学校代码：10406 分类号：V276 学号：100082503015 南昌航空大学 硕士学位论文 (学位研究生) 仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及 扑翼机构研究 硕士研究生：雷亚超 导 师：许瑛教授 申请学位级别：硕士 学科、专业：航空宇航制造工程 所在单位：航空制造工程学院 答辩日期：2013年6月 授予学位单位：南昌航空大学
学校代码：10406 分类号：V276 学号：100082503015 南昌航空大学 硕 士 学 位 论 文 （学位研究生） 仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及 扑翼机构研究 硕 士 研 究 生 ： 雷亚超 导 师 ： 许 瑛 教授 申 请 学 位 级 别 ： 硕 士 学 科 、 专 业 ： 航空宇航制造工程 所 在 单 位 ： 航空制造工程学院 答 辩 日 期 ： 2013 年 6 月 授 予 学 位 单 位 ： 南昌航空大学
Research on Flapping-Wing Flight Principle and Mechanism of the Imitating Butterfly Ornithopter A Thesis Submitted for the Degree of Master On Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering by Yachao Lei Under the Supervision of Prof.Ying XU School of Aeronautical Manufacturing Engineering Nanchang Hangkong University,Nanchang,China June,2013
Research on Flapping-Wing Flight Principle and Mechanism of the Imitating Butterfly Ornithopter A Thesis Submitted for the Degree of Master On Aeronautics and Astronautics Manufacturing Engineering by Yachao Lei Under the Supervision of Prof. Ying XU School of Aeronautical Manufacturing Engineering Nanchang Hangkong University, Nanchang, China June, 2013
摘要 微扑翼飞行器(Flapping-wing micro aerial vehicles)模仿鸟类或昆虫的飞行 原理，具有体积小、重量轻、隐身性好等优点，被广泛使用到军用和民用领域。 本文以仿蝴蝶微型扑翼机为研究对象，首先分析凤蝶的飞行参数，在此基础上， 建立了仿蝴蝶扑翼机的参数化模型，研究了仿蝴蝶扑翼机的流体和扑翼机构的 运动特性。 (1)对凤蝶的扑翼飞行和微观形态进行了整理和分析，获得了凤蝶扑翼 飞行的尺寸参数及运动参数，为仿蝴蝶扑翼机的数值建模和机构分析提供了数 据参考。 (2)以流体仿真软件FLUENT为平台，采用参数化语言，建立了仿蝴蝶 流体分析模型，针对解决流场的动边界这一难点，采用动网格技术，对翼型的 流体动力学性能进行研究。流体仿真结果表明：涡流是产生高升力的主要原因： 在大翼展、低频率扑动前提下，扑翼幅值与产生的升力和推力成正比。 (3)以平面四杆机构为基础，用解析法设计了具有急回特性的扑翼机构， 并以solidworks软件为平台，建立了扑翼机构的三维模型，进行了扑翼机构的 运动仿真，将仿真结果与解析法设计的扑翼机构的运动特性进行比较，验证了 解析法设计急回特性的扑翼机构的可行性和可靠性。 关键词：微扑翼飞行器，流体力学仿真，动网格技术，急回特性，运动仿真
I 摘 要 微扑翼飞行器(Flapping-wing micro aerial vehicles)模仿鸟类或昆虫的飞行 原理，具有体积小、重量轻、隐身性好等优点，被广泛使用到军用和民用领域。 本文以仿蝴蝶微型扑翼机为研究对象，首先分析凤蝶的飞行参数，在此基础上， 建立了仿蝴蝶扑翼机的参数化模型，研究了仿蝴蝶扑翼机的流体和扑翼机构的 运动特性。 （1）对凤蝶的扑翼飞行和微观形态进行了整理和分析，获得了凤蝶扑翼 飞行的尺寸参数及运动参数，为仿蝴蝶扑翼机的数值建模和机构分析提供了数 据参考。 （2）以流体仿真软件 FLUENT 为平台，采用参数化语言，建立了仿蝴蝶 流体分析模型，针对解决流场的动边界这一难点，采用动网格技术，对翼型的 流体动力学性能进行研究。流体仿真结果表明：涡流是产生高升力的主要原因； 在大翼展、低频率扑动前提下，扑翼幅值与产生的升力和推力成正比。 （3）以平面四杆机构为基础，用解析法设计了具有急回特性的扑翼机构， 并以 solidworks 软件为平台，建立了扑翼机构的三维模型，进行了扑翼机构的 运动仿真，将仿真结果与解析法设计的扑翼机构的运动特性进行比较，验证了 解析法设计急回特性的扑翼机构的可行性和可靠性。 关键词：微扑翼飞行器，流体力学仿真，动网格技术，急回特性，运动仿真
