仿生扑翼飞行器原理标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]
仿生扑翼飞行器原理
一.扑翼飞行器简介
扑翼飞行器是区别于固定翼飞行器、旋转翼飞行器的另一类飞行器，其飞行原理直接来自自然界的鸟类和昆虫的飞行方式。与固定翼和旋转翼相比有明显的优势。与固定翼飞行器相比，它可同时将举升、悬停、推进等功能集中在一个扑翼系统中；与旋转翼飞行器相比，它的能量利用率更高，即可推进飞行，也可滑翔飞行，而且更灵活。
二.飞行器的飞行原理
传统飞行器大致可分为三类：一类是根据牛顿第二定律，即作用力与反作用力定律，获得空气的反作用力进行飞行的，包括各类固定、旋转、扑翼飞行器；第二类是阿基米德原理，获取空气的浮力进行飞行，如各类飞艇，热气球；第三类是根据动量守恒定理飞行的，如，火箭，宇宙飞船的飞行等。
由上可知扑翼飞行器的动力来源是空气对飞行器的反作用力。从简单飞艇入手，飞行器的上升原因是因为空气对其竖直向上的推力大于其自身的重力。要获得前进方向的运动必须还得有一个水平的推力，这样飞行器才能完成基本的飞行。比如固定翼飞行器，一般由引擎提供水平的推力，机翼在高速气流的作用下产生升力，再如直升飞机，由引擎提供升力，螺旋桨与水平面的夹角产生的分力作为推力。
综上所述，扑翼飞行器必须能同时获得空气对其在水平和竖直方向上的足够的反作用力，即升力和推力，才能完成简单飞行。
三.对鸟类飞行的分析
尽管人类对飞行器的研究有了辉煌
的成就，但是鸟类仍是地球上最棒的
‘飞行器’。这里以鸽子作为研究对
象。鸽子可以在前进方向上以任何角度
飞行，还可以从容的变化飞行姿势，随
时转弯，随意的起飞降落，同时飞行动
作可以清楚的观察。
鸽子的飞行主要归功于它灵活有力的翅膀和尾翼。下面我们将试着简单的说明一下鸽子的飞行原理。根据前面的飞行原理，鸽子的翅膀必须能产生竖直向上的升力和水平的推力（这两个力不一定是严格的水平和竖直）。
1.升力的产生：在这里我们先假设空气是静止的。鸽子的翅膀可以围绕身体作一定角度的摆动，向下摆动时翅膀展开，向上摆动时翅膀折叠成到V形，而且往返摆动的时间不相等（这个有待验证）。由于翅膀上下摆动时受力面积不同，从而导致翅膀上下摆动时的受力大小不同，向下摆动时空气对翅膀的反作用力F1（竖直向上）大于向上摆动时空气对翅膀的反作用力F2（竖直向下），
当F1>G时，产生向上的升力
连续的飞行动作是一个循环的过程，循环单元就是翅膀做一次上下摆动，向上摆动记作T1，向下摆动记作T2。
在t1时，产生向上的速度v，在t2时，f2和g会产生向下加速度，使v减小，鸽子减速上升直到速度为零，再下降，如果在没有降到初始位置前下一个循环开始，那么鸽子就可以在宏观上产生竖直向上的运动。
2.推力的产生：
水平推力是由气流方向对翅膀反作用力的水平分量提供的。若以向右为飞行前进方向，则当翅膀下摆时，翅膀截面与水平面呈一个锐角，翅膀上摆时，翅膀截面与水平面呈一个钝角，两种情况对应的空气反作用力方向相反，但都会产生一个与前进方向相同的推力，鸽子在水平方向前进。
鸽子的翅膀由骨架、肌肉、皮肤和羽毛组成。骨架较硬，肌肉羽毛相对有弹性。这是由于肌肉羽毛的弹性，使翅膀在摆动的时候翅膀的后沿一只跟随着前沿运动并一直滞后于前沿，因此翅膀截面会在翅膀上下摆动时与水平面的夹角产生近似互为余角的变化。
3.转向原理：
鸽子的转向种类很复杂，根据日常生活的观察，有大半径转向、小半径转向、在滑翔中转向，在飞行中转向。这些转向都依靠翅膀的不对称摆动、尾翼转动和展合以及躯干扭动的相互配合而实现的，鸽子具体是如何通过控制这些器官来实现转向，这个过程复杂我们也无法解释，但可以抓住主要因素，从原理上简单的进行分析。
我认为鸽子的转向主要依靠翅膀的不对称摆动实现。按性质可分为动力转向和阻力转向。
1.动力转向：翅膀的不对称摆动可以为飞行提供不对称的动力和阻力，假设鸽
子在水平面飞行，空气相对静止，如果两侧翅膀提供的推力不同，就会使两侧翅膀上产生的速度不同，从原理上说翅膀提供了一个与鸽子前进方向有一定夹角的力，我们知道如果物体受力的方向与运动的方向不共线，那么该物体就会作曲线运动，因此鸽子会转向
2.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。
