第三组蝗虫仿生
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Байду номын сангаас
可行性分析
目前，国内外关于蝗虫仿生飞行机器人都有了一 定的研究成果，美国加州理工与加州大学以及 AeroVironment公司共同研制出微电机驱动的微型飞 行器，可以携带微型摄像机实现无线电遥控飞行。在 前人的基础上，如果我们调整合适的翼展，合适的驱 动系统，合适的翅膀材料，那么制作仿生飞行器是完 全可行的。
NO.2
工作原理： 基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼飞行器是采用电磁方式驱动， 扑翼微飞行器有一对翅膀，一个背甲，两个翅膀分别通过柔性 铰链固定在背甲的两端，以便在扑动过程中获得被动扭转；一 个永磁体固定在背甲中心处；背甲固定在夹于两胸腔之间的柔 性铰链上；螺旋线圈固定在胸腔中心位置处，提供交变磁场； 螺旋线圈需要外接PWM驱动电流，控制两个翅膀的扑动；具 体为：螺旋线圈通入PWM电流，就会产生一定频率的交变电 场，当螺旋线圈通入电流时，螺旋线圈可以产生磁场吸引永磁 体带动背甲产生向上的位移，进而带动翅膀向下扑动；当螺旋 线圈不通电流时，背甲会通过材料本身的回复力带动永磁体向 下运动，进而使翅膀产生向上扑动。这样对螺旋线圈保持通电 、不通电的状态，就会使翅膀产生上下的扑动。
NO.2
新的小型电动机的效率可达到90％．由高效电动机和最佳锂电池构成的轻型动力系 统最多也只能运行20～30min。如何在微型化动力装置的同时，提高微型飞行机器人 的续航时间将是另一个有待解决的关键问题。
NO.3
设计出具有非传统空气动力学特性的高效仿生翼,是扑翼式飞行器研究 急需解决的问题。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。 柔性翼技术对于飞行器的抗风能力和改善气动 效率有很大贡献。（被动式和主动式）
NO.4
微型飞行器要求具备相当程度的自主飞行能力，这需要依靠它的飞 行控制系统来保证。所以，控制飞行器的飞行（平衡，转向，起落等） 同样是一项重要工作内容
关键问题
key issues
NO.1
微型飞行器由于尺寸小、速度低，其飞行雷诺数Re远小于普通的飞行器 ， 由此对微型飞行器的气动性能带来了不利影响；然而自然界中飞行 的鸟类和昆虫却很好地克服了这些在低雷诺数下飞行的种种不利因素。 对鸟类及昆虫扑翼飞行的空气动力学原理的研究以及如何运用到微型飞 行器的设计中，这是微 型飞行器技术研究领域的一个关键课题。
NO.2
对电源的设想： PWM（脉冲宽度调制）电流：是一种周期一定而高 低电平可调的方波信号。当输出脉冲的频率一定时， 输出脉冲的占空比越大，相对应的输出有效电压越大 。 PWM电流可以通过微型的单片机来产生，对单片机 进行适当的编程，控制电源的电流，达到合理的输出 效果。这里采用锂电池作为电源，锂电池造价低，质 量轻，安全性好，比能量比较高，具有高储存能量密 度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约67倍。
实施方案
可行性分析
实施方案
基于蝗虫仿生制作的柔性铰链电磁驱动式微型扑 翼飞行器在理论上是完全可行的，蝗虫有两对翅，其 中前翅在其静止、行走和跳跃时能覆在后翅上起保护 作用，在飞行时的作用远不如后翅明显，因此后翅作 为飞行的“主力”。蝗虫的翅膀不但柔韧，而且其表 面还有很多纹路和突起。最新研究表明，正是这些特 征，是蝗虫具有极高的飞行效率，比人类制造的平滑 坚硬的飞机机翼更胜一筹。综上，我们在进行仿生时 只需考虑一对翅就能达到理想的飞行效果。
动力装置优化●
4 实现自主飞行●
工作内容 content
NO.1
蝗虫的翼就如同飞机的螺旋桨，飞行器的翼对于它的飞行起着关键 性作用，因此对扑翼结构的设计（翼展，形状，数量等）是本项目的 核心工作内容。 同时为扑翼选择合适的材料也很重要。
NO.2
微型飞行器在尺寸上远远小于常规的飞行器，其机体内空间十分有 限，因 此它可以携带的机载设备装置和有效载荷受到极大的限制。 所以，对飞行器的微型化设计是本项目的一个重点内容。
特色 与创新 及成 果评估
设计特色
研究蝗虫长时间的飞行能 力能够深入研究对于能量 的利用效率，为设计项目 提供子课题；
NO.1
采用PWM（脉冲宽度调制）电流。通过控制电源的电流 ，达到合理的输出效果；
仿生结构的材料都经过特殊的设计，例如用聚酯亚胺制 作柔软的翅，用轻质的钛合金制作骨架等。
预期成果
原理、解决问题● 方案、可行性●
4 特色、成果、评估●
工作 的 意 义
概括：
小能耗大机动
意义
民用
尺寸小
价格低 灵活度高 隐蔽性好
军用
1.
