林鎮(zhèn)煒，王麗麗，肖杰康，黃明威

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523000)

0 引 言

昆蟲和鳥類等生物高超的飛行性能是自然界億萬年進(jìn)化的結(jié)果，飛行效率是目前人造飛行器所無法與之比擬的。針對目前消費市場上的螺旋槳式無人飛行器普遍存在飛行效率低，續(xù)航時間短的短板且飛行噪音大，仿生撲翼式無人飛行器存在撲翼動作單一，攻角不可調(diào)節(jié)等問題研制一款飛行效率高，續(xù)航能力長，飛行姿態(tài)可調(diào)的新型撲翼式飛行器。

目前國內(nèi)外在撲翼飛行器樣機(jī)研制過程中大多采用模仿昆蟲或小型鳥類的單段翼式撲翼結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)形式在飛行器翼展尺寸增大時氣動性能會顯著惡化。因此，考慮到負(fù)載能力的要求，本團(tuán)隊選擇禿鷲等大型鳥類作為研究對象研發(fā)一種可沿展向折疊的新型多段翼式仿鳥類撲翼飛行器。

目前研發(fā)的螺旋槳式飛行器(無人機(jī))多用于偵察方面，該類無人機(jī)飛行時噪音轟鳴且外形易辨認(rèn)，在警用偵察時極易引起犯罪嫌疑人警覺，在軍用時則容易被敵方識別并擊落，在續(xù)航方面，螺旋槳式無人機(jī)需要其螺旋槳高速轉(zhuǎn)動提供升力才能滯空，滯空時間取決與電池電量和機(jī)身重量。筆者研究的雙段翼仿生撲翼飛行器，仿照禿鷲的飛行方式，利用熱氣團(tuán)上升帶來的升力滯空從而長時間對地面進(jìn)行偵察，且設(shè)計的外形偽裝為鳥類，不易被敵方識別。外觀可漆成各種大型鳥類，加上其仿生性的撲動飛行方式，該撲翼飛行器亦可應(yīng)用在大型演藝演出上。

1 動力電路及控制系統(tǒng)設(shè)計

雙段翼仿生撲翼飛行器主體設(shè)計由動力電路及控制系統(tǒng)，兩段撲翼運動機(jī)構(gòu)，圓柱直齒輪傳動機(jī)構(gòu)，尾舵控制機(jī)構(gòu)等組成，骨架上覆EPP泡沫，并可涂裝鳥類外形。

1.1 選型確定

參考其他文獻(xiàn)并結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，依據(jù)實際需求調(diào)整后，初步?jīng)Q定以下選型：

動力電路部分中，電源選用eoWER-3S25C航模電池，額定電壓11.1 V，質(zhì)量165 g，原動機(jī)選用A2212/10T-1400無刷電機(jī)，kV值為1400，(即供電電壓為10 V時，轉(zhuǎn)速為14 000 r/min)，質(zhì)量51 g。電子調(diào)速器(后簡稱電調(diào))選擇與無刷電機(jī)適配的Skywaler15A，質(zhì)量為17 g。信號發(fā)射器與信號接收器為同一套產(chǎn)品，品牌型號Radiomaster TX16S，質(zhì)量為392 g，可實現(xiàn)對撲翼機(jī)器人的無線遙控。

控制電路部分中，集成電路芯片選用的是品牌型號為STC89C52的單片機(jī)芯片(后簡稱51單片機(jī))，質(zhì)量約15 g，舵機(jī)選用MG90S小型舵機(jī)，質(zhì)量為13 g。各傳感器類選型的基本要求是質(zhì)量輕巧，具體性能不再贅述。

1.2 電路控制原理

如圖1電路控制原理圖所示，11.1V航模鋰電池電源直接給電子調(diào)速器供電同時連接上變壓模塊以便輸出5V電路，另一端接入低壓保護(hù)器。電子調(diào)速器接受11.1V電源后將其轉(zhuǎn)化為三相正弦波電流以驅(qū)動無刷電機(jī)，無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速此時取決于其輸出的三相正弦波電流的頻率大小。電子調(diào)速器由5 V電路供電以維持正常工作，受由信號接收器引出的信號線發(fā)送持續(xù)的電信號以調(diào)節(jié)輸出電流的頻率與功率，控制無刷電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速。