Abstract Flapping-wing micro aerial vehicles mimic birds or insect flight principle,has the advantage of small volume,light weight,good stealth ability,etc.,is widely used in military and civil fields.Papilio is chosen to research the flapping wing flight and flight mechanism in this paper.The parametric language is used to constructed butterfly wing model to carry on motion analysis and the design of the flapping-wing mechanism. (1)Researched and analyzed the flapping wing flight and micro-morphology of the papilio,obtained its dimension parameter and motion parameter,provided data references for the numerical modeling and mechanical modeling of the bionic ornithopter. (2)The imitating butterfly fluid simulation mode is based on the parameterized modeling method on FLUENT software platform,to solve the flow field of the moving boundary this problem,using the dynamic mesh technique, research on hydrodynamic performance of airfoil.Fluid simulation results show: eddy current is the main cause of high lift;in the large span,the low frequency flutter premise,flapping amplitude is proportional to lift and thrust's generated. (3)Based on the analytical method design the plane four-bar linkage,using quick-return characteristics to design flapping-wing mechanism,and make motion analyses.Established the three-dimensional model of the flapping wing,and made motion simulation on solidworks software.The research results reveal that the flapping-wing mechanism motion analysis which is compared with three-dimensional model simulated analysis is feasible and reliable. Keyword:Flapping-wing micro aerial vehicles,fluid dynamics simulation, dynamic mesh,quick-return characteristics,motion simulation
II Abstract Flapping-wing micro aerial vehicles mimic birds or insect flight principle, has the advantage of small volume, light weight, good stealth ability, etc., is widely used in military and civil fields. Papilio is chosen to research the flapping wing flight and flight mechanism in this paper. The parametric language is used to constructed butterfly wing model to carry on motion analysis and the design of the flapping-wing mechanism. (1) Researched and analyzed the flapping wing flight and micro-morphology of the papilio, obtained its dimension parameter and motion parameter, provided data references for the numerical modeling and mechanical modeling of the bionic ornithopter. (2)The imitating butterfly fluid simulation mode is based on the parameterized modeling method on FLUENT software platform, to solve the flow field of the moving boundary this problem, using the dynamic mesh technique, research on hydrodynamic performance of airfoil. Fluid simulation results show: eddy current