(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号CN103950538B (45)授权公告日2016.02.10 (21)申请号201410192768.3 审查员祖洪飞 (22)申请日2014.05.06 (73)专利权人中国计量学院 地址310018浙江省杭州市江干区下沙学源 街258号 (72)发明人李孝禄吴海宇 (51)1nt.Cl. B64033/02(2006.01) B6402702(2006.01) (56)对比文件 CN202609083U,2012.12.19, CN101633409A,2010.01.27, CN203558206U,2014.04.23, US7600712B2,2009.10.13, CN200942872Y,2007.09.05, CN101016085A,2007.08.15, 权利要求书1页说明书6页附图6页 (54)发明名称 仿雁群扑翼飞行系统 (57)摘要 种仿雁群扑翼飞行系统，包括鸟首、机身、 第一扑翼、第二扑翼、第三扑翼、尾翼、薄膜太阳 能电池组件、DC-DC变换器、蓄电池和微控制器， 由微控制器控制三对扑翼同步扑动，在每个扑动 周期中，第二扑翼利用第一扑翼产生的尾涡和第 三扑翼利用第二扑翼产生的尾涡，减少飞行阻力： 薄膜太阳能电池组件和蓄电池给仿雁群扑翼飞行 系统供电。本发明由三对扑翼提供动力，大幅提升 了承载能力：使用薄膜太阳能电池组件和蓄电池 联合供电，有效延长了仿雁群扑翼飞行系统的续 航时间
CN103950538B 权利要求书 1/1页 1.一种仿雁群扑翼飞行系统，包括机身(3)、扑翼驱动装置(8)、主翼(601)、副翼 (602)、尾翼(7)、薄膜太阳能电池组件(31)、DC-DC变换器(32)、蓄电池(34)、电机控制器 (37)、电机组(38)、微控制器(46)、接收发射装置(47)、充电开关管(33)、放电开关管(35)、 开关管控制电路(50)、第一采样电路(49)、第二采样电路(48)、第三采样电路(51)、二极 管一(52)、二极管二(53)、电源开关(54)、电压转换器(36)、左翼舵机组(39)、右翼舵机组 (40)、首尾舵机(41)、霍尔传感器(43)和加速度传感器(42)，所述主翼(601)通过主翼关 节(14)与所述机身(3)相连，所述副翼(602)通过副翼关节(29)与所述主翼(601)相连， 所述尾翼(7)安装于所述机身(3)的后端，所述薄膜太阳能电池组件(31)安装在所述机 身(3)的上表面，所述DC-DC变换器(32)输入端连接所述薄膜太阳能电池组件(31)，所述 DC-DC变换器(32)输出端通过所述电机控制器(37)连接所述电机组(38)，其特征在于：所 述机身(3)上安装第一扑翼(4)、第二扑翼(5)和第三扑翼(6)，在每个扑动周期中，所述第 二扑翼(5)利用所述第一扑翼(4)产生的尾涡，所述第三扑翼(6)利用所述第二扑翼（⑤） 产生的尾涡，减少仿雁群扑翼飞行系统的飞行阻力： 所述DC-DC变换器(32)输出端与所述蓄电池(34)相连接，所述充电开关管(33)位 于所述蓄电池(34)和所述DC-DC变换器(32)之间，所述放电开关管(35)位于所述蓄电 池(34)与所述电机控制器(37)之间，所述DC-DC变换器(32)通过所述电源开关(54)与 所述电机控制器(37)相连，所述左翼舵机组(39)、所述右翼舵机组(40)和所述首尾舵机 (41)并联在所述电压转换器(36)的输出端，所述电压转换器(36)的输入端与所述电源开 关(54)相连，所述二极管一(52)位于所述DC-DC变换器(32)与所述电源开关(54)之间， 