微扑翼飞行器的仿生结构研究
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。
微扑翼飞行器的仿生结构研究
文献标识码：Ａ 文章编号：１００ｌ一３８８１（２００７）６—００１—３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＢｉｏＩＩｉｃ Ｍａｃｈｉｍ ｏｆ ＦＭＡＶｓ
ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇｗｅｉ，ＦＡＮＧ Ｚｏｎｇｄｅ。ＺＨＯＵ Ｋａｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｍ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ⅺ’ａｎ ７ １００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔ腿ｃｔ：Ｔｈｅ ｎ印ｐｉｎｇ·ｗｉｎｇ ｍｉｃｍ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ（ＦＭＡＶ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｉｏｎｉｃｓ ｉｓ ａ ｓｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ａｉｒｃｒａｆｔ ｗｈｉｃｈ ｉｍｉｔａｔｅｓ ｂｉｒｄ ｓ．Ｉｔ ｈ踮
仿生学的微扑翼飞行器（ＦＭＡＶ）的研究使人们正在 实现着人类航空史上最原始的梦想。微扑翼飞行器 （Ｆｌ印ｐｉｎｇ—ｗｉｎｇ Ｍｉｃｍ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＦＭＡＶ）是一种 模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。仿生学和空气
度看，这种飞行是靠消耗鸟自身的能量来维持的。 鸟翼是适应飞行
的主要器官，鸟翼的 骨骼薄而轻，并有充
在正常飞行（相当于固定翼飞机的匀速平飞状 态）时，翅膀扑动的一个周期大致可以分成以下４ 个阶段。①下拍阶段：充分伸展的翅膀从鸟的身体后 上方向下前方运动，在下拍的同时翅膀向前扭转，此 时翅膀基本保持平直，弯曲很小。②弯曲阶段：在最 低点翅膀有一个小停顿，翅膀外端向下折叠成一拱 形，弯曲较大，准备上提。③上提阶段：翅膀从最低 点开始上提，但只是肱骨部分抬起，腕关节只稍向后 扭转，仍保持低下位置，整个翅膀保持折叠成拱形， 羽毛逐渐张开。④展平阶段：肱骨几乎抬到最高点 时，前肢迅速抬起到“充分高”的部位，翅膀迅速 展平，然后重复开始第一阶段。在鸟类扑翼运动的下 拍与上提两个主要阶段，鸟翼的形状与使用的时间也 有不同，下扑段所用时间较多，展向弯度较小；上提 段所用时间较少，展向弯度较大。由于鸟类翅膀的挥 摆角度对气动力的影响较小，为简化分析及方便以后 的计算，忽略翅膀的挥摆运动，从下拍与上提两种主 要方式实现扑翼飞行。
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 ．
《小型扑翼飞行器的结构设计及仿真分析》
《小型扑翼飞行器的结构设计及仿真分析》一、引言随着科技的不断发展，扑翼飞行器因其高效、灵活的飞行特点，在军事侦察、环境监测、生物仿生学等领域中受到了广泛的关注。
本文旨在探讨小型扑翼飞行器的结构设计及其仿真分析，为扑翼飞行器的设计与研发提供理论依据。
二、小型扑翼飞行器的结构设计（一）基本框架设计小型扑翼飞行器的结构主要由以下几个部分组成：框架、动力系统、驱动系统、飞行控制系统和扑翼机构。
其中，框架是整个飞行器的基础，负责支撑和固定其他部件。
（二）扑翼机构设计扑翼机构是扑翼飞行器的核心部分，其设计直接影响到飞行器的飞行性能。
扑翼机构主要包括翼片、连杆、驱动装置等。
翼片的设计要考虑到空气动力学特性，以提高飞行器的升力和稳定性。
连杆和驱动装置的设计要保证翼片的运动轨迹和速度，以实现高效的能量转换。
（三）动力系统与驱动系统设计动力系统通常采用电动或燃油发动机，为飞行器提供动力。
驱动系统则负责控制扑翼机构的运动，通常采用舵机或电机等。
在设计中，要考虑到动力系统的功率、重量、体积等因素，以及驱动系统的控制精度和可靠性。
（四）飞行控制系统设计飞行控制系统是扑翼飞行器的重要组成部分，负责控制飞行器的姿态和轨迹。
通常采用微处理器和传感器等设备实现控制。
在设计中，要考虑到控制系统的稳定性、响应速度和抗干扰能力等因素。
三、仿真分析（一）仿真模型的建立利用计算机仿真软件，建立小型扑翼飞行器的三维模型。
模型要尽可能地反映真实情况，包括各部件的尺寸、重量、材料等参数。
（二）仿真实验过程在仿真软件中，对模型进行动力学分析和运动学分析。
通过改变模型的参数，如翼片形状、连杆长度、驱动速度等，观察飞行器的飞行性能变化。
同时，还可以通过仿真实验分析飞行控制系统的控制效果和稳定性。
（三）仿真结果分析根据仿真实验的结果，分析各参数对飞行器性能的影响。
通过对比不同设计方案的仿真结果，选择最优的设计方案。
同时，还要对飞行控制系统的控制效果和稳定性进行分析，以提高飞行器的整体性能。
