上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）飞行仿生_仿生扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构的研究.pdf_P11-P15

上海工程技术大学硕士学位论文第一章绪论驱动机构开展了大量的研究工作。鸟类在飞行过程中的有羽翼的变形，蝙蝠的翅翼有翅骨膜皮，蜻蜓具有高度灵活的波纹的翅翼在拍打时产生变形，这些灵活的翅翼结构随着时间不断的进化，可以实现非常高的飞行效率，并且提高飞行过程中的稳定性和降低了一定的重量。微型飞行器设计中必须处理严格有效的载荷，升阻力特性以及其他的挑战。这其中已经有许多尝试，包括自然界中发现的灵活的柔性机翼结构的微型飞行器的柔性翅翼和相对应的扑翼驱动机构的设计。 1.1.1固定翼飞行器固定翼飞行器是最早通过采用机械装置达到实现飞行目的的方式之一，是目前应用最为广泛的一种飞行方式。但是，目前固定翼飞行器却遇到小型化这一趋势的挑战。在图1-1所示的模型是佛罗里达大学的研究人员专门开发的，为了减小飞行中性能尺寸的影响。当机翼的翼展被减小到一定尺寸之后，在低雷诺数下会发生气动跃迁，从而引起机翼的空气动力性能下降。由于固定翼微型飞行器起飞过程中需要更大的前飞速度，以产生所需的升力来飞行。而控制固定翼飞行器飞行的舵面尺寸则非常小，气动的效率降低，利用舵面来操控飞行，并且提供抗干扰能力，这其中产生的作用非常有限。微型固定翼飞行器因为主尺度比较小，在低雷诺数的情况下，空气产生黏性效应会加强，气动力则会显示出与高雷诺数下不同的力学特性。此外，固定翼微型飞行器也不适合短距起飞、着陆和避障，并且也没有其他的可以依靠短距离起飞的良好性能。图1-1弗罗里达大学固定翼微型飞行器图1-2 Seiko Epson公司FR-I旋翼微型飞行器 Fig.1-1 University of Florida's fixed-wing Fig.1-2 Seiko Epson company FR-II rotor 1.1.2旋翼飞行器第2页万方数据

上海工程技术大学硕士学位论文第一章绪论第 2 页驱动机构开展了大量的研究工作。鸟类在飞行过程中的有羽翼的变形，蝙蝠的翅翼有翅骨膜皮，蜻蜓具有高度灵活的波纹的翅翼在拍打时产生变形，这些灵活的翅翼结构随着时间不断的进化，可以实现非常高的飞行效率，并且提高飞行过程中的稳定性和降低了一定的重量。微型飞行器设计中必须处理严格有效的载荷，升阻力特性以及其他的挑战。这其中已经有许多尝试，包括自然界中发现的灵活的柔性机翼结构的微型飞行器的柔性翅翼和相对应的扑翼驱动机构的设计。 1.1.1 固定翼飞行器固定翼飞行器是最早通过采用机械装置达到实现飞行目的的方式之一，是目前应用最为广泛的一种飞行方式。但是，目前固定翼飞行器却遇到小型化这一趋势的挑战。在图 1-1 所示的模型是佛罗里达大学的研究人员专门开发的，为了减小飞行中性能尺寸的影响。当机翼的翼展被减小到一定尺寸之后，在低雷诺数下会发生气动跃迁，从而引起机翼的空气动力性能下降。由于固定翼微型飞行器起飞过程中需要更大的前飞速度，以产生所需的升力来飞行。而控制固定翼飞行器飞行的舵面尺寸则非常小，气动的效率降低，利用舵面来操控飞行，并且提供抗干扰能力，这其中产生的作用非常有限。微型固定翼飞行器因为主尺度比较小，在低雷诺数的情况下，空气产生黏性效应会加强，气动力则会显示出与高雷诺数下不同的力学特性。此外，固定翼微型飞行器也不适合短距起飞、着陆和避障，并且也没有其他的可以依靠短距离起飞的良好性能[4]。图 1-1 弗罗里达大学固定翼微型飞行器图 1-2 Seiko Epson 公司 FR-II 旋翼微型飞行器 Fig.1-1 University of Florida's fixed-wing Fig.1-2 Seiko Epson company FR - II rotor 1.1.2 旋翼飞行器万方数据