圖1 電路控制原理圖

無線信號發(fā)射器為操作端，推動油門桿方向桿等操作桿，其上無線電波信號發(fā)送至信號接收器，信號接收器把接受到的無線電波信號轉(zhuǎn)化為電信號由一條信號線引至電調(diào)控制無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速，另外兩條信號線引致51單片機(jī)，單片機(jī)實時處理信號而發(fā)送電信號控制舵機(jī)組1和舵機(jī)組2，控制撲翼仿生鳥的飛行姿態(tài)和轉(zhuǎn)向。姿態(tài)傳感器實時讀取撲翼仿生鳥的飛行角度速度等將數(shù)據(jù)傳回單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)撲翼仿生鳥的當(dāng)前飛行姿態(tài)控制舵機(jī)組3而調(diào)整飛行攻角。溫濕度傳感器和攝像頭將控制收集到的溫濕度數(shù)據(jù)和所拍攝到的圖片返回單片機(jī)從而采集空中數(shù)據(jù)進(jìn)行空中偵察。攝像頭以數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接，數(shù)據(jù)線中已包含供電線。

2 雙段翼撲動仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計部分

2.1 雙段翼式鳥類撲翼運動分析

此次研究的仿生鳥主要以禿鷲為仿生對象，經(jīng)過研究，禿鷲的飛行是相對節(jié)省能量。白天太陽照耀在大地上，而地面上由于地形、植被的不同，受熱并不均勻，有些地方更容易受熱，那些地方空氣的溫度上升也比較快，熱空氣比冷空氣輕，就會形成一股空氣柱慢慢地上升。在這股空氣柱的底部會受到冷空氣向上兜的力，結(jié)果，熱空氣就成了一團(tuán)向上翻滾的大氣泡。我們可以把它想象成蘑菇云，但肉眼卻看不到。禿鷲可以憑著它們特有的感覺捕捉到這種自然的力量。它們鉆進(jìn)上升的氣泡中，在氣泡的頂部盤旋，依靠氣泡上升的力量，它們可以爬升到500～1 000 m的高空。作為一種食腐動物，禿鷲會在空中長時間觀察地面目標(biāo)以確定其是否已死亡，這種超長時間的滯空能力和超強(qiáng)觀察力是文中研究撲翼仿生鳥的目標(biāo)。

禿鷲以及大部分大型猛禽類的翼翅可分作內(nèi)翼和外翼兩部分，因此稱大型鳥類的翅膀為兩段翼，研究分析大型鳥類中，禿鷲的撲翼動作后發(fā)現(xiàn)，禿鷲的翅膀撲動動作大致可分為兩個階段，為下?lián)潆A段和上撲階段。

圖2所示為由知網(wǎng)文獻(xiàn)搜集的大型猛禽類的飛行撲翼動作，其中1～7的運動過程為下?lián)潆A段，此階段是大型猛禽鳥類撲動飛行產(chǎn)生升力和前進(jìn)推動力的主要階段，該階段所需時間最長，在開始準(zhǔn)備下?lián)鋾r，鳥類的翅膀會完全舒展開來，使其翅膀的受力面積達(dá)到最大，以便在整個下?lián)溥^程中獲得最大的推力和升力；8～14過程為上撲階段，當(dāng)翅膀下?lián)涞阶畹忘c并停留一段時間后，其外翼部分會開始下垂，同時其內(nèi)翼部分開始向上回轉(zhuǎn)，翅膀呈拱起的狀態(tài)，盡量減小其翅膀受力面積，以降低阻力的作用，當(dāng)內(nèi)翼回轉(zhuǎn)到最高點是，外翼開始向上揚起，再次使其翅膀受力面積伸展到最大，準(zhǔn)備開始下?lián)洌绱朔磸?fù)運動，從而為飛行提供動力。

