仿生扑翼飞行机理的分析研究与技术发展
仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究（已处理）
仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究摘要微扑翼飞行器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IAbstractFlapping-wing micro aerial vehicles mimic birds or insect flight principle, hasthe advantage of small volume, light weight, good stealth ability, etc., is widely usedin military and civil fields. Papilio is chosen to research the flapping wing flight andflight mechanism in this paper. The parametric language is used to constructedbutterfly wing model to carry on motion analysis and the design of theflapping-wing mechanism1 Researched and analyzed the flapping wing flight and micro-morphology ofthe papilio, obtained its dimension parameter and motion parameter,provided datareferences for the numerical modeling and mechanical modeling of the bionicornithopter 2The imitating butterfly fluid simulation mode is based on theparameterized modeling method on FLUENT software platform, to solve the flowfield 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 generated3Based on the analytical method design the plane four-bar linkage, usingquick-return characteristics to design flapping-wing mechanism, and make motionanalyses. Established the three-dimensional model of the flapping wing, and mademotion simulation on solidworks software. The research results revealthat theflapping-wing mechanism motion analysis which is compared withthree-dimensional model simulated analysis is feasible and reliable Keyword: Flapping-wing micro aerial vehicles, fluid dynamics simulation,dynamic mesh, quick-return characteristics, motion simulationII南昌航空大学硕士学位论文目录目录摘要 IAbstract II第1章绪论11.1 引言.11.2 微型扑翼飞行器的研究现状及分析21.2.1 国外研究现状..31.2.2 国内研究现状..51.3 本文的研究目的及意义..71.3.1 微型扑翼飞行器的研究目的..71.3.2 拟解决的技术问题71.4 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92.1 昆虫扑翼飞行原理.92.1.1 雷诺数..92.1.2 昆虫的飞行机理..102.1.3 蝴蝶的飞行机理..132.2 蝴蝶翅形态结构142.2.1 蝴蝶翅气动外形特质142.2.2 蝴蝶翅三维形状测量152.2.3 自由飞行时蝴蝶翅形态结构16 2.3 蝴蝶翅微观形态172.3.1 翅的表观结构182.3.2 翅的断面结构192.4 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..213.1.1 FLUENT软件求解步骤..21III南昌航空大学硕士学位论文目录3.1.2 求解控制方程223.2 翼型的流场数值计算.233.2.1 翼型建模及网格化.233.2.2 翼型的流场计算..243.3 翅翼拍动中流场的数值模拟.27 3.3.1 动网格技术.273.3.2 动态数值分析283.3.3 拍打振幅对扑翼运动的影响313.4 本章小结32第4章扑翼机构设计及建模分析334.1 扑翼机构的设计.334.1.1 扑翼机构总体设计要求..334.1.2 扑翼的实现方案..344.2 扑翼机构的运动尺度综合..354.2.1 扑翼机构方案确定.364.2.2 构件尺寸确定374.3 按解析法设计急回特性的扑翼机构..374.3.1 扑翼机构设计374.3.2 扑翼机构分析424.4 扑翼机构建模.464.4.1 零件三维建模464.4.2 零件装配与运动仿真474.5 本章小结49第5章结论与展望505.1 结论..505.2 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57IV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[1]用领域都具有十分重要、极其广泛的用途。
微扑翼飞行器的仿生结构研究
微扑翼飞行器的仿生结构研究近年来，随着科学技术的不断发展，人们对于仿生学的研究越来越深入。
仿生学是模仿自然生物的形态结构、功能及行为特性，将其应用于解决人类问题的学科。
微扑翼飞行器的仿生结构研究正是仿生学在飞行领域的典型应用之一微扑翼飞行器是指通过翅膀的上下振动来产生升力，并通过对翅膀的控制来完成飞行任务的机器人。
其特点是体积小、质量轻、操纵灵活，可以在狭小的空间中进行灵活的操作，具有很大的应用潜力。
然而，由于微扑翼飞行器的工作原理和结构相对复杂，研究者们需要从仿生学的角度来理解和优化其结构。
在微扑翼飞行器的仿生结构研究中，研究者们主要关注以下几个方面的问题。
首先是翅膀的形态结构。
翅膀是微扑翼飞行器产生升力的关键部件，其形态结构直接影响飞行器的性能。
研究者们通过分析自然界中蝴蝶、蜻蜓等昆虫的翅膀结构，发现其具有独特的纹理和曲线形态，并据此设计出了一系列具有类似形态结构的翅膀。
这些翅膀的形态结构能够降低空气阻力、增加升力，并且能够在不同的工况下实现自适应变形，提高微扑翼飞行器的飞行性能。
其次是翅膀的材料选择。
为了实现仿生结构的设计，研究者们选择了一些具有特殊性能的材料。
例如，由于微扑翼飞行器的要求轻巧，研究者们选择了一些轻质的材料，如石墨烯材料，具有高强度和低密度的特点，使得微扑翼飞行器能够在有限的能量下完成飞行任务。
此外，研究者们还尝试使用可变刚度材料，通过改变翅膀的刚度来调整飞行器的飞行姿态和性能。
最后是翅膀的控制方法。
微扑翼飞行器的控制方法需要考虑多个自由度的问题。
研究者们通过分析昆虫翅膀的运动规律，发现其运动受到肌肉和神经系统的控制。
因此，研究者们提出了一种基于人工神经网络的控制方法，可以模拟昆虫的飞行控制机制，实现对微扑翼飞行器的高灵敏度控制。
综上所述，微扑翼飞行器的仿生结构研究是一项具有挑战性的任务，研究者们通过分析自然界中昆虫的翅膀结构和运动规律，设计出了一系列具有类似结构的翅膀，并开发了相应的控制方法。