is the main cause of high lift; in the large span, the low frequency flutter premise, flapping amplitude is proportional to lift and thrust, s generated. (3)Based on the analytical method design the plane four-bar linkage, using quick-return characteristics to design flapping-wing mechanism, and make motion analyses. Established the three-dimensional model of the flapping wing, and made motion simulation on solidworks software. The research results reveal that the flapping-wing mechanism motion analysis which is compared with three-dimensional model simulated analysis is feasible and reliable. Keyword: Flapping-wing micro aerial vehicles, fluid dynamics simulation, dynamic mesh, quick-return characteristics, motion simulation
南昌航空大学硕士学位论文 目录 目录 摘要 Abstract 第1章绪论 1.1引言 …1 1.2微型扑翼飞行器的研究现状及分析 1.2.1国外研究现状 3 1.2.2国内研究现状 5 1.3本文的研究目的及意义 .7 1.3.1微型扑翼飞行器的研究目的 1.3.2拟解决的技术问题.… 7 1.4本文的内容安排… 8 第2章昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构 9 2.1昆虫扑翼飞行原理 9 2.1.1雷诺数 9 2.1.2昆虫的飞行机理 .10 2.1.3蝴蝶的飞行机理 13 2.2蝴蝶翅形态结构… .14 2.2.1蝴蝶翅气动外形特质 女 2.2.2蝴蝶翅三维形状测量 15 2.2.3自由飞行时蝴蝶翅形态结构 16 2.3蝴蝶翅微观形态 17 2.3.1翅的表观结构 18 2.3.2翅的断面结构 19 2.4本章小结 19 第3章仿生扑翼模型的流场分析 21 3.1 FLUENT软件简介 .21 3.1.1 FLUENT软件求解步骤 .21
南昌航空大学硕士学位论文 目 录 III 目 录 摘要................................................................................................................................ I Abstract ....................................................................................................................II 第 1 章 绪 论..............................................................................................................1 1.1 引言..................................................................................................................1 1.2 微型扑翼飞行器的研究现状及分析..............................................................2 1.2.1 国外研究现状........................................................................................3 1.2.2 国内研究现状........................................................................................5 1.3 本文的研究目的及意义..................................................................................7 1.3.1 微型扑翼飞行器的研究目的................................................................7 1.3.2 拟解决的技术问题................................................................................7 1.4 本文的内容安排..............................................................................................8 第 2 章 昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构........................................................9 