目录 目录 摘要 ABSTRACT... 第1章绪论 .1 1.1课题背景及研究的目的和意义 1 1.1.1扑翼飞行器的背景 .1 1.1.2研究的目的和意义 3 1.2国内外的研究现状 4 1.2.1国外研究现状 1.2.2国内研究现状 8 1.3本文主要研究内容 10 第2章扑翼飞行机理研究 11 2.1鸟类飞行机理的研究 11 2.1.1鸟类翅膀的运动特征 11 2.1.2鸟类飞行的升力机理 12 2.2昆虫飞行机理的研究… 14 2.2.1昆虫翅膀的运动特征 14 2.2.2昆虫飞行的高升力机理 15 2.3飞行姿态. 18 2.4飞行器各部分因素对升力的影响 18 2.4.1扑翼的影响 18 2.4.2机身的影响 19 2.4.3尾翼的影响 。。 19 2.5本章小结. 20 第3章新型仿生扑翼机构设计及仿真 21 3.1仿生学依据 22 3.2二维运动机构设计… 23 3.2.1二维运动机构概念设计 23 3.2.2二维机构运动学分析及轨迹仿真 24 3.38字轨迹机构设计 27 3.3.1机构概念设计 27 3.3.2机构运动学分析 28 -
目录 -III- 目录 摘要 ...................................................................................................................................I ABSTRACT .....................................................................................................................II 第 1 章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义......................................................................... 1 1.1.1 扑翼飞行器的背景 ....................................................................................... 1 1.1.2 研究的目的和意义 ....................................................................................... 3 1.2 国内外的研究现状............................................................................................. 4 1.2.1 国外研究现状............................................................................................... 4 1.2.2 国内研究现状............................................................................................... 8 1.3 本文主要研究内容........................................................................................... 10 第 2 章 扑翼飞行机理研究 ...........................................................................................11 2.1 鸟类飞行机理的研究........................................................................................11 2.1.1 鸟类翅膀的运动特征 ..................................................................................11 2.1.2 鸟类飞行的升力机理 ................................................................................. 12 2.2 昆虫飞行机理的研究....................................................................................... 14 2.2.1 昆虫翅膀的运动特征 ................................................................................. 14 2.2.2 昆虫飞行的高升力机理 ............................................................................. 15 2.3 飞行姿态........................................................................................................... 18 2.4 飞行器各部分因素对升力的影响................................................................... 18 2.4.1 扑翼的影响 ................................................................................................. 