微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究
微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究随着科技的不断进步，微型扑翼飞行机器人作为一种仿生机器人的重要形式，正在得到越来越多的关注和研究。
本文将介绍微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺，以期为相关领域的研究提供参考和借鉴。
首先，微型扑翼飞行机器人的设计方法在于模仿自然界中的昆虫飞行原理。
昆虫的独特飞行方式具有高效性和灵活性，因此成为微型扑翼飞行机器人设计的重要依据。
设计者需要研究昆虫的翅膀结构和运动方式，并将其应用于机器人的设计中。
通过仿生设计，机器人可以具备更好的飞行性能和机动性。
其次，微型扑翼飞行机器人的制造工艺需要兼顾材料选择和加工工艺。
首先，材料的轻量化和柔韧性是制造微型机器人的关键。
常用的材料包括碳纤维、聚合物材料等，这些材料具有较好的强度和韧性，同时又能保持机器人的轻盈和灵活。
其次，制造工艺需要满足微型机器人的复杂形态和运动需求。
采用微纳加工技术，如激光切割和3D打印等，可以实现微型机器人零件的精确制造和组装。
此外，为了实现机器人的高效飞行，还需要通过优化机翼和机体结构，提高机器人的空气动力学性能。
最后，微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究面临一些挑战。
首先，微型机器人的能源供应是一个重要问题。
由于体积限制，传统能源系统难以满足机器人的长时间飞行需求，因此需要研究新型的微型能源系统。
其次，机器人的控制系统也是一个挑战。
微型机器人的飞行姿态需要实时调整和控制，因此需要设计高精度和高稳定性的控制系统。
综上所述，微型扑翼飞行机器人的设计方法和制造工艺研究是一个复杂而又具有挑战性的领域。
通过模仿昆虫的飞行原理、选择合适的材料和加工工艺，并解决能源和控制系统等问题，可以为微型扑翼飞行机器人的发展提供指导和支持。
未来，随着科技的不断进步，微型扑翼飞行机器人有望在军事、救援和勘探等领域发挥更大的作用。
仿生扑翼机器人的机械系统设计研究
仿生扑翼机器人的机械系统设计研究近年来，仿生机器人技术迅猛发展，其潜在的应用领域不断扩大。
其中，仿生扑翼机器人作为一种模拟昆虫翅膀运动的机器人，具有较高的机动性和适应性，在无人侦查、救援和农业等领域有着广阔的前景。
本文将着重研究仿生扑翼机器人的机械系统设计。
首先，机械系统设计是仿生扑翼机器人实现扑翼运动的关键。
为了模拟昆虫翅膀的运动特点，机械系统应具备轻量化、高刚度和高可靠性的特点。
一种常见的设计方法是采用柔性材料制作翅膀，如碳纤维复合材料，以实现翅膀的轻量化和高刚度。
同时，采用特殊的结构设计，如曲线状的翅膀弯曲轴，可以使机械系统具备较好的可靠性和机动性。
其次，机械系统设计还需考虑扑翼机构与驱动系统的协同工作。
在仿生扑翼机器人中，扑翼机构通常采用类似昆虫的并联结构，通过多个关节和连杆实现翅膀的运动。
为了实现高效的扑翼运动，机械系统设计需要考虑关节的精确控制和连杆的合理长度。
同时，驱动系统需要提供足够的力和速度，以实现扑翼机构的正常工作。
电机、液压或气动系统都可以作为驱动系统的选择，不同的驱动方式会对机械系统的设计提出不同的要求。
最后，机械系统设计还需考虑机器人的稳定性和控制性能。
由于仿生扑翼机器人在空气中运动，存在空气动力学效应的影响，机械系统设计需要考虑机器人的稳定性。
通过调整翅膀的形状和尺寸，以及控制翅膀的运动轨迹，可以提高机器人的稳定性。
此外，机械系统设计还需要与控制系统紧密结合，通过传感器和反馈控制实现对机器人的精确控制。
综上所述，仿生扑翼机器人的机械系统设计是实现扑翼运动的关键。
通过采用轻量化、高刚度和高可靠性的材料，设计合理的扑翼机构和驱动系统，以及考虑机器人的稳定性和控制性能，可以实现高效、稳定的扑翼运动。
随着技术的不断发展，仿生扑翼机器人的机械系统设计将进一步提升，为各个领域的应用带来更多可能性。
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
曾制作过四轴飞行器，并成功的完成。也制作过小飞机，可以说在飞行器方面有 一定的基础。擅长机械装置的控制系统的设计与制作。
蒋卓尔：11级机械工程学院，热爱科技创新，积极参与学校举办的各种 科学技术创新活动，参加过许多比赛，例如世纪杯，科研立项等，世纪 杯获得三等奖，科研立项通过审查。
阻力转向：如果鸽子在滑翔中控制翅膀的形状，使翅膀左右的阻力不相等，那 么就会产生一个和前进方向不共线的阻力，也会使鸽子转向。
扑翼飞行器的扑翼驱动机构（方案）
扑翼飞行器的驱动机构可很多中结 构，例如，交变磁场驱动机构， 静电致动胸腔式扑翼机构，压电晶 体( PZT)致动机构，人工肌肉驱动 机构，连杆驱动机构等等，我们所 采用的是连杆驱动机构,如图1所示。
制作扑翼飞行器要了解的方面
1.空气动力学基础