2.1 昆虫扑翼飞行原理..........................................................................................9 2.1.1 雷诺数....................................................................................................9 2.1.2 昆虫的飞行机理..................................................................................10 2.1.3 蝴蝶的飞行机理..................................................................................13 2.2 蝴蝶翅形态结构............................................................................................14 2.2.1 蝴蝶翅气动外形特质..........................................................................14 2.2.2 蝴蝶翅三维形状测量..........................................................................15 2.2.3 自由飞行时蝴蝶翅形态结构..............................................................16 2.3 蝴蝶翅微观形态............................................................................................17 2.3.1 翅的表观结构......................................................................................18 2.3.2 翅的断面结构......................................................................................19 2.4 本章小结........................................................................................................19 第 3 章 仿生扑翼模型的流场分析..........................................................................21 3.1 FLUENT 软件简介.........................................................................................21 3.1.1 FLUENT 软件求解步骤.......................................................................21
南昌航空大学硕士学位论文 录 3.1.2求解控制方程 22 3.2翼型的流场数值计算 23 3.2.1翼型建模及网格化 23 3.2.2翼型的流场计算 24 3.3翅翼拍动中流场的数值模拟 27 3.3.1动网格技术 27 3.3.2动态数值分析 28 3.3.3拍打振幅对扑翼运动的影响 .31 3.4本章小结 32 第4章扑翼机构设计及建模分析 33 4.1扑翼机构的设计 33 4.1.1扑翼机构总体设计要求 33 4.1.2扑翼的实现方案 。。 .34 4.2扑翼机构的运动尺度综合 35 4.2.1扑翼机构方案确定 36 4.2.2构件尺寸确定 37 4.3按解析法设计急回特性的扑翼机构 37 43.1扑翼机构设计 37 4.3.2扑翼机构分析 42 4.4扑翼机构建模 .46 4.4.1零件三维建模 46 4.4.2零件装配与运动仿真 47 4.5本章小结.… 49 第5章结论与展望 50 5.1结论 50 5.2展望 50 参考文献.… 52 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研情况 56 一、攻读硕士学位期间发表的论文 56 二、攻读硕士学位期间参加的科研情况 56 致谢 .57
南昌航空大学硕士学位论文 目 录 IV 3.1.2 求解控制方程......................................................................................22 3.2 翼型的流场数值计算....................................................................................23 3.2.1 翼型建模及网格化..............................................................................23 3.2.2 翼型的流场计算..................................................................................24 3.3 