开发背景：

当今社会，科技高速发展，一些新兴产业一方面在为人们带来便利与福音的同时,也往往会同时带来各种防不胜防的灾害，诸如飞机失事、核辐射与核泄漏事故等。

这些事故等通常都会形成令事故处理人员难以接近的污染区和危险区域，也因此使得对于事故现场的灾情勘测与判断会非常困难。与此同时，近几年来不断发生的海难、空难事件等，都对于整个社会造成了难以估量的损失。在目前，对于这些事故的主要搜救方式是派出舰船、飞机或者是调用卫星进行航拍和搜寻。但是这些方式不仅成本高昂、效率低下，而且在环境极端恶劣的时候往往还可能会难以完成预期的任务。

结构说明：

扑翼型救援无人机是一个集机械结构、电路控制技术、传感器技术、信息技术于一体的机电一体化装置。为实现扑翼无人机的功能结构，本装置的研究内容主要包括系统总体设计、机械结构设计和控制系统设计。首先进行系统总体的框架设计以及目标功能的确定，然后在此基础上进行结构的设计、确定研究重点，最后进行控制系统的设计。

1系统总体设计

   系统总体设计决定着整个研究工作的成败与研究水平的高低，其核心在于将功能与结构合理组合、性能与效果协调统一，以此引导扑翼型救援机械装置的设计思想、研究方法、功能原理、结构特点、设计技巧、技术途径等方面的创新，掌握整体，至顶而下，逐步细化，以科学的方法进行设计研究。

2机械结构设计

  机械机构设计是扑翼型救援机械装置的研究的核心，研究满足空间占比小、材质轻、效率高的机械结构是研究的重点。该系统机械结构部分主要包括：曲柄摇杆机构、翅膀折叠机构、胡克铰链机构。曲柄摇杆是设备的基础构件，实现扑翼型救援装置的基本飞行动作，翅膀折叠机构借助平行四边形的不稳定性和易变性实现了翅膀折叠动作，胡可铰链可精确改变方向的控制，通过这些机械结构即可实现扑翼型救援装置的部分实质性功能。

3控制系统设计

扑翼型救援装置的控制系统采用模块化控制的理念，以扑翼型救援装置电机的控制为主，传感器信息的搜集和处理为辅。控制部分根据操作者可操作功能以及辅助控制来进行模块化划分，一共分为主控制系统和辅助控制系统两大部分。

（含设计原理、设计方案等）

设计原理

分析其扑翼飞行升力及推力的产生机理的基础上，设计出了一种仿生机械鹰装置，针对鹰的特点和指标要求，确定了仿生鹰的组成部分，包括机身主体、扑动机构、翅膀收缩机构、尾翼机构、控制系统等。仿生流程如下图所示。采用轻型航空无刷电机作为动力、二级齿轮作为减速机构，以此为扑动机构提供动力；而尾翼机构则采用轻型舵机做动力，基于 RSSR 型空间四杆机构设计了一款对称扑动的空间扑动机构以及俯仰调节和偏航调节互相解耦的硬连接尾翼机构；采用整体构型的碳纤维机身将上述机构连接在一起组成一个有机的整体。为实现仿生鹰的远程操作控制，并具有一定的半自主能力，开发了基于 ARM 处理器的嵌入式飞行控制系统及相应的软件。并用 SolidWorks 和 ADAMS 等软件对结构进行建模与仿真优化，之后对各部分结构进行校核计算，以保证装置的合理性与可行性。此外，通过控制系统设计，实现机电一体化，提高装置的自动化水平。然后，制作了完整的样机，并进行室内、室外的飞行实验，验证了所设计的仿生鹰的基本飞行能力，以及半自主控制算法的实用性。最后制作实体并进行调试。

设计方案：

扑翼飞行装置设计方案

扑翼飞行装置主要包括双曲柄摇杆、连杆、小齿轮、大齿轮、翼杆、机

架铰链等。与翅翼对应的两个曲柄齿轮相互啮合对称的安装在机身本体前端底部，其中一个曲柄齿轮与扑动电机输出轴相连； 内翼杆与机架铰

接相连，外翼杆与内翼杆相铰接，内翼辅助杆与连杆和外翼杆铰接相连，从而实现内外翼的折叠运动。扑动机构通过扑动电机驱动曲柄齿轮旋转，曲柄齿轮通过多连杆机构带动机翼扑动。

翅膀折叠装置设计方案

翅膀折叠装置主要包括平行四杆机构、滑块、螺旋杆、滑动轴承、无刷电机 等。翅膀通过运用平行四杆机构与机身背部正中央的螺旋杆相连，当无刷电机驱 动螺旋杆顺时针旋转时，平行四杆机构的杆间距变大，从而实现翅膀的展开；反 之，当螺旋杆逆时针旋转时，翅膀折叠收缩。

尾翼变向装置设计方案

尾翼变向装置包括舵机、连杆、虎克铰、十字尾翼。在飞行中，机身末端虎克铰与十字尾翼连接，通过机身中部的舵机摇动虎克铰来带动尾翼产生角度偏转，从而实现了飞行方向的调节。

腿部收放装置设计方案

腿部起落收放装置包括单关节折叠机构、连杆、滑块、爪部滚轮等。起飞时 通过电机驱动螺纹杆转动，螺纹杆顺时针旋转，连接腿部的螺纹块向后移动，使 腿部向上折叠，实现腿部的收缩；反之，降落时，螺纹杆逆时针旋转，腿部向下 展开，通过底端滑轮与地面接触，使其向前滑行一段距离，达到落地时的缓冲。

创新点：

1.采用轻型航空无刷电机作为动力、二级齿轮作为减速机构，以此为扑动机构提供动力；

2.采用轻型步进电机为动力推动平行四杆机构移动，进而实现膀的折叠收缩；

3.尾翼偏航机构则采用轻型舵机做动力，通过空间四杆机构和虎克铰设计了可以俯仰调节和偏航调节互相解耦的硬连接尾翼机构；

4.采用单关节折叠机构实现腿部的收放和起落的缓冲。

采用整体构型的碳纤维机身将上述机构连接在一起组成一个有机的整体。为实现仿生鹰的远程操作控制，并具有一定的半自主能力，开发了基于 ARM 处理器的嵌入式飞行控制系统及相应的软件。最后，制作完整的样机，并进行室内、室外的飞行实验，验证了所设计的仿生鹰的基本飞行能力，以及半自主控制算法的实用性。