18 2.4.2 机身的影响 ................................................................................................. 19 2.4.3 尾翼的影响 ................................................................................................. 19 2.5 本章小结........................................................................................................... 20 第 3 章 新型仿生扑翼机构设计及仿真 ...................................................................... 21 3.1 仿生学依据....................................................................................................... 22 3.2 二维运动机构设计........................................................................................... 23 3.2.1 二维运动机构概念设计............................................................................. 23 3.2.2 二维机构运动学分析及轨迹仿真............................................................. 24 3.3 8 字轨迹机构设计............................................................................................. 27 3.3.1 机构概念设计 ............................................................................................. 27 3.3.2 机构运动学分析 ......................................................................................... 28
目录 3.3.38字扑动机构ADAMS运动仿真 31 3.4本章小结 32 第4章8字扑动的空气动力分析 33 4.1气动分析理论依据 34 4.1.1ADNA简介 34 4.1.2气动分析原理 34 4.2模型建立 35 4.2.1固体模型建立 35 4.2.2流体模型建立 37 4.3气动结果分析.… 38 4.4本章小结 43 第5章扑翼样机设计 44 5.1样机机械系统设计 44 5.1.1扑动机构 44 5.1.2动力及减速系统 47 5.2样机气动系统设计 49 5.2.1扑翼设计… 49 5.2.2尾翼设计 50 5.3样机组装测试 51 5.4本章小结 52 结论 53 参考文献… 54 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 58 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 59 致谢 60 ，。。。 -IV-
目录 -IV- 3.3.3 8 字扑动机构 ADAMS 运动仿真.............................................................. 31 3.4 本章小结........................................................................................................... 32 第 4 章 8 字扑动的空气动力分析 ............................................................................... 33 4.1 气动分析理论依据........................................................................................... 34 4.1.1 ADINA 简介 ............................................................................................... 34 4.1.2 气动分析原理 ............................................................................................. 34 4.2 模型建立........................................................................................................... 35 4.2.1 固体模型建立 ............................................................................................. 35 4.2.2 流体模型建立 ............................................................................................. 