上海工程技术大学硕士学位论文第一章绪论旋翼飞行方式通常被直升机所采用，飞行器的升力并不是通过飞行速度的增加而提高，而是通过旋翼桨的加速旋转来实现的。微型的旋翼飞行器是在比较低的雷诺数下飞行的，所以空气产生的粘滞作用力比较大，因此其空气动力学特性和通常直升机有非常大的差异，所以直升机中所研究出的空气动力学原理并不能直接的运用到微型旋翼飞行器上。虽然旋翼微型飞行器可以执行复杂的动作，例如垂直起飞和降落和着陆，容易在悬停状态控制，以及避障等。然而，旋翼飞行器相同得飞行性能在低雷诺数的情况下会变差。叶素法理论通常在大型直升机计算升力和诱导角时，忽略由于诱导效应产生的水平诱导速度的影响是可行的，但是在低雷诺数的情况下微型旋翼飞行器的计算过程中，每一片桨叶所承受的粘性力对飞行器的升力的产生影响都非常变得显著，所以为了提高计算的准确性，叶素则法则需要重新的加以修正才可行。图1-2 所示的精工爱普生公司的FR-ⅡMAV重12.3克，可以飞三分钟。随着尺寸的不断减小，旋翼桨的旋转所能产生提升力却急剧下降。由于旋翼桨叶的高速旋转，旋翼飞行器发出的噪声能够容易地被监测到，因此隐蔽性能很差。 1.1.3扑翼飞行器一方面扑翼飞行器能够呈现固定翼和旋翼飞行器的优点，可以快速的起飞、悬停、加速及具有高度的机动性和灵活性，另一方面能够弥补两者的不足。借助观察鸟类许多复杂的动作，从中可以发现，即使是很小的鸟类也能显示出优越的飞行机动性能。与固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器其特征在于最关键的是可以控制在很小的尺寸情况下，仍然可以表现出优异飞行性能。随着扑动的翅翼拍打频率的增加，以很小的翅翼飞行是可以的。然而，昆虫和鸟类的扑翼飞行，这是在丰富的自然界中显示出了无与伦比的飞行性能超越了现今任何的飞行器。昆虫和一些鸟类（例如，蜂鸟）可以随时起飞和进行垂直方向的飞行，还可以进行快速的飞行转弯，并且能够持续悬停几秒钟。因此，昆虫和鸟类飞行在最近几十年年备受关注，并已促使许多研究，设计出一个具有很高飞行效率的仿生微型扑翼飞行器，这其中带有类似悬停功能的扑翼飞行器的设计则是非常有难度的一个方向阿。扑翼飞行的方式与固定翼和旋翼的飞行方式有很大的不同，扑翼飞行方式更为复杂。早在几万年前飞行生物就采用了扑翼的飞行方式，尽管近几十年来对鸟类和昆虫第3页万方数据

上海工程技术大学硕士学位论文第一章绪论第 3 页旋翼飞行方式通常被直升机所采用，飞行器的升力并不是通过飞行速度的增加而提高，而是通过旋翼桨的加速旋转来实现的。微型的旋翼飞行器是在比较低的雷诺数下飞行的，所以空气产生的粘滞作用力比较大，因此其空气动力学特性和通常直升机有非常大的差异，所以直升机中所研究出的空气动力学原理并不能直接的运用到微型旋翼飞行器上。虽然旋翼微型飞行器可以执行复杂的动作，例如垂直起飞和降落和着陆，容易在悬停状态控制，以及避障等。然而，旋翼飞行器相同得飞行性能在低雷诺数的情况下会变差。叶素法理论通常在大型直升机计算升力和诱导角时，忽略由于诱导效应产生的水平诱导速度的影响是可行的，但是在低雷诺数的情况下微型旋翼飞行器的计算过程中，每一片桨叶所承受的粘性力对飞行器的升力的产生影响都非常变得显著，所以为了提高计算的准确性，叶素则法则需要重新的加以修正才可行。图 1-2 所示的精工爱普生公司的 FR-II MAV 重 12.3 克，可以飞三分钟。随着尺寸的不断减小，旋翼桨的旋转所能产生提升力却急剧下降。由于旋翼桨叶的高速旋转，旋翼飞行器发出的噪声能够容易地被监测到，因此隐蔽性能很差。 1.1.3 扑翼飞行器一方面扑翼飞行器能够呈现固定翼和旋翼飞行器的优点，可以快速的起飞、悬停、加速及具有高度的机动性和灵活性，另一方面能够弥补两者的不足。