所述二极管二(53)位于所述放电开关管(35)与所述电源开关(54)之间，所述薄膜太阳能 电池组件(31)通过所述第一采样电路(49)与所述微控制器(46)相连，所述微控制器(46) 通过所述开关管控制电路(50)分别与所述充电开关管(33)和所述放电开关管(35)相连， 所述微控制器(46)通过所述第二采样电路(48)和所述第三采样电路(51)与所述蓄电池 (34)和所述电机控制器(37)相连，所述霍尔传感器(43)和所述加速度传感器(42)与所述 微控制器(46)相连
CN103950538B 说明书 1/6页 仿雁群扑翼飞行系统 技术领域 [0001]本发明涉及一种仿雁群扑翼飞行系统，属于飞行器技术领域。 背景技术 [0002]昆虫和鸟类经过几千万年的漫长进化过程，获得了令人惊叹的飞行技巧，它们的 扑翼飞行能力在很多方面远远超出了人类已有的飞行器。 [ooo3]与传统的固定翼(Fixed wing)飞行和旋翼(Rotary wing)飞行相比，扑翼 (Flapping wing).飞行是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行原理，基于这种仿生学原理 设计制造的飞行机器人被称为机械鸟或人工昆虫。 [0004]鸟类扑翼飞行原理不同于固定翼与螺旋桨形式，其仅仅依靠翅膀的上下扑动即可 产生升力与推力，它改变了人类传统上飞行器的设计观念。 [0005]由于受技术水平等的限制，关于扑翼飞行器的研究局限于微型飞行器，其仅仅是 上下单自由度扑动，机翼基本形状不变，蒙皮在惯性力和气动力作用下产生“被动柔性变 形”，扑动机构耗能大，气动效率低。实际昆虫与鸟类飞行翅膀不仅有扑动，且有复杂形状的 变形，特别是大鸟，扑动频率低，翅膀变形相对较小、变形耗能小，飞行距离远。随着科技的 进一步发展，扑翼机的发展也将逐渐向大型化、实用化发展。 [0006]目前研制出的仿鸟类飞行的飞行器，其能够自动起飞、飞行和降落。专利“双关节 仿生扑翼飞行器”（发明号201310561284.7，发明人：李清清等），其翅膀不仅可以上下拍 打，同时也能按特定角度扭转，飞行器具有非凡的空气动力性能。飞行器可以通过无线电控 制，也可以切换成自动模式自行飞行，能够朝两侧转动尾巴和头部。其身体内部装有两个旋 转轮，用于控制翅膀的上下拍打。这两个旋转轮与蒸汽机牵引火车车轮类似，通过牵引杆为 飞行器拍打翅膀提供动力。飞行器的翅膀角度可以通过扭力马达调节。专利“一种双关节 主翼仿生扑翼机”（发明号201310586931.X,发明人：杨永刚等）采用球面副连接尾翼机构， 可使扑翼方向更加灵活。 [0007]但是受其负重限制，飞行器无法实现长时间飞行。因此，有必要对现有技术进行改 进以解决现有技术之不足。 发明内容 [0008]本发明的目的在于：提供一种仿雁群飞行的扑翼机，其承载能力大幅提升，能源利 用率大幅提升，空气动力学利用更充分，飞行效率更高，飞行时间更长，并有效利用太阳能 的仿雁群飞行系统。 [0009]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： [0010] 一种仿雁群扑翼飞行系统，包括机身、扑翼驱动装置、主翼、副翼、尾翼、薄膜太阳 能电池组件、DC-DC变换器、蓄电池、电机控制器、电机组、微控制器、接收发射装置、充电开 关管、放电开关管、开关管控制电路、第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路、二极管 一、二极管二、电源开关、电压转换器、左翼舵机组、右翼舵机组、首尾舵机、霍尔传感器和加
