上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源_飞行_机器海鸥的仿生设计及其实验研究.pdf_大学文库

摘要摘要中国是一个具有广阔海域的国家。在我们幅员辽阔的领海中，有着很多诸如水文、海洋渔业资源、海警情况等需要进行监测的场合。在当前，每当我们遇到海难或者是海警巡防等需要进行搜救、巡逻与警戒的时候，我们普遍采用的方式都是派出船只、飞机或者是使用卫星等来进行监测。但是这样的方式不仅成本高昂效率低下，同时在环境极端恶劣的时候往往可能会很难以完成预期的任务。基于此，本文设计了一套能够适用于恶劣环境下海洋巡航监测的机器海鸥，并研制原理样机及其飞行实验系统，对关键的功能和性能指标进行测试。基于对作业任务与环境的分析，确定机器海鸥的功能和性能指标。结合扑翼飞行原理，从仿生学的角度设计了机器海鸥的机械结构。该结构采用目前在扑翼样机研制中比较成熟的一种传动方案，通过对称布置的两套串联连杆机构来实现二维的扑翼运动。该套机构只使用了一个自由度，同时结构上的对称性能够保证双翼在扑动时的动作也是完全对称的。与固定翼及旋翼式飞行器相比，所设计的海鸥机器人在一次扑动过程中能够同时产生飞行时所需要的升力和推力，能量利用率高以及机动性能更好。结合性能参数指标以及实际可以采购到的外购件的情况，设计了整个系统的机械结构并研制了海鸥机器人的原理样机。此外，还开发了一套用于测试海鸥机器人结构设计的合理性、基本的气动性能以及模拟飞行性能等的专门的实验装置。该实验装置的主要工作原理是为海鸥机器人在扑翼飞行时提供一个旋转式的模拟飞行平台，其结构组成主要包括支撑架、转台、跟随机构以及海鸥机器人的固定与安装装置等。利用所开发的原理样机和实验装置，进行了在特定参数条件下的飞行模拟实验。实验结果表明所采用的改进后的扑翼机构具有可行性，能够实现扑翼运动以及产生飞行时所需的升力与推力。基于这些实验数据，明确了未来改进的方向，包括在现有结构基础上进行优化设计，进一步减轻机身重量，改进结构使之能够实现左右翼的差幅扑动，同时还会加入能够精确调节飞行迎角的机构。关键词：扑翼飞行器：机器海鸥：仿生机器人：实验系统

摘要 - I - 摘要中国是一个具有广阔海域的国家。在我们幅员辽阔的领海中，有着很多诸如水文、海洋渔业资源、海警情况等需要进行监测的场合。在当前，每当我们遇到海难或者是海警巡防等需要进行搜救、巡逻与警戒的时候，我们普遍采用的方式都是派出船只、飞机或者是使用卫星等来进行监测。但是这样的方式不仅成本高昂效率低下，同时在环境极端恶劣的时候往往可能会很难以完成预期的任务。基于此，本文设计了一套能够适用于恶劣环境下海洋巡航监测的机器海鸥，并研制原理样机及其飞行实验系统，对关键的功能和性能指标进行测试。基于对作业任务与环境的分析，确定机器海鸥的功能和性能指标。结合扑翼飞行原理，从仿生学的角度设计了机器海鸥的机械结构。该结构采用目前在扑翼样机研制中比较成熟的一种传动方案，通过对称布置的两套串联连杆机构来实现二维的扑翼运动。该套机构只使用了一个自由度，同时结构上的对称性能够保证双翼在扑动时的动作也是完全对称的。与固定翼及旋翼式飞行器相比，所设计的海鸥机器人在一次扑动过程中能够同时产生飞行时所需要的升力和推力，能量利用率高以及机动性能更好。结合性能参数指标以及实际可以采购到的外购件的情况，设计了整个系统的机械结构并研制了海鸥机器人的原理样机。此外，还开发了一套用于测试海鸥机器人结构设计的合理性、基本的气动性能以及模拟飞行性能等的专门的实验装置。该实验装置的主要工作原理是为海鸥机器人在扑翼飞行时提供一个旋转式的模拟飞行平台，其结构组成主要包括支撑架、转台、跟随机构以及海鸥机器人的固定与安装装置等。利用所开发的原理样机和实验装置，进行了在特定参数条件下的飞行模拟实验。实验结果表明所采用的改进后的扑翼机构具有可行性，能够实现扑翼运动以及产生飞行时所需的升力与推力。基于这些实验数据，明确了未来改进的方向，包括在现有结构基础上进行优化设计，进一步减轻机身重量，改进结构使之能够实现左右翼的差幅扑动，同时还会加入能够精确调节飞行迎角的机构。关键词：扑翼飞行器；机器海鸥；仿生机器人；实验系统