仿生扑翼飞行研究以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为主，但昆虫和鸟类 的翅膀不像飞机翼那样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构。 按照传统的空气动力学理论，它们无法有效地利用空气的升力和阻力， 因而就很难起飞。但是它们翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运 动，这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、鸟类飞行的运动机理和空气动力学特性进而 实现仿生飞行的重要基础。
图2 简单的扑翼模型
1.各个参数：
扑翼飞行器的机构动态分析
从质量0. 006kg，翼展0. 155m 的戴菊莺，到质量8. 5kg，翼展3. 4m 的漂泊信天翁，
共68 种不同鸟类的飞行参数，采用最小二乘法对其结构参数、运动参数以及动力参数进
行数据拟合，即可得出各参数与质量m 仿生学公式如下：
小型仿生扑翼飞行机器人动力学优化设计研究
小型仿生扑翼飞行机器人动力学优化设计研究摘要：随着科技的不断发展，仿生学在机器人领域中的应用逐渐得到了广泛关注。
本文研究了一种小型仿生扑翼飞行机器人的动力学优化设计方法。
首先，通过对鸟类飞行的观察和分析，建立了仿生扑翼飞行机器人的运动学模型。
然后，根据该模型，利用优化算法对机器人的关键参数进行调整，以实现更加稳定和高效的飞行动作。
最后，通过实验验证了所提出的设计方法的有效性。
关键词：仿生学；扑翼飞行；动力学优化；机器人1. 引言扑翼飞行机器人是一种能够模拟鸟类等动物扑翼飞行动作的机器人。
相比于固定翼飞行器，扑翼飞行机器人具有更好的机动性和适应性，可以在狭小的空间中进行飞行和悬停。
因此，研究小型仿生扑翼飞行机器人的动力学优化设计具有重要的理论和实际意义。
2. 方法2.1 仿生学原理仿生学是通过模仿自然界的生物系统，从中汲取灵感和设计原则，来解决工程和科学问题的一门学科。
在本研究中，我们以鸟类的扑翼飞行为基础，将其运动学特征应用于机器人的设计。
2.2 运动学模型建立根据鸟类扑翼飞行的运动规律，我们建立了小型仿生扑翼飞行机器人的运动学模型。
该模型包括机器人的位置、速度和加速度等关键参数，并考虑了机器人与环境之间的相互作用。
2.3 动力学优化设计为了实现机器人的稳定和高效飞行，我们利用优化算法对机器人的关键参数进行调整。
通过改变机器人的翼展、翼面积、翼型等参数，使得机器人在飞行过程中能够更好地适应不同的环境和任务需求。
3. 实验结果与讨论我们通过实验验证了所提出的动力学优化设计方法的有效性。
实验结果表明，通过优化设计的机器人在飞行过程中表现出更好的稳定性和机动性，能够更好地应对复杂的环境和任务需求。
4. 结论本研究通过对小型仿生扑翼飞行机器人的动力学优化设计，实现了机器人的稳定和高效飞行。
该研究为小型仿生扑翼飞行机器人的设计和应用提供了重要的理论基础和技术支持。
微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术研究
微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术研究随着科技的不断进步，微型扑翼飞行器作为一种新型飞行器，受到了越来越多的关注。
微型扑翼飞行器是一种仿生飞行器，其设计灵感来自于昆虫的翅膀运动原理，通过模仿昆虫的翅膀运动方式实现飞行。
本文将重点研究微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术。
微型扑翼飞行器的结构设计是实现其稳定飞行的关键。
首先，需要设计合适的翅膀形状和尺寸。
翅膀的形状应具有良好的气动特性，能够产生足够的升力和稳定的飞行。
其次，需要确定翅膀的材料和结构。
翅膀的材料应具有足够的轻量化和强度，常见的材料有碳纤维、玻璃纤维等。
翅膀的结构可以采用刚性或柔性结构，刚性结构适用于大型扑翼飞行器，而柔性结构适用于微型扑翼飞行器。
最后，需要设计合适的机身结构和连接方式，以实现翅膀的运动和控制。
微型扑翼飞行器的制作技术主要包括翅膀制作、机身制作和控制系统制作。
翅膀制作需要先制作翅膀的模具，然后根据模具制作翅膀，最后进行表面处理和装配。
机身制作可以采用3D打印技术或精密加工技术，根据设计要求制作机身的外形和内部结构。
控制系统制作包括电机、传感器和控制电路等的选择和安装，以及飞行器的姿态控制和稳定控制算法的开发。
微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术研究的目的是实现微型扑翼飞行器的稳定飞行和控制。
通过合理的结构设计和制作技术，可以使微型扑翼飞行器具有较好的飞行性能和操控性。
此外，结构设计和制作技术的研究还可以为更大规模的扑翼飞行器的设计和制作提供参考。
总之，微型扑翼飞行器的结构设计与制作技术研究是一项复杂而重要的工作。
通过深入研究和不断探索，可以进一步提高微型扑翼飞行器的性能和应用领域，为未来的飞行器发展做出贡献。
《两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真》
《两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真》一、引言随着科技的不断进步，仿生学在航空领域的应用日益广泛。