借助观察鸟类许多复杂的动作，从中可以发现，即使是很小的鸟类也能显示出优越的飞行机动性能。与固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器其特征在于最关键的是可以控制在很小的尺寸情况下，仍然可以表现出优异飞行性能。随着扑动的翅翼拍打频率的增加，以很小的翅翼飞行是可以的。然而，昆虫和鸟类的扑翼飞行，这是在丰富的自然界中显示出了无与伦比的飞行性能超越了现今任何的飞行器。昆虫和一些鸟类（例如，蜂鸟）可以随时起飞和进行垂直方向的飞行，还可以进行快速的飞行转弯，并且能够持续悬停几秒钟。因此，昆虫和鸟类飞行在最近几十年年备受关注，并已促使许多研究，设计出一个具有很高飞行效率的仿生微型扑翼飞行器，这其中带有类似悬停功能的扑翼飞行器的设计则是非常有难度的一个方向[6]。扑翼飞行的方式与固定翼和旋翼的飞行方式有很大的不同，扑翼飞行方式更为复杂。早在几万年前飞行生物就采用了扑翼的飞行方式，尽管近几十年来对鸟类和昆虫万方数据

上海工程技术大学硕士学位论文第一章绪论的高升力飞行机理的认识逐渐的深化，但是可以说该领域的研究依然处于初级阶段，至今还未有谁可以完全理解其飞行机理，还没有一套完整的理论可以阐述扑翼飞行的机理。 1.2仿生扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构研究进展需要注意的是，只有传统的气动翼抬起稳定的气流，并不能解释为什么通过扑翼飞行的方式昆虫就可以获得足够悬浮在空气中的升力。1973年Wis-Fogh研究了很多昆虫飞行信息后，提出了新一代的扭转和扑动机制（也称为Wis-ogh机制），并且讨论了这种机制产生的瞬时升力的机理。柔性翅翼扭转机制是不稳定流动产生飞行升力的一个典型例子，它的发现在昆虫飞行非定常流动理论的研究中起到了非常重要的作用。 1990年Freymuth对柔性翅翼的扑动和俯仰扭转运动进行了研究，表明这些运动方式足以提供使昆虫悬停的升力☑。1993年Delaurier改进了1.2Hz,44英尺的飞行速度每秒的扑翼理论，建立对称的扑翼扑动和扭转运动模型，并计算出18英尺的翼展扑动频率和模型机翼的升力、推力和输入功率等8)。1994年史密斯开始使用有限元分析方法，使用该方法建立一个飞蛾柔性翅翼弹性动力学和空气动力学相结合的模型，根据空气动力学和惯性力学对弯曲和扭转运动中不同的类型进行研究，并且与其所述的刚性翅翼模型进行了比较分析。1995年V®st通过不稳定的二维流动的方法和风洞试验来研究扑翼运动的非定常气动模型，该模型考虑了机翼在同一时间产生扭转变形。1996年史密斯利用昆虫飞行二维面元法非定常空气动力学计算，过程中开始考虑到翅膀扭转产生的影响。1997年霍尔提出的计算方法对拍打着翅膀产生升力的价值和推力跳动最小的循环分布作出实质性的解释。1998年Pendaries提出了使用非弹性扑翼铰链弯曲和扭转推力设计方法，并通过采用有限元方法，建立了气动弹性翅翼驱动机构的改进理论模型。Tuncer则对具有俯仰两个自由度和翼型动态失速分别进行了研究。1999年Ramamurti基于非结构化网格的有限元方法，模拟非定常流场和翅翼的扭转动作，从生物学的角度出发，主要研究在低雷诺数的影响下，对扑翼运动过程中翅翼的柔性变形进行研究，解释微型扑翼飞行器设计中的一些关键问题9。近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算机的性能有很大的提高，使用求解 NS方程的方法对扑翼的流场分析成为可能，从而可以考虑粘性流场对扑翼运动的影第4页万方数据

