昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器及其工作流程的制作方法

1.本发明涉及仿生飞行器技术领域，具体涉及一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器及其工作流程。


背景技术：

2.无人飞行器以翼形来区分，可分为：固定翼型、旋翼型和扑翼型。
3.其中，由于无人飞行器体积小，固定翼升力系数降低，阻力系数增加，需要更高的功率，这意味着携带载荷能力的降低；同时，机翼上气流更易分离，这使失速临界迎角减小，降低了飞行器的机动能力。旋翼型飞行器，主要靠顶部旋转翼产生升力，机动能力强，但旋翼尺寸小，阻力系数增加，旋翼气动效率低，不利于携带载荷。扑翼型飞行器从原理上可以分为仿鸟扑翼和仿昆虫扑翼：仿鸟扑翼的扑动频率低，翼面积大，类似鸟类飞行，制造相对容易，携带载荷能力强，但不易实现悬停，机动性不高，隐蔽性较弱；仿昆虫扑翼扑动频率高，飞行效率高，机动性强，可以实现悬停，隐蔽性较强。
4.基于现有技术来构建昆虫仿生飞行器，将难以实现飞行器在小型化、隐身、通信、续航等方面较强的能力。例如，针对信息侦查这一应用需求而言，对昆虫仿生飞行器的长距离数据传输能力及续航能力有极高的要求，而影响这些能力的主要因素是飞行器上搭载的通信天线及电池。现有技术往往通过天线外置或悬挂的方式在飞行器上搭载通信天线，这不仅增加了飞行器的整体重量、复杂性，还会对气动性能造成不利影响，并且对仿生性也有较大的损害。而在电池方面，现有技术所采用的在飞行器内部加载小型蓄电池的方式，其供电能力有限，无法长时间工作。
5.鉴于此，有必要提供一种高度仿生、长续航且具备优异信息采集能力的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器。


