Golden Snitch 金色飞贼一仿蜂鸟球形扑翼飞行器资料收集成果展示 格兰芬多仿生组：毛楚阳沈晓跌李明玥张子唯
Golden Snitch 金色飞贼——仿蜂鸟球形扑翼飞行器资料收集成果展示 格兰芬多仿生组：毛楚阳 沈晓昳 李明玥 张子唯
CONTENTS 01 蜂鸟的翅膀原理 外观及结构设计 02 03 内部动力机制 特殊材料的选择 04
CONTENTS 01 蜂鸟的翅膀原理 外观及结构设计 02 03 04 内部动力机制 特殊材料的选择
蜂鸟的翅膀原理 资料来源1：美国范德比尔特大学机械工程师联合北卡罗莱 纳大学教堂山分校的生物学家一同完成的蜂鸟翅膀模型建构， 资料来源2：Nature,vol.435,no.7045June23,2005 相关论文发表在英国皇家学会《界面》杂志上 蜂鸟通过振动翅膀产生的看不见的空气漩涡实现悬停和快 蜂鸟飞翔的升力有75%来自翅膀下扇，25%来自翅膀上扇 从空气动力学的角度判断，飞行方式介于昆虫和普通鸟类之间 当蜂鸟向前、向下煽动翅膀的时候，会在前缘和后缘形成微 小的漩涡，之后这两个漩涡会合并成为一个单个较大的涡流 https://www.bilibili.com/video/av2289499?from=search&seid=8094543598016279794
蜂鸟通过振动翅膀产生的看不见的空气漩涡实现悬停和快 速移动 ，蜂鸟翅膀向下和向上的冲程都能产生一定的升力 蜂鸟飞翔的升力有 75%来自翅膀下扇，25%来自翅膀上扇 从空气动力学的角度判断, 飞行方式介于昆虫和普通鸟类之间 当蜂鸟向前、向下煽动翅膀的时候,会在 前缘和后缘形成微 小的漩涡,之后这两个漩涡会合并成为一个单个较大的涡流, 形成一个低压区, 从而提供升力 蜂鸟的翅膀原理 资料来源1：美国范德比尔特大学机械工程师联合北卡罗莱 纳大学教堂山分校的生物学家一同完成的蜂鸟翅膀模型建构， 相关论文发表在英国皇家学会《界面》杂志上 资料来源2：Nature, vol. 435, no. 7045 June 23, 2005 https://www.bilibili.com/video/av2289499?from=search&seid=8094543598016279794
外观及结构设计 资料来源：2011年日本防卫省的hoverball飞行器、日本东京大学球形飞行器 球形内核 球形翅膀内部带有 动力系统和平衡系统 难点：球形平衡问题、重心问题 仿蜂鸟半扑翼翅膀 仿照蜂鸟的振翅原理，实现飞行 难点：实现扑翼飞行、转向
球形内核 球形翅膀内部带有 动力系统和平衡系统 难点：球形平衡问题、重心问题 仿蜂鸟半扑翼翅膀 仿照蜂鸟的振翅原理，实现飞行 难点：实现扑翼飞行、转向 外观及结构设计 资料来源：2011年日本防卫省的hoverball飞行器、日本东京大学球形飞行器
外观及结构设计 “金色飞贼”可以看成是一款球形的无人 Gliding 机，从这个方向上向前发展，就可以得到答 案。球形无人机是一种新型的方案，该飞行 Dodging 器具有以任意姿态垂直起降，空中定点悬 停，空中倚靠悬停，地面滚动行走，能很好 地抵抗外界不利环境和不必要的坠撞。 01 04 Boomerang 日本东京大学的工程师开发了一款球形无人机 03 02 球形飞行器的概念来源于2011年日本防卫省的 运动设备，在圆形的塑料外壳中内置了一个90mm宽 一项发明，飞机总重350g,直径42cm,飞行时 的小型四旋翼飞行器，这种“球”可以实现飞行、 间8分钟，速度小于60km/h(推测)。这款飞行器 悬停和瞬间转向，它能在空中停留最高5分钟，也可 的飞行原理类似于直升机，前进时需要倾斜机 以只在地面活动。 身，这样就限制了飞行器前进的速度
01 02 04 03 球形飞行器的概念来源于2011年日本防卫省的 一项发明，飞机总重350g，直径42cm，飞行时 间8分钟，速度小于60km/h(推测)。这款飞行器 的飞行原理类似于直升机，前进时需要倾斜机 身，这样就限制了飞行器前进的速度。 “金色飞贼”可以看成是一款球形的无人 机，从这个方向上向前发展，就可以得到答 案。球形无人机是一种新型的方案，该飞行 器具有以任意姿态垂直起降，空中定点悬 停，空中倚靠悬停，地面滚动行走，能很好 地抵抗外界不利环境和不必要的坠撞。 日本东京大学的工程师开发了一款球形无人机 运动设备，在圆形的塑料外壳中内置了一个90mm宽 的小型四旋翼飞行器，这种“球”可以实现飞行、 悬停和瞬间转向，它能在空中停留最高5分钟，也可 以只在地面活动。 外观及结构设计