圖2 大型鳥類撲翼運動分析圖

查閱各方文獻(xiàn)中搜集得表1數(shù)據(jù)，供后文撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)參考。

表1 禿鷲仿生設(shè)計相關(guān)參數(shù)

2.2 撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算

研究的飛行器撲動機(jī)構(gòu)選用雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)初步估算仿生撲翼飛行器的總質(zhì)量為300 g機(jī)構(gòu)原理圖如圖3。

圖3 仿生撲動機(jī)構(gòu)原理圖

其中O點與D點為機(jī)架，OA為曲柄，AC為連桿，CE為搖桿，它們構(gòu)成了內(nèi)翼部分，而桿BF和桿FEG構(gòu)成了外翼部分。當(dāng)曲柄OA與連桿AC拉成直線時，搖桿CE的搖擺幅度達(dá)到下極限值。由以往設(shè)計經(jīng)驗，初步取LCE=LBF=0.27 m,LBC=LEF=0.015 m，D=0.1 m。

則:

LEG=L-LCE-D/2=0.68 m

(1)

圖4 機(jī)構(gòu)三維建模圖

2.3 圓柱直齒輪減速傳動機(jī)構(gòu)

原動機(jī)轉(zhuǎn)速計算如下：

n=1 400×11.1=15 540 r/min

(2)

設(shè)計機(jī)構(gòu)的撲動頻率為60 Hz，則：

(3)

漸開線圓柱齒輪傳動比為3～5 因此應(yīng)采用三級減速機(jī)構(gòu)。初步分配傳動比：

i1=4.76

(4)

i2=3.80

(5)

i3=2.38

(6)

圖5 齒輪裝配布置簡圖

2.3.1 選定第一級齒輪類型、材料及齒數(shù)

齒輪設(shè)計基本公式有：

Z1×i1=Z2

(7)

d=mz

(8)

確定齒輪類型：兩齒輪均為標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，8級精度。材料選擇上，考慮高速級應(yīng)力循環(huán)次數(shù)最大，因此選用擁有優(yōu)秀比強(qiáng)度的金屬材料齒輪材料選用閉式軟齒面。小齒輪材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼45，調(diào)質(zhì)處理，硬度取值為250HBS；大齒輪材料為21spc尼龍材料，硬度取值為30HBS。

原動機(jī)輸出軸徑3.17 mm，為節(jié)省幾何空間以及減輕結(jié)構(gòu)重量，以電機(jī)軸直接作為輸入軸而不用聯(lián)軸器連軸結(jié)構(gòu)。由于原動機(jī)輸出軸無法制成齒輪軸。故小齒輪分度圓直徑至少為:

d1=3.17×4=12.68 mm

(9)

將d1圓整為13 mm，若取模數(shù)為1 mm則齒數(shù)為13，不滿足最低齒數(shù)17，因此采用非常用模數(shù)0.8 mm，取小齒輪齒數(shù)為17，則由式(7)、(8)得：

Z2=Z1×i1=17×4.76=80

(10)

d2=Z2×0.8=64 mm

(11)

2.3.2 選定第二級齒輪類型、材料及齒數(shù)

兩齒輪均為標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，8級精度。為減輕飛行器的重量，小齒輪材料為21spc尼龍材料，硬度取值為30HBS。大齒輪材料為21spc尼龍材料，硬度取值為30HBS。經(jīng)過一級減速后，傳遞轉(zhuǎn)速減慢而傳遞扭矩增大，故應(yīng)采取更大的模數(shù)和，而分度圓則可以適當(dāng)減少，即齒數(shù)減少，為保證傳動平穩(wěn)，齒數(shù)17已為極限少齒數(shù)，故各小齒輪齒數(shù)Z1、Z3、Z5都只能選擇為17，即Z3=17。

初步選定模數(shù)為1 mm，則由式(7)、(8)得：

d3=1×17=17 mm

(12)

Z4=Z3×i2=64

(13)

d4=1×64 mm

(14)

2.3.3 選定第三級齒輪類型、材料及齒數(shù)