其中，仿生扑翼飞行器因其高机动性、高仿生性及良好的环境适应性，成为了当前研究的热点。
本文将重点探讨两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真。
二、两段式仿生扑翼飞行器的结构设计1. 整体结构两段式仿生扑翼飞行器主要包含动力系统、控制系统和扑翼系统三个部分。
其中，扑翼系统采用两段式设计，分为上、下两个部分。
整体结构仿照鸟类飞行时的翅膀运动，具有较高的灵活性和适应性。
2. 扑翼系统设计扑翼系统是仿生扑翼飞行器的核心部分，其设计直接影响到飞行器的性能。
两段式扑翼系统由上翼段和下翼段组成，通过驱动机构实现上下扑动。
上翼段主要负责产生升力，下翼段则起到调节气流、增强飞行稳定性的作用。
3. 动力系统设计动力系统为仿生扑翼飞行器提供动力，主要包括电机、电池和传动机构等部分。
为了保证飞行器的轻量化和高效性，我们选用高性能的电机和电池，通过传动机构将动力传递到扑翼系统，实现飞行器的飞行。
4. 控制系统设计控制系统是仿生扑翼飞行器的大脑，负责飞行器的导航、控制和姿态调整。
我们采用先进的飞行控制算法和传感器技术，实现对飞行器的精确控制，使其能够按照预设的轨迹进行飞行。
三、气动特性仿真为了更好地了解两段式仿生扑翼飞行器的气动特性，我们采用计算流体动力学（CFD）技术进行仿真分析。
通过建立三维模型，模拟飞行器在不同速度、不同攻角下的气流分布和压力分布，从而得到飞行器的气动性能参数。
仿真结果表明，两段式仿生扑翼飞行器在扑动过程中，上下翼段的协同作用能够产生较大的升力，同时减小阻力。
此外，通过调整扑动频率和幅度，可以实现对升力和阻力的有效控制，从而提高飞行器的飞行性能。
四、结论本文对两段式仿生扑翼飞行器的结构设计及气动特性仿真进行了探讨。
通过采用两段式扑翼系统、高性能的动力系统和先进的控制系统设计，实现了仿生扑翼飞行器的轻量化、高效化和智能化。
仿生扑翼飞行器设计与制作论文
仿生扑翼飞行器设计与制作摘要：随着仿生学的发展和材料动力技术的不断进步，人类能更好的模仿生物的运动，向大自然学习，服务人类。
像鸟一样的飞行是人类几千年的梦想，近几年科研人员在扑翼飞行器的研究和制造方面有了很大的发展，目前世界上已经出现了许多扑翼飞行器，但其仿生程度任然较低。
通过学习和研究我们选用了对称的五杆机构来实现飞行器的机翼的动作，并按照飞行原理设计了飞行器的升力机构和推力机构，最后做出了实物，进行了飞行试验。
关键词：仿生;扑翼飞行器;五杆机构;空气动力学;飞行试验Designing and producting of the flapping wingflight vehicle in bionicsABSTRACT: Along with the development of bionics and material power technology advances, mankind can better imitate biological movement, learning to nature and servicing human. Flying Like a bird is the dream of human for several thousand years, In recent years researchers Made great progress in the flapping wing flight vehicle research and manufacturing. There are already some kind of the flapping wing flight vehicles in the word recently, but the bionic degree lower still. With the studying and researching we choose the symmetrical five-bar mechanism to realize the action of the wing of the aircraft, According to the principle of fly. I design the lift institutions and thrust institutions. Finally I made the craft, and test it.KEY WORDS:Bionic; The flapping wing flight vehicle; Five-bar mechanism; Aerodynamics; Flight test目录1前言 (2)1.1本次毕业设计课题的目的、意义 (2)1.2仿生扑翼飞行器简介 (2)2.1仿生扑翼飞行器优缺点 (4)2.2仿生扑翼飞行器的结构组成 (4)3仿生扑翼飞行器的原理和设计 (5)3.1飞行器的飞行原理 (5)3.2对鸟类飞行的分析 (5)3.3机构原理性设计 (6)4仿生扑翼飞行器的参数选择 (8)4.1动力系统的参数选择和计算 (8)4.1.1通过对几种飞行器的机翼扇动频率的统计得出下表 (8)4.1.2齿轮的选用 (8)4.1.3电机的选用 (8)4.2飞行器机身尺寸的确定 (9)4.2机翼五杆机构的设计和计算 (9)4.2.1机构简图 (9)4.2.2实体设计 (9)4.4蒙皮工艺 (11)5提升机构和推动机构的设计 (13)6三维建模 (14)7结论 (17)参考文献 (19)致谢 (20)外文翻译 (21)附件 ................................................. 错误!未定义书签。