内部动力机制 2012年，南京航空航天大学的研制团队在首届“中航工业”杯国 资料来源：2012年南京航空航天大学x飞行器 际无人机大赛上展出了一款非常规布局的飞行器一X飞行 器，其总体外形类似球形，该飞行器材料比较简单，飞行器 的重量只有200克，主要结构由两块KT板“十”字交叉，位于两 板交叉中上部的螺旋桨为飞行器提供主要的动力。在飞行器 的底部，有两面扇形的舵面，可以调节飞行器飞行方向和角 度。该X飞行器由两块板交叉而成，外面没有固定的框架，结 构的强度和稳定性不足。 堂就天大 一飞行器 该飞行器有别于常规飞机的总 球形框架内布置着飞行器所有的系统，包括动 体布局，它没有机翼、平尾和 力系统，飞行控制系统，任务载荷等，如图6 垂尾，其最大的特点是飞机所 所示。动力系统主要包括顶部的螺旋桨和底部 有系统都被一个类似于灯笼骨 的电池组，螺旋桨用于垂直起降时提供拉力， 架的“笼子”包裹起来，即使 平飞时提供前进的推力，电池组为螺旋桨提供 飞行器撞上地面或是空中固定 动力。飞行控制系统主要包含三个舵机、尾 X飞行器 装置，对飞行器也毫无影响， 桨。任务载荷位于球形无人机底部的球形装置 体现了很好的自我保护能力。 内，可根据需要装上不同任务传感器、实现不 同的任务功能
2012年，南京航空航天大学的研制团队在首届“中航工业”杯国 际无人机大赛上展出了一款非常规布局的飞行器——X飞行 器，其总体外形类似球形，该飞行器材料比较简单，飞行器 的重量只有200克，主要结构由两块KT板“十”字交叉，位于两 板交叉中上部的螺旋桨为飞行器提供主要的动力。在飞行器 的底部，有两面扇形的舵面，可以调节飞行器飞行方向和角 度。该X飞行器由两块板交叉而成，外面没有固定的框架，结 构的强度和稳定性不足。 该飞行器有别于常规飞机的总 体布局，它没有机翼、平尾和 垂尾，其最大的特点是飞机所 有系统都被一个类似于灯笼骨 架的“笼子”包裹起来，即使 飞行器撞上地面或是空中固定 装置，对飞行器也毫无影响， 体现了很好的自我保护能力。 球形框架内布置着飞行器所有的系统，包括动 力系统，飞行控制系统，任务载荷等，如图6 所示。动力系统主要包括顶部的螺旋桨和底部 的电池组，螺旋桨用于垂直起降时提供拉力， 平飞时提供前进的推力，电池组为螺旋桨提供 动力。飞行控制系统主要包含三个舵机、尾 桨。任务载荷位于球形无人机底部的球形装置 内，可根据需要装上不同任务传感器，实现不 同的任务功能。 X飞行器 内部动力机制 资料来源：2012年南京航空航天大学X飞行器
内部动力机制 螺旋桨 1号舵面 螺旋桨支架 1号舵面由舵机1驱动同向 2号舵面由舵机2驱动差动偏 偏转，舵面产生的气动力 转，舵面产生的气动力平衡螺 可以为飞行器平飞提供升 旋桨转动产生的附加扭矩，同 机身框 力。 时控制2号舵面可使飞行器绕 自身轴线转动，以便调整飞行 和地面滚动姿态。 2号舵面 尾桨舵机 尾浆支架 该球形无人机具有人工控制和自 尾桨采用双桨上下布置方 主飞行两种控制模式。该无人机 任务载荷 式，尾桨旋转产生的扭矩 可实现地面以任意姿态垂直起 自身平衡，尾桨主要作为 飞、垂直降落、空中定点悬停、 调姿和升力装置。 空中障碍物依靠悬停、平飞、滚 尾 电池组件 转、地面滚动前进等功能
1号舵面由舵机1驱动同向 偏转，舵面产生的气动力 可以为飞行器平飞提供升 力。 2号舵面由舵机2驱动差动偏 转，舵面产生的气动力平衡螺 旋桨转动产生的附加扭矩，同 时控制2号舵面可使飞行器绕 自身轴线转动，以便调整飞行 和地面滚动姿态。 尾桨采用双桨上下布置方 式，尾桨旋转产生的扭矩 自身平衡，尾桨主要作为 调姿和升力装置。 该球形无人机具有人工控制和自 主飞行两种控制模式。该无人机 可实现地面以任意姿态垂直起 飞、垂直降落、空中定点悬停、 空中障碍物依靠悬停、平飞、滚 转、地面滚动前进等功能。 内部动力机制