Abstract Abstract China is a country with a broad sea.In our vast waters,there are many situations such as hydrology,Marine fishery resources,and coastal conditions need to monitor.In nowadays,when disasters or coastguard patrol and guard tasks appear,the very way we generally used for searching,rescuing and alerting are all but ships,aircrafts,or by using of satellites for monitoring.But this way is not only somehow expensive, inefficient,at the same time it's hard to complete the desired taskS in extreme conditions.Because of this,this paper designed a biomimetic seagull for ocean cruise monitoring use,and developed a prototype and a specialized flight testing system, which is used to test the key performance indicators. Based on the analysis of the task and the environment,the function of the biomimetic seagull and performance indicators were determined.Combining the flapping wing flight principle,the mechanical structure was designed.The structural principle is now a mature scheme which is often employed in the making of a flapping wing prototype.Through the symmetrical layout of the two sets of series link mechanism to implement complex flapping wing movement of four bar linkage,the set of institutions use only one degree of freedom,at the same time the structure of the wings in flapping symmetry can also ensure the motion is completely symmetrical. Compared with the fixed wing and rotorcraft flying robots,the seagull robot can at the same time produce the required lift and thrust in the process of a flapping circle,more efficient and with better mobility. Considering both the required performance parameters,and various components that can be purchased,the size of the mechanical structure of the whole system was determined and a prototype was made.In addition,the developed experimental apparatus for testing the seagulls of the rationality of the robot structure design,basic aerodynamic performance,and simulation of flight performance is also developed.The main role of the experiment device is to provide a rotary experimental platform,the structure mainly includes the support frame,turntable,the follow movement mechanism, and the parts for fixing and the installation of the seagull. By using the developed prototype,and the experimental devices,a set of experiments were conducted under the condition of specific parameters.The experimental results showed that the improved flapping wing mechanism is feasible, and it can achieve the flapping wing movement and lift and thrust required to produce in flight.Based on these experimental results,the direction for future improvement, including optimal design on the basis of the existing structure,further reduce the weight -I-

Abstract - I - Abstract China is a country with a broad sea. In our vast waters, there are many situations such as hydrology, Marine fishery resources, and coastal conditions need to monitor. In nowadays, when disasters or coastguard patrol and guard tasks appear, the very way we generally used for searching, rescuing and alerting are all but ships, aircrafts, or by using of satellites for monitoring. But this way is not only somehow expensive, inefficient, at the same time it’s hard to complete the desired taskS in extreme conditions. Because of this, this paper designed a biomimetic seagull for ocean cruise monitoring use, and developed a prototype and a specialized flight testing system, which is used to test the key performance indicators. Based on the analysis of the task and the environment, the function of the biomimetic seagull and performance indicators were determined. Combining the flapping wing flight principle, the mechanical structure was designed. The structural principle is now a mature scheme which is often employed in the making of a flapping wing prototype. Through the symmetrical layout of the two sets of series link mechanism to implement complex flapping wing movement of four bar linkage, the set of institutions use only one degree of freedom, at the same time the structure of the wings in flapping symmetry can also ensure the motion is completely symmetrical. Compared with the fixed wing and rotorcraft flying robots, the seagull robot can at the same time produce the required lift and thrust in the process of a flapping circle, more efficient and with better mobility. Considering both the required performance parameters, and various components that can be purchased, the size of the mechanical structure of the whole system was determined and a prototype was made. In addition, the developed experimental apparatus for testing the seagulls of the rationality of the robot structure design, basic aerodynamic performance, and simulation of flight performance is also developed. The main role of the experiment device is to provide a rotary experimental platform, the structure mainly includes the support frame, turntable, the follow movement mechanism, and the parts for fixing and the installation of the seagull. By using the developed prototype, and the experimental devices, a set of experiments were conducted under the condition of specific parameters. The experimental results showed that the improved flapping wing mechanism is feasible, and it can achieve the flapping wing movement and lift and thrust required to produce in flight. Based on these experimental results, the direction for future improvement, including optimal design on the basis of the existing structure, further reduce the weight