37 4.3 气动结果分析................................................................................................... 38 4.4 本章小结........................................................................................................... 43 第 5 章 扑翼样机设计 .................................................................................................. 44 5.1 样机机械系统设计........................................................................................... 44 5.1.1 扑动机构 ..................................................................................................... 44 5.1.2 动力及减速系统 ......................................................................................... 47 5.2 样机气动系统设计........................................................................................... 49 5.2.1 扑翼设计 ..................................................................................................... 49 5.2.2 尾翼设计 ..................................................................................................... 50 5.3 样机组装测试................................................................................................... 51 5.4 本章小结........................................................................................................... 52 结论 ................................................................................................................................ 53 参考文献 ........................................................................................................................ 54 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 ................................................................ 58 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 ............................................ 59 致谢 ................................................................................................................................ 60
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第1章绪论 1.1课题背景及研究的目的和意义 扑翼飞行器，顾名思义，是指像鸟一样通过扑动机翼产生飞行的升力和前进 力的飞行器。与固定翼飞机不同，固定翼飞机是依靠机翼产生升力，依靠发动机 的推力或牵引产生前行力，而扑翼飞行器的升力和推力都是由一个扑翼系统产生。 扑翼飞行具有特殊的气动特性，更易于向微型化发展。仿生学研究表明，当 尺寸小到一定成度之后，扑翼飞行具有无法替代的特性山。此外扑翼飞行器还具有 尺寸小，重量轻，隐蔽性好的特点，基于此重要的战略意义，广泛受到军事领域 的重视，在近几十年来得到迅速的发展。 21世纪的战争就是科技的战争，掌握了战场形势就意味着掌握了战争的主动 权，因此无人侦查的重要性日益突显。目前各国军队均配备有可单兵携带的小型 固定翼侦察机，在战场上均有出色的表现，但是无法实现低空、室内和定点侦察， 相应的旋翼和扑翼在这些方面则有明显的优势。由于扑翼具有独特的隐蔽性和易 微型化的特点，因此逐渐成为发展的趋势。 1.1.1扑翼飞行器的背景 鸟类和昆虫经过漫长的进化过程，形成了特有的组织结构，这些结构可以使 他们更有效率的飞行。蜜蜂的翅膀类似划桨的运动，飞行的扑动频率很高，有良 好的机动性：蜻蜓没有高频的扑动，但其翅膀前后布置，使其不仅可以完成常规 的前飞，悬停等飞行，还可以实现垂直升降和向后飞行，这是其它昆虫所不具备 的。鸟类由于尺寸的不同具有不同的飞行方式，雄鹰可以在天上盘旋，天鹅起飞 时要助跑一段距离，燕子可以贴着水面飞行，大雁迁徙时要排成长队等等。