翅翼拍动中流场的数值模拟........................................................................27 3.3.1 动网格技术..........................................................................................27 3.3.2 动态数值分析......................................................................................28 3.3.3 拍打振幅对扑翼运动的影响..............................................................31 3.4 本章小结........................................................................................................32 第 4 章 扑翼机构设计及建模分析..........................................................................33 4.1 扑翼机构的设计.............................................................................................33 4.1.1 扑翼机构总体设计要求......................................................................33 4.1.2 扑翼的实现方案..................................................................................34 4.2 扑翼机构的运动尺度综合............................................................................35 4.2.1 扑翼机构方案确定..............................................................................36 4.2.2 构件尺寸确定......................................................................................37 4.3 按解析法设计急回特性的扑翼机构.............................................................37 4.3.1 扑翼机构设计......................................................................................37 4.3.2 扑翼机构分析......................................................................................42 4.4 扑翼机构建模................................................................................................46 4.4.1 零件三维建模......................................................................................46 4.4.2 零件装配与运动仿真..........................................................................47 4.5 本章小结........................................................................................................49 第 5 章 结论与展望..................................................................................................50 5.1 结论................................................................................................................50 5.2 展望................................................................................................................50 参考文献......................................................................................................................52 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研情况..........................................56 一、攻读硕士学位期间发表的论文...................................................................56 二、攻读硕士学位期间参加的科研情况...........................................................56 致 谢..........................................................................................................................57