测绘工作
功能
举例
仿生蝗虫飞 行机器人
2.
导航
3.
情报搜集
4.
通信任务
国外
· 日本东京大学：仿生蚊子 （飞行范围有限）
动态
· 加州研究所和加州大学洛杉矶分校合作：基于MEMS仿生蝙 蝠、甲虫和蜻蜓，飞行337秒。 · 麻省理工涡轮喷气发动机：自重仅1克 · 林肯实验室：鸭式布局的侦察机， 连续飞行1小时， 侦察范围1千米，自重2克，每秒拍摄两张 相片。
飞吧！蝗虫
三组：朱攀、胡风、郑光耀、刘庄、徐鑫涛
蝗虫飞行仿生
人类曾今也幻想
拥有动物近亿年的进化
我介绍过，蝗虫很能飞
最能飞的动物---蝗虫
• 生命力顽强,能栖息在各种 场所。 • 蝗虫具有惊人的飞翔能力 ，可连续飞行1-3天。
今天让它实现
1 意义、动态、目标● 2
3
蝗虫飞 行仿生 content
NO.1
主要组成部分： 胸腔、翅膀、背甲、柔性铰链、圆柱形永磁体以及螺 旋线圈 主要材料的选择： 1.背甲、翅脉、胸腔均为微机电系统加工方法以SU8 光刻胶为材料制成。SU-8光刻胶有着优异的机械性 能、良好的热稳定性和耐腐蚀性，具有自整平、对近 紫外光敏感且吸收极小等优点。 2.翅膜以聚亚酰胺薄膜为材料，以激光加工工艺图形 化得到。聚亚酰胺具有弹性模量大，高温耐热，绝缘 性好的优点。
综合评估
昆虫的飞行仿生一直是力学仿生的热门话 题，而且上海交通大学校内就有微型飞行 机的研究，有助于开展以后的工作； 对于蝗虫飞行仿生的研究不仅仅停留在力学界面，更 涉及到材料学，能量利用，电源研究等，其拓展可以 延伸到小到微型机器人，大到航空航天的机械设计； 对于飞行器重量与动力、体型与载重、电池设计与供能之间的矛盾 是亟待解决的问题，总体来说，蝗虫飞行仿生是一门独特的仿生学 ，因为蝗虫自身的优良特性，仿生前景巨大。
NO.3
Questions？
@力学仿生
比如：
朱 攀：功能和意义+发展动态+目标要求+统稿 胡 枫：工作原理+拟解决的问题 郑和徐 ：实施方案+可行性分析 刘 庄 ：特色与创新+预期成果+综合评估。
驱动器
电磁驱动相对于压电驱动 来说所需电压小，小型飞行器 的电池无法满足它的电压需求 。而相对于静电驱动来说，它 的输出力更大，能够承受更大 载荷。而形状记忆合金金由于 频率反应慢、效率低，对于环 境有较高的要求，因此不适宜 在微型仿生飞行机器人中应用 。
翅膀材料
生物研究表明，构成昆虫翅膀的生物材料非常 柔软，其弹性模量至少与铁、钛合金等为一个等级 。仿生翅的材料选择非常重要，以保证轻柔、强韧 、承受高频拍动而不失效。翅脉材料应具有高应力 极限、高疲劳极限和低惯性损耗。而翅膜应具有厚 度薄、柔软、强度好、耐腐蚀和易成形加工等优点 ，聚酯亚胺拉伸强度明显大于其他材料，适合制作 仿生昆虫的柔性翅。
控制和传感: 陀螺仪 &GPS
翅膜:聚亚 酰胺薄膜
NO.2
电源:PWM 电流&锂电 池 背甲、翅脉、胸腔:微机电系统 加工方法的SU8光刻胶
预期成果
1.根据蝗虫飞行的特点和和结构特征，简化昆虫模型，采用
NO.2
建模技术和微机械加工方法，对扑动机构、翅膀以及胸腔和