仿生扑翼飞行器的发展与展望
仿生扑翼飞行器的发展与展望仿生扑翼飞行器的发展与展望摘要：本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其历史，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。
在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论，并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。
关键词仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术Abstract：The concept，characteristics and usage of flapping-wing air vehicle are brieflyintroduced．The present research situation and future development trend of FA V are summarized．According to these，several key technologies of FA V are discussed．Taking into account the presentsituation .the future on the research of FA V in China is outlined．Key words：Bionics ; Flapping-wing air vehicle ; Micro air vehicle ; Key technology1仿生飞行的历史与进展1．1向鸟类学习在中国两千年以前的航空神话和传说中，就有“人要是长着翅膀，就能在空中飞行”、“人骑着某种神奇的动物，可以飞行”等反映古人飞行理想和愿望的文字记载。
多数昆虫长着一左一右两个或4个翅膀，他们都是飞行家，飞行技术非常高明。
但因为昆虫比较小，翅膀的运动速度太快，不易被观察，在古人眼里，只认为鸟类是可以模仿的、最好的飞行家。
传说中春秋时代(公元前770-前481)后期，鲁国著名的能工巧匠公输盘(有些史籍也记作“公输班”)研究并花费3年时间制造了能飞的木鸟，又名木鸢。
扑翼机器鸟的工作原理分析
扑翼机器鸟的工作原理分析
扑翼机器鸟是一种仿生机器人，其工作原理基于鸟类的飞行方式。
其主要原理包括空气动力学和机械动力学。
1. 空气动力学原理：
扑翼机器鸟利用空气动力学来产生升力和推力。
当机器鸟的翅膀向下扑动时，翼面形成了一个弯曲的形状。
这个曲线形状使得上翼面的气流速度增加，气压降低，而下翼面的气流速度减小，气压增加。
由于气压差异，产生了一个向上的升力，使机器鸟能够提升在空中飞行。
2. 机械动力学原理：
扑翼机器鸟由电机驱动翅膀实现扑动。
电机通过复杂的连杆机构将旋转运动转化为翅膀的上下运动。
机器鸟的翅膀采用类似鸟类翅膀的结构，具有灵活的翼爪和关节，在扑动过程中能够产生流线型的翼面形状来提高升力效果。
同时，机器鸟的尾部也具备可调节的舵板，通过调整尾部的位置和角度，能够使机器鸟更好地控制姿态和方向。
3. 控制系统：
扑翼机器鸟还包括一个复杂的控制系统，用于控制机器鸟的飞行。
该系统主要包括传感器、处理器和执行器。
传感器可以感知机器鸟的状态、环境和飞行参数，例如姿态、速度和气流等。
处理器通过对传感器数据的处理和算法运算，决策如何调整翅膀的扑动方式、调整尾部位置和角度等，以实现稳定的飞行。
执行器控制着翅膀和尾部的运动，根据控制指令实现相应的运动。
综上所述，扑翼机器鸟的工作原理基于空气动力学和机械动力学原理，通过复杂的控制系统实现对飞行状态的调节和控制。
扑翼飞行机器人的设计与飞行力测试研究
扑翼飞行机器人的设计与飞行力测试研究近年来，随着科技的不断发展，扑翼飞行机器人作为一种新型的飞行器，受到了越来越多的关注。
与传统的固定翼飞行器相比，扑翼飞行机器人模仿了自然界中鸟类和昆虫的飞行方式，具备更好的机动性和适应性。
本文将重点介绍扑翼飞行机器人的设计原理和飞行力测试研究。
首先，扑翼飞行机器人的设计原理主要受到了生物学的启发。
通过研究鸟类和昆虫的翅膀运动方式，科研人员发现，它们的翅膀在飞行过程中不仅向下挥动，还会向前拉伸和向上翘起。
基于这一发现，扑翼飞行机器人的设计者们开发出了一种能够模拟这种翅膀运动的机械结构，使得机器人能够更加灵活地飞行。
其次，针对扑翼飞行机器人的飞行力测试，科研人员们也进行了大量的研究。
他们首先通过数值仿真的方法，模拟了机器人在不同飞行速度下的气动特性。
然后，利用风洞实验对仿真结果进行了验证。
这些实验结果表明，扑翼飞行机器人的翅膀运动能够产生足够的升力和推力，使得机器人能够稳定地飞行。
此外，科研人员们还对扑翼飞行机器人的控制系统进行了研究。
他们发现，通过调节翅膀的挥动频率、挥动角度和挥动幅度等参数，可以实现机器人的姿态调整和飞行轨迹控制。
这些控制参数的优化研究，为扑翼飞行机器人的飞行性能提供了重要的理论基础。
总之，扑翼飞行机器人的设计与飞行力测试研究在科学界取得了不少进展。
通过仿生学原理的应用，科研人员们设计出了能够模仿鸟类和昆虫飞行方式的机械结构。
通过数值仿真和风洞实验，他们验证了扑翼飞行机器人的飞行能力。
此外，控制系统的研究也为机器人的飞行性能提供了可靠的支持。
相信在未来的日子里，扑翼飞行机器人将会迎来更加广阔的发展前景，为人类带来更多的惊喜和便利。
仿生扑翼机器人
达芬奇扑翼飞机设想图
后人根据设想图制作模型
一.背景引言
1929 年，德国人 Alexander Lippisch 成功制 造出了一架大型载人扑翼飞机
设计的人力模式扑翼飞机
设计的混合模式扑翼飞机
5
一.背景引言
1903 年莱特兄弟发明了世界上 第一架飞机——飞行者 I 号
螺旋桨飞机
喷气式飞机
6
一.背景引言
五.意义期望
扑翼飞行器的意义
军事
用于侦察，观测，电子干扰，目标追踪， 核生化取样，甚至防御和采取进攻。
民用
用于监测，摄影，搜救，巡视，测绘， 调查和搜查等。
娱乐
简单的低空飞行器可生产成玩具
谢谢大家！
飞行器的材料及翼型问题
仿生翼必须轻而坚固，保证在高频的振动下不会断裂，能够提供 足够的升力和推进力，具有很强的灵活性等。这就要求从材料和 翼型等方面进行分析。现如今已研究出在驱动结构设计中，使用 压电陶瓷和化学肌肉等智能材料。
四.问题突破
飞行控制和通信问题
目前比较有前景的控制方式是在微型飞行 器的表面分布微气囊和微型智能自适应机 构，通过微流动控制实现对微型飞行器的 飞行控制。此外，扑翼式飞行器在飞行过 程中往往要飞离操纵者，这就意味着飞行 器必须具备灵敏的通信系统，来传递和控 制飞行器。研制适合的 GPS 接收机和地 面匹配系统是目前较为前沿的通信方式。 随着电子和计算机技术的飞速发展，通信 系统将更加完善和进步。
南京航空航天大学的扑翼飞行机器人研究 团队深入研究了仿鸟复合扑动扑翼的气动 特性，并研制了了几种不同尺寸和布局形 式仿鸟扑翼机器人样机，于 2002 年试飞 成功，其技术指标已经达到美国 “Microbat”的水平。
仿生扑翼飞行器研究进展及现状概述
（ ＭＥ ＭＳ ’０ ０ ） ，Ｍｉ ｙ ａ ｚ ａ ｋ ｉ ，Ｊ ａ ｐ ａ ｎ，２ ０ ０ ０ （ １ ） ：７ ９ ９ — ８ ０ ４ ．
研制过程中的扑翼轨迹规划及驱动设计提供 客观依据 。
４ ． ５ 微 型扑 翼飞 行器 实现 智 能飞行 控 制
微型扑翼飞行器要实现智 能飞行 ，首先是对扑翼 飞行器 的 控制 ，微型扑翼 飞行 器在实 际飞行 过程 中会遇 到外力 的作用 ，
参
考
文
献
［ １ ］ 中昌富 ，姚磊 红 ，童 小燕 ，等． 仿鸽扑 翼飞行 的柔 性 变形研 究
例如阵风等于扰 ，这 时就需要有一定 的鲁棒性和抗干扰性 ，从 而保证 它能持续稳定 的飞行 ；其次微型扑翼 飞行器在飞行过程 中还得完成 一定 的姿态调整 ，例如平飞 、转弯 、侧飞 、俯仰甚 至 反转 等 ，要实现这 些姿态 ，就需要 控制系统来保 证。此外 ， 微 型扑翼 飞行器在 飞行过程 中可能要执行一些任务 ，需要按照 预定 的轨迹航行 ，这就需要它具有一定 的自主导航能力 ；在飞