特殊材料的选择 资料来源：智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望 (航空学报2014,01(35)，29-45D0:10.7527/S1000-6893.2013.0265) 原版金色飞贼 与胡桃一般大小的金属球，有着银 子做成的翅膀 问题：金属过重，无法飞行 塑料等轻便材料 新型仿生材料
原版金色飞贼 与胡桃一般大小的金属球，有着银 子做成的翅膀 问题：金属过重，无法飞行 塑料等轻便材料 新型仿生材料 特殊材料的选择 资料来源：智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望 （航空学报 2014,01(35),29-45 DOI:10.7527/S1000-6893.2013.0265）
Oscilloscope Strain indicato Load cell 特殊材料的选择 Wing structure Iinor Laser sensor D51102 -081 GVS SGA Compute LDVOFV-303 韩国建国大学利用轻质压电复合材料驱动器 Srort flapping wing (Lightweight Piezo-Composite Actuator,LIP-CA) OFV-3031 DC ofset Time section fiher 动连杆驱动扑翼微型飞行器机翼扑动（图27，使飞行 ●1524 器像昆虫一样飞行，扑动装置的固有频率为9Hz,飞行 客s 5% 实验频率为4~15H2。升力和推力曲线都成抛物线 形，并在9H2附近达到最大，分别为2.49g和0.83g Fainng w1 016mm Eleciric motor AMFC Load cell I DC power supply 01 Load cell 2 ”0m 韩国科学技术学院还利用MFC驱动器设计了 03 02 韩国科学技术学院利用离子聚合物金属复合材料(Ionc Polymer Metal Composite,IPMC)设计一种扑翼飞行 另一种扑翼飞行器（图29），其利用电机驱动扑翼扑动， 器（图28）。PMC通电变形带动机翼扑动，机翼质量为 利用压电纤维复合材料驱动机翼扇动，从而使机翼更 0.0357g.固有频率为6.25Hz,平均升力为0.002 像鸟类翅膀。亚声速风洞实验显示：压电纤维复合材 58gf(即：2.53×10N),扑动角度为35°，虽然扑动角度远 料驱动机翼弯度变化可以产生足够的升力，静态实验 小于蝴蝶的扑动角度，但是随着轻质结构的发展和驱动 变化24.4%，动态实验变化20.8%。 器驱动性能的提高，此问题有待解决
01 02 04 03 韩国科学技术学院利用离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)设计一种扑翼飞行 器(图28)。IPMC通电变形带动机翼扑动,机翼质量为 0.035 7g,固有频率为6.25Hz,平均升力为0.002 58gf(即:2.53× 10N),扑动角度为35°,虽然扑动角度远 小于蝴蝶的扑动角度,但是随着轻质结构的发展和驱动 器驱动性能的提高,此问题有待解决。 韩国建国大学利用轻质压电复合材料驱动器 (Lightweight Piezo-Composite Actuator,LIP- CA)带 动连杆驱动扑翼微型飞行器机翼扑动(图27),使飞行 器像昆虫一样飞行,扑动装置的固有频率为9Hz,飞行 实验频率为4~15Hz。升力和推力曲线都成抛物线 形,并在9Hz附近达到最大,分别为2.49g和0.83g。 韩国科学技术学院还利用MFC驱动器设计了 另一种扑翼飞行器(图29),其利用电机驱动扑翼扑动, 利用压电纤维复合材料驱动机翼扇动, 从而使机翼更 像鸟类翅膀。亚声速风洞实验显示:压电纤维复合材 料驱动机翼弯度变化可以产生足够的升力,静态实验 变化24.4%,动态实验变化20.8%。 特殊材料的选择
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