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - III - 目录摘要.......................................................................................................................I ABSTRACT ..............................................................................................................I 目录.................................................................................................................... III 第 1 章绪论...................................................................................................... 1 1.1 课题背景及研究意义.................................................................................... 1 1.1.1 课题来源................................................................................................ 1 1.1.2 课题研究的背景与意义........................................................................ 1 1.2 国内外在扑翼飞行领域的研究现状与分析................................................ 3 1.2.1 国外的研究概况.................................................................................... 4 1.2.2 国内的研究概况.................................................................................... 7 1.2.3 对国内外研究现状的总结与简析........................................................ 9 1.3 本文的主要研究内容.................................................................................... 9 第 2 章机器海鸥的作业环境与需求分析.........................................................11 2.1 引言...............................................................................................................11 2.2 机器海鸥的作业环境分析...........................................................................11 2.3 需求分析.......................................................................................................11 2.3.1 作业内容...............................................................................................11 2.3.2 功能设计.............................................................................................. 12 2.3.3 性能指标要求...................................................................................... 14 2.4 本章小结...................................................................................................... 15 第 3 章机器海鸥的方案设计与运动学分析.................................................... 16 3.1 引言.............................................................................................................. 16 3.2 机器海鸥的方案设计.................................................................................. 16 3.2.1 扑动机构方案中需要控制的参数...................................................... 17 3.2.2 结构方案的实现形式.......................................................................... 18 3.3 扑动机构的运动学分析.............................................................................. 22 3.3.1 角位置分析.......................................................................................... 23 3.3.2 速度分析.............................................................................................. 26 3.3.3 加速度分析.......................................................................................... 27 3.3.4 尾部转向调节机构.............................................................................. 28 3.4 本章小结...................................................................................................... 29

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - IV - 第 4 章机器海鸥原理样机的研制.................................................................... 30 4.1 引言.............................................................................................................. 30 4.2 样机参数的设计以及器件选型.................................................................. 30 4.2.1 选定机翼.............................................................................................. 30 4.2.2 扑动机构中各杆件的尺寸设计.......................................................... 35 4.2.3 在该尺寸条件下扑翼机构的运动学特性.......................................... 40 4.2.4 功率电机的选型.................................................................................. 43 4.2.5 选择电机的驱动器.............................................................................. 45 4.2.6 选择用于转向调节用的舵机.............................................................. 45 4.2.7 选择第一代样机的控制器.................................................................. 47 4.3 加工与装配.................................................................................................. 48 4.4 本章小结...................................................................................................... 49 第 5 章实验系统研制及实验研究.................................................................... 50 5.1 引言.............................................................................................................. 50 5.2 实验系统的设计.......................................................................................... 50 5.2.1 实验方案设计...................................................................................... 50 5.2.2 试验系统的结构设计.......................................................................... 53 5.2.3 实验系统的加工与装配...................................................................... 57 5.3 第一代样机的实验与结果分析.................................................................. 57 5.4 改进的样机方案——第二代样机.............................................................. 58 5.4.1 第一代样机中所存在的问题.............................................................. 58 5.4.2 方案改进............................................................................................... 58 5.5 第二代样机的实验与结果分析.................................................................. 59 5.5.1 第二代样机的装配与实验................................................................... 59 5.5.2 对于实验结果的分析.......................................................................... 61 5.6 本章小结...................................................................................................... 61 结论.................................................................................................................... 62 参考文献................................................................................................................ 63 攻读硕士学位期间发表的论文............................................................................ 67 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明.................................... 68 致谢.................................................................................................................... 69

