一种仿蝙蝠扑翼飞行器的设计

宋方会　康与云　褚涛

【摘 要】设计制作了一款仿蝙蝠扑翼飞行器。根据扑翼的工作方式，用电机驱动双摇杆-双连杆机构实现扑翼飞行；采用交叉十字法接将两个电磁舵机相连，保证微型扑翼机的灵活简约；选用6mm直径空心杯电机作为驱动电机，选用超小型双路双向有刷电子调速器；采用3D快速打印成型技术打印机身，用聚乙烯材质做蒙皮，将扑翼机的重量控制在了20g以内，并通过了飞行实验。

【关键词】扑翼机；仿生；结构设计；控制系统

1 仿蝙蝠扑翼机的结构设计

1.1 两自由度扑翼机构设计

蝙蝠在自由飞行过程中仅依靠双翅的扑动以及蝠身腹部控制攻角，来产生升力及推力飞行的，对仿蝙蝠扑翼微型飞行器而言，它的单侧扑翼机构为单自由度机构，为使扑翼机构运动准确，原动件的数量必须等于该机构的自由度的数量，即运动确定的条件是设计机构的自由度数与扑翼机驱动的数量相等[1-3]。仿蝙蝠扑翼机的各构件只作平面运动，所以每个自由构件具有三个自由度。机械机构虽然同时具有两种运动，但明确只有一个驱动支持，因此要求机构只具有一个自由度。而每个平面低幅（转动副和移动副）各提供两个约束，每个平面高副只提供一个约束。自由度的计算公式如式（1）[4]：

其中，N—为构件数，包括机架；Pi—第i类运动副的数量；Ci—第i类运动副引入的约束数。扑翼机构是一个5杆5副的闭环机构，圆柱副引入5个约束，球副引入3个约束，自由度由式（1）计算得：

1.2 减速齿轮组设计

仿蝙蝠扑翼机飞行工作时，扑动频率高，翼手拍打空气需要很大作用力，负载较大，微型直流电机无法直接驱动翼手拍打空气产生升力，且容易造成损坏。因此采用齿轮减速器，用来降低转速和增大转矩，以满足拍打机翼的需要。

微型飞行器，完成飞行所需扭矩小，数量级低，因此两级展开式圆柱齿轮减速组中齿轮全部选用塑料齿轮或是用PLA3D打印材料。这种齿轮组结构简单、应用广泛。扑翼机的上下扑动是对称的往返运动，需要该机构实现翼手对称扑动拍打，在减速齿轮组中，连接摇杆的两个直齿轮对称放置。该机构实现了翼手同时扑动，对扑翼飞行器平稳飞行具有重要意义。

1.3 机翼设计

飞行器在飞行中机体轴相对于地面的角位置，通常用三个角度来表示：俯仰角：飞行器机体纵轴方向与水平面的夹角；偏航角：飞行器机体纵轴方向在水平面上的投影与该面上参数线之间的夹角；滚转角：由对称平面与通过飞行器机体纵轴的铅垂平面间的夹角。飞行姿态通过无线遥控设备控制伺服机构，进而控制对应的舵面，改变飞行姿态。

参照蝙蝠的翅膀，设计了机翼形状。参照蝙蝠前肢发达的上臂、前臂和指骨，用1mm纤维杆和0.5mm纤维杆搭建成翼手骨架。

1.4 尾翼设计

仿蝙蝠扑翼机的尾翼和机身相连接，其尾翼主要负责控制俯仰方向和偏航角，采用交叉十字法直接将两个电磁舵机相连，尾翼的支撑是PLA材料3D打印机打印，蒙皮直接粘贴在打印的倒V支撑上。

2 仿蝙蝠扑翼机的控制系统设计

2.1 舵机的选择

舵机也叫伺服电动机，是一种位置伺服驱动器，航模飞机的舵面经常用到。航模上实现俯仰、横滚、偏航就是利用舵机的可控制转角。传统舵机主要由以下几个部分组成：微型电机、舵机摇杆、减速齿轮组、可调电位器、控制电路板等。

舵机控制扑翼机的飞行，因受到微型扑翼机尺寸、重量的限制以及飞行时间的要求，舵机应尽可能的轻。传统舵机的组成过于复杂，对于微型化的扑翼机不适合，因此需选择轻量级的舵机。

电磁舵机是利用电流的磁效应工作的，电磁舵机有外部线圈和内部永久磁铁组成。线圈通电产生磁场，永久磁铁因为电磁场产生偏转，继而带动舵面。为了实现舵机的可控性，需要加上控制电路，控制电路接受控制信号，控制电流通过线圈。

根据控制力度和范围的大小，扑翼机尾部采用两个电磁舵机直接连接，并以十字交叉方式连接成万向节，实现扑翼机的俯仰运动和横滚运动。

2.2 直流电机的选取

要实现微型扑翼机在天空中飞行，应选择合适的动力源。微型电机以外形小、效率高适合应用在微型扑翼机上，也易搭配小型化电池。仿蝙蝠微型扑翼机选择6mm直径空心杯电机作为驱动电机。

2.3 电子调速器的选取

微型扑翼机选用了微型电机，微型电机是有刷电机，因此只能选取有刷电子调速器。超小型双路双向有刷电子调速器，控制芯片采用单片机PIC12F1501，选用低内阻MOSFET，驱动能力极强，持续工作电流3A。每路可轻松驱动2个并联N20减速电机。

参数如下：①工作电压3-5.5V。②标准工作持续电流3A，最大脉冲电流20A。③重量2g。④PWM调制频率可供选择，60Hz，125Hz，250Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz，4000Hz，8000Hz。

2.4 信号接收机

微型扑翼机在空中飞行和进行侦察工作都需要地面控制及自主控制，因此微型扑翼飞行器需带有微型信息传输和控制系统。扑翼飞行器在空中侦察工作也需要地面控制和自我调节控制，因此必须有通信信号实现机身与控制人员的联系。仿蝙蝠扑翼飞行器采用了天地飞遥控器和对应接收机，接收机有4个通道，分别与微型小电机、升降电磁舵机、偏航电磁舵机相连接。

接收机四通规格：①类型：微型2.4G电磁舵接收机；②通道数：4通；③尺寸：15.0×12.4×1.8mm；④重量：0.35g；⑤工作电压：3.3-4.2V；⑥天线长度：30mm。

3 整体组装

仿蝙蝠扑翼飞行器机械结构设计后，用CATIA软件进行机构和各零部件的三维建模，为了能灵活的设计机身，同时减轻机身重量，采用3D打印快速成型技术，用不同粗细的碳纤维杆制成骨架。用聚乙烯材质做蒙皮，使微型扑翼机保证在20g以内。

4 结论

本文介绍了一种仿蝙蝠微型扑翼机的设计过程，重点介绍了扑翼机的结构设计和控制系统的设计，用3D快速打印成型技术打印机身，用聚乙烯材质做蒙皮，完成了扑翼机的制作，并通过了飞行实验。

【参考文献】

[1]朱保利.多自由度扑翼微型飞行器设计研究[D].西安：南京航空航天大学，2007.

[2]曾锐，昂海松.仿鸟复合振动的扑翼气动分析[J].南京航空航天大学学报，2003，35（1）：6-12.

[3]王胜春，靳同红，等.编著.曲柄连杆机构的功用及组成[M].化学化工出版社，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]高广林，宋笔锋.扑翼飞行器机翼平面形状设计方法研究[J].飞行力学，2007，27（5）：37-40.

[责任编辑：王楠]