技术实现要素：

6.(一)解决的技术问题
7.针对现有技术的不足，本发明提供了一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器及其工作流程，解决了在不损害仿生性的前提下，如何充分利用有限的平台空间和搭载能力，提升所携带载荷的数量或实现多个载荷功能集成的技术问题。
8.(二)技术方案
9.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
10.一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，包括头部、身体、尾部、翅膀和足部；
11.所述头部集成音视频采集装置；
12.所述身体、尾部至少内置飞行控制模块、数据处理模块；
13.所述翅膀设计为薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构；
14.所述足部设计为偶极子天线。
15.优选的，所述音视频采集装置包括微型麦克风和微型摄像头。
16.优选的，所述身体、尾部还内置了储能模块。
17.优选的，为小型仿蜜蜂飞行器时，所述足部包括蜜蜂后足、蜜蜂中足以及蜜蜂前足，分别为不同频段的偶极子天线。
18.优选的，为小型仿蜻蜓飞行器时，
19.所述翅膀包括蜻蜓后翅和蜻蜓前翅；
20.所述足部包括蜻蜓后足、蜻蜓中足、蜻蜓前足，分别为不同频段的偶极子天线。
21.优选的，所述翅膀具体设置如下：
22.基于选用昆虫种类的翅膀脉络结构，采用金属网状天线作为翅形偶极子天线，覆盖在薄膜太阳能电池表面；所述薄膜太阳能电池与偶极子天线之间设有透明绝缘层；所述翅形偶极子天线采用分形结构。
23.优选的，所述薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构的一体化复用设计流程如下：
24.根据选用昆虫种类特点，确定复合结构的外形尺寸；
25.构建复合三维模型；
26.利用电磁仿真软件对天线进行系统仿真，利用光学仿真软件对电池进行系统仿真，直到二者的整体性能达到预定要求。
27.一种如上所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器的工作流程的工作流程，包括：
28.通过飞行控制模块，所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器自主飞行布控到指定地点，通过翅膀上的薄膜太阳能电池进行太阳能收集；
29.通过头部搭载的音视频采集装置进行环境信息采集，并将传递至内置的数据处理模块；
30.通过翅膀、足部上的共形天线将数据处理模块输出的数据，发送至远程指挥中心。
31.优选的，所述展开翅膀进行太阳能收集的同时，将部分能量存储到所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器内置的储能模块中。
32.优选的，所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器为个体独立工作，或者集群式协同工作。
33.(三)有益效果
34.本发明提供了一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器及其工作流程。与现有技术相比，具备以下有益效果：
35.本发明提供昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器包括头部、身体、尾部、翅膀和足部；所述头部集成音视频采集装置；所述身体、尾部至少内置飞行控制模块、数据处理模块；所述翅膀设计为薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构；所述足部设计为偶极子天线。集飞行、信息采集、自供能、多频段高速无线数据传输等众多功能于一体，实现在不损害仿生性的前提下，充分利用有限的平台空间和搭载能力，提升所携带载荷的数量以及多个载荷功能的集成。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明实施例提供的一种天线与电池一体化复用设计流程；
38.图2为本发明实施例提供的一种小型仿蜜蜂飞行器的结构示意图；
39.图3为本发明实施例提供的一种小型仿蜜蜂飞行器的俯视图；
40.图4为本发明实施例提供的一种小型仿蜻蜓飞行器的结构示意图；
41.图5为本发明实施例提供的一种小型仿蜻蜓飞行器的俯视图；
42.图6为本发明实施例提供的一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器的工作流程。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.本技术实施例通过提供一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器及其工作流程，解决了在不损害仿生性的前提下，如何充分利用有限的平台空间和搭载能力，提升所携带载荷的数量或实现多个载荷功能集成的技术问题。
45.本技术实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
46.本发明实施例提供昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器包括头部、身体、尾部、翅膀和足部；所述头部集成音视频采集装置；所述身体、尾部至少内置飞行控制模块、数据处理模块；所述翅膀设计为薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构；所述足部设计为偶极子天线。集飞行、信息采集、自供能、多频段高速无线数据传输等众多功能于一体，实现在不损害仿生性的前提下，充分利用有限的平台空间和搭载能力，提升所携带载荷的数量以及多个载荷功能的集成。
47.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
48.一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，包括头部、身体、尾部、翅膀和足部；
49.所述头部集成音视频采集装置；所述音视频采集装置包括微型麦克风和微型摄像头。
50.所述身体、尾部至少内置飞行控制模块、数据处理模块和储能模块。
51.所述翅膀设计为薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构；
52.所述足部设计为偶极子天线。
53.针对天线与电池一体化复用设计中二者的高效、平衡问题，在一实施例中提供了一种解决方案，具体如下：
54.基于昆虫翅膀特有的脉络结构，采用金属网状天线作为翅形偶极子天线的基本原型，并覆盖在薄膜状太阳能电池表面。金属网状结构可以确保太阳光充分的透过天线层到达电池层。同时，金属网状结构既可以充当天线，也可作为太阳能电池的电极结构。此外，电
池与天线之间设计有透明绝缘层，起到隔离的作用，避免产生短路等问题。
55.考虑到仿生结构对小型化的高度需求，天线设计还将采用分形结构。分形结构自身具备自相似性和空间填充性，其中自相似性指的是分形中每一个单元都与整体呈相似状态，空间填充性指的是从各个维度最大限度的填充分形结构的有限空间。因此，在设计昆虫翅膀的脉络结构中，也加入了分型的设计元素。基于分形结构的天线具备尺寸小，带宽大及多频带的特点，可以有效提升前述天线与电池一体化复用结构的整体性能。
56.在一实施例中，如图1所示，所述薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构的一体化复用设计流程如下：
57.根据选用昆虫种类特点，确定复合结构的基本外形尺寸；
58.构建复合三维模型；
59.利用电磁仿真软件对天线进行系统仿真，利用光学仿真软件对电池进行系统仿真，直到二者的整体性能达到预定要求结束仿真设计流程；
60.根据优化得到的模型进行工程实现。
61.由此可知，本发明实施例所述的天线与太阳能电池的一体化设计绝不是将二者简单的堆叠到一起，而是要充分考虑二者之间的协调、兼容，同时还要考虑二者集成形式对于加工的可实现性，最终需要实现的是天线效率和太阳能电池效率之间的平衡、高效。
62.实施例1：