行过程 中也有可能会遇到一些障碍物 ，需要通过一定的避障措
［ Ｊ ］ ．机械制造， ２ ０ １ ４ （ ５ ２ ） ：３ ７ — ４ ０ ．
［ ２ ］ 李长龙．仿 生扑翼飞行器机构 的设计与研 究［ Ｄ］ ． 南京：南京航空
航 天大学，２ ０ １ ３ ．
［ ３ ］顾明．微 型扑翼 飞行 器的研 究［ Ｄ］ ．合肥 ：中国科 学技 术 大学 ，
２ ０ １ ３ ．
仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术
１． 引言自古以来，人们就梦想着在天空自由翱翔，对鸟在滑翔状态下的研究使人类乘着飞机上了天。
但在一般情况下，昆虫和鸟类翅膀具有很大的机动灵活性，生物超强的飞行能力也引起了人们的极大兴趣，如昆虫利用其薄如蝉翼的翅膀高频振动，能够实现前飞、倒飞、侧飞及倒着降落等特技飞行。
对生物生理结构和飞行机理的研究为仿制出具有更大飞行灵活性的新型扑翼飞行器打下坚实基础。
随着对生物飞行机理的认识和微电子机械技术（ＭＥＭＳ）、空气动力学和新型材料等的快速发展，仿生扑翼飞行器在目前已成为一个新的研究热点。
由于其在军事和民用上均具有广泛的应用前景，许多国家都已在这方面进行了研究，如美国加州大学伯克利分校、日本东京大学等都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，国内的科学家们也开始了这方面的基础和应用研究工作。
本文主要介绍了仿生扑翼飞行器的特点和关键技术，以及其在国内外的研究现状，并进行了对比分析思考，提出了相应的见解。
１． 仿生扑翼飞行器的特点仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。
该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术o 周骥平 武立新 朱兴龙扬州大学机械工程学院［摘 要］ 本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其应用，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。
在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论，并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。
［关键词］ 仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术[Abstract] Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ， ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ （ＦＡＶ） ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ＦＡＶ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｓｅ， ｓｅｖｅｒａｌ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ＦＡＶ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔａｋｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ ， ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＦＡＶ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｏｕｔｌｉｎｅｄ．[Keywords] Ｂｉｏｎｉｃｓ； Ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ； Ｍｉｃｒｏ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ； Ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［作者简介］周骥平（１９６０－），男，扬州大学机械工程学院院长，博士，教授，研究领域： 机电一体化，机械设计理论与方法等．＊基金项目：江苏省高校自然科学基金项目资助（０２ＫＪＤ４６００１０）综述２００４．６它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。
仿生扑翼飞行器的发展与展望
仿生扑翼飞行器的发展与展望
随着科技的进步，人类已经取得了仿生飞行器的突破性进展。
仿生飞行器的发展历史可以追溯到20世纪50年代，当时科学家们开始研究自然飞行器的结构和飞行技术，以及如何将这些特性应用于人类制造的机器。
他们的努力使得许多仿生飞行器得以发展，包括仿生飞机、仿生蝙蝠、仿生鸟类等等。
近年来，仿生扑翼飞行器也受到了广泛关注。
仿生扑翼飞行器是受鸟类飞行的启发而设计的飞行器，它以两只扑翼的形式与空气相互作用，使飞行器可以实现自由悬停、高速飞行等机动行为。
与飞机相比，仿生扑翼飞行器具有更低的噪声水平、低能耗、可折叠构造等优势，在近程无人机和远程视频拍摄应用等领域可能产生重要的影响。
目前，仿生扑翼飞行器的研究和发展仍处于起步阶段，其中值得研究的领域包括飞行器本体结构设计、动力系统选择、飞行控制系统的模拟、航迹预测与自动避障等。
例如，在飞行器结构设计方面，除了轻量化和结构优化外，还可以考虑主动式扑翼、可屈曲翅膀等与传统翅膀不同的设计方案，以便更好地控制飞行器的飞行行为。
扑翼飞行原理
扑翼飞行原理扑翼飞行是鸟类和昆虫等一些动物的独特能力，它们能够通过振动翅膀来产生升力，从而实现飞行。
这种飞行原理深受人类的好奇和研究，也为人类的飞行技术提供了一些启示。
在本文中，我们将深入探讨扑翼飞行的原理及其在自然界和人类技术中的应用。
首先，我们来了解一下扑翼飞行的基本原理。
扑翼飞行的关键在于产生升力。
鸟类和昆虫通过快速振动翅膀，将空气向下推，从而产生向上的升力。
这种升力的产生与翅膀的形状、大小和振动频率等因素密切相关。
通过不断调整翅膀的振动方式，这些动物能够实现高效的飞行，甚至在极端环境下也能保持稳定的飞行状态。
在自然界中，扑翼飞行的动物有着多样的形态和飞行方式。
鸟类的翅膀通常呈扇形，能够产生较大的升力，从而实现长时间的滑翔和飞行。
而昆虫的翅膀则呈薄膜状，通过快速振动产生高频率的升力，实现快速、灵活的飞行。
这些不同的飞行方式都为生物在不同环境中的生存和捕食提供了重要的帮助。
除了在自然界中的应用，扑翼飞行的原理也为人类的飞行技术提供了一些启示。
在过去的几个世纪中，人类不断探索飞行技术，最终实现了飞机的发明和飞行。
而在这一过程中，人们也从鸟类和昆虫的飞行方式中汲取了灵感。
例如，早期的飞机设计通常模仿鸟类的翅膀形状，试图通过振动翅膀来产生升力。
虽然这些尝试并没有取得成功，但它们为后来的飞机设计提供了一些宝贵的经验和启示。
随着科学技术的不断进步，人类的飞行技术也在不断发展。
如今，我们已经实现了多种类型的飞行器，包括直升机、无人机和喷气式飞机等。
这些飞行器的设计和原理都受到了扑翼飞行的影响，尽管它们的工作方式和原理与鸟类和昆虫有所不同，但它们都借鉴了扑翼飞行的一些基本特征，以实现更高效、更稳定的飞行。
总的来说，扑翼飞行是一种独特的飞行方式，它在自然界中有着广泛的应用，并为人类的飞行技术提供了一些启示。
通过深入研究扑翼飞行的原理，我们可以更好地理解自然界的奥秘，并为人类的科技发展提供一些新的思路和方向。
基于仿生学的扑翼机设计与仿真
基于仿生学的扑翼机设计与仿真一、引言扑翼飞行器作为一种有机动能力的机器人，正在逐渐发展成为未来航空领域的重要组成部分。
而借鉴自然界的仿生学原理，是设计和优化扑翼飞行器的重要方法之一、本文旨在基于仿生学原理，设计并进行仿真分析扑翼机的运动特性和气动性能。