这些 鸟类都充分利用各自的特点，通过最有效的方式来实现飞行。 人类最初对于飞行的探索都是从模仿鸟类开始的，古今中外人们一直不停地 在进行这方面的探索。我国战国时代有了风筝，晋代有了竹蜻蜓。风筝虽不是扑 翼飞行，但也是通过模仿鸟类而得来，而竹蜻蜓即是后来直升机的升力模型。扑 翼的历史最早可以追溯到汉代。东汉时期的史学家班固写的《汉书·王莽传》书 里，有这样一段记载：“取大鸟翩为两翼，头与身皆著毛，通引环纽，飞数百步， 堕。”2] 在欧洲，也有人扑翼的研究，十五世纪的意大利画家达·芬奇，从30岁起， 用了20年的时间认真研究了鸟类的飞行，并于1505年完成了《轮鸟的飞行》研 -1-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -1- 第1章 绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 扑翼飞行器，顾名思义，是指像鸟一样通过扑动机翼产生飞行的升力和前进 力的飞行器。与固定翼飞机不同，固定翼飞机是依靠机翼产生升力，依靠发动机 的推力或牵引产生前行力，而扑翼飞行器的升力和推力都是由一个扑翼系统产生。 扑翼飞行具有特殊的气动特性，更易于向微型化发展。仿生学研究表明，当 尺寸小到一定成度之后，扑翼飞行具有无法替代的特性[1]。此外扑翼飞行器还具有 尺寸小，重量轻，隐蔽性好的特点，基于此重要的战略意义，广泛受到军事领域 的重视，在近几十年来得到迅速的发展。 21 世纪的战争就是科技的战争，掌握了战场形势就意味着掌握了战争的主动 权，因此无人侦查的重要性日益突显。目前各国军队均配备有可单兵携带的小型 固定翼侦察机，在战场上均有出色的表现，但是无法实现低空、室内和定点侦察， 相应的旋翼和扑翼在这些方面则有明显的优势。由于扑翼具有独特的隐蔽性和易 微型化的特点，因此逐渐成为发展的趋势。 1.1.1扑翼飞行器的背景 鸟类和昆虫经过漫长的进化过程，形成了特有的组织结构，这些结构可以使 他们更有效率的飞行。蜜蜂的翅膀类似划桨的运动，飞行的扑动频率很高，有良 好的机动性；蜻蜓没有高频的扑动，但其翅膀前后布置，使其不仅可以完成常规 的前飞，悬停等飞行，还可以实现垂直升降和向后飞行，这是其它昆虫所不具备 的。鸟类由于尺寸的不同具有不同的飞行方式，雄鹰可以在天上盘旋，天鹅起飞 时要助跑一段距离，燕子可以贴着水面飞行，大雁迁徙时要排成长队等等。这些 鸟类都充分利用各自的特点，通过最有效的方式来实现飞行。 人类最初对于飞行的探索都是从模仿鸟类开始的，古今中外人们一直不停地 在进行这方面的探索。我国战国时代有了风筝，晋代有了竹蜻蜓。风筝虽不是扑 翼飞行，但也是通过模仿鸟类而得来，而竹蜻蜓即是后来直升机的升力模型。扑 翼的历史最早可以追溯到汉代。东汉时期的史学家班固写的《汉书·王莽传》书 里，有这样一段记载:“取大鸟翩为两翼，头与身皆著毛，通引环纽，飞数百步， 堕。”[2] 在欧洲，也有人扑翼的研究，十五世纪的意大利画家达·芬奇，从 30 岁起， 用了 20 年的时间认真研究了鸟类的飞行，并于 1505 年完成了《轮鸟的飞行》研
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 究手稿)，是第一个对鸟类飞行机理进行比较系统研究的人。在文中，达·芬奇图 文并茂的说明“除非翅膀拍击空气的速度大于空气自身的压缩速度，否则翅膀下 的空气不会变得密集，因此鸟就不会在空中支撑自己的重量。”这里达·芬奇已经 有了作用力和反作用力的思想，同时他还指出鸟类在逆风时可以利用身体下面的 气流，通过放松的运动就可使身体浮于气流之上，更容易飞行。这就是空气动力 产生升力的雏型。此外，达·芬奇还对鸟类的起飞、滑翔、转弯等动作进行观察 研究，给出很多合理的解释。根据鸟类的飞行原理，达·芬奇设计了很多人力扑 翼模型，图1-1是其中的一个，在模型中，达·芬奇用薄翼膜代替了羽毛，也说明 他已经认识到羽毛不是飞行的必要条件，并且最终指出“鸟类是按一定数学规律 飞行的机器，人具有复制这架机器全部运动的能力”。 在之后的许多年里，也出现了一些扑翼的模型。1874年，法国人A1 phonse Penaud设计了橡筋动力的扑翼模型4，)，如图1-2所示，这个模型可以产生很大的 推力，几乎是后来所有扑翼爱好者模仿的原型，只是在细节和材料上略有不同。 图1-1达·芬奇设计的人力扑翼机 图1-2 Penaud设计的橡筋动力扑翼模型 之后扑翼的发展有了很大的进展，但是仍然很缓慢，当热气球和一些初级滑 翔机出现之后，人们渐渐放弃了这种成功率很低的飞行方式。特别是固定翼飞机 的出现，人们找到了实现飞行梦想的工具。随着航空技术的成熟，固定翼飞机的 各方面性能都大大超过了人们的预期，固定翼的空气动力学也趋于完善，因此在 一个相当长的时期内，扑翼的发展受到冷落，基本处于停滞状态。 扑翼飞行器是在最近几十年得到迅速发展起来的，同许多高新技术一样，都 是基于军事的需求而产生。最初提出的发展微型飞行器。 微型飞行器的概念最初是由美国科学家布鲁诺·W·奥根斯坦在1992年美国 国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,简称DARPA)在 兰德(RAND)公司举办的未来军事会议上提出的。之后兰德公司的研究报告指出， 携带有微传感器的小尺寸微型飞行器是可以实现的，对美国保持军事优势具有重 要意义，而且美军专家认为微型飞行器将有可能改变未来的战争模式]。此后，麻 -2-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -2- 究手稿[3]，是第一个对鸟类飞行机理进行比较系统研究的人。在文中，达·芬奇图 文并茂的说明“除非翅膀拍击空气的速度大于空气自身的压缩速度，否则翅膀下 的空气不会变得密集，因此鸟就不会在空中支撑自己的重量。”这里达·芬奇已经 有了作用力和反作用力的思想，同时他还指出鸟类在逆风时可以利用身体下面的 气流，通过放松的运动就可使身体浮于气流之上，更容易飞行。