南昌航空大学硕士学位论文 第一章绪论 第1章 绪论 1.1引言 微型扑翼飞行器(Flapping-wing micro aerial vehicles)以其优良的机动性、低噪 音、低成本、携带方便、操作简单、可执行多种任务等功能，不论在军用还是民 用领域都具有十分重要、极其广泛的用途。在军用领域：可以在士兵班里进行 装配：可以在低空条件下进行敌情侦察及监视：可用在战争中进行危险评估、目 标搜索、通讯干扰等；可通过摄像机等进行红外或热成像侦察敌军建筑物内部的 情况，监测化学、核或生物武器等。在民用领域：可以在微型飞行器上配置相应 的传感器，用来搜寻灾难或战后的幸存者、检测危险建筑物内部是否存在有毒气 体或危险化学物质源、减轻人力消灭农作物害虫等。因为其有着成本低、质量轻、 体积小、隐蔽性好等优点，可以完成许多大型飞行器、机械设备和人工无法完成 的任务。 生物在经历了长期的进化过程之后，自然界的各种鸟类和昆虫们普遍采用了 扑翼这种优异的飞行方式。随着科技的发展，仿生学成为了一门新兴的学科。所 谓仿生学2，]就是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的特殊结构和优异功能来 研制机械或各种新技术的学科。根据仿生学和空气动力学方面的研究表明，对于 与鸟类和昆虫有着相似大小尺寸的微型飞行器，扑翼飞行相比于固定翼飞行和旋 翼飞行有着无法替代的性能和优势。它用较少的能量就可以进行长时间长距离的 飞行、加速或者悬停等动作，具有高度的机动性及灵活性4。仿生微型扑翼飞行 器模仿鸟类和昆虫，是一种新型的飞行器，基于这种原理设计制造的飞行微机器 人也被称之为“人工昆虫”问。 扑翼的飞行方式与飞行机理较之于固定翼和旋翼要复杂很多。近几十年 来，许多国家的科研机构和一些大学都致力于仿昆虫微型扑翼飞行器的研究，这 些研究在某些方面取得了一定的成果，但是总体而言这些研究仍然处于初级阶 段，人们还不能完全掌握飞行昆虫的飞行机理，因而缺乏相应的理论指导。对于 目前仿生微型扑翼飞行器的研究可以说还只是处于探索其飞行机理的阶段，由于
南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 1.1 引言 微型扑翼飞行器(Flapping-wing micro aerial vehicles)以其优良的机动性、低噪 音、低成本、携带方便、操作简单、可执行多种任务等功能，不论在军用还是民 用领域都具有十分重要、极其广泛的用途[1]。在军用领域：可以在士兵班里进行 装配；可以在低空条件下进行敌情侦察及监视；可用在战争中进行危险评估、目 标搜索、通讯干扰等；可通过摄像机等进行红外或热成像侦察敌军建筑物内部的 情况，监测化学、核或生物武器等。在民用领域：可以在微型飞行器上配置相应 的传感器，用来搜寻灾难或战后的幸存者、检测危险建筑物内部是否存在有毒气 体或危险化学物质源、减轻人力消灭农作物害虫等。因为其有着成本低、质量轻、 体积小、隐蔽性好等优点，可以完成许多大型飞行器、机械设备和人工无法完成 的任务。 生物在经历了长期的进化过程之后，自然界的各种鸟类和昆虫们普遍采用了 扑翼这种优异的飞行方式。随着科技的发展，仿生学成为了一门新兴的学科。所 谓仿生学[2,3]就是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的特殊结构和优异功能来 研制机械或各种新技术的学科。根据仿生学和空气动力学方面的研究表明，对于 与鸟类和昆虫有着相似大小尺寸的微型飞行器，扑翼飞行相比于固定翼飞行和旋 翼飞行有着无法替代的性能和优势。它用较少的能量就可以进行长时间长距离的 飞行、加速或者悬停等动作，具有高度的机动性及灵活性[4]。仿生微型扑翼飞行 器模仿鸟类和昆虫，是一种新型的飞行器，基于这种原理设计制造的飞行微机器 人也被称之为“人工昆虫”[5]。 扑翼的飞行方式与飞行机理较之于固定翼和旋翼要复杂很多[6]。近几十年 来，许多国家的科研机构和一些大学都致力于仿昆虫微型扑翼飞行器的研究，这 些研究在某些方面取得了一定的成果，但是总体而言这些研究仍然处于初级阶 段，人们还不能完全掌握飞行昆虫的飞行机理，因而缺乏相应的理论指导。对于 目前仿生微型扑翼飞行器的研究可以说还只是处于探索其飞行机理的阶段，由于
南昌航空大学硕士学位论文 第一章绪论 其尺寸小，飞行速度低，雷诺数小等特点，不能用常规的大型飞行器的定常流理 论来对其飞行机理进行研究。要成功地将微型扑翼飞行器应用于实际生活，还有 许多的困难需要克服。对于微型扑翼飞行器的研究，具有重要的理论意义和实际 应用价值。 1.2微型扑翼飞行器的研究现状及分析 微型飞行器MAV(Micro Aerial Vehicles)最早是从固定翼飞行研究开始的， 固定翼飞行器靠的是空气对机翼的作用力产生压力差实现升降，靠动力装置实现 前进的。l992年美国国防预研计划局(DARPA,Defense Advanced Research Project Agency)在一个关于未来军事技术的研讨会上提出了微型飞行器的概念门。微型 飞行器按照产生升力和推力的方式不同，可分为三种类型：固定翼(fixed-wing) 微型飞行器、旋转翼(rotating-.wing)微型飞行器、扑翼(flapping-wing)微型飞 行器。