昆虫运动仿生研究

0.015
0.020
0.025
0.030
Time (s)
扭转变形来自惯性力； 弓形变形来自空气升力
精密测试技术与仪器国家重点实验室
流场测量
数 据 获 取 ： 流 场 测 量
提出用“帧头帧尾”和“双色”曝光测量流场的方 法，改善了以往的DPIV对测量速度的限制，可用普 通摄像机完成对较高流速流场的测量
精密测试技术与仪器国家重点实验室
蜻蜓扇翅流场显示
数 据 获 取 ： 流 场 测 量
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数 据 获 取 ： 流 场 测 量
Nature, Vol.420, 660-664, 2002 (R. B. Srygley & A.L.R. Thomas)
精密测试技术与仪器国家重点实验室
获 取
•流线型设计，减
： 飞
小对流场的影响
行 诱
•蛾飞行速度由风
导
洞的 吹风强度决
定
Willmott & Ellington
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数 据
•闪动紫外灯
获 取
使蜜蜂起飞
： 飞
•柱子转动
行 诱
控制飞行方向
导
•改变吹风强度
控制飞行速度
Dudley & Ellington
精密测试技术与仪器国家重点实验室
测
DN-1 EN-1
量
B1
75% 50% 25%
提出用于测量昆虫翅膀变形的梳状条纹投影法，完成了翅膀的三维
重构算法，不需要以往的刚体假设，使测量更加合理。
精密测试技术与仪器国家重点实验室
自由飞行蜻蜓的运动测量
数
据Fra Baidu bibliotek
获
取
High Speed Camera
：
关键技术：
身体坐标的建立；
PC
测量动态范围
变
FPP-B A/D A/D board
数据分析
•流体力学 •结构力学
精密测试技术与仪器国家重点实验室
蜻蜓扇翅运动计算流体显示
数
据
靠攻角的
分 析
变化产生
：
升力平衡
计 算
身体重量
流
体 力
蜻蜓扇翅面
学
为斜面，有
助于产生升
力推力
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数 据 分 析 ： 计 算 流 体 力 学 下扇身体水平产生升力
上扇身体垂直产生推力
扇翅力测量 结构力学 翼形优化
流场测量
等等
能量供给
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数据获取
•变形 •力 •流场
精密测试技术与仪器国家重点实验室
梳状条纹投影法测量翅膀形貌
数
据 获 取 ： 变
解方程法： Z
Image plane X’
W’(XW’,YW’) Y’ S Y
ZW
rF • ani
行
Science, Vol.300, 495-498, 2003 (Dickinson) 精密测试技术与仪器国家重点实验室
J. Exp. Biol.（C.Schilstra & J.H. van Hateren)
数 据
身体姿态测量：
获
传感器：三维正交线圈
取
：
测量原理：磁场变化
自 由
测量参数：姿态，位置
数 据 获 取 ： 跟 踪 方 法
精密测试技术与仪器国家重点实验室
电磁跟踪＋图像跟踪 数 据 获 取 ： 跟 踪 方 法
• 跟踪速度 • 跟踪电机的稳定性 • 离焦
精密测试技术与仪器国家重点实验室
y (mm)
数 据 获 取 ： 姿 态 测 量
身体姿态测量
Camera 2 C2
Screen W7
精密测试技术与仪器国家重点实验室
国际水平 变形与角度测量：
我
高精度，弓形变形，跟踪测量
们
扇翅、扭转角，身体姿态，速度、加速度
的 位
测量范围小，昆虫引导
置
力与流场测量：
高灵敏度激光测力，
流场测量与显示
扇翅机构： 真实翅膀用二维扇翅机构 翅膀模型用二维扇翅机构， 有限元分析
精密测试技术与仪器国家重点实验室
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
t = 15.075ms
后翅
0.8 0.4 0.0
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
t = 11.055ms
0.6 0.3 0.0
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
t = 1.005ms
0.0 -0.4 -0.8
-2 0 2 4 6 8
right posterior wing left posterior wing right anterior wing left anterior wing
5
10
15
20
25
30
Time (ms)
蜻蜓的飞行控制主要由前翅完成 而后翅主要用于产生升力
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数
据
吸引蛾的喂食器：
数
摄像机B
据 获
灌木丛
取 ：
摄像机A
8.9m
1.3m
自
水和水草
由
飞
0.7m
行
• 根据拍摄，测量蜻蜓扇翅频率，飞行速度，加速度， 研究升力和推进力。 • 比较了两类蜻蜓的不同扇翅模式。
Ellington
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数
测量：
据
用3台高速摄
获
像机从不同角
取
度拍摄
：
自 由
问题：
飞
分辨率，精度
数
100
竖直空
据
15
80
气力平
Vertical force (mN)
Flapping angle (deg.)