尾翼进行设计，旨在制造比较完整的扑翼飞行样机，然后对 其性能进行测试，并对仿生微型飞行器的控制系统进 行设计； 2.提出新型的电源供能模式，结合材料与能量研究较为高效 的能量利用体系，能够最大限度地达到“小能耗大机动”的 效果；为力学仿生的能量研究方面提出宝贵的实践经验。
NO.3
传感、控制及通信系统： 微型仿生飞行机器人传感、控制和通信系统目前研究 还比较少，是需要进一步解决的难题。由于体积和重 量限制，目前通信方式只能用微波通信方式，但通信 距离较短，操作范围就很小。为了达到远距离操控的 目的，需要一定的自主飞行能力，如果使用GPS，则 会导致耗电量过大，并且需要加装天线，最好还是使 用陀螺仪达到自主操控的目的。
国内
· 上海交大微纳米科学技术研究院：微型直升机，自重100
动态
mg左右，可飞行十秒。 · 中国摩擦学国家重点实验室/清华大学： 固定翼小飞机（重量大，飞不久）
差距很巨大，也有亮点
矛盾：重量、飞行时间，电池，材料、模型方案
目标
1 飞行翅膀的优化● 2 3
蝗虫飞 行仿生 content
微型化处理●
NO.3
微型动力装置是目前微型飞行器发展所面临的制约因素之同时 微型动力装置也是微型飞行器的关键设备，它需要在极小的体积 内产生足够的能量并转换为微型 飞行器的驱动力以及维持机载设 备工作所需的电能。所以对微型动力装置的设计也是一项重要内 容。用于微型飞行器的动力装置主要有两类：采用锂或氢氧燃料 电池的微电动机 和微型涡轮喷气发动机。
可行性分析
目前，国内外关于蝗虫仿生飞行机器人都有了一 定的研究成果，美国加州理工与加州大学以及 AeroVironment公司共同研制出微电机驱动的微型飞 行器，可以携带微型摄像机实现无线电遥控飞行。在 前人的基础上，如果我们调整合适的翼展，合适的驱 动系统，合适的翅膀材料，那么制作仿生飞行器是完 全可行的。
NO.2
工作原理： 基于柔性铰链的电磁驱动式扑翼飞行器是采用电磁方式驱动， 扑翼微飞行器有一对翅膀，一个背甲，两个翅膀分别通过柔性 铰链固定在背甲的两端，以便在扑动过程中获得被动扭转；一 个永磁体固定在背甲中心处；背甲固定在夹于两胸腔之间的柔 性铰链上；螺旋线圈固定在胸腔中心位置处，提供交变磁场； 螺旋线圈需要外接PWM驱动电流，控制两个翅膀的扑动；具 体为：螺旋线圈通入PWM电流，就会产生一定频率的交变电 场，当螺旋线圈通入电流时，螺旋线圈可以产生磁场吸引永磁 体带动背甲产生向上的位移，进而带动翅膀向下扑动；当螺旋 线圈不通电流时，背甲会通过材料本身的回复力带动永磁体向 下运动，进而使翅膀产生向上扑动。这样对螺旋线圈保持通电 、不通电的状态，就会使翅膀产生上下的扑动。
NO.2
新的小型电动机的效率可达到90％．由高效电动机和最佳锂电池构成的轻型动力系 统最多也只能运行20～30min。如何在微型化动力装置的同时，提高微型飞行机器人 的续航时间将是另一个有待解决的关键问题。
NO.3