宫崎骏动漫中的飞行器，这些在现实中都有原型（超长多图） 宫崎骏动漫中的飞行器有哪些在现实中有原型？左小鹤，95后黄道第一宫 在宫崎家族经营的“宫崎航空兴学”环境下长大的宫崎骏从小耳濡目染，由衷热爱飞机、飞行。这种热爱完完全全体现在宫崎导演大部分的动画作品中。宫崎导演收藏各式各样有关飞机的资料图鉴。导演的资料库中有一个飞机档案，他视作珍宝，看过的人寥寥无几，可以算是“机密”级别的了。下面给楼主整理一份宫崎骏导演作品中出现的飞机和飞行 器及部分的参考原型。 （图片部分来源于网络，侵删） 《风之谷》1984 故事发生在1000 年后的《风之谷》，故事讲述了生长于风之谷的纯真少女娜乌西卡就背负着拯救世界的命运。她是希望的代表及化身，善于“用心捕捉心灵的歌声”，在人类与虫族之间架起“心”的桥梁。一边要安抚发怒的虫族，一边要阻止人类对虫族的袭击。宫崎导演的成名之作，其中大型
的飞行机器，超人的飞行设想，都是奠定了宫崎导演以后的作品的其中一个轴心的风格。 ·多鲁美奇亚军队的运输机 （动画截图） （设计手稿） 原型：德国ME-323 运输机与Do217 轰炸机 ·炮艇机 （模型） （设计手稿）也是无尾翼的飞行器 ·娜乌西卡的滑翔翼 （动画截图） （设计手稿） 原型：飞翼布局式飞机 由无尾翼布局发展过来，直接删去飞机尾翼 无尾翼布局的飞机在二战之前，一直是飞机设计师工程师的
想法。直到德国梅塞施密特公司在1943 年修改完成了 Me163 无尾火箭截击机的设计方案，并在1944 到1945 年间大批量的生产，使得无尾飞机第一次出现在人类的航空史上。 （Me 163 无尾火箭截击机） （为什么叫“无尾翼飞机”的Me163 看上去还是有尾翼？这里的“无尾翼”指的是删去了水平尾翼或者鸭翼的布局方式* 鸭翼是另一种置翼方式，不多说了） （YB-49 翼式飞机） 美国诺斯洛普公司在1941 年完成全对两架翼式飞机 XB-35 改装的任务，将其改装为完全使用喷气动力的 YB-49，而YB-49 就是最著名的飞翼布局飞机B-2 轰炸机的前身. 人类目前飞翼布局的飞机仍然很难达到娜乌西卡的滑翔翼 那样驾驶自如的水平，像是较新的X-48B 或是波音公司正在限制的波音797，都还难以实现“穿梭自如”这样的突破。 （飞机开发者八谷和彦乘坐“海鸥”试飞中） 但如果只论“型”的话，来自日本的飞机开发者八谷和彦以娜乌西卡的滑翔翼为原型研制出了“海鸥”，目前已进行过
无人机 本文2007-08-02收到, 作者分别系海军航空工程学院讲师、副教授和助教 图1 微型蝙蝠飞行器 微型扑翼飞行器的现状及关键技术 郭卫刚 贾忠湖 康小伟 摘 要 微型扑翼飞行器是高新技术的产物,是当前国内外研究的热点。简述了微型扑翼飞行器目前的发展现状,提出发展微型扑翼飞行器的几项关键技术,并对微型扑翼飞行器的发展趋势进行了展望。 关键词 扑翼机 微型飞行器 微机电系统(ME M S) MAV(M icro A ir Veh icle微型飞行器)由于具有特殊的用途(如侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等)而倍受关注。根据美国国防高级研究计划局(DARPA)提出的要求,微型飞行器的基本技术指标是:飞行器各个方向的最大尺寸不超过150mm,续航时间20m i n~60m in,航程达到10km以上,飞行速度22k m/h~45km/h,可以携带有效载荷,完成一定的任务[1]。 按飞行原理的不同,MAV分为固定翼、旋翼、扑翼三大类型。固定翼布局有许多问题亟待解决,如升阻比相对较小,在低雷诺数状态下机翼不能提供足够的升力,遭遇突风难以保持稳定等。旋翼布局尽管能够垂直起降和悬停,但其飞行速度低,质量大,仅适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。而综观生物的飞行,无一例外都是采用扑翼飞行方式。同常规布局相比,扑翼布局仅用一套扑翼系统就可代替螺旋桨或喷气发动机提供推力;扑翼可以使MAV像昆虫和鸟类那样低速飞行、盘旋、急转弯甚至倒飞;扑翼下面可以产生一种涡流,这是扑翼飞行器飞行的必要助推力,扑翼飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。微型扑翼飞行器具有一般航空飞行器无法比拟的机动和气动性能,与无人侦察机相比,具有以下优势:可以低速飞行,可以随意改变方向,可以悬停,还可以向后倒退。 1 研究现状 在DARPA的资助下,微型扑翼飞行器的研究得到了很大进展,主要有加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学共同研制的微型蝙蝠(M icrobat[2]),斯坦福研究中心和多伦多大学共同研制的引导者(M en-tor),乔治亚理工研究院及其协作者研制的昆虫机(Ento m opter)。 1.1 微型蝙蝠 微型蝙蝠是最早的电动扑翼飞行器,其机翼是采用微电机系统(ME MS)技术加工制作而成的。通过质量轻、摩擦低的传动机构将微电机的转动变为机翼的扑动。 加州理工学院在DARPA的倡议下依据仿生昆 19 飞航导弹 2007年第12期