二、仿生学原理1.鸟类翅膀结构：鸟类翅膀的设计使得它们能够在空气中产生升力。
研究发现，鸟类翅膀呈现不对称的形状，上下表面的弯度不同。
这种不对称形状可以产生升力，并且还能减小气动阻力。
2.鸟类振翅模式：鸟类扑动翅膀的频率和振幅对飞行稳定性和效率至关重要。
实验观察发现，鸟类在起飞和飞行过程中，翅膀往往呈现上下振动和回旋运动的特点。
这种振翅模式可以减小气动阻力，并提高机体的机动能力。
在扑翼机的设计过程中，我采用了三维设计软件，模拟仿真扑翼机的运动特性和气动性能，并对设计参数进行优化。
1.扑翼机的翅膀结构2.扑翼机的振翅模式利用软件模拟了扑翼机在水平飞行和上升飞行过程中的振动频率和振幅。
通过改变振翅模式的参数，如频率和振幅，优化了扑翼机的飞行性能。
3.扑翼机的运动特性通过仿真分析，研究了扑翼机的俯仰、滚转和偏航运动特性。
通过改变机体的设计参数，如重心位置和机翼的位置，优化了扑翼机的运动性能和稳定性。
四、仿真结果与分析通过仿真分析，得出了扑翼机在不同飞行状态下的运动特性和气动性能。
结果表明，优化后的扑翼机具有较高的飞行效率和稳定性。
1.升力和阻力分析通过模拟扑翼机在不同速度下的飞行，得出了升力和阻力的变化曲线。
结果表明，在适当的速度范围内，扑翼机可以产生足够的升力，实现平稳的飞行。
2.振翅模式分析通过模拟扑翼机的振翅模式，得出了振翅频率和振幅对飞行稳定性和效率的影响。
结果表明，在一定的振翅频率和振幅范围内，扑翼机可以实现较高的机动能力和飞行效率。
3.运动特性分析通过模拟扑翼机的运动特性，得出了俯仰、滚转和偏航运动的变化曲线。
结果表明，优化后的扑翼机具有较高的运动稳定性和操控性能。
机器人作业参考--扑翼飞行机器人设计与分析
机器人机构分析与综合——扑翼飞行机器人的设计与分析姓名：班级：学号：日期：扑翼飞行机器人的设计与分析摘要仿生扑翼飞行机器人是一种具有新颖移动方式的、集多种前沿技术于一体的新概念仿生飞行器，目前己成为国际上的研究热点之一，无论在军事还是民用领域都有着广阔的应用前景。
本文在总结了国内外最新研究成果基础上，围绕仿生扑翼飞行机理、仿生翼运动模型以及扑翼驱动系统展开了研究与探索。
首先介绍了仿生扑翼飞行的研究背景，分析了仿生扑翼飞行的特点及其可观的应用前景；阐述了仿生扑翼飞行机器人的研究现状，探讨了目前和将来研究中所遇到的一些关键技术。
基于空气动力学理论，对仿生扑翼飞行机器人的可行性进行了分析；探讨了动物飞行方式及其尺度律对仿生扑翼飞行机器人设计的启发，指出采用扑翼布局是解决在低雷诺数下飞行难点的一种可行方案；重点研究了动物扑翼飞行机理，为研制仿生扑翼飞行机器人设计提供了理论依据。
根据动物扑翼系统特点，探讨了仿生翼设计的一些重要因素;重点提出了扑式和洗式运动模型的概念，并分析比较了两者的特点，详细探讨了扑式运动模型的实现。
根据动物飞行尺度律，确定了样机设计参数；就基于连杆机构的扑翼驱动机构设计方案进行了分析比较，探讨了扑翼驱动机构的实现途径和方法，并针对基于四杆机构的扑翼驱动机构进行了优化设计；根据样机功率需求，选择了适合扑翼样机的动力装置、能源，设计了减速机构和控制系统。
对飞行方向控制、扑翼姿态以及柔性翅的模仿提出了自己独特新颖的观点，并把这些观点应用在扑翼式飞行机器人的设计之中。
根据设计参数建立三维模型，并对模型进行了运动仿真和受力分析，得到了较好的仿真和分析结果。
本文所有工作都取得了预期效果，相信随着研究工作的深入及相关技术的完善，仿生扑翼飞行机器人的研究必将取得突破性的进展。
关键词：仿生，扑翼飞行机器人，动物飞行机理，尺度律，扑翼驱动机构，优化设计，三维建模，运动仿真，应力分析The Design and Analysis of BionicFlapping-wing Aerial RobotAbstractBionic Flapping-wing Aerial Robot(BFAR) is a aerial vehicle with new concept, which has novel locomotion method and involves and involves advanced technologies. BFAR becomes a hotspot of research recently, and has extensive application in military and civilian. On the basis of summarizing al lkinds of latest research achievements on this field, the flapping-wing flight mechanism、the movement model of bionic wings and the flapping-wing drive system are studied in this paper.Firstly, the research background of BFAR is introduced; the characteristics and the application prospects are analyzed. It is also concluded that flapping-wing flight has higher efficiency and bigger miniature degree, and the BFAR is the tendency of flight robot. This thesis reviews the development and current research situation of BFAR, also discusses key technologies of BFAR.Based on the aerodynamics theory, the feasibility of BFAR is analyzed. The design inspiration of BFAR, which comes from the flight mode and scaling rule, is probed into. It is proposed that flapping-wing flight is a doable scheme to solve the difficulty of flight under low Renaud. The flapping-wing flight mechanism of animal is investigated in particular, and the results provide a theory foundation for developing BFAR.According to the characteristics of animal's flapping-wing system, some important factors of the bionic wing, design flapping-wing and washing-wing are discussed. A new concept of the locomotion is brought forward, and their characteristics analyzed respectively. The approach to realize the flapping-wing mode is studied in details.On the foundation of animal flight scaling rule, the design parameters of the prototype are worked out. The design of flapping-wing actuators, based on linkage mechanism, is analyzed, the methods and ways of realizing the actuators are also discussed, the