这就是空气动力 产生升力的雏型。此外，达·芬奇还对鸟类的起飞、滑翔、转弯等动作进行观察 研究，给出很多合理的解释。根据鸟类的飞行原理，达·芬奇设计了很多人力扑 翼模型，图 1-1 是其中的一个，在模型中，达·芬奇用薄翼膜代替了羽毛，也说明 他已经认识到羽毛不是飞行的必要条件，并且最终指出“鸟类是按一定数学规律 飞行的机器，人具有复制这架机器全部运动的能力”。 在之后的许多年里，也出现了一些扑翼的模型。1874 年，法国人 Alphonse Pénaud 设计了橡筋动力的扑翼模型 [4,5]，如图 1-2 所示，这个模型可以产生很大的 推力，几乎是后来所有扑翼爱好者模仿的原型，只是在细节和材料上略有不同。 图 1-1 达·芬奇设计的人力扑翼机 图 1-2 Pénaud 设计的橡筋动力扑翼模型 之后扑翼的发展有了很大的进展，但是仍然很缓慢，当热气球和一些初级滑 翔机出现之后，人们渐渐放弃了这种成功率很低的飞行方式。特别是固定翼飞机 的出现，人们找到了实现飞行梦想的工具。随着航空技术的成熟，固定翼飞机的 各方面性能都大大超过了人们的预期，固定翼的空气动力学也趋于完善，因此在 一个相当长的时期内，扑翼的发展受到冷落，基本处于停滞状态。 扑翼飞行器是在最近几十年得到迅速发展起来的，同许多高新技术一样，都 是基于军事的需求而产生。最初提出的发展微型飞行器。 微型飞行器的概念最初是由美国科学家布鲁诺·W·奥根斯坦在 1992 年美国 国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，简称 DARPA)在 兰德(RAND)公司举办的未来军事会议上提出的。之后兰德公司的研究报告指出， 携带有微传感器的小尺寸微型飞行器是可以实现的，对美国保持军事优势具有重 要意义，而且美军专家认为微型飞行器将有可能改变未来的战争模式[6]。此后，麻
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 省理工的林肯实验室联合美国海军研究实验室，进行了更深入的评估，得出微飞 行侦察机具有技术可行性，8别。 微型飞行器规定翼展和机身长不超过15cm,重量10-100g,续航时间20-60min, 航速30-60km/h,承重小于18g,最大飞行距离1-10km,可实时传输图像，能自主 飞行l0mi㎡。但由于技术限制，各国各项参数没有一个严格的规定，在完成任务 的前提下，尽可能微型化是微型飞行器的发展目标。 仿生学和空气动力学的研究表明，在小尺度领域，流场属于非定常流场，这 种环境下，扑翼飞行更稳定，产生的升力更大，相对固定翼和旋翼有明显的优势， 因此扑翼成为微型飞行器领域研究的重点，再一次激起人们对扑翼研究的热情。 1.1.2研究的目的和意义 扑翼飞行器是基于仿生学原理设计的小型飞行器，具有尺寸小、重量轻、能 量利用率高、隐蔽性好以及携带方便等特点，在军用和民用领域，都有广阔的应 用前景0，山。军事上，扑翼飞行器可用于低空及室内侦察、城市作战，通信中继、 电子干扰、核生化探测等。 在战场上，300米以下的低空区域属于雷达盲区，也是防空火力网的无法覆盖 的区域，这一区间有利于实施低空侦察和突然性的战斗行动，扑翼飞行器因为自 身独有的特点，可以完成其他飞行器所无法完成的任务]，例如可进行室内和定 点侦察等。1996年美国DARPA在“21世纪战术与技术研究”中指出，要提高士 兵对作战环境的感知力，因此扑翼飞行器可设计成“场外探测器”3]，即中短程 侦察工具。目前己有一些固定翼和旋翼飞行器装配军队，在城一些作战行动中显 示出重要的优越性，而向微型领域发展，扑翼有更大空间。图1-3是美国Aero Vironment研制的小型固定翼侦察机14)。 图1-3单兵携带可组装的小型侦察机 此外，扑翼飞行器还能够完成通信中继、电子干扰，特种作战等任务。无线 通信随着距离的增加会造成信号强度衰减，因此远距离的通信通常需要中继站来 -3-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -3- 省理工的林肯实验室联合美国海军研究实验室，进行了更深入的评估，得出微飞 行侦察机具有技术可行性[7,8]。 微型飞行器规定翼展和机身长不超过 15cm，重量 10-100g，续航时间 20-60min， 航速 30-60km/h，承重小于 18g，最大飞行距离 1-10km，可实时传输图像，能自主 飞行 10min[9]。但由于技术限制，各国各项参数没有一个严格的规定，在完成任务 的前提下，尽可能微型化是微型飞行器的发展目标。 仿生学和空气动力学的研究表明，在小尺度领域，流场属于非定常流场，这 种环境下，扑翼飞行更稳定，产生的升力更大，相对固定翼和旋翼有明显的优势， 因此扑翼成为微型飞行器领域研究的重点，再一次激起人们对扑翼研究的热情。 1.1.2研究的目的和意义 扑翼飞行器是基于仿生学原理设计的小型飞行器，具有尺寸小、重量轻、能 量利用率高、隐蔽性好以及携带方便等特点，在军用和民用领域，都有广阔的应 用前景[10,11]。军事上，扑翼飞行器可用于低空及室内侦察、城市作战，通信中继、 电子干扰、核生化探测等。 在战场上，300 米以下的低空区域属于雷达盲区，也是防空火力网的无法覆盖 的区域，这一区间有利于实施低空侦察和突然性的战斗行动，扑翼飞行器因为自 身独有的特点，可以完成其他飞行器所无法完成的任务[12]，例如可进行室内和定 点侦察等。1996 年美国 DARPA 在“21 世纪战术与技术研究”中指出，要提高士 兵对作战环境的感知力，因此扑翼飞行器可设计成“场外探测器”[13]，即中短程 侦察工具。目前已有一些固定翼和旋翼飞行器装配军队，在城一些作战行动中显 示出重要的优越性，而向微型领域发展，扑翼有更大空间。图 1-3 是美国 Aero Vironment 研制的小型固定翼侦察机[14]。 图 1-3 单兵携带可组装的小型侦察机 此外，扑翼飞行器还能够完成通信中继、电子干扰，特种作战等任务。无线 通信随着距离的增加会造成信号强度衰减，因此远距离的通信通常需要中继站来