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。
《扑翼结构的仿生飞行器研究》
《扑翼结构的仿生飞行器研究》扑翼结构仿生飞行器研究一、引言随着科技的不断发展，仿生飞行器的研究逐渐成为了一个热门领域。
其中，扑翼结构的仿生飞行器因其与真实生物飞行原理的相似性，具有更高的机动性和适应性，成为了研究的重点。
本文旨在探讨扑翼结构的仿生飞行器的研究现状、技术难点及未来发展方向。
二、扑翼结构仿生飞行器的概述扑翼结构仿生飞行器是一种模仿鸟类、昆虫等生物飞行原理的飞行器。
其飞行原理主要依赖于机翼的扑动，通过改变机翼的形状和角度，实现飞行过程中的升力、推力和侧向力的控制。
相较于传统的固定翼和旋翼飞行器，扑翼结构仿生飞行器具有更高的机动性、适应性和隐蔽性。
三、研究现状目前，国内外众多科研机构和高校都在进行扑翼结构仿生飞行器的研究。
在机构设计方面，研究者们通过模仿鸟类的翅膀结构，设计出了多种扑翼机构，如弹性扑翼机构、刚性扑翼机构等。
在控制方面，研究者们利用先进的控制算法和传感器技术，实现了对飞行器的精确控制。
此外，研究者们还在材料、能源等方面进行了大量研究，以提高飞行器的性能和寿命。
四、技术难点尽管扑翼结构仿生飞行器的研究已经取得了一定的成果，但仍存在一些技术难点。
首先，扑翼机构的设计需要精确地模仿生物的翅膀结构，以实现高效的能量转换和飞行控制。
其次，由于扑翼机构的复杂性，其制造和维护成本较高。
此外，由于飞行环境的复杂性和不确定性，如何实现稳定的飞行控制也是一个技术难题。
最后，如何提高飞行器的续航能力和载重能力也是当前研究的重点。
五、未来发展方向未来，扑翼结构仿生飞行器的研究将朝着以下几个方向发展：一是提高飞行器的性能和稳定性，以满足更复杂的任务需求；二是降低制造和维护成本，以实现更广泛的应用；三是研究新型材料和能源技术，以提高飞行器的续航能力和载重能力；四是加强与其他领域的交叉研究，如与人工智能、机器人技术等相结合，实现更高级别的自主控制和智能化。
六、结论总之，扑翼结构仿生飞行器的研究具有重要的学术价值和实际应用前景。
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。
仿生扑翼飞行器
仿生扑翼式飞行器2013年9月7日摘要随着航空技术的发展，微型与小型飞行器以其灵活轻便、成本低廉等优点受到研发者的青睐。
相对于大型固定翼、旋翼飞行器，微、小型扑翼机在低空探测、突然袭击、认知搜救、城市作战等方面有着无法比拟的优势。
微、小型扑翼飞行器尚处于初期研发阶段，目前均以仿生学为基础，多数模仿蜻蜓、蜜蜂等昆虫的扑翼原理，而对仿鸟类扑翼飞行器的研究涉及甚少。
鸟类较昆虫有更强的环境适应能力，尤其是恶劣气候环境，且鸟类具有一定量的载重能力，方向调节性能更佳。
该项技术并没有进入实用化阶段，我们有幸成为探索者之一。
在这个项目中我们不一定能做出一架高性能的扑翼机来,但我相信这一定是一个很有启发意义的探索。
关键词：仿生，仿鸟，扑翼机，小型飞行器AbstractWith the development of aviation technology, the micro and small vehicle with the advantages of flexibility, portability and low costhasgained R &D’s pare to the large fixed wing aircraft androtorcraft, microandsmall ornithopter has incomparable advantages in terms of low altitude detection, surprise attack, cognitive search and rescue, andcity operation. Micro, small ornithopter is still in the initial stage of development, currently basesonbionics flapping theory. Most ornithopters imitate dragonfly, bees and other insects, with study of ornithoptersimitatingbirdslittle involved. Birds have a stronger ability to adapt to the environment, especially the harsh climate, andtheircontrol performance is betterthan insects. Moreover, the birds have a certain amount of load capacity.As the technology has