design of actuators based on the four-linkage mechanism is optimized. In conformity to the demand power, the motive equipment and energy system areselected; the gear-down transmission system and control system are framed.I have put forward my own unique and innovative ideas on direction control, flapping gestures and flexible wings, at last, I use these views in the design of flying robots.According to the designed parameters, I have built a three-dimensional model, made motion simulation and stress analysis of the model. At last, I got a good simulation and analysis result.All the work of this thesis shows a good achievement. With the development of research work, we think firmly that the research of BFAR will make a breakthrough in the future.Key words: Bionics, Flapping-wing aerial robots, Flight mechanism of animals, Scaling rule, Flapping-wing actuators, Optimized design, 3D modeling, motion simulation, stress analysis目录1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 扑翼飞行特点及其应用前景 (1)2 扑翼飞行机器人的研究现状 (3)2.1早期研究情况 (3)2.2国外研究现状 (3)2.3国内研究现状 (8)3 扑翼机器人研制的关键技术 (10)3.1空气动力学问题 (10)3.2飞行动力和能源问题 (10)3.3仿生翼、扑翼机构和材料 (11)3.4通信和控制系统 (11)4 两类扑翼式飞行方式的比较 (13)4.1鸟类的飞行机理 (13)4.2昆虫的飞行机理 (15)4.2.1昆虫飞行的非定常特性 (15)4.2.2昆虫翅膀的形状和结构 (16)4.2.3昆虫飞行的非定常高升力机理 (17)5 扑翼飞行机器人的设计及分析 (20)5.1扑翼运动机构的选择 (20)5.2动力装置与能源的选择 (24)5.2.1动力装置 (24)5.2.2能源的选择 (25)5.3齿轮减速机构的设计 (25)5.4扑翼四杆机构的优化设计及运动分析 (26)5.5仿生翼、机身、尾翼和控制系统 (29)6 扑翼飞行机器人的建模 (31)6.1机架 (31)6.2动力源 (32)6.3运动机构 (33)6.4飞行方向控制系统 (34)6.5扑翼 (36)6.6控制系统 (37)6.7扑翼机器人整体结构 (38)7 机构运动仿真分析 (39)8 扑翼受力分析 (45)结论 (52)参考文献 (54)1 绪论1.1 引言目前国内外对飞行机器人的研究多集中于固定翼和旋翼类型，这两种类型的飞行机器人各有特长，但活动场所和工作环境等都受到一定的限制。
微型仿生扑翼飞行器研究综述
Artificial Intelligence technology research•ITNS主题专栏：人工智能技术研究微型仿生扑翼飞行器研究综述徐韦佳6#姚奎6,宋阿羚6#施雯2#侯煜6(1.中国人民解放军陆军工程大学基础部，江苏南京211101；2.中国人民解放军陆军工程大学教研保障中心，江苏南京210001)摘要：基于仿生学原理的扑翼飞行器因质量轻、体积小、灵活性好、隐蔽性高等优点在军事和民用领域应用广泛，实现扑翼飞行器的微型化是未来发展方向％首先介绍了微型仿生扑翼飞行器的概念和特点，分析了研究背景和国内外研究现状及成果，在此基础上,就实现微型仿生扑翼飞行器需要解决的关键技术和难题进行了讨论，最后对我国微型仿生扑翼飞行器的应用前景作出展望％关键词：仿生；扑翼；飞行器中图分类号：V279文献标识码：A DOI:10.19358/j.issn.2096-5133.2020.10.002引用格式：徐韦佳，姚奎，宋阿羚，等.微型仿生扑翼飞行器研究综述[J].信息技术与网络安全，2020,39 (10):7-10，17.Survey of research on small and micro bionic flapping wing aircraftXu Weijia1，Yao Kui6，Song Aling6，Shi Wen2，Hou Yu6(1.Basic College，Army Engineering University of PLA，Nanjing211101，China；2.Teaching and Research Support Center，Army Engineering University of PLA，Nanjing210001，China)Abstract:The flapping wing aircraft based on the bionics principle is widely used in military and civilian fields due to its advantages such as light weight,small size,good flexibility,and high concealment.The miniaturization of the flapping wing aircraft is the future development direction.This article firstly introduces the concept and characteristics of the micro-bionic flapping wing aircraft,analyzes the research background and the current status and results of research at home and abroad.Based on this,the key technologies and problems that need to be s olved to implement the micro一bionic flapping wing aircraft are discussed.Finally,The application prospects of China#s miniature bionic flapping wing aircraft are prospected.Key words:bionic；flapping wing；aircraft0引言近年来，随着计算机技术、通信技术、微机电技术、人工智能等学科的发展，体积小、载重轻、速度慢的微型飞行器逐渐得到世界各国的青睐［1］#1992年，美国兰德公司研究机构首次提岀“微型飞行器”(Micro Aerial