上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）飞行仿生_2014-仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究.pdf_大学文库

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