63.如图2～3所示，本发明实施提供了一种小型仿蜜蜂飞行器，包括蜜蜂头部101、蜜蜂身体102、蜜蜂尾部103、蜜蜂翅膀104、蜜蜂后足105、蜜蜂中足106、蜜蜂前足107等多个部分。其中，蜜蜂头部101、集成有音视频采集装置，例如微型麦克风、微型摄像头。在蜜蜂身体102和蜜蜂尾部103内置了飞行控制模块、数据处理模块、储能模块等，例如控制芯片、微型蓄电池、必要的电路及机械结构。蜜蜂翅膀104、是一种薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构，既能进行光电转换也能进行电磁信号传输。蜜蜂后足105、蜜蜂中足106以及蜜蜂前足107分别是三种频段的偶极子天线，通过多个天线同时工作的方式来实现高速的无线传输能力。基于该结构设计，该小型仿蜜蜂飞行器集飞行、信息采集、自供能、多频段高速无线数据传输等众多功能于一体。
64.实施例2：
65.如图4～5所示，本发明实施提供了一种小型仿蜻蜓飞行器，包括蜻蜓头部201、蜻蜓身体202、蜻蜓尾部203、蜻蜓后足204、蜻蜓后翅205、蜻蜓前翅206、蜻蜓中足207、蜻蜓前足208。其中，蜻蜓头部201集成有音视频采集装置，例如微型麦克风、微型摄像头。在蜻蜓身体202和蜻蜓尾部203内置了飞行控制模块、数据处理模块、储能模块等，例如控制芯片、微型蓄电池、必要的电路及机械结构。蜻蜓后翅205和蜻蜓前翅206被设计为薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构，既能进行光电转换也能进行电磁信号传输。蜻蜓后足204、蜻蜓中足207以及蜻蜓前足208分别设计为三种频段的偶极子天线，通过多个天线同时工作的方式来实现高速的无线传输能力。基于该结构设计，该小型仿蜻蜓飞行器集飞行、信息采集、自供能、多频段高速无线数据传输等众多功能于一体。
66.可理解的是，作为进一步的改进方案，昆虫级小型仿生飞行器除了蜜蜂、蜻蜓结构以外，还可以采用瓢虫、甲虫等众多昆虫形式，其对应的功能部件的形态、载荷的分布形式与上述实施例类似，此处不再赘述。
67.实施例3：
68.如图6所示，一种如上所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器的工作流程，包括：
69.通过飞行控制模块，所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器自主飞行布控到指定地点，随即通过翅膀上的薄膜太阳能电池进行太阳能收集，同时将部分能量存储到所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器内置的储能模块中以备无光照时使用；
70.通过头部搭载的音视频采集装置进行环境信息采集，并将传递至内置的数据处理模块；
71.通过翅膀、足部上的共形天线将数据处理模块输出的数据，发送至远程指挥中心。
72.需要说明，所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器可以为个体独立工作，或者集群式协同工作，本领域技术人员可根据实际需要选择。
73.综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
74.1、昆虫翅膀既是力学飞行部件，也是薄膜太阳能电池和通信天线。集众多功能于一体，多功能复用是实现昆虫仿生飞行器小型化、轻型化的重要措施。
75.2、采用翅型太阳能电池，在不影响仿生隐蔽性的同时，还可以显著提高昆虫级小型仿生飞行器的续航能力。
76.3、在昆虫结构中设计多组偶极子天线，使昆虫级小型仿生飞行器具备多频段通信能力，可以显著提高通信效率。
77.4、昆虫仿生飞行器的隐蔽性极高，肉眼不易将其与真实的昆虫进行区分，在对复杂环境、敏感地区的信息采集中具备一定的优势。
78.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
79.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，其特征在于，包括头部、身体、尾部、翅膀和足部；所述头部集成音视频采集装置；所述身体、尾部至少内置飞行控制模块、数据处理模块；所述翅膀设计为薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构；所述足部设计为偶极子天线。2.如权利要求1所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，其特征在于，所述音视频采集装置包括微型麦克风和微型摄像头。3.如权利要求1所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，其特征在于，所述身体、尾部还内置了储能模块。4.如权利要求1所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，其特征在于，为小型仿蜜蜂飞行器时，所述足部包括蜜蜂后足(105)、蜜蜂中足(106)以及蜜蜂前足(107)，分别为不同频段的偶极子天线。5.如权利要求1所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，其特征在于，为小型仿蜻蜓飞行器时，所述翅膀包括蜻蜓后翅(205)和蜻蜓前翅(206)；所述足部包括蜻蜓后足(204)、蜻蜓中足(207)、蜻蜓前足(208)，分别为不同频段的偶极子天线。6.如权利要求1～5任一项所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，其特征在于，所述翅膀具体设置如下：基于选用昆虫种类的翅膀脉络结构，采用金属网状天线作为翅形偶极子天线，覆盖在薄膜太阳能电池表面；所述薄膜太阳能电池与偶极子天线之间设有透明绝缘层；所述翅形偶极子天线采用分形结构。7.如权利要求1～5任一项所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器，其特征在于，所述薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构的一体化复用设计流程如下：根据选用昆虫种类特点，确定复合结构的外形尺寸；构建复合三维模型；利用电磁仿真软件对天线进行系统仿真，利用光学仿真软件对电池进行系统仿真，直到二者的整体性能达到预定要求。8.一种如权利要求1所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器的工作流程的工作流程，其特征在于，包括：通过飞行控制模块，所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器自主飞行布控到指定地点，通过翅膀上的薄膜太阳能电池进行太阳能收集；通过头部搭载的音视频采集装置进行环境信息采集，并将传递至内置的数据处理模块；通过翅膀、足部上的共形天线将数据处理模块输出的数据，发送至远程指挥中心。9.如权利要求8所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器的工作流程的工作流程，其特征在于，所述展开翅膀进行太阳能收集的同时，将部分能量存储到所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器内置的储能模块中。
10.一种如权利要求8或者9所述的昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器的工作流程的工作流程，其特征在于，所述昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器为个体独立工作，或者集群式协同工作。

技术总结
本发明提供一种昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器及其工作流程，涉及仿生飞行器技术领域。本发明提供昆虫级平台载荷一体化小型仿生飞行器包括头部、身体、尾部、翅膀和足部；所述头部集成音视频采集装置；所述身体、尾部至少内置飞行控制模块、数据处理模块；所述翅膀设计为薄膜太阳能电池和偶极子天线的复合结构；所述足部设计为偶极子天线。集飞行、信息采集、自供能、多频段高速无线数据传输等众多功能于一体，实现在不损害仿生性的前提下，充分利用有限的平台空间和搭载能力，提升所携带载荷的数量以及多个载荷功能的集成。载荷的数量以及多个载荷功能的集成。载荷的数量以及多个载荷功能的集成。


技术研发人员：陈明 汪伟 郑治 罗彦彬 冯雪 郑雨阳 孟儒 赵磊 吴贻伟 冯文文 王运龙
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十八研究所
技术研发日：2022.11.28
技术公布日：2023/5/31