CN103950538B 说明书 2/6页 速度传感器，所述主翼通过主翼关节与所述机身相连，所述副翼通过副翼关节与所述主翼 相连，所述尾翼安装于所述机身的后端，所述薄膜太阳能电池组件安装在所述机身的上表 面，所述DC-DC变换器输入端连接所述薄膜太阳能电池组件，所述DC-DC变换器输出端通过 所述电机控制器连接所述电机组，其特征在于：所述机身上安装第一扑翼、第二扑翼和第三 扑翼，在每个扑动周期中，所述第二扑翼利用所述第一扑翼产生的尾涡，所述第三扑翼利用 所述第二扑翼产生的尾涡，减少仿雁群扑翼飞行系统的飞行阻力。 [0011]所述DC-DC变换器输出端与所述蓄电池相连接，所述充电开关管位于所述蓄电池 和所述DC-DC变换器之间，所述放电开关管位于所述蓄电池与所述电机控制器之间，所述 DC-DC变换器通过所述电源开关与所述电机控制器相连，所述左翼舵机组、所述右翼舵机组 和所述首尾舵机并联在所述电压转换器的输出端，所述电压转换器的输入端与所述电源开 关相连，所述二极管一位于所述DC-DC变换器与所述电源开关之间，所述二极管二位于所 述放电开关管与所述电源开关之间，所述薄膜太阳能电池组件通过所述第一采样电路与所 述微控制器相连，所述微控制器通过所述开关管控制电路分别与所述充电开关管和所述放 电开关管相连，所述微控制器通过所述第二采样电路和所述第三采样电路与所述蓄电池和 所述电机控制器相连，所述霍尔传感器和所述加速度传感器与所述微控制器相连。 [0012]本发明的有益效果在于：仿雁群扑翼飞行系统使用三对扑翼提高了空气动力的利 用率，并且由三对扑翼提供动力，大幅提升仿雁群扑翼飞行系统的承载能力：利用太阳能电 池组件和蓄电池给仿雁群扑翼飞行系统供电，利用了太阳能，延长了飞行时间。 附图说明 [0013]图1为本发明实施例一种仿雁群扑翼飞行系统整体结构示意图： [0014]图2为本发明实施例一种仿雁群扑翼飞行系统整体骨架结构示意图； [0015] 图3为本发明实施例一种仿雁群扑翼飞行系统中扑翼驱动装置示意图： [0016] 图4为本发明实施例一种仿雁群扑翼飞行系统中扑翼结构示意图； [0017] 图5为本发明实施例一种仿雁群扑翼飞行系统中扭力舵机安装位置示意图： [0018] 图6为本发明实施例一种仿雁群扑翼飞行系统供电系统结构框图； [0019]图7为本发明实施例一种仿雁群扑翼飞行系统供电系统控制方法的流程示意图。 [0020]图中：1、鸟首：2、薄膜太阳能电池组件：3、机身：4、第一扑翼：5、第二扑翼：6、第 三扑翼；601、主翼；602、副翼；7、尾翼；8、扑翼驱动装置：9、桡骨杆；10、尺骨杆；11、摆杆； 12、机身骨架；13、机身纵梁：14、主翼关节：15、直流无刷电机；16、齿轮：161、以及齿轮传动 从动轮；162、二级齿轮传动主动轮；163、二级齿轮传动从动轮；17、滚珠轴承；18、齿轮轴： 19、曲柄；20、销轴：21、连杆；22、主翼联动接件；23、桡骨杆接件：24、副翼连接件；25、铰接 销轴；26、摆杆连接件：27、翼蒙皮：28、蒙皮支撑板：29、副翼关节：30、扭力舵机：31、薄膜 太阳能电池组件：32、DC-DC变换器：33、充电开关管：34、蓄电池：35、放电开关管：36、电压 转换器：37、电机控制器：38电机组：381、电机一：382、电机二：383、电机三：39左翼舵机 组：391、左翼舵机一：392、左翼舵机二：393、左翼舵机三：40、右翼舵机组；401、右翼舵机 一：402、右翼舵机二：403、右翼舵机三：41、首尾舵机：42、加速度传感器：43、霍尔传感器； 44、光照度传感器：45、温度传感器：46、微控制器：47、接收发射装置：48、第二采样电路： 49、第一采样电路：50、开关管控制电路：51、第三采样电路：52、二极管一；53、二极管二：