获
取
10
F
：
60 均为7mN，
40
大约为
扇
5
翅
力
0
F
20
作用在
C
0
蛾身上
F
测
I
量
-5
Flapping angle
F-F -F IC
-20
的重力
-40
的5倍
-10
0.000
0.005
0.010
直飞
40 30 20 10
0 -10 -20 -30
0
right posterior wing left posterior wing right anterior wing left anterior wing
5
10
15
20
25
30
35
Time (ms)
转弯 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 0
飞
行
测角精度：0.5度，位置精度 1mm 测量范围：40 cm3，采样频率1kHz 线圈重：0.8-1.6mg, 线重.6.7mg/m
精密测试技术与仪器国家重点实验室
双条纹跟踪测量方法，解决了形状测量时位置的不连
续性，可同时测量游鱼某瞬间的位置与身体形状。 数
据
Water tank
Background light
上扇扭转角大，产生推力；下扇扭转角小，产生升力
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数 据 获 取 ： 变 形 与 角 度 测 量
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数
蜻蜓自由飞行转弯与直飞的比较
据
获
取
：
变
形
与
角
度
测
量
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数 据 获 取 ： 变 形 与 角 度 测 量
Flapping angle (deg.) Flapping angle (deg.)
t = 8.040ms
10 12 14
0.4 0.2 0.0
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
t = 5.025ms
0
5
10
15
Time (ms)
1.2 0.8 0.4 0.0
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
t = 18.090ms
1.2 0.8 0.4 0.0
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
研究现状
精密测试技术与仪器国家重点实验室
国内外研究现状：
研
究 东京大学（力学）：旋涡作用；翼形与升力的关系 趋 剑桥大学（动物学）：扇翅模型，能量，自由飞行 势 UC Berkeley（微机械）：仿昆虫三维翅膀，扑翼飞机
清华大学：昆虫运动测量 北京航空航天大学：扇翅运动计算流体研究 中国科学院研究生院：力学分析 西北工业大学，南航等：小飞机
一个周期中下扇的升力 远大于上扇时向下的力
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蓟马自由飞行
数
据
分
析 ： 计
小雷诺数时 毛状翅膀更有利
算
流
体
力
学
精密测试技术与仪器国家重点实验室
翅膀变形有限元分析
数 据 分 析 ： 有 限 元
精密测试技术与仪器国家重点实验室
蜻蜓扇翅翅膀根运动与扇翅机构 数 据 分 析 ： 有 限 元
精密测试技术与仪器国家重点实验室
模 型 制 作 ： 扑 翼 飞 机
精密测试技术与仪器国家重点实验室
其它相关问题
精密测试技术与仪器国家重点实验室
研
交叉学科问题：昆虫传感体系与神经电流
究
趋
势
精密测试技术与仪器国家重点实验室
交叉学科问题：昆虫神经网络与传感体系
研 究 趋 势
精密测试技术与仪器国家重点实验室
获
取
XO
RF MF
： 跟
ZY
Fringe pattern
踪
方
High-speed camera
法
Ref. Fringe (RF) Meas. Fringes (MF)
Step-motor (S1)
Step-motor (S2)
Tracking circuit
Computer
精密测试技术与仪器国家重点实验室
t = 21.106ms
20
1.2 0.8
0.4 0.0
-2
02
46
8 10 12 14 16 18
t = 24.121ms
25
前缘带动后缘运动
精密测试技术与仪器国家重点实验室
Torsion angle (deg.) Flapping angle (deg.)