固定翼微型飞行器与现在常见的大型飞机在构造上相同，需要一个能产生 较大推力的动力装置使机翼产生升力并能维持其升降与前进：旋转翼微型飞行器 与现在常见的直升机在构造上相同，也称为微型直升飞机(Micro Helicopters), 该类飞行器主要利用螺旋桨与空气进行快速的周期性运动从而产生升力和推力： 扑翼微型飞行器主要是模拟鸟类或昆虫的构造与飞行方式，它能够像鸟类或昆虫 一样利用双翅的拍动产生升力和推力。 微型扑翼飞行器的概念是由美国国防预研计划局的麦克米切尔于1997年最 先提出来的⑧。他由昆虫和鸟类只利用双翅的扑动就能克服自身重力和阻力自由 飞行的原理，设想出一种可扑翼的微型飞行器。这种类似昆虫和鸟类的飞行器由 翼的上下扑动产生升力与推力，能够完成低空下的低速飞行、具有一定的续航时 间、能够携带一定量的载荷。与微型固定翼飞行器和旋翼飞行器相比，它的主要 特点是将升力、悬停和推力等功能集中于扑翼系统9。因为它具有极高的机动性 和灵活性，在执行军事侦察等任务时将更具优势。 微型扑翼飞行器的各项尺寸指标要求10]：翼展不超过15cm(6英寸)，重 量为10g~100g,飞行时间即续航时间为20~60min,飞行速度为30-60km/h,飞 行距离为1-10km,能自主飞行，可携带负载20g,飞行雷诺数在10°以下等。对 于微型飞行器的设计还需满足以下几点： 1、在制作成本上要低，可以作为一次性使用的装备。 2、能够准确的进行定位，并反馈回准确的执行任务所在地的地理位置
南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪 论 2 其尺寸小，飞行速度低，雷诺数小等特点，不能用常规的大型飞行器的定常流理 论来对其飞行机理进行研究。要成功地将微型扑翼飞行器应用于实际生活，还有 许多的困难需要克服。对于微型扑翼飞行器的研究，具有重要的理论意义和实际 应用价值。 1.2 微型扑翼飞行器的研究现状及分析 微型飞行器 MAV（Micro Aerial Vehicles）最早是从固定翼飞行研究开始的， 固定翼飞行器靠的是空气对机翼的作用力产生压力差实现升降，靠动力装置实现 前进的。1992 年美国国防预研计划局（DARPA，Defense Advanced Research Project Agency）在一个关于未来军事技术的研讨会上提出了微型飞行器的概念[7]。微型 飞行器按照产生升力和推力的方式不同，可分为三种类型：固定翼（fixed-wing） 微型飞行器、旋转翼（rotating-wing）微型飞行器、扑翼（flapping-wing）微型飞 行器。固定翼微型飞行器与现在常见的大型飞机在构造上相同，需要一个能产生 较大推力的动力装置使机翼产生升力并能维持其升降与前进；旋转翼微型飞行器 与现在常见的直升机在构造上相同，也称为微型直升飞机（Micro Helicopters）， 该类飞行器主要利用螺旋桨与空气进行快速的周期性运动从而产生升力和推力； 扑翼微型飞行器主要是模拟鸟类或昆虫的构造与飞行方式，它能够像鸟类或昆虫 一样利用双翅的拍动产生升力和推力。 微型扑翼飞行器的概念是由美国国防预研计划局的麦克米切尔于 1997 年最 先提出来的[8]。他由昆虫和鸟类只利用双翅的扑动就能克服自身重力和阻力自由 飞行的原理，设想出一种可扑翼的微型飞行器。这种类似昆虫和鸟类的飞行器由 翼的上下扑动产生升力与推力，能够完成低空下的低速飞行、具有一定的续航时 间、能够携带一定量的载荷。与微型固定翼飞行器和旋翼飞行器相比，它的主要 特点是将升力、悬停和推力等功能集中于扑翼系统[9]。因为它具有极高的机动性 和灵活性，在执行军事侦察等任务时将更具优势。 微型扑翼飞行器的各项尺寸指标要求[10]：翼展不超过 15cm（6 英寸），重 量为 10g~100g，飞行时间即续航时间为 20~60min，飞行速度为 30~60km/h，飞 行距离为 1-10km，能自主飞行，可携带负载 20g，飞行雷诺数在 106 以下等。对 于微型飞行器的设计还需满足以下几点： 1、在制作成本上要低，可以作为一次性使用的装备。 2、能够准确的进行定位，并反馈回准确的执行任务所在地的地理位置
南昌航空大学硕士学位论文 第一章绪论 3、能够携带一定重量的机载设备，进行有效的侦查反馈等。 4、重量轻、体积小且坚固耐用，便于携带。 5、具有很好的隐蔽性，在执行任务的时候不易被敌人发现。 1.2.1国外研究现状 从微型扑翼飞行器的概念提出以来，比较大型的扑翼机及其有关空气动力学 方面的研究逐渐成为各大研究机构的研究热点。由于微扑翼机的种种优良性能和 使用价值，在DARPA的资助下一些国外的研究机构，近年来对于其有关的研究 取得了一定意义上的成果。目前美国在这方面的研究总体上处于世界比较领先的 水平。较典型的微型扑翼飞行器有加利福尼亚理工学院研制的“Microbat”和斯 坦福研究中心(SRI)研制的“Mentor”。其次还有美国乔治亚理工学院的 “Entomopter”微型扑翼飞行器、荷兰Delft大学的“Delfly”微型扑翼飞行器和 以色列航空工业公司的“机械蝴蝶”等。 (I)Microbat微型扑翼飞行器，12 加州理工学院与Aero Vironment公司等单位共同研制的“Microbat”微型扑 翼飞行器是最早的电动微型扑翼飞行器，如图1-1所示。它是一种仿生飞行方式 的微型扑翼飞行器，它机翼的形状是模仿昆虫的翅膀，用微型机电系统MEMS (Micro Electro Mechanical System)技术加工制作成的。它通过微传动机构将微 电机的能量转变为扑翼机构的扑动，从而产生升力与推力并克服自身重力与阻力 飞行。该机目前有四种不同的原理样机，首架持续飞行了9s:第二架以可充式镍 电池为动力源，持续飞行了22s:第三架原型机增加了无线电遥控设备，持续飞 行了6minl7s:通过进一步的改进，第四架原型机巡航时间达到了22min45s。 “Microbat”翼展只有23cm,重仅14g,扑翼频率为20Hz左右，该飞行器可携 带一台微型摄像机。 (2)Mentor微型扑翼飞行器] “Mentor”微型扑翼飞行器是由多伦多大学和美国斯坦福研究中心(SRI) 合作研究的，如图1-2所示。它的最大翼展在15cm左右，重约50g,它有四片机 翼，机翼由一种电致伸缩的聚合物人造肌肉EPAM(Electrostrictive Polymer Actuated Muscle)驱动。 3
