的转动角度，从而解算出翅膀Ⅱ的角速度，当翅膀Ⅱ角速度小于0，翅膀Ⅱ位于下扑行程，考虑电机的制动特性和翅膀惯性，设置凸轮16角度为θ1和θ2之间的缓冲区域，当凸轮16转动到θ1时控制电机刹车，凸轮16上的缺口刚好越过橡胶滚轮15位置，在翅膀Ⅱ不超过θ2时由于翅膀Ⅱ受向上的气动力带动二级传动轴9反转，凸轮16上的缺口被动锁定在棘爪13的橡胶滚轮15上，此时扑翼飞行器的翅膀Ⅱ的角度被固定且翼展最大；若此过程翅膀Ⅱ超出最小目标角度θ2时，重新开启电机，以低速状态重复此步骤；
[0051] S4、在翅膀Ⅱ停止扑动的情况下通过扑翼飞行器的垂直速度 判断是否在上升热气流区域，若时间t内Vh>0，扑翼飞行器保持一定的攻角在空中进行盘旋接近上升热气流区域中心，到达h3后开始俯冲进入滑翔模式；若时间t内Vh<0，扑翼飞行器提前进入滑翔状态；扑翼飞行器滑翔高度低于h1则重新开启电机，进入扑翼模式。
[0052] 在S3中当二级齿轮17角度即为凸轮16转动角度，二级齿轮17转动一圈则翅膀扑动一个周期，可通过二级齿轮17转动角度算出翅膀角度，从而解算出翅膀Ⅱ的角速度；翅膀Ⅱ因环境影响无法达到目标翼展时可在电机低速时重复此步骤；且在S4中当扑翼飞行器在Vh>0时主要靠寻找上升热气流保持高度，在Vh<0时主要靠势能转化为动能获得较远水平距离的滑翔。
[0053] 通过空速管1检测空速S和飞控模块检测地速G，计算风速W＝G‑S，通过不同风速改变尾翼微型舵机19的pwm值，微型舵机19带动一级翼片36、二级翼片37展合，微型舵机19转动不同角度对应尾翼不同面积的变化从而改变尾翼阻力和控制力矩，扑翼飞行器可在不同风速下提高速度或防止失速，同时在复杂的环境保持稳定姿态。
[0054] 综上，本发明相比于大部分扑翼飞行器，可通过滑翔锁定机构在扑翼和滑翔模式之间自由切换，结构简单，容易实现。相比于已有的少部分滑翔扑翼飞行器，可利用上升气流进行盘旋，同时设置可折叠尾翼改变翼面积从而改变尾翼阻力和控制力矩，适应不同气压梯度下的复杂气流状况，提高样机的稳定性和机动性，有效提高在空中执行任务的续航时间。
[0055] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