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论 1.1课题背景及研究意义 1.1.1课题来源课题来源于国家自然科学基金和深圳市基础研究，拟用于解决海洋环境监测的机器海鸥项目。主要开展用于环境监测目的用的仿生海鸥机器人系统的设计以及样机的研制。 1.1.2课题研究的背景与意义本文所要研制的机器海鸥实际上是以海鸥为原型的一种扑翼飞行器，研究过程主要是在目前已有的扑翼飞行理论基础上的一次研究活动。 1.1.2.1对于扑翼飞行的简介扑翼飞行是一种通过靠模仿鸟类与昆虫扑动翅膀而实现飞行的飞行方式。这种方式区别于传统的固定翼和旋翼式飞行，其最大的特点就是仅仅通过一对翅膀有规律地扑动就可以同时产生飞行时所需要的升力与推力，以及用于调整飞行姿态和身体平衡等所需的俯仰、偏航与滚转力矩。这种飞行方式也是自然界中数千种鸟类以及数十万种昆虫所采用的最基本的运动形式。与此同时，扑翼飞行也是启发人类发明飞机最原始的灵感来源。在当前，对于扑翼飞行器样机的研制以及对于扑翼机理的透彻理解已经成为了飞行器研究这一领域里面新的热点。由于扑翼飞行器(Ornithopter)是在仿生的基础上发展而来的，因此人们在对鸟类和昆虫等的飞行原理进行研究山的基础上得出了扑翼飞行的一些基本特点： (1)通过一套复杂的扑翼系统在有规律地扑动翅膀时可以同时产生飞行时所需的推力和升力，以及飞行时滚转、偏航和俯仰力矩： (2)通过改变与调整扑动的参数一扑动的频率、幅度和翅膀迎角等，可以快速有效地改变身体的飞行状态，因而具有较强的机动性和灵活性（如下 (3)在飞行的任意时刻，鸟类可以将翅膀锁定在某一固定位置，从而可以在高空中利用重力势能以进行滑翔，这样使得鸟类可以在几乎不用耗费太多能量的情况下进行长距离的飞行： (4)因为扑翼运动的多种高升力机理能够有效利用周围环境中的气流，使得扑翼产生升力和推力的效率很高，也就是扑翼飞行的基本原理能够保证其在只需 -1-

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第1章绪论 1.1 课题背景及研究意义 1.1.1 课题来源课题来源于国家自然科学基金和深圳市基础研究，拟用于解决海洋环境监测的机器海鸥项目。主要开展用于环境监测目的用的仿生海鸥机器人系统的设计以及样机的研制。 1.1.2 课题研究的背景与意义本文所要研制的机器海鸥实际上是以海鸥为原型的一种扑翼飞行器，研究过程主要是在目前已有的扑翼飞行理论基础上的一次研究活动。 1.1.2.1 对于扑翼飞行的简介扑翼飞行是一种通过靠模仿鸟类与昆虫扑动翅膀而实现飞行的飞行方式。这种方式区别于传统的固定翼和旋翼式飞行，其最大的特点就是仅仅通过一对翅膀有规律地扑动就可以同时产生飞行时所需要的升力与推力，以及用于调整飞行姿态和身体平衡等所需的俯仰、偏航与滚转力矩。这种飞行方式也是自然界中数千种鸟类以及数十万种昆虫所采用的最基本的运动形式。与此同时，扑翼飞行也是启发人类发明飞机最原始的灵感来源。在当前，对于扑翼飞行器样机的研制以及对于扑翼机理的透彻理解已经成为了飞行器研究这一领域里面新的热点。由于扑翼飞行器（Ornithopter）是在仿生的基础上发展而来的，因此人们在对鸟类和昆虫等的飞行原理进行研究[1]的基础上得出了扑翼飞行的一些基本特点：（1）通过一套复杂的扑翼系统在有规律地扑动翅膀时可以同时产生飞行时所需的推力和升力，以及飞行时滚转、偏航和俯仰力矩；（2）通过改变与调整扑动的参数——扑动的频率、幅度和翅膀迎角等，可以快速有效地改变身体的飞行状态，因而具有较强的机动性和灵活性（如下（3）在飞行的任意时刻，鸟类可以将翅膀锁定在某一固定位置，从而可以在高空中利用重力势能以进行滑翔，这样使得鸟类可以在几乎不用耗费太多能量的情况下进行长距离的飞行；（4）因为扑翼运动的多种高升力机理能够有效利用周围环境中的气流，使得扑翼产生升力和推力的效率很高，也就是扑翼飞行的基本原理能够保证其在只需