Vehicle，MAV)的概念，该微型飞行器区别于传统飞行器，外形小巧(翼展不超过150mm、重量为10-100g)，在续航时间(20-60min)内能以巡航速度(30~60km/h)实现足够长的巡航距离(1-10km)，有效载荷为1~18g，具备便于携带&操作简单&机动灵活&安全性好的优点，适用于军事场合［2］，已成为世界各国重点研究的热门领域#1微型仿生扑翼飞行器的特点微型仿生扑翼飞行器是一种基于仿生学原理、通过模仿鸟类和昆虫飞行而设计制造的新型微型飞行器，具有尺寸小巧&质量轻&成本低廉&操作灵活等优点#空气动力学和仿生学的研究表明，对于尺寸与鸟类或者昆虫相近的微型飞行器，扑翼式飞行比旋翼和固定翼飞行更具优势［1］#当前，微型仿生扑翼飞行器的设计方向不断趋向于小巧&手提&随身携带&超低空飞行，灵活完成侦察和搜索任务#微型扑翼飞行器要在各领域中大展身手，还需具备完善的飞行控制系统、导航能力、能随外界环境变化而自行改变飞行高度和调整飞ITNS主题专栏：人工智能技术研究•Artificial Intelligence technology research行姿态、自动躲避障碍物、稳定性优良、信号采集和图像识别能力，这也是其未来发展方向#2研究背景微型飞行器按其产生升力的原理主要分为三种类型：微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器和微型扑翼飞行器&当前，微型固定翼飞行器应用最广，其翼保持固定，类似常规飞机，研制难度较小&旋翼微型飞行器不同于固定翼，其翼可以旋转，特点是可以悬停，且起飞要求低&随着微型固定翼飞行器和微型旋翼飞行器的技术越来越成熟，其自身难以克服的缺点也逐渐暴露岀来&固定翼飞行器的尺寸较大、机动性差，对于起飞和降落要求较高，且不能实现悬停飞行&旋翼飞行器虽然能够实现悬停飞行，但是仍然存在尺寸较大、机动性能较差、飞行效率低、耗能高等诸多缺陷研究表明，微型扑翼飞行器作为一种仿生微型飞行器，具有较高的升力系数和灵活的机动性[2],而且，由于微型扑翼飞行器不使用高速转动螺旋桨，不会产生噪声，因此隐蔽性更强，可以执行军事等特殊任务灼。
仿生扑翼飞行机器人飞行机理及其翅翼驱动方式的研究的开题报告
仿生扑翼飞行机器人飞行机理及其翅翼驱动方式的研究的开题报告一、研究背景随着机器人技术的不断发展，人们对于机器人的应用也越来越广泛。
仿生机器人是一种近年来发展迅速的新型机器人，其使用自然界的生物体作为启发，利用其机构和行为来设计机器人。
仿生机器人的研究范围涵盖了机械、电子、计算机科学等多个领域，是多学科交叉的综合性工程。
仿生扑翼飞行机器人是一种仿生机器人的应用，其模仿了鸟类和昆虫等动物在空中飞行的方式和机理，利用机械和电子控制技术来实现飞行。
与传统的固定翼和旋翼飞行器相比，仿生扑翼飞行机器人具有结构简单、灵活性高、起降场地需求小、飞行稳定等优点。
因此，它在无人侦察、环境监测、紧急救援等领域有着广阔的应用前景。
本研究旨在探究仿生扑翼飞行机器人的飞行机理与翅翼驱动方式，为其制造和应用提供科学的理论基础。
二、研究内容和目标本研究将主要围绕以下内容展开：1. 仿生扑翼飞行机器人的原理和机理通过对自然界中的飞行动物进行观察和研究，分析其飞行方式和机理，并将其转化为机器人的制造和应用。
2. 仿生扑翼飞行机器人的翅翼驱动方式研究根据仿生机器人原理的基础，设计制造出能够实现仿生扑翼的机械驱动装置，并对其效果进行测试和分析。
3. 仿生扑翼飞行机器人的控制算法研究设计仿生扑翼飞行机器人的控制系统，通过对传感器和执行器进行数学建模和控制算法的设计和实现，实现对机器人的精确操控和控制。
本研究的主要目标如下：1.掌握仿生扑翼飞行机器人的基本原理和机理；2.设计出能够实现仿生扑翼的机械驱动装置，完成仿生扑翼的进行；3.设计出精确的控制算法，实现对仿生扑翼飞行机器人的操控和控制。
三、研究方法本研究将采用以下方法：1.文献研究法查阅有关仿生机器人、飞行动物的文献资料，分析飞行原理和机理，寻找适合仿生扑翼飞行机器人制造的原材料和技术。
2.实验研究法利用所选定的仿生扑翼机器人模型，通过对其进行实验和测试，验证其实际效果和可行性。
3.数学建模法对机器人的控制算法进行建模和仿真，为实验提供精确的参数和过程的控制。
仿鹰扑翼飞行器的研究
仿鹰扑翼飞行器的研究摘要：仿鹰扑翼飞机是指根据鹰的翅膀设计飞机机翼，使机翼能够通过主动运动产生飞行动力。
本文首先对鹰翼飞机进行了分析和研究。
其次，设计了飞鹰扑翼飞机的多飞行模式结构。
然后分析了多飞行模式仿鹰翼的气动特性。
最后，进一步优化了仿鹰翼飞机的多飞行模式。
关键词：仿鹰扑翼飞行器；设计研究；多飞行模式引言随着我国科学技术的不断发展，仿生学原理在机翼设计工作中应用的越来越广泛，仿鹰扑翼飞行器是目前较为主流的一种机翼结构，可以为飞行器提供更多的动力。
基于此，对于仿鹰扑翼飞行器的多飞行模式设计要不断进行研究和优化，充分考虑多飞行模式仿鹰扑翼的气动特性，进而对其进行更加完善的设计。
1仿鹰扑翼飞行器的研究1.1鹰的翅翼结构仿鹰扑翼飞行器就是依靠仿生学原理，来将机翼的结构设计为鹰的翅膀的形态，从而为飞行器提供更多的动力。
因此，在进行仿鹰扑翼飞行器的设计时，首先要对鹰的翅膀结构，以及鹰的飞行方式进行充分的研究。
根据对于鹰的观察，可以发现鹰在飞行时，其翅膀展长较长，并且可以分成内段翅膀和外段翅膀两个部分，整体的飞行形式可以概括为：鹰在飞行的起始阶段，先进行扑动翅膀，然后通过折弯翅膀的方式来进行加速；在改变飞行方向时，鹰常常通过扭转翅膀来进行，因此，可以说鹰的整个飞行过程具有协同运动的特点。
所以对于仿鹰扑翼飞行器的设计，要根据鹰的飞行特点设计合理的结构参数。
1.2气动特性与飞行参数鹰在不同的环境下，其飞行模式也是在不断变化的，其中最为主要的研究目标就是鹰的起飞、加速以及降落三个阶段。
首先，鹰在起飞时，身体会产生较大的仰角，并快速扑动翅膀来向上飞行，此时，飞行的上升力必须要超过鹰自身的重力，因此在设计仿鹰扑翼飞行器时，要充分考虑上升阻力。
其次，鹰在正常的飞行状态下，翅膀的扑动幅度小、频率低，且翅膀与身体的夹角也比较小，从而降低了在飞行过程中所遇到的阻力，因此，在设计仿鹰扑翼飞行器时，要确保飞行器具有较小的阻力和较高的飞行效率。
微型扑翼飞行机器人的动力学分析与控制研究
微型扑翼飞行机器人的动力学分析与控制探究1.引言微型扑翼飞行机器人是运用仿生学的原理开发出的一种新型飞行器。
它通过仿效昆虫等动物的振翅运动，利用微型高速电机等先进技术实现自主飞行和机动。
微型扑翼飞行机器人具有小巧轻便、机动性好、稳定性强等优点，可以在狭窄的空间内完成多种任务，如环境监测、搜救等。
因此，在军事、医疗、环保等领域有着广泛的应用前景。
微型扑翼飞行机器人的结构复杂，具有很强的非线性、不确定性和时变性。
因此，在设计其控制系统时，需要思量到其动力学特性和控制策略。
本文从动力学的角度出发，分析了微型扑翼飞行机器人的结构特点、运动方程和力学特性，并提出一种基于反馈控制的飞行控制策略。
该方法可以有效地实现飞行器的姿态控制和轨迹跟踪，并在试验中得到了验证。
2.微型扑翼飞行机器人的结构特点微型扑翼飞行机器人的结构分为飞翼和动力系统两部分。
其中，飞翼由翼膜、骨架和肌肉组成，其形态和构造与昆虫等动物的翅膀相似。
动力系统包括电机、电池、微型控制器和传感器等，用于控制飞翼的震动和飞行状态的监测。
微型扑翼飞行机器人的控制系统包括传感器、电路板和微控制器三部分，用于监测和控制机器人的运动状态。
3.微型扑翼飞行机器人的运动方程和力学特性微型扑翼飞行机器人的运动方程和力学特性包括翼膜的变形、剪切应力和涡量等。
在震动周期内，由于气体的作用力和惯性作用，翼膜会产生一定的变形，这会导致剪切应力的产生和涡量的形成。
这些特性对飞行器的稳定性和机动性有着重要的影响，需要进行详尽的分析和建模。
4.基于反馈控制的飞行控制策略为实现微型扑翼飞行机器人的姿态控制和轨迹跟踪，本文提出了一种基于反馈控制的飞行控制策略。
该策略包括传感器的数据处理、模型建立、控制器设计和实现等几个步骤。
其中，传感器的数据处理主要是对飞行器的姿态、位置和速度等进行监测和控制。
模型建立的主要目标是基于动力学特性建立控制系统的数学模型。
控制器设计接受基于反馈的PID控制器，用于调整飞行器的姿态和位置等，并通过试验和仿真验证控制系统的有效性。
仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究