数
Torsion Angle at 25% of the wing
国
家 杰
昆虫运动仿生研究
出
青
年 科
➢研究背景
学
基 金 、
➢研究内容：数据获取，分析，扑翼飞机
自 然 科
➢研究趋势
学
基
金
资
助
清华大学 曾理江
精密测试技术与仪器国家重点实验室
小型扑翼飞行器 研 究 背 景
精密测试技术与仪器国家重点实验室
研 研究思路：
究
内 容
数据获取：
数据分析： 扑翼飞机：
翅膀变形测量 流体力学 控制原理
W1
M
W4 45º
Laser
P y
60 W2
W3 S
B o
Box W5 x
C1 z
Cover glass
Camera 1
W6 S1
=60º H
z (mm)
x (mm)
9.2 8.8 8.4 8.0 -7 -6 -5 -4 -3
42
41
40
39 38 37
用点阵光测量自由飞行昆虫身体姿态，提高测 量精度，有利于分析飞行时各器官的协调性
15
据
Torsion Angle at 50% of the wing
140
Torsion Angle at 75% of the wing
10
获
Flapping angle
5
取
120
：
0
变
100
-5
形
80
-10
与
-15
角
60
-20
度 测 量
40 0
-25
-30
5
10
15
20
25
后翅
Time (ms)
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数 据 获 取 ： 扇 翅 力 测 量
昆虫扇翅力测量
测量风洞中昆虫翅膀扇动力 高固有频率，高检测灵敏度
Voltage (V)
Beating force (mN)
-0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9
0
N S+N S
20
Nature, Vol.384, 626-630, 1996 (Ellington) 扇翅机构 ：2维 测量：发烟
精密测试技术与仪器国家重点实验室
扇翅机构：2维 测量：DPIV，
应变片 介质：油
Nature, Vol.412, 729-733. 2001 (Dickinson) 精密测试技术与仪器国家重点实验室
XW '/ S
YW
'
/
S
•
ani
1
形 与 角
-Z
XW
XW S
'
(ZW
)
度
X
测
YW
YW S
'
(ZW
)
量
W(XW,YW,ZW)
精密测试技术与仪器国家重点实验室
梳状条纹投影法数据处理
数
据
获
取 ：
A1’ E1’
变
A1
E2’
形 与
A D1 E1
K1 K2
EN-1’
角
D2 E2
KN-1
B1’
度
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数
扇翅机构上的蜻蜓翅膀与人造翅膀
据
分
析
：
有
限
元
精密测试技术与仪器国家重点实验室
扑翼飞机
精密测试技术与仪器国家重点实验室
模
型
制
作
：
扑
翼
飞
Vanderbilt大
机
学研制的扑翼
微型飞机。翅
膀用碳纤维材
料加工，用柔
性5杆机构驱
动，靠共振原
理扇翅。
美国加利福尼亚大学Nick等人研制的 扑翼微型飞机：重量6.5克，翅膀用 MEMS技术加工。由两个1F 的电容提供 能量。扇翅时间1分钟
研
究
固定扇翅测量
扇翅机构研制
趋
（力、变形、流场）
（翼形与机构优化）
势
自由飞行测量
（姿态、动态范围）
自由飞行机理
（控制，协调等）
小飞机
形
FPP-A
与
A
Detector
角
度
B Reference fringe
测
量
Lamp B
C
Laser
Lamp A
精密测试技术与仪器国家重点实验室
数 据 获 取 ： 变 形 与 角 度 测 量
Flapping angle (deg.)
0 -5 -10 -15 -20 -25 -30
0.8 0.4 0.0
40
60
80
100
Time (ms)
15
beating force
80
flapping angle
10 60
5
40
20 0
0
-5 -20
-10
-40
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Time (ms)
Flapping angle (deg.)
精密测试技术与仪器国家重点实验室
20
Downstroke
Upstroke