设计出具有非传统空气动力学特性的高效仿生翼,是扑翼式飞行器研究 急需解决的问题。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。 柔性翼技术对于飞行器的抗风能力和改善气动 效率有很大贡献。（被动式和主动式）
NO.4
微型飞行器要求具备相当程度的自主飞行能力，这需要依靠它的飞 行控制系统来保证。所以，控制飞行器的飞行（平衡，转向，起落等） 同样是一项重要工作内容
关键问题
key issues
NO.1
微型飞行器由于尺寸小、速度低，其飞行雷诺数Re远小于普通的飞行器 ， 由此对微型飞行器的气动性能带来了不利影响；然而自然界中飞行 的鸟类和昆虫却很好地克服了这些在低雷诺数下飞行的种种不利因素。 对鸟类及昆虫扑翼飞行的空气动力学原理的研究以及如何运用到微型飞 行器的设计中，这是微 型飞行器技术研究领域的一个关键课题。
NO.2
对电源的设想： PWM（脉冲宽度调制）电流：是一种周期一定而高 低电平可调的方波信号。当输出脉冲的频率一定时， 输出脉冲的占空比越大，相对应的输出有效电压越大 。 PWM电流可以通过微型的单片机来产生，对单片机 进行适当的编程，控制电源的电流，达到合理的输出 效果。这里采用锂电池作为电源，锂电池造价低，质 量轻，安全性好，比能量比较高，具有高储存能量密 度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约67倍。
实施方案
可行性分析
实施方案
基于蝗虫仿生制作的柔性铰链电磁驱动式微型扑 翼飞行器在理论上是完全可行的，蝗虫有两对翅，其 中前翅在其静止、行走和跳跃时能覆在后翅上起保护 作用，在飞行时的作用远不如后翅明显，因此后翅作 为飞行的“主力”。蝗虫的翅膀不但柔韧，而且其表 面还有很多纹路和突起。最新研究表明，正是这些特 征，是蝗虫具有极高的飞行效率，比人类制造的平滑 坚硬的飞机机翼更胜一筹。综上，我们在进行仿生时 只需考虑一对翅就能达到理想的飞行效果。
动力装置优化●
4 实现自主飞行●
工作内容 content
NO.1
蝗虫的翼就如同飞机的螺旋桨，飞行器的翼对于它的飞行起着关键 性作用，因此对扑翼结构的设计（翼展，形状，数量等）是本项目的 核心工作内容。 同时为扑翼选择合适的材料也很重要。
NO.2
微型飞行器在尺寸上远远小于常规的飞行器，其机体内空间十分有 限，因 此它可以携带的机载设备装置和有效载荷受到极大的限制。 所以，对飞行器的微型化设计是本项目的一个重点内容。
特色 与创新 及成 果评估
设计特色
研究蝗虫长时间的飞行能 力能够深入研究对于能量 的利用效率，为设计项目 提供子课题；
NO.1
采用PWM（脉冲宽度调制）电流。通过控制电源的电流 ，达到合理的输出效果；
仿生结构的材料都经过特殊的设计，例如用聚酯亚胺制 作柔软的翅，用轻质的钛合金制作骨架等。
预期成果
原理、解决问题● 方案、可行性●
4 特色、成果、评估●
工作 的 意 义
概括：
小能耗大机动
意义
民用
尺寸小
价格低 灵活度高 隐蔽性好
军用
1.
测绘工作
功能
举例
仿生蝗虫飞 行机器人
2.
导航
3.
情报搜集
4.