第21卷 第3期2006年6月实 验 力 学J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICSVol.21 No.3J un.2006文章编号:100124888(2006)0320315207仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究3王姝歆1,陈国平2,周建华3,颜景平4(1.南京航空航天大学机电学院,南京210016;2.南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;3.扬州大学机电学院,扬州225000;4.东南大学机电学院,南京210096)摘要:模仿昆虫和小鸟飞行的扑翼飞行机器人将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统,与固定翼和旋翼完全不同,因此研究只能从生物仿生开始。
生物飞行的极端复杂性使得进行完整和精确的扑翼飞行分析非常复杂,因此本文在仿生学进展基础上,通过一些合适的假设和简化,建立了仿生翅运动学和空气动力学模型,并以此为基础研制了多种翅型。
研制了气动力测量实验平台,对各种翅型进行了实验研究。
实验结果表明,研制的翅型都能产生一定的升力,其中柔性翅具有较好的运动性能和气动性能,并且拍动频率和拍动幅度对升力有较大影响。
关键词:仿生扑翼飞行机器人;扑翼;翅型;升力中图分类号:TP393.9 文献标识码:A0 引言 仿生扑翼飞行机器人不仅是一种具有新颖移动方式的智能机器人,而且是一种新概念的微型飞行器。
扑翼飞行的机理完全不同于传统的固定翼和旋翼飞行,相比较起来要复杂得多,人们对这一领域的认识目前还很不完善。
国内外对扑翼飞行的研究多是从生物流体力学或仿生学角度对鸟和昆虫的飞行机理进行研究,C.P.Ellington等[1]采用飞蛾翅膀模型实验提出前缘涡是昆虫产生高升力的关键,Dick2 inson等[2]通过果蝇翅膀模型实验,证实昆虫翅膀拍动时前缘涡的存在,同时提出产生高升力的另外两个非定常机制:“旋转环流”和“尾流捕捉”。
北京航空航天大学孙茂等[3]、南京航空航天大学昂海松等[4]采用计算流体力学方法研究了模型昆虫翅翼气动特性,中国科学技术大学[5]研制昆虫翅膀模型实验装置,成功地刻画了昆虫翅翼的典型运动特征。
仿生扑翼飞行机理的分析研究与技术发展
【 关键 词】 扑 翼飞 行 ； 飞行机 理 ； 翼驱 动机构 ； 度律 扑 尺
【 图分 类 号】 ＴＰ ５ 【 中 １ 文献 标识 码】Ａ 【 章编 号】 １ ７ — ７ ４ ２ ０ ） ４０ ２ — ６ 文 ６ ３ ０ ０ （ ０ ７ ０ — ０ ７０ 飞 行 机器 人 的产 生 归功 于 人类 对 飞行 生 物 的认识 ， 的 飞行 方 式 如 同飞 行 生 物 ， 以分 为 三种 基 本类 它 可
・２７ ・
维普资讯
徐 州工 程 学 院学 报
２０ ０ ７年第 ４ 期
膀 各个部 分 的协调动 作来产 生 有效 的升力 和前 进力 ．
图 １ 鸟类 内翼模 型剖 面 图
Ｆｉ １ Ｓｅ ｔｏ ｌ ｎ ｆ ｉ ｅ ｉ ｇ． ｃ ｉｎ ｐ ａ ｅ ｏ ｎｎ ｒｗ ｎｇ ｍｏｄ ｌｏｆｂ ｒ ｓ ｅ ｉｄ
收 稿 日期 ：０ ７０ —８ ２ ０ — ３ １
基金 项 目： 苏省 高校 自然科 学基 金 资 助 （ ２ Ｊ ４ ０ １ ） 江 ０ Ｋ Ｄ ６ ０ ０
作 者 简介 ： 义 霞 （９ ３） 女 ， 苏南 京 人 ， 士 研 究 生 ， 要从 事 机 器 人技 术 与 应 用研 究 端 １８一， 江 硕 主
升力 进行 翱翔 飞行 ； 其他 的昆虫 、 蝙蝠 和鸟 类大 多作 扑翼 飞行 ， 即借助 发达 的肌 肉群 扑动 双翼 而实 现飞行 ， 这
是 飞行动 物最 基本 的飞行方 式 ， 也是 生物 进化 的最 优 飞行方 式．
１ １ 鸟类飞 行机 理 ．
鸟翼 通过 扑动 能产 生大 部分 的升 力 和前进 力 ， 它从 功能 上可 分 为两部 分 ， 外翼 和 内翼 ． 内翼 的弯度 较大 ，
扑翼机原理
扑翼机原理扑翼机，又称为蝙蝠机，是一种仿生飞行器，其设计灵感来源于蝙蝠和鸟类的飞行方式。
扑翼机通过模仿动物的飞行方式，实现了在空中自由飞行的能力，具有很高的机动性和灵活性。
在本文中，我们将介绍扑翼机的原理及其工作机制。
扑翼机的原理主要包括动力系统、扑翼结构和控制系统。
首先，我们来介绍一下扑翼机的动力系统。
扑翼机通常采用电动驱动或内燃机驱动，通过驱动装置提供动力，驱动扑翼机的翅膀做出扇动运动，从而产生升力和推进力，实现飞行。
其次，扑翼机的扑翼结构也是其原理的重要组成部分。
扑翼机的翅膀通常采用轻质材料制作，具有一定的柔韧性和强度，能够承受飞行时的各种力和压力。
翅膀的形状和结构设计对扑翼机的飞行性能有着重要影响，科学合理的扑翼结构可以有效提高扑翼机的飞行效率和稳定性。
最后，控制系统是扑翼机原理中至关重要的一部分。
扑翼机的控制系统通常包括姿态控制和飞行控制两部分。
姿态控制主要通过控制翅膀的扇动角度和频率来实现，从而调整飞行器的姿态和飞行方向；飞行控制则是通过控制扑翼机的动力系统和扑翼结构，实现对飞行速度、高度和方向的控制。
总的来说，扑翼机的原理是基于仿生学和动力学的原理，通过模仿动物的飞行方式，实现了在空中自由飞行的能力。
扑翼机的动力系统、扑翼结构和控制系统相互配合，共同实现了扑翼机的飞行功能。
扑翼机的原理不仅具有科学性和实用性，而且对于人类认识自然和开发新型飞行器具有重要的意义。
总结一下，扑翼机的原理是一种基于仿生学和动力学的飞行原理，其动力系统、扑翼结构和控制系统共同实现了扑翼机的飞行功能。
扑翼机的原理不仅具有科学性和实用性，而且对于人类认识自然和开发新型飞行器具有重要的意义。
通过对扑翼机原理的深入了解，我们可以更好地理解自然界的奥秘，同时也可以为人类的科技发展做出更大的贡献。
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徐州工程学院学报２００７年第４期膀各个部分的协调动作来产生有效的升力和前进力．
图１
鸟类内翼模型剖面图Ｆｉｇ．１Ｓｅｃｔｉｏｎｐｌａｎｅｏｆｉｎｎｅｒｗｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｂｉｒｄｓ
１．２昆虫飞行机理
昆虫的翅膀是类似的平面薄体结构，不能伸缩变形，不具滑翔能力，与鸟类的飞行相比有着本质的区别，只能通过高频振动和灵巧的扑翅运动产生足够升力．Ｗｏｏｔｏｎ认为昆虫飞行能力和飞行技巧的多样性大半来自于翅型多样性和微妙复杂的翅运动模式［１］．其翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力学效应是研究和理解昆虫和小鸟飞行机理及其空气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础．随着对非定常流理论认识的加深，研究者们开始探讨非定常效应在昆虫飞行升力产生中发挥的重要作用，并采用非定常空气动力学理论解释昆虫飞行的机理．
分析表明，昆虫一个周期内的扑动大体可分解为四个阶段：翅膀在上扑至顶点时翅膀旋转、下扑、下扑至最低点时翅膀旋转、上扑，图２为蜂鸟悬停飞行时的扑翼轨迹．通过探索各个运动中所涉及到的空气动力学理论，可得到几种比较具有代表性的解释昆虫扑翼产生升力的机理．
图２蜂鸟扑翅过程
Ｆｉｇ．２Ｆｌａｐｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｏｏｄｎｙｍｐｈ
图３合拢与分开机制Ｆｉｇ．３Ｃｌａｐ—Ｆｌｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ１．２．１合拢与分开（Ｃｌａｐ－－Ｆｌｉｎｇ）
１９７３年，Ｗｅｉｓ—Ｆｏｇｈ通过观察小黄蜂生物资料，并在仔细研究了昆虫振翅飞行生物学资料的基础上，提出了拍飞（Ｃｌａｐ－－Ｆｌｉｎｇ）机理［２］．
拍飞机理可通过图３所示的模型来解释，两翅前缘在顶点处合拢，然后两翅逐渐旋转并从前缘处分开，这时两翅问夹角增大，空气流入两翅空隙中，随着两翅间夹角增大，空气流动使得翅周围形成两个旋转涡，翅表面很快形成环流．当两翅张开到一定角度时，两翅分开，各自平动，这时两翅表面各有一个边界涡，使得下拍开始时产生尽可能大的升力．该机理可以解释一部分小型昆虫产生大升力的原因，但不适用于所有昆虫，没能从根本上揭开昆虫高升力的奥秘，却促使人们真正开始用非定常效应来解释昆虫的飞行．