上海工程技术大学硕士学位论文第一章绪论第 4 页的高升力飞行机理的认识逐渐的深化，但是可以说该领域的研究依然处于初级阶段，至今还未有谁可以完全理解其飞行机理，还没有一套完整的理论可以阐述扑翼飞行的机理。 1.2 仿生扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构研究进展需要注意的是，只有传统的气动翼抬起稳定的气流，并不能解释为什么通过扑翼飞行的方式昆虫就可以获得足够悬浮在空气中的升力。1973 年 Weis-Fogh 研究了很多昆虫飞行信息后，提出了新一代的扭转和扑动机制（也称为 Weis-Fogh 机制），并且讨论了这种机制产生的瞬时升力的机理。柔性翅翼扭转机制是不稳定流动产生飞行升力的一个典型例子，它的发现在昆虫飞行非定常流动理论的研究中起到了非常重要的作用。 1990 年 Freymuth 对柔性翅翼的扑动和俯仰扭转运动进行了研究，表明这些运动方式足以提供使昆虫悬停的升力[7]。1993 年 Delaurier 改进了 1.2Hz，44 英尺的飞行速度每秒的扑翼理论，建立对称的扑翼扑动和扭转运动模型，并计算出 18 英尺的翼展扑动频率和模型机翼的升力、推力和输入功率等[8]。 1994 年史密斯开始使用有限元分析方法，使用该方法建立一个飞蛾柔性翅翼弹性动力学和空气动力学相结合的模型，根据空气动力学和惯性力学对弯曲和扭转运动中不同的类型进行研究，并且与其所述的刚性翅翼模型进行了比较分析。1995 年 Vest 通过不稳定的二维流动的方法和风洞试验来研究扑翼运动的非定常气动模型，该模型考虑了机翼在同一时间产生扭转变形。1996 年史密斯利用昆虫飞行二维面元法非定常空气动力学计算，过程中开始考虑到翅膀扭转产生的影响。1997 年霍尔提出的计算方法对拍打着翅膀产生升力的价值和推力跳动最小的循环分布作出实质性的解释。1998 年 Pendaries 提出了使用非弹性扑翼铰链弯曲和扭转推力设计方法，并通过采用有限元方法，建立了气动弹性翅翼驱动机构的改进理论模型。Tuncer 则对具有俯仰两个自由度和翼型动态失速分别进行了研究。1999 年 Ramamurti 基于非结构化网格的有限元方法，模拟非定常流场和翅翼的扭转动作，从生物学的角度出发，主要研究在低雷诺数的影响下，对扑翼运动过程中翅翼的柔性变形进行研究，解释微型扑翼飞行器设计中的一些关键问题[9]。近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算机的性能有很大的提高，使用求解 N-S 方程的方法对扑翼的流场分析成为可能，从而可以考虑粘性流场对扑翼运动的影万方数据

上海工程技术大学硕士学位论文第一章绪论响。在这方面研究的代表有Tuncer,.普拉策等人。随着计算机技术的不断发展，研究人员开始尝试使用计算机来求解N-S方程，并且通过实验来分析在流场中扑动着的翅翼，取得了一定的成效。但是这种方法并不是非常严谨的，虽然NS方程的解的分布是边界条件，但是对边界中产生的轻微偏差非常敏感，因此得出的分析结果可能是不同的。在目前情况下，由于非常严格的不稳定边界条件的设置仍然是一个挑战。此外，研究人员也开始尝试研究二维流场对扑动的柔性翅翼的影响和流场非定常理论。 2002年清华大学曾理江及其团队使用非线性理论研究方法，通过测量、建模、仿真昆虫扑翼运动飞行机理和运动参数1。北京航空航天大学孙茂等人则通过运用数值求解的方法，测量昆虫的翅膀获得的参数，进一步解释微型扑翼飞行器设计柔性翅翼的原则，其中包括新的空气动力学概念，新的控制方式，最大速度所能允许的重量，及所需的功率等问题。2008年南京航空航天大学的昂海松和其团队对鸟类扑翼飞行的机制和扭转模型进行了深入研究，并通过使用该模型进行数值计算，得出了采用这种模型，升力系数将显著的增加这个结论山。2012年上海交通大学陈文元教授和其团队研究的扑翼飞行机器人，为两对翅翼的蜻蜓，其翅翼载荷是由它的重量与机翼的总面积之比来确定，但也提出了翅翼载荷和振动频率之间的关系。