南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪 论 3 3、能够携带一定重量的机载设备，进行有效的侦查反馈等。 4、重量轻、体积小且坚固耐用，便于携带。 5、具有很好的隐蔽性，在执行任务的时候不易被敌人发现。 1.2.1 国外研究现状 从微型扑翼飞行器的概念提出以来，比较大型的扑翼机及其有关空气动力学 方面的研究逐渐成为各大研究机构的研究热点。由于微扑翼机的种种优良性能和 使用价值，在 DARPA 的资助下一些国外的研究机构，近年来对于其有关的研究 取得了一定意义上的成果。目前美国在这方面的研究总体上处于世界比较领先的 水平。较典型的微型扑翼飞行器有加利福尼亚理工学院研制的“Microbat”和斯 坦福研究中心（SRI）研制的“Mentor”。其次还有美国乔治亚理工学院的 “Entomopter”微型扑翼飞行器、荷兰 Delft 大学的“Delfly”微型扑翼飞行器和 以色列航空工业公司的“机械蝴蝶”等。 (1) Microbat 微型扑翼飞行器[11,12] 加州理工学院与 Aero Vironment 公司等单位共同研制的“Microbat”微型扑 翼飞行器是最早的电动微型扑翼飞行器，如图 1-1 所示。它是一种仿生飞行方式 的微型扑翼飞行器，它机翼的形状是模仿昆虫的翅膀，用微型机电系统 MEMS （Micro Electro Mechanical System）技术加工制作成的。它通过微传动机构将微 电机的能量转变为扑翼机构的扑动，从而产生升力与推力并克服自身重力与阻力 飞行。该机目前有四种不同的原理样机，首架持续飞行了 9s；第二架以可充式镍 电池为动力源，持续飞行了 22s；第三架原型机增加了无线电遥控设备，持续飞 行了 6min17s；通过进一步的改进，第四架原型机巡航时间达到了 22min45s。 “Microbat”翼展只有 23cm，重仅 14g，扑翼频率为 20Hz 左右，该飞行器可携 带一台微型摄像机。 (2) Mentor 微型扑翼飞行器[13] “Mentor” 微型扑翼飞行器是由多伦多大学和美国斯坦福研究中心（SRI） 合作研究的，如图 1-2 所示。它的最大翼展在 15cm 左右，重约 50g,它有四片机 翼，机翼由一种电致伸缩的聚合物人造肌肉 EPAM（Electrostrictive Polymer Actuated Muscle）驱动
南昌航空大学硕士学位论文 第一章绪论 图1-1 Microbat微型扑翼飞行器 图1-2 Mentor微型扑翼飞行器 (3)Entomopter微型扑翼飞行器l4,I] “Entomopter”微型扑翼飞行器是由美国乔治亚理工学院(GTRI)、英国剑 桥大学和ETS实验室共同研制的，重50g,有效载荷10g,它的动力装置是基于 一种往复式化学肌肉RCM(Reciprocating Chemical Muscle)技术的微型仿生扑 翼飞行器，如图1-3所示。往复式化学肌肉主要的特点是结构紧凑，能量转换效 率高。该飞行器的机翼类似于蝴蝶的翅膀，其尾部装有天线用于增加平衡：腿可 以使其着地和移动，还可存放飞行所需的燃料。它的翼展为l0i,翅膀扑动频率 为10Hz,机翼的扑动是自主、均衡、不受控制的，可实现悬停。 图1-3 Entomopter微型扑翼飞行器 图1-4 Delfly微型扑翼飞行器 (4)Delfly微型扑翼飞行器1 荷兰的Delft大学研制的“Delfly”微型扑翼飞行器，它的外观看起来像一 只大蜻蜓，其机翼由两对翅膀组合而成，如图1-4所示。其质量为17g,具有X 翼结构和V型尾翼，可以自由越过障碍物并进行慢飞，它的翼展35cm,根弦12cm。 它的动力装置是3.7V的锂电池，以1.8m/s的速度飞行了12min
南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪 论 4 图 1-1 Microbat 微型扑翼飞行器 图 1-2 Mentor 微型扑翼飞行器 (3) Entomopter 微型扑翼飞行器[14,15] “Entomopter” 微型扑翼飞行器是由美国乔治亚理工学院（GTRI）、英国剑 桥大学和 ETS 实验室共同研制的，重 50g，有效载荷 10g，它的动力装置是基于 一种往复式化学肌肉 RCM（Reciprocating Chemical Muscle）技术的微型仿生扑 翼飞行器，如图 1-3 所示。往复式化学肌肉主要的特点是结构紧凑，能量转换效 率高。该飞行器的机翼类似于蝴蝶的翅膀，其尾部装有天线用于增加平衡；腿可 以使其着地和移动，还可存放飞行所需的燃料。它的翼展为 10in，翅膀扑动频率 为 10Hz，机翼的扑动是自主、均衡、不受控制的，可实现悬停。 图 1-3 Entomopter 微型扑翼飞行器 图 1-4 Delfly 微型扑翼飞行器 (4) Delfly 微型扑翼飞行器[16] 荷兰的 Delft 大学研制的“Delfly” 微型扑翼飞行器，它的外观看起来像一 只大蜻蜓，其机翼由两对翅膀组合而成，如图 1-4 所示。其质量为 17g，具有 X 翼结构和V型尾翼，可以自由越过障碍物并进行慢飞，它的翼展35cm，根弦12cm。 它的动力装置是 3.7V 的锂电池，以 1.8m/s 的速度飞行了 12min