not entered the practical stage, we are honored tobecome one of the explorers. In this project, we may beunable to make a high performance aircraft, but I believe that it must be a very instructive exploration.Key words:Bionics, Bird-imitation, Ornithopter, Small aircraft目录目录 (iii)第一章绪论 (1)1.1选题背景 (1)1.2研制重点难点 (2)第二章国内外研发状况 (6)2.1国外研发状况 (6)2.2国内研究情况 (12)第三章作品设计论述 (15)3.1创意构想及三维模型制作 (15)3.1.1概述 (15)3.1.2翅膀扑打运动的实现机构 (15)3.1.3二级齿轮减速器 (17)3.1.4翼型 (19)3.1.5翅膀的扭转 (20)3.1.6尾翼 (20)3.2内部电路 (21)3.2.1电源部分 (21)3.2.2直流电机 (21)3.2.3舵机 (22)3.2.4控制板 (22)第四章应用前景 (24)4.1特点 (24)4.2应用前景 (24)结论 (26)参考文献 (27)致谢词 (28)附录 (29)图1亚氏悬挂式滑翔机外观图 (6)图2亚氏悬挂式滑翔机人类进行飞行示意图 (7)图3亚氏悬挂式滑翔机机构简图 (7)图4史氏玩具飞机扑翼结构 (8)图5史氏玩具飞机机构简图 (8)图6D ELAURIER拍扑机 (9)图7昆虫胸腔剖面示意图 (9)图8麦氏扑翼机扑翼机构 (10)图9麦氏扑翼机机构简图 (10)图10肯式扑翼机扑翼机构 (11)图11肯式扑翼机机构简图 (11)图12M ADANGOPAL微扑翼机构 (12)图13詹秀玲飞鸟玩具整体构造图 (13)图14詹秀玲飞鸟玩具扑翼机构 (13)图15詹秀玲飞鸟玩具机构简图 (13)图16两自由度胸腔式扑翼驱动机构简图 (14)图17压电驱动的仿生微扑翼机构 (14)图18创意整体三维概念模型 (15)图19翅膀扑打运动的实现机构 (17)图20二级齿轮减速器 (18)图21齿轮减速局部视图 (19)图22翼型 (20)图23尾翼 (21)图24舵机控制板外形 (22)图25控制软件 (23)第一章绪论1.1 选题背景我们处在高科技时代，科技文明迅速发展，市面上诸多商品都朝轻、薄、短、小的目标迈进，如手机、随身听、电脑等等，当然应用于军事上的微型飞行器亦是如此。
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。
微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究
西北工业大学博士学位论文微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究姓名：***申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：***20070101西北工业大学博士学位论文第一章绪论问和建筑物上方的敌情，还可以穿堂入室查找建筑物内部的敌情，甚至可停留在窗户上窃听办公室内的谈话，获取重要情报。
（３）电子干扰、通信中继。
微型飞行器可以非常靠近目标区侦察敌方信号，对敌方雷达、通信设备工作区实施干扰，还能够检测和维护通讯线路，提供通信中继。
（４’）核、生化探测。
进入核污染与生化禁区执行探测与取样等特殊任务。
（５）精确投放。
包括用指示器标记目标，例如红外反射涂料或一种无线电频率标记，以使射入的军火能够“看到”目标，或者投放微型地面传感器。
（６）民用领域。
微型飞行器除了军事应用外，在民用领域也有广泛的应用潜力，如野外作业人员的勘测，通信，自然灾害的监视与支援．环境和污染监测，以及公安保安部门的缉毒、边境巡逻与控制等。
１。
１．２几神典型的微型飞行器国内外目前研制的微型飞行器，按其飞行原理与布局方式划分大致可分为以下三种：固定翼（Ｆｉｘｅｄ砸ｎｇ）微型飞行器、旋翼型（Ｒｏｔａｒｙｗｉｎ曲微型飞行器和扑翼型（ＦｌａｐｐｉＩｌｇ谢ｎ曲微型飞行器。
其中的固定翼和旋翼型微型飞行器由于更接近常规飞机，研制难度相对较小，因此这两种ＭＡｖ的研究较多也比较成功。
●典型的固定翼微型飞行器（ａ）ＢｌａｃｋＷｉｄｏｗ（ｂ）ＭｉｃｒｏＳｔａｒ（ｃ）柔性固定萁Ｍ＾Ｖ图１．１固定翼微型飞行器Ｂ１ａｃｋｗｉｄｏｗ（黑寡妇）如图１．１（ａ）是美国Ａ＿ｅｒｏⅥｒｏ唧ｅｎｔ公司严格按照ＤＡ耻＇Ａ提出的特定技术指标而研制的一种微型飞行器【３Ｊ。
该机为飞翼式微型飞行器，外型类似予盘状飞碟，由微电机驱动前置螺旋桨产生拉力。
其翼展１５厘米，起飞重量８０克。
该机也是第一种广为人知的ＭＡＶ。
ＭｉｃｒｏＳｔａｒ（微星）如图１．１（ｂ）是美国Ｌｏｃｋｈｅ以Ｍａｎｉ公司在ＤＡＲＰＡ支持下发展的一种飞翼式微型飞行器ｌ射。
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图２鸟类翅翼结构
面：手骨（腕骨、掌骨和指骨）简化而并合，前肢