虽然越来越多的研究可以探索从某一个角度来解释昆虫翅翼产生高升力机理，这些理论目前的发展对多种仿生微型扑翼飞行机器人的设计已经起到了一定的指导作用。 1.2.1国外扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构研究现状 2008年哈佛大学微机器人实验室罗伯特伍德教授领导并创立的科研队伍的研究人员致力于重几十毫克，几十毫米翼展扑翼飞行的微型机器的发展。他们致力于基于仿生学的微型扑翼飞行机器人柔性翅翼设计，驱动机构的制造，控制和分析的研究。通过对微系统的设计和制造进行深入研究，并且汲取大自然中飞行生物的灵感，他们设计的微型飞行器的性能和稳定性均达到了优良等级。这些飞行器可以在搜索和救援，农业援助，环境监测和测量复杂的环境中使用，并且长期致力于开发并改善微型飞行机器人的性能2。北卡罗来纳州立大学开发的蝙蝠扑翼微型飞行器(BATMAV)如图1-4是由该校机械学院Gheorghe Bunget和航天工程研究所的Stefan Seelecke负责这个项目的研究，这个BATMAV项目的目的是基于灵活的记忆金属折叠翼飞行器模仿蝙蝠的飞行)。第5页万方数据

上海工程技术大学硕士学位论文第一章绪论第 5 页响。在这方面研究的代表有 Tuncer，普拉策等人。随着计算机技术的不断发展，研究人员开始尝试使用计算机来求解 N-S 方程，并且通过实验来分析在流场中扑动着的翅翼，取得了一定的成效。但是这种方法并不是非常严谨的，虽然 N-S 方程的解的分布是边界条件，但是对边界中产生的轻微偏差非常敏感，因此得出的分析结果可能是不同的。在目前情况下，由于非常严格的不稳定边界条件的设置仍然是一个挑战。此外，研究人员也开始尝试研究二维流场对扑动的柔性翅翼的影响和流场非定常理论。 2002 年清华大学曾理江及其团队使用非线性理论研究方法，通过测量、建模、仿真昆虫扑翼运动飞行机理和运动参数[10]。北京航空航天大学孙茂等人则通过运用数值求解的方法，测量昆虫的翅膀获得的参数，进一步解释微型扑翼飞行器设计柔性翅翼的原则，其中包括新的空气动力学概念，新的控制方式，最大速度所能允许的重量，及所需的功率等问题。2008 年南京航空航天大学的昂海松和其团队对鸟类扑翼飞行的机制和扭转模型进行了深入研究，并通过使用该模型进行数值计算，得出了采用这种模型，升力系数将显著的增加这个结论[11]。2012 年上海交通大学陈文元教授和其团队研究的扑翼飞行机器人，为两对翅翼的蜻蜓，其翅翼载荷是由它的重量与机翼的总面积之比来确定，但也提出了翅翼载荷和振动频率之间的关系。虽然越来越多的研究可以探索从某一个角度来解释昆虫翅翼产生高升力机理，这些理论目前的发展对多种仿生微型扑翼飞行机器人的设计已经起到了一定的指导作用。 1.2.1 国外扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构研究现状 2008 年哈佛大学微机器人实验室罗伯特伍德教授领导并创立的科研队伍的研究人员致力于重几十毫克，几十毫米翼展扑翼飞行的微型机器的发展。他们致力于基于仿生学的微型扑翼飞行机器人柔性翅翼设计，驱动机构的制造，控制和分析的研究。通过对微系统的设计和制造进行深入研究，并且汲取大自然中飞行生物的灵感，他们设计的微型飞行器的性能和稳定性均达到了优良等级。这些飞行器可以在搜索和救援，农业援助，环境监测和测量复杂的环境中使用，并且长期致力于开发并改善微型飞行机器人的性能[12]。北卡罗来纳州立大学开发的蝙蝠扑翼微型飞行器（BATMAV）如图 1-4 是由该校机械学院 Gheorghe Bunget 和航天工程研究所的 Stefan Seelecke 负责这个项目的研究，这个 BATMAV 项目的目的是基于灵活的记忆金属折叠翼飞行器模仿蝙蝠的飞行[13]。万方数据