CN103950538B 说明书 3/6页 54、电源开关。 具体实施方式 [0021]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技 术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的 范围。 [0022] 本发明实施例提供了一种仿雁群扑翼飞行系统。所述仿雁群扑翼飞行系统包括： 仿雁群扑翼飞行系统结构和仿雁群扑翼飞行系统供电系统。 [0023]参见图1，示出仿雁群扑翼飞行系统的整体结构示意图，仿雁群扑翼飞行系统包括 鸟首1、薄膜太阳能电池组件2、机身3、第一扑翼4、第二扑翼5、第三扑翼6、尾翼7。所述薄 膜太阳能电池组件2覆盖在所述仿雁群扑翼飞行系统上表面，便于吸收太阳能，所述第一 扑翼4、第二扑翼5、第三扑翼6分布在所述机身3两侧，在一个扑翼周期中所述第二扑翼5 利用第一扑翼4在飞行过程中产生的尾涡，同理所述第三扑翼6也利用所述第二扑翼5产 生的尾涡。 [0024]参见图2、图3、图4，示出所述仿雁群扑翼飞行系统的扑翼各部分结构示意图，所 述仿雁群扑翼飞行系统的扑翼包括扑翼驱动装置8、桡骨杆9、尺骨杆10、副翼关节29、摆杆 11、蒙皮支撑板28、翼蒙皮27。所述扑翼驱动装置8提供扑翼动力，并将动力传递给所述桡 骨杆9和所述尺骨杆10，所述摆杆11在所述副翼关节29作用下，与主翼601同步运动，上 下运动的特征与鸟类相同。所述蒙皮支撑板28的作用是使所述翼蒙皮27形成上曲面表面 和下平面表面，促使仿雁群扑翼飞行系统在飞行过程中翅膀上下表面形成压力差从而产生 飞行所需的部分升力：所述蒙皮支撑板28尾部筋加长，目的在于仿生鸟类翅膀在高雷诺数 时起到的控制边界层、避免流动分离的作用：当翅膀在上举过程中，翼蒙皮27边缘张开，以 此来减小空气的阻力：而在下扑过程中，翼蒙皮27边缘则闭合，这样可以增加扑翼在下扑 时所产生的升力。 [0025]所述扑翼驱动装置8包括直流无刷电机15、齿轮16、滚珠轴承17、销轴20、齿轮轴 18、曲柄19和连杆21。所述直流无刷电机15固定在机身3上，所述直流无刷电机15输出 轴齿轮与一级齿轮传动从动轮161相连，并将动力传递给所述一级齿轮传动从动轮161。而 所述一级齿轮传动从动轮161与二级齿轮传动主动轮162同轴固连，所述二级齿轮传动主 动轮162与二级齿轮传动从动轮163相连并完成齿轮的二级减速传动。两个所述二级齿轮 传动从动轮163与所述曲柄19同轴固连，所述连杆21与所述曲柄19铰链接，并将动力传 递给所述桡骨杆9和所述尺骨杆10。 [0026]所述副翼关节29包括主翼联动接件22、桡骨杆接件23、摆杆连接件26、副翼连接 件24、和铰接销轴25。所述副翼关节29以所述尺骨杆10为固定边，以所述铰接销轴25铰 链接所述主翼联动接件22、所述桡骨杆接件23和所述副翼连接件24：并通过所述摆杆连接 件26链接所述副翼连接件24和所述摆杆11，组成三角形结构：实现主副翼的上下扑动，其 特征与鸟类相同。 [0027]参见图5，示出所述仿雁群扑翼飞行系统扭力舵机30的安装位置。所述扭力舵机