＋基金项目：国家自然科学基金（５０５７５１８３）；博士点专项科研基金（２００５０６９９０２２）
万方数据
·２·
机床与液压
第３５卷
仅能在一个平面上作折翅和张翅的关节运动，因而有 利于在胸肌支配下形成一个有力的抗击空气的整体。 翅上着生的羽毛是翼的重要组成部分，其中在手骨上 着生的称为初级飞羽，在前臂上着生的称为次级飞 羽，它们在扇动翅膀时产生的力不同。此外，在鸟翼 的翼角（腕部）生有一小簇羽毛成为小翼羽，也对 控制飞行起重要作用，每一支飞羽都由羽轴和羽片构 成，羽轴的基部深入皮肤内，羽片由羽轴两侧平行伸 出的很多羽枝构成。每一羽枝两侧密生成排的羽小 枝，上有钩突，彼此钩连，因而构成坚韧而富有弹性 的羽片。飞翔的结构对鸟类飞行的适应还表现在每一 羽的外羽片狭窄，内羽片宽阔，各羽从外向内依次覆 盖。羽轴在气流作用下还略有旋转能力，因而当鸟类 扑翼飞行时飞羽之间随扬翅而出现裂隙便于空气通 过，而在翅膀下拍时各羽联合成严实的翼面以获得最 大的动量。整个鸟翼的背部为弧面，空气流过时能产 生大的升阻比，有利于飞翔。
本文从仿生学的角度分析微扑翼飞行器的机翼及 驱动机构的设计，以期能够找到最佳设计方案，实现 可持续扑翼飞行。 １ 鸟类的飞行机理及其生物学构造
扑翼飞行是鸟类靠自身体力和特殊生理构造实现
行（如图１）。 如今人们正朝着这一梦想在不断努力探索。基于
的一种较复杂的动力飞行。所需空气动力主要来自于 往复扑源自的翅膀与周围空气间的相互作用。从能量角
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＦＭＡＶｓ；Ｂｉｏｎｉｃｓ； Ｄｒｉｖｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ
０ 引言
由于其体积小、重量轻、成本低、隐身性和可操作性
自然界的鸟类有令人
叹为观止的飞行能力，自
古以来人们就渴望象鸟儿
那样翱翔蓝天。古今中外
人们一直不停地在进行这
方面的探索，西汉时期
《鸿书》记载“公输般 （鲁班）制木鸢以窥宋
仿生学的微扑翼飞行器（ＦＭＡＶ）的研究使人们正在 实现着人类航空史上最原始的梦想。微扑翼飞行器 （Ｆｌ印ｐｉｎｇ—ｗｉｎｇ Ｍｉｃｍ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＦＭＡＶ）是一种 模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。仿生学和空气
度看，这种飞行是靠消耗鸟自身的能量来维持的。 鸟翼是适应飞行
的主要器官，鸟翼的 骨骼薄而轻，并有充
行器的动力问题是研究的一个瓶颈，因此高效节能的
微扑翼传动机构设计具有很重要的意义。
驱动机构的设计原则是： ①能实现预定的运动规律；② 尽可能简单轻巧，即满足需要 的情况下，重量和尺寸越小越 好；③运动高效可靠，即运动 机构的效率要高，能量消耗要 少，且在高频的扑翼运动下机 构不会失效。在研究过程中提 出了几种驱动机构的模型：曲 柄滑块机构、凸轮弹簧机构、
选定仿生驱
Ｈ。蹴，ｆ动机构模型 ｛多
｜Ｉ自主开发 且扑翼软件 计算扑翼角度及 其它参数 ｛－
一ＡＤＡＭｓ运动仿真
Ｕ
Ｉ试制样机Ｉ
平面连杆机构、空间连杆机构、 图３仿生驱动机构
弹性支撑机构。综合比较各种
设计流程图
机构的特点，选用扑翼运动实
现形式简单，效率高、重量轻、容易微小化的平面连
杆机构。
在选定了驱动机构模
行机理的分析，进行机翼和驱动机构的仿生学设计，提出了一种高效节能的驱动机构，并制作了翼展３００ｍｍ微扑翼飞行器
样机。试飞结果表明，该飞行器可进行姿态良好的飞行，可持续飞行ｌＯ～２０ｓ，其结构具有一定的实用价值及应用前景，
为微扑翼飞行器的进一步微型化打下基础。
关键词：微扑翼飞行器；仿生学；驱动机构
中图分类号：ＴＰ２４２
复杂而不予采用。平直型机翼实际制作中以聚酯薄膜
为蒙皮，机翼可看做是刚性的，只要控制好扑翼频
率、扭转角和扑翼幅值的大小及其相互关系就可以实
现样机的扑翼飞行。在低湍流度风洞实验和试飞过程
中此种机翼一直表现良好。
２．２驱动机构
扑翼飞行主要是靠消耗鸟的自身能量来维持的，
如何提供足够的动力是一个难题。动力源可以利用太
鸟翼是一种轻巧的可变翼，它既有飞机机翼那样 的飞行表面，又有初级飞羽向下、向前扇击而有推进 器的功能，借不断改变翼的形状和大小（负载面积） 以及翼与躯体间的相对位置而适应各种飞行条件下空 气动力学的需要。鸟类的尾翼宽而坚韧，在飞行中起 舵的作用，有助于着陆、转身和减速。各飞羽末端之 间的裂隙和气流作用下的弹性变形，也能使气流趋于 平缓，鸟类飞行的翼梢涡流可产生阻力，增加翼的长 度可以减少这种涡流，能分隔开翼端的涡流干扰，因 此长而狭的翼比短而宽的翼在飞行中更有效，但机动 性差。展弦比大的升阻力值也高。善于翱翔的大型海 鸟信天翁展弦比为２５，海鸥和雨燕为１１，乌鸦为６， 麻雀为５。翼负载（体重与翼面积之比值）对鸟类飞 行也有重要作用，快速飞行的鸟类大多具有较小的翼 和较快的扇翅频率，而翼面积较大的鸟类则能较缓慢 地扑翼飞行，这是因为升力和阻力都与翼面积和速度 平方的乘积成正比，所以大型鸟类一般翼负载较大， 例如天鹅为２００Ｐａ，野鸭为１００Ｐａ，乌鸦为３０Ｐａ。因 此在设计机翼及驱动机构时要考虑选择与扑翼飞机大 小相适应的鸟类，来提高仿生学设计的效率。 ２机翼和驱动机构的仿生设计