１．２．２延时失速（ＤｅｌａｙｅｄＳｔａｌｌ）
随着流体实验技术的完善，人们开始观察吊飞昆虫的翅尖轨迹及其翅膀周围的流场，发现在下拍过程中·２８·
端义霞，等：仿牛扑翼飞行机理的分析研究与技术发展
翅前缘产生分离的流场，称为前缘涡（ＬＥＶ），见图４．涡快速转动，造成翅上方低压，从而产生较大的升力；涡逐渐由前缘向后缘流去，升力就会迅速减小．
图４下拍过程中的前缘涡
Ｆｉｇ．４Ｌｅａｄｉｎｇ－－ｅｄｇｅ
ｖｏｒｔｅｘｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄ图５上拍产生新的前缘涡Ｆｉｇ．５Ｎｅｗｌｅａｄｉｎｇ－－ｅｄｇｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｏｗｎｓｔｒｏｋｅｂｙｕｐｓｔｒｏｋｅ
如果前缘涡流出，失速现象将会发生．实际卜，在一个扑动周期结束前缘涡脱落时，下一周期翅膀旋转后上拍又将产生新的前缘涡，见图５．１９９６年，英国剑桥大学的Ｅｌｌｉｎｇｔｏｎ等通过对飞蛾动态比例模型的流体观察实验研究‘３“ｉ，发现翅前缘背面产生的前缘涡在昆虫翅膀下拍得整个平动过程中都不脱落，使高升力得以保持，从而揭示了延时失速（ＤｅｌａｙｅｄＳｔａｌｌ）机理．
１．２．３旋转环流（ＲｏｔａｔｉｏｎａｌＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）和尾流捕获（ＷａｋｅＣａｐｔｕｒｅ）
１９９９年，美国加州大学伯克利分校的Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ等为了能进一步解释昆虫产生大升力的机理，用果蝇翅的比例放大模型进行了实验研究口］，发现在翅上拍和下拍过程的开始时刻和结束时刻，分别有一个升力峰．这样，Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ将昆虫的翅拍动周期分为四个部分，两个平动部分（上拍和下拍）和两个转动部分（翅翻转），并认为昆虫飞行的高升力是通过“延迟失速”，“旋转环流”（Ｒｏｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）和“尾流捕获”（ｗａｋｅｃａｐｔｕｒｅ）三个机理相互作用获得的．“延迟失速”是翅平动时产生升力的机理，“旋转环流”和“尾流捕获”则是翅转动时产生升力的机理［５１：．
旋转环流产生升力的机制可用马格纳斯效应（Ｍａｇｎｕｓｅｆｆｅｃｔ）阐述．翅膀在流体中同时作平动和转动，将产生类似于棒球旋转的马格纳斯效应。
８ｊ．翅膀按图６所示方向平动和转动时，空气沿平动相反方向流过，翅膀上表面流速大于下表面，使得上部压强小于下部压强，翅膀产生向上的升力．
平动ｖ转动＋平动
图６
昆虫翅膀的旋转环流机制Ｆｉｇ．６Ｒｏｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｉｎｓｅｃｔ’Ｓｆｌｙｉｎｇ
尾流捕获机理是由翅回拍造成的．翅在下拍或上拍的初始时刻，遇到了上个上拍或下拍结束时刻损失的能量形式，形成尾流，增大了翅与流体的相对速度．此时，尾流在瞬间增大了昆虫的升力，从而产生了一个升力峰‘…．
ＳｒｙｇｌｅｙＲＢＣｌ０］等还提出昆虫在飞行过程中。
并不是始终采用某一种或某几种机理，而是根据气流的状态和飞行的方式，采用不同的非定常机理来获得升力．
·２９·
仿生扑翼飞行机理的分析研究与技术发展
作者：端义霞， 周骥平， 朱兴龙， DUAN Yi-xia， ZHOU Ji-ping， ZHU Xing-long
作者单位：扬州大学,江苏,徐州,225009
刊名：
徐州工程学院学报
英文刊名：XUZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY
年，卷(期)：2007,22(4)
1.SRI Artificial muscle transducers
2.戴莱 J W;哈里曼 D R F空气动力学 1983
3.Sane S P;Dickinson M H The aerodynamic effects of wing rotation and a revised quasi-steady model of flapping flight[外文期刊] 2002
4.Dickinson M H;G?tz K G The wake dynamics and flight forces of the fruit fly drosophila melanogaster[外文期刊] 1996
5.Dickinson M H;Lehmann F-O;Sane S P Wing rotation and the aerodynamic basis of insect flight[外文期刊] 1999
6.Berg C V D;Ellington C P The vortex wake of a 'hovering' model hawmoth[外文期刊] 1997(1351)
7.Berg C V D;Ellington C P The three-dimensional leading-edge vortex of a 'hovering' model hawkmoth [外文期刊] 1997(1351)
8.Weis-Fogh T Quick estimates of flight fitness in hovering animals,including novel mechanisms for lift production 1973
9.陶晔;周骥平仿生扑翼飞行器扑翼驱动机构的设计探讨[期刊论文]-机械设计与研究 2006(02)
10.杨智春;李思政;舒忠平一种柔性微型扑翼设计及其气动力特性的试验研究[期刊论文]-机械科学与技术
2006(01)
11.曾锐;昂海松;梅源柔性扑翼的气动特性研究[期刊论文]-应用力学学报 2005(01)
12.杨爱明;翁培奋微型飞行器小展弦比机翼的低雷诺数气动力特性分析[期刊论文]-空气动力学学报 2005(01)
13.周建华;颜景平;王姝歆微型仿昆飞行机器人翅运动模型及气动力分析[期刊论文]-扬州大学学报（自然科学版） 2004(01)
14.刘岚;方宗德;候宇仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化[期刊论文]-机械科学与技术 2005(03)
15.周骥平;武立新;朱兴龙仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术[期刊论文]-机器人技术与应用 2004(06)
16.王姝歆;周建华;颜景平微小型仿生飞行机器人柔性翅的仿生设计与实验研究[期刊论文]-实验流体力学
2006(01)
17.曾锐;昂海松仿鸟复合振动的扑翼气动分析[期刊论文]-南京航空航天大学学报 2003(01)
18.孙茂;吴江浩微型飞行器的仿生流体力学-昆虫前飞时的气动力和能耗[期刊论文]-航空学报 2002(5)
19.兰世隆;孙茂模型昆虫翼作非常运动时的气动力特征[期刊论文]-力学学报 2001(2)
20.曾理江;宋德强;郝群昆虫运动机理的研究[期刊论文]-光学技术 1999(06)
bes S A Wing flexibility and design for animal flight 2002
22.Liu H;Ellington C P;Kawachiy K A computational fluid dynamic study of hawkmoth hovering[外文期刊] 1998
2002(12)
24.Wootton R J The mechanical design of insect wings[外文期刊] 1990
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