通信任务
国外
· 日本东京大学：仿生蚊子 （飞行范围有限）
动态
· 加州研究所和加州大学洛杉矶分校合作：基于MEMS仿生蝙 蝠、甲虫和蜻蜓，飞行337秒。 · 麻省理工涡轮喷气发动机：自重仅1克 · 林肯实验室：鸭式布局的侦察机， 连续飞行1小时， 侦察范围1千米，自重2克，每秒拍摄两张 相片。
飞吧！蝗虫
三组：朱攀、胡风、郑光耀、刘庄、徐鑫涛
蝗虫飞行仿生
人类曾今也幻想
拥有动物近亿年的进化
我介绍过，蝗虫很能飞
最能飞的动物---蝗虫
• 生命力顽强,能栖息在各种 场所。 • 蝗虫具有惊人的飞翔能力 ，可连续飞行1-3天。
今天让它实现
1 意义、动态、目标● 2
3
蝗虫飞 行仿生 content
NO.1
主要组成部分： 胸腔、翅膀、背甲、柔性铰链、圆柱形永磁体以及螺 旋线圈 主要材料的选择： 1.背甲、翅脉、胸腔均为微机电系统加工方法以SU8 光刻胶为材料制成。SU-8光刻胶有着优异的机械性 能、良好的热稳定性和耐腐蚀性，具有自整平、对近 紫外光敏感且吸收极小等优点。 2.翅膜以聚亚酰胺薄膜为材料，以激光加工工艺图形 化得到。聚亚酰胺具有弹性模量大，高温耐热，绝缘 性好的优点。
综合评估
昆虫的飞行仿生一直是力学仿生的热门话 题，而且上海交通大学校内就有微型飞行 机的研究，有助于开展以后的工作； 对于蝗虫飞行仿生的研究不仅仅停留在力学界面，更 涉及到材料学，能量利用，电源研究等，其拓展可以 延伸到小到微型机器人，大到航空航天的机械设计； 对于飞行器重量与动力、体型与载重、电池设计与供能之间的矛盾 是亟待解决的问题，总体来说，蝗虫飞行仿生是一门独特的仿生学 ，因为蝗虫自身的优良特性，仿生前景巨大。
NO.3
Questions？
@力学仿生
比如：
朱 攀：功能和意义+发展动态+目标要求+统稿 胡 枫：工作原理+拟解决的问题 郑和徐 ：实施方案+可行性分析 刘 庄 ：特色与创新+预期成果+综合评估。
驱动器
电磁驱动相对于压电驱动 来说所需电压小，小型飞行器 的电池无法满足它的电压需求 。而相对于静电驱动来说，它 的输出力更大，能够承受更大 载荷。而形状记忆合金金由于 频率反应慢、效率低，对于环 境有较高的要求，因此不适宜 在微型仿生飞行机器人中应用 。
翅膀材料
生物研究表明，构成昆虫翅膀的生物材料非常 柔软，其弹性模量至少与铁、钛合金等为一个等级 。仿生翅的材料选择非常重要，以保证轻柔、强韧 、承受高频拍动而不失效。翅脉材料应具有高应力 极限、高疲劳极限和低惯性损耗。而翅膜应具有厚 度薄、柔软、强度好、耐腐蚀和易成形加工等优点 ，聚酯亚胺拉伸强度明显大于其他材料，适合制作 仿生昆虫的柔性翅。
控制和传感: 陀螺仪 &GPS
翅膜:聚亚 酰胺薄膜
NO.2
电源:PWM 电流&锂电 池 背甲、翅脉、胸腔:微机电系统 加工方法的SU8光刻胶
预期成果
1.根据蝗虫飞行的特点和和结构特征，简化昆虫模型，采用
NO.2
建模技术和微机械加工方法，对扑动机构、翅膀以及胸腔和
尾翼进行设计，旨在制造比较完整的扑翼飞行样机，然后对 其性能进行测试，并对仿生微型飞行器的控制系统进 行设计； 2.提出新型的电源供能模式，结合材料与能量研究较为高效 的能量利用体系，能够最大限度地达到“小能耗大机动”的 效果；为力学仿生的能量研究方面提出宝贵的实践经验。
NO.3
传感、控制及通信系统： 微型仿生飞行机器人传感、控制和通信系统目前研究 还比较少，是需要进一步解决的难题。由于体积和重 量限制，目前通信方式只能用微波通信方式，但通信 距离较短，操作范围就很小。为了达到远距离操控的 目的，需要一定的自主飞行能力，如果使用GPS，则 会导致耗电量过大，并且需要加装天线，最好还是使 用陀螺仪达到自主操控的目的。
国内
· 上海交大微纳米科学技术研究院：微型直升机，自重100
动态
mg左右，可飞行十秒。 · 中国摩擦学国家重点实验室/清华大学： 固定翼小飞机（重量大，飞不久）
差距很巨大，也有亮点
矛盾：重量、飞行时间，电池，材料、模型方案
目标
1 飞行翅膀的优化● 2 3
蝗虫飞 行仿生 content
微型化处理●
NO.3
微型动力装置是目前微型飞行器发展所面临的制约因素之同时 微型动力装置也是微型飞行器的关键设备，它需要在极小的体积 内产生足够的能量并转换为微型 飞行器的驱动力以及维持机载设 备工作所需的电能。所以对微型动力装置的设计也是一项重要内 容。用于微型飞行器的动力装置主要有两类：采用锂或氢氧燃料 电池的微电动机 和微型涡轮喷气发动机。