表ｌ 几种微扑翼飞行器机翼
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平直型机翼 带翼型机翼 折叠型机翼 开孔型机翼 平直型机翼由于设计制作简单，因而在我们实际
研制过程中得到较多的应用，其它几种机翼虽然在运
万方数据
第６期
张明伟等：微扑翼飞行器的仿生结构研究
·３·
动形式Ｊ：更有鸟类的因素，但是由于噪声大，制作
在设计仿生机翼时通过控制正、负扑翼角（例 如＋３０．７。，一３８．９。）的相对大小来模仿鸟翼的上提 和下拍，然后在使机翼有一个固定的仰角以使扑翼机 产生升力和阻力。对于鸟类骨骼充气轻盈现象，在机 翼骨架设计中采用不同规格的碳纤维；布局上采用辐 射状，可增加机翼的刚度，同时节省材料。
微扑翼飞行器机翼的形状、布局形式和材料对飞 行效果都有很大影响，此外机翼是柔性或是刚性对飞 行也有影响。通过总结多次试飞情况，发现机翼的制 造工艺对飞行的成功具有决定性的影响。在机翼仿生 研究中设计了几种不同的翼：平直型机翼，带翼型机 翼，折叠型机翼，开孑Ｌ型机翼。
动力学研究均表明，对于特征尺寸相当于鸟或者昆虫 的微型飞行器来说，扑翼飞行要优于固定翼和旋翼飞 行器。微扑翼飞行器的主要特点是将举升、悬停和推 进功能集于一个扑翼系统，可以用很小的能量进行长 距离飞行，同时，具有较强的机动性。微扑翼飞行器
气现象，很多骨骼为
适应飞行生活而合并
或消失（如图２）。
特别表现在前肢方
微扑翼飞行器的结构仿生，是模仿鸟类的形态、 结构和控制原理，从而设计制造出的功能更集中、效 率更高并具有生物特征的机械。但是在进行仿生设计 的过程中要克服一些思维定式，不能只限于形体上的 单纯模仿，要以产生类似鸟类扑翼的运动效果为目 的。在多自由度的协调配合下，鸟类肌肉在瞬间运动 下发出很大的力量，比人类制造的任何机器都完美得 多。要想达到鸟类的飞行水平除了不断的研究飞行机 理，还要另辟蹊径，并注意鸟类的肌肉与转动的微型
文献标识码：Ａ 文章编号：１００ｌ一３８８１（２００７）６—００１—３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＢｉｏＩＩｉｃ Ｍａｃｈｉｍ ｏｆ ＦＭＡＶｓ
ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇｗｅｉ，ＦＡＮＧ Ｚｏｎｇｄｅ。ＺＨＯＵ Ｋａｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｍ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ⅺ’ａｎ ７ １００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔ腿ｃｔ：Ｔｈｅ ｎ印ｐｉｎｇ·ｗｉｎｇ ｍｉｃｍ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ（ＦＭＡＶ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｉｏｎｉｃｓ ｉｓ ａ ｓｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ａｉｒｃｒａｆｔ ｗｈｉｃｈ ｉｍｉｔａｔｅｓ ｂｉｒｄ ｓ．Ｉｔ ｈ踮
阳能阵列、内燃机或电池，也有静电驱动或压电驱动
方面的研究。目前比较成熟的技术是利用电池加微电
机，微型且型号多，便于开展实际试飞。但是仍有一
定的局限性，动力不足一直是个问题，根据电机的破
坏性实验，５ｍｉｎ是一个警戒线，电池（锂镍电池，
型号０４１７３０ １６０ｍＡｈ）电压迅速下降，电机灼热，以
致不能扑动，实验是固定扑翼飞机在地面上做，共做
在正常飞行（相当于固定翼飞机的匀速平飞状 态）时，翅膀扑动的一个周期大致可以分成以下４ 个阶段。①下拍阶段：充分伸展的翅膀从鸟的身体后 上方向下前方运动，在下拍的同时翅膀向前扭转，此 时翅膀基本保持平直，弯曲很小。②弯曲阶段：在最 低点翅膀有一个小停顿，翅膀外端向下折叠成一拱 形，弯曲较大，准备上提。③上提阶段：翅膀从最低 点开始上提，但只是肱骨部分抬起，腕关节只稍向后 扭转，仍保持低下位置，整个翅膀保持折叠成拱形， 羽毛逐渐张开。④展平阶段：肱骨几乎抬到最高点 时，前肢迅速抬起到“充分高”的部位，翅膀迅速 展平，然后重复开始第一阶段。在鸟类扑翼运动的下 拍与上提两个主要阶段，鸟翼的形状与使用的时间也 有不同，下扑段所用时间较多，展向弯度较小；上提 段所用时间较少，展向弯度较大。由于鸟类翅膀的挥 摆角度对气动力的影响较小，为简化分析及方便以后 的计算，忽略翅膀的挥摆运动，从下拍与上提两种主 要方式实现扑翼飞行。
电机运动方式的区别。 ２．１机翼结构设计
设计和制造具有非定常空７ ｅ动力学特性的高效仿 鸟翅翼，是仿鸟微扑翼飞行器研究中富于挑战性的一 个研究难题。机翼结构是影响鸟类飞行很关键的一个 因素，不同的机翼结构决定了不同的扑翼运动方式。 研究发现，翅膀在飞行过程中有４种基本的运动方 式：扑动、扭转、挥摆、折叠。
图１达芬奇设计的扑 翼机复原模型
城”，王莽时代曾有人用鸟类羽毛试验过“飞人”，
东汉时代的科学家张衡也曾制作过木鸟，晋朝的葛洪