該齒輪副中，為低速級齒輪傳動，有兩個對稱布置的大齒輪，大齒輪上連接曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，為保證兩翅撲動對稱，齒輪選6級精度，材料均選用POM4520尼龍 齒面硬度30HBS。Z5=17，由于幾何結(jié)構(gòu)限制仍取模數(shù)1 mm，該級傳遞扭矩較大，故應(yīng)適當(dāng)加大齒寬。由式(7)、(8)得：

d5=1×17=17 mm

(15)

Z6=Z5×i3=64

(16)

2.3.4 傳動比相對誤差校核

由2.3.1～2.3.3可制得表2，表3所列。

表2 高速級齒輪設(shè)計結(jié)論

表3 低速級齒輪設(shè)計結(jié)論

計算總傳動比i′以及整機(jī)傳動比相對誤差：

i′=(Z2/Z1)×(Z4/Z3)×(Z6/Z5)=41.68

(17)

Δ=(i′-i)/I=3.4%

(18)

減速比誤差小于5%，故符合工程要求。

3 撲翼機(jī)器人骨架及其控制

3.1 整機(jī)骨架部分

碳纖維材料由于其輕便結(jié)實，常用于航模等的制作材料。因此整機(jī)選用比強(qiáng)度很高的碳纖維管/棒以及碳纖維板制成，整體機(jī)身骨架建模示意圖如圖6、7，兩圖中，整體呈翼狀的為機(jī)器的曲柄搖桿撲翼機(jī)構(gòu)；成“Y”狀的為尾舵機(jī)構(gòu)；中間為齒輪減速機(jī)構(gòu)，齒輪箱板支撐由碳纖維板加尼龍螺柱組成并鏤空處理，由直徑3 mm的碳纖維棒作主支撐貫穿整個機(jī)器。撲翼機(jī)構(gòu)上流線片狀為翼片支撐構(gòu)件，支撐其上覆蓋的EPP泡沫。

圖6 機(jī)身骨架俯視圖 圖7 機(jī)身骨架軸測視圖

3.2 尾舵控制部分

如圖8，尾部設(shè)計通過兩個舵機(jī)連接連桿機(jī)構(gòu)，連桿兩端帶魚眼軸承提供額外自由度，通過舵機(jī)組中兩個舵機(jī)配合運動，可實現(xiàn)尾部的上下左右運動。

圖8 設(shè)計的尾部骨架 圖9 禿鷲的尾部圖

如圖9，仿照禿鷲的尾部，覆蓋EPP泡沫制成扇形尾舵圖10。

圖10 尾部實物圖 圖11 撲翼機(jī)構(gòu)尾端

3.3 攻角控制部分

曲柄搖桿撲翼機(jī)構(gòu)末端裝有舵機(jī)，如圖11，可控制流線片狀翼片小幅度轉(zhuǎn)向，在飛行過程中，51單片機(jī)接受從各傳感器返回的數(shù)據(jù)而做出實時判斷，發(fā)出控制指令實時控制該舵機(jī)組，從而實時調(diào)整飛行攻角獲得更佳的升力。

4 結(jié) 語

研究了一種仿生動物飛行新概念的飛行器---特種機(jī)器人撲翼飛行器。文中基于項目科研工作開展并結(jié)合機(jī)械仿生設(shè)計學(xué)完成了一種攻角可調(diào)的仿生飛行撲翼鳥的電路控制等設(shè)計。利用文中原理可制得撲翼飛行器原動機(jī)。文中制作計算主要依據(jù)經(jīng)驗公式，所得僅為近似值，受限于實驗條件沒有進(jìn)行流體力學(xué)分析。在設(shè)計計算精度、外形流體分析，以及重心控制方面有待進(jìn)一步改善。此次是對仿生撲翼機(jī)器人的基礎(chǔ)研究，需進(jìn)一步加深，希望對仿生撲翼飛行機(jī)器人的相關(guān)研究及此類機(jī)器人的成熟化與產(chǎn)品化過程能起到一定的參考作用。