CN103950538B 说明书 4/6页 30由微控制器46控制，所述扭力舵机30扭转扑翼，适时改变扑翼俯仰角，以实现飞行器的 俯仰运动。 [0028]参见图6，示出仿雁群扑翼飞行系统供电系统结构框图。 [0029] 所述仿雁群扑翼飞行系统供电系统包括：薄膜太阳能电池组件31、DC-DC变换器 32、充电开关管33、蓄电池34、放电开关管35、电压转换器36、电机控制器37、电机组38、 左翼舵机组39、右翼舵机组40、首尾舵机41、加速度感器42、霍尔传感器43、光照度传感器 44、温度传感器45、微控制器46、接收发射装置47、第二采样电路48、第一采样电路49、开关 控制电路50、第三采样电路51、二极管一52、二极管二53、电源开关54。 [0030]所述薄膜太阳能电池组件31采用薄膜式太阳能电池组件，其在所述机身3及扑翼 上表面的有效覆盖面积达1m,按标准光照时间计算所述薄膜太阳能电池组件31的输出功 率仅够供所述仿雁群扑翼飞行系统正常飞行：在所述仿雁群扑翼飞行系统正常飞行时，不 允许为所述蓄电池34充电，只允许所述薄膜太阳能电池组件31与所述蓄电池34共同为所 述仿雁群扑翼飞行系统供电：所述仿雁群扑翼飞行系统停飞时，所述薄膜太阳能电池组件 31为所述蓄电池34充电。 [0031]所述薄膜太阳能电池组件31与所述DC-DC变换器32相连，所述DC-DC变换器32 通过所述充电开关管33与蓄电池34相连，同时DC-DC变换器32通过所述二极管一52与 所述电源开关54相连，所述蓄电池34通过所述放电开关管35、所述二极管二53与所述电 源开关54相连，所述电源开关54通过所述电机控制器37与所述电机组38相连。 [0032]所述二极管一52可避免所述蓄电池34单独对仿雁群扑翼飞行系统供电时所述 DC-DC变换器32消耗能量或对所述薄膜太阳能电池组件31产生回流；所述二极管二53可 避免从所述蓄电池34的放电回路向所述蓄电池34充电：所述充电开关管33闭合时允许给 所述蓄电池34充电，所述充电开关管33关断时停止给所述蓄电池34充电：所述放电开关 管35闭合时允许所述蓄电池34放电，关断时停止所述蓄电池34放电。 [0033]所述微控制器46与所述第一采样电路49相连，用于检测所述薄膜太阳能电池组 件31的输出电压U和输出电流I,进而得到所述薄膜太阳能电池组件31的输出功率P。, 其中P=Us×Ig [0034]所述微控制器46与所述第三采样电路51相连，用于检测所述蓄电池34的电压U。 所述微控制器46根据采集到的所述蓄电池34的电压U来判断所述蓄电池34的剩余电量 S0C,控制所述充电开关管33和所述放电开关管35的通断，防止所述蓄电池34过充电、过 放电，延长所述蓄电池34的使用寿命：所述微控制器46根据所述蓄电池34的剩余电量S0C 选择合适的充电方式，对所述蓄电池34进行充电。 [0035]所述微控制器46与所述左翼舵机组39、所述右翼舵机组40和所述首尾舵机41相 连，用于控制所述左翼舵机组39、所述右翼舵机组40和所述首尾舵机41的扭转。 [0036]所述微控制器46与所述霍尔传感器43相连，用于检测所述二级齿轮传动的从动 轮163的转速，所述二级齿轮传动的从动轮163的转速的倒数即得扑翼的频率。 [0037]所述微控制器46与所述加速度传感器42相连，利用所述加速度传感器42和姿态 信号构建加速度反馈控制系统，对纵向、横向、航向的加速度实现闭环控制。 [0038]所述微控制器46与所述光照度传感器44、所述温度传感器45相连，用于监测所述 薄膜太阳能电池组件31的工作环境的光照度G和温度T。 6