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文消耗很少能量的条件下进行很长距离的飞行。 a)起飞时的姿态b)慢速飞行时的姿态c)巡航飞行时的姿态图1-1鸟类通过改变翅膀扑动的方向、迎角等来改变飞行状态（图中所示分别为鸟类在起飞、慢速飞行与巡航飞行时的姿态示意图)②] 此外，根据仿生学B和空气动力学6，刀的研究结果，在扑翼飞行器的特征尺寸达到一定级别时，扑翼飞行相对于传统的飞行方式具有非常明显的优势8] 仿鸟与仿昆虫的扑翼飞行器由于其在体积、重量以及成本等方面相对于其他飞行器所有的许多优点，使之在民用和国防领域有着十分重要而广泛的用途与前景9,1)，它在很多时候甚至能完成许多其他种类飞行器所无法完成的任务。 1.1.2.2课题研究的意义我们国家作为世界上领土面积第三的国家，海洋几乎占据了近三分之一的国土。对于如此广袤的海域，想要实现对于其的良好管理和利用，一直以来都是我们必须认真面对的一个问题。在我们的领海上，对于海洋资源的监测、保护与开发关系到我们国家对于海洋资源的合理利用与对待，对于海洋生态环境（海水污染、石油泄漏等）的监测关系到我们生存环境的美好与和谐、对自然灾害（台风、海浪、海啸等）的预报和警报等关系到我们国家和人民的生命财产安全。频发的海难与海洋环境污染事件要求我们除了能够使用卫星和巡航飞机进行监测以外，还应该具有更低成本更精确更高效的搜救方式：面对周边诸多国家频繁的领土争端以及武力挑衅，我们需要在我们的海域上建立一套更完善的陆海空海上安全防务和国防监测与打击系统。总体来说，面对复杂的海洋环境，一个立体的监测系统应该被建立起来，并且我们有必要使用一种更灵活与更高效的工具来实现这些目的。针对这些我们会实际应用到的场合下的各种具体情形，我们预先对本课题将需要研制的机器海鸥进行明确的功能设计： (1)用于海洋环境的监测与评估。对于不时出现的海洋环境污染以及石油泄漏事件等，如果我们拥有一种经济高效的低空扑翼飞行器来进行实时监测与评估 -2-

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 - 消耗很少能量的条件下进行很长距离的飞行。 a) 起飞时的姿态 b) 慢速飞行时的姿态 c) 巡航飞行时的姿态图 1-1鸟类通过改变翅膀扑动的方向、迎角等来改变飞行状态（图中所示分别为鸟类在起飞、慢速飞行与巡航飞行时的姿态示意图）[2] 此外，根据仿生学[3-5]和空气动力学[6, 7]的研究结果，在扑翼飞行器的特征尺寸达到一定级别时，扑翼飞行相对于传统的飞行方式具有非常明显的优势[8]。仿鸟与仿昆虫的扑翼飞行器由于其在体积、重量以及成本等方面相对于其他飞行器所有的许多优点，使之在民用和国防领域有着十分重要而广泛的用途与前景[9, 10]，它在很多时候甚至能完成许多其他种类飞行器所无法完成的任务。 1.1.2.2 课题研究的意义我们国家作为世界上领土面积第三的国家，海洋几乎占据了近三分之一的国土。对于如此广袤的海域，想要实现对于其的良好管理和利用，一直以来都是我们必须认真面对的一个问题。在我们的领海上，对于海洋资源的监测、保护与开发关系到我们国家对于海洋资源的合理利用与对待，对于海洋生态环境（海水污染、石油泄漏等）的监测关系到我们生存环境的美好与和谐、对自然灾害（台风、海浪、海啸等）的预报和警报等关系到我们国家和人民的生命财产安全。频发的海难与海洋环境污染事件要求我们除了能够使用卫星和巡航飞机进行监测以外，还应该具有更低成本更精确更高效的搜救方式；面对周边诸多国家频繁的领土争端以及武力挑衅，我们需要在我们的海域上建立一套更完善的陆海空海上安全防务和国防监测与打击系统。总体来说，面对复杂的海洋环境，一个立体的监测系统应该被建立起来，并且我们有必要使用一种更灵活与更高效的工具来实现这些目的。针对这些我们会实际应用到的场合下的各种具体情形，我们预先对本课题将需要研制的机器海鸥进行明确的功能设计：（1）用于海洋环境的监测与评估。对于不时出现的海洋环境污染以及石油泄漏事件等，如果我们拥有一种经济高效的低空扑翼飞行器来进行实时监测与评估