CN103950538B 说明书 5/6页 [0039] 所述微控制器46与所述接收发射装置47相连，用于与地面遥控显示器无线连接， 接收遥控器发射的控制信号，同时向遥控显示器发射所述仿雁群扑翼飞行系统的状态信号 并显示。 [0040]所述微控制器46根据获得的薄膜太阳能电池组件的输出电压、薄膜太阳能电池 组件的输出电流、所述蓄电池34的电压、所述接收发射装置47收到的仿雁群扑翼飞行系统 的设定飞行状态信号，计算脉宽调制信号PWM1、脉宽调制信号PWM2、脉宽调制信号PWM3、脉 宽调制信号PWM4和脉宽调制信号PWM5的占空比，输出相应的控制信号，控制所述DC-DC变 换器32的输出电压、所述电机组38的转速以及所述左翼舵机组39、所述右翼舵机组40和 所述首尾舵机41的工作状态。 [0041]参见图7，示出仿雁群扑翼飞行系统供电系统控制方法的流程示意图。 [0042] 在光照度G大于系统要求临界光照度G的情况下，当所述蓄电池34的电压U,低 于所述蓄电池34的过放电电压U时，所述充电开关管33闭合，所述放电开关管35断开， 所述蓄电池34只充电不放电：当所述蓄电池34的电压U,高于所述蓄电池34的过充电电压 U时，所述充电开关管33断开，所述放电开关管35闭合，所述蓄电池34只放电，不充电； 当所述蓄电池34的电压U,介于所述蓄电池34的过充电电压Uax与所述蓄电池34的过放 电压U之间时，所述充电开关管33断开，所述微控制器46控制DC-DC变换器32输出电 压U:为所述蓄电池34的电压U与所述放电开关管35导通压降之和，由薄膜太阳能电池组 件与所述蓄电池34共同向所述电机组38、所述左翼舵机组39、所述右翼舵机组40和所述 首尾舵机41供电。双电源供电大大延长了仿雁群扑翼飞行系统的飞行里程：当所述电源开 关54断开时，薄膜太阳能电池组件通过DC-DC变换器32对所述蓄电池34进行充电，所述 微控制器46根据所述蓄电池34的电压，控制DCDC变换器32的输出电压U,对所述蓄电 池34进行充电。 [0043]仿雁群扑翼飞行系统启动后，当所述微控制器46检测所述仿雁群扑翼飞行系统 的设定扑翼频率f变化时，所述微控制器46对所述电机组38进行调速控制；当所述微控 制器46检测到所述仿雁群扑翼飞行系统的转向信号时，所述微控制器46判别是左转信号 或右转信号：当所述微控制器46判别是左转信号时，所述微控制器46控制脉宽调制信号 PWM3,使所述左翼舵机组39转速降低，所述微控制器46控制脉宽调制信号PWM4,使所述右 翼舵机组40转速升高，同时所述微控制器46控制脉宽调制信号PWM5,所述微控制器46通 过所述首尾舵机41使所述鸟首1和所述尾翼7左偏：当所述微控制器46判别是右转信号 时，所述微控制器46控制所述脉宽调制信号PWM3,使所述左翼舵机组39转速升高，所述微 控制器46控制所述脉宽调制信号PWM4,使所述右翼舵机组40转速降低，同时所述微控制器 46控制所述脉宽调制信号PWM5,所述微控制器46通过所述首尾舵机41使所述鸟首1和所 述尾翼7右偏：当所述微控制器46检测到所述仿雁群扑翼飞行系统的滑翔信号时，所述微 控制器46控制脉宽调制信号PW2的占空比，所述电机组38间歇式运转，所述充电开关管 33闭合，所述薄膜太阳能电池组件31对所述蓄电池34充电，并且所述微控制器46在滑翔 过程中检测所述霍尔传感器43与所述加速度传感器42的输出信号，所述微控制器46相应 调节所述脉宽调制信号PWM3与所述脉宽调制信号PWM4,仿雁群扑翼飞行系统实现滑翔；当 所述微控制器46检测到所述仿雁群扑翼飞行系统的降落信号时，所述微控制器46调节所 述脉宽调制信号PWM2的占空比，所述电机组38转速平稳下降至零，并且所述微控制器46
CN103950538B 说明书 6/6页 根据所述霍尔传感器43与所述加速度传感器42的输出信号控制所述脉宽调制信号PW3 与所述脉宽调制信号PWM4的占空比，仿雁群扑翼飞行系统实现平稳降落
CN103950538B 说明书附图 1/6页 602 601 5 3 图1 9
CN103950538B 说明书附图 2/6页 11 10 9 8 图2 10