仿生扑翼飞行器的发展与展望 摘要：本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其历史，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 are briefly introduced．The present research situation and future development trend of FA V are summarized． According to these，several key technologies of FA V are discussed．Taking into account the present situation .the future on the research of FA V in China is outlined． Key words：Bionics ; Flapping-wing air vehicle ; Micro air vehicle ; Key technology 1仿生飞行的历史与进展 1．1向鸟类学习 在中国两千年以前的航空神话和传说中，就有“人要是长着翅膀，就能在空中飞行”、“人骑着某种神奇的动物，可以飞行”等反映古人飞行理想和愿望的文字记载。多数昆虫长着一左一右两个或4个翅膀，他们都是飞行家，飞行技术非常高明。但因为昆虫比较小，翅膀的运动速度太快，不易被观察，在古人眼里，只认为鸟类是可以模仿的、最好的飞行家。传说中春秋时代(公元前770-前481)后期，鲁国著名的能工巧匠公输盘(有些史籍也记作“公输班”)研究并花费3年时间制造了能飞的木鸟，又名木鸢。如图所示 1．2实现飞行 1783年，法国蒙哥尔费兄弟发明热气球并载人飞行，开始了人类真正的空中航行。在人类利用轻于空气的航空器获得成功的 同时，也对重于空气的航空器一飞机进行探索和试验。英国的乔治．凯利(Cayley G)率先提出利用固定机翼产生升力的概念，他把鸟的飞行原理从上升和推进两种功能区别 开来，设计制造了能载人的滑翔机。1903 年莱特兄弟在滑翔机基础上加装自制内燃 机制成的“飞行者”1号试飞成功，持续时间59秒，标志着动力飞机飞行成功，开辟了人类的飞行新纪元，人类翱翔蓝天的梦想 得以真正实现。 1．3微型飞行器 1992年，美国国防高级研究计划局召开了关于未来军事技术的研讨会，第一次提出了微型飞行器MAY(Micro Air Vehicle)的概念，并提出其量级与昆虫及小鸟相似。从现有的研究情况看，微型飞行器按其飞行方式可分为传统的固定翼布局、旋翼布局和仿生扑翼式布局3类。固定翼式和旋翼式微型飞行器的研究迄今为止都达到了相当的水平。2000年8月，“Black Widow”原型机经过不断改进后，留空时间达到30分钟，最大活动半径为1.8km，最大飞行高度约235m，飞行重量为80克。旋翼微型飞行器因能垂直起降和悬停，比较适宜于在室内等狭小空间或较复杂地形环境中使用。回顾人类飞行的历史，研究者们重新认识到，纵观自然界的飞行生物，无一例外均采用扑翼的飞行方式，扑翼飞行是生物进化的最优飞行方式。于是人们又开始着眼于扑翼飞行器的研究。微型扑翼飞行器的机动性、灵活性及低能耗等方面可与蜻蜓、蜜蜂、或蜂鸟等飞行生物相媲美。经过近20年来研究者们的共同努力，微型扑翼飞行器在仿生学飞行机理、能
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920486151.0 (22)申请日 2019.04.11 (73)专利权人 烟台大学 地址 264000 山东省烟台市莱山区清泉路 32号 (72)发明人 徐翊航 魏贤智 孙龙 牟宗亮 赵天可 王帅 许娜 于涛 (74)专利代理机构 烟台上禾知识产权代理事务 所(普通合伙) 37234 代理人 丁宝君 (51)Int.Cl. B64C 33/00(2006.01) (54)实用新型名称一种仿生飞行器的机体(57)摘要本实用新型涉及一种仿生飞行器的机体，包括安装在一起的机体、尾翼系统和翼臂；所述的机体包括前后两个安装板和一个前安装板；脊柱杆和翼杆将两个安装板和前安装板串联，主轴和两个翼轴将两个安装板连接；主轴上位于两个安装板之间安装有一个主齿轮和一个传动齿轮，一条翼轴上安装一个次传动齿轮，两个翼杆穿出安装板的的端部各安装一个翼齿轮，传动齿轮咬合次传动齿轮，两个翼齿轮互相咬合；在一个安装板上还安装一个电机，电机的输出端安装电机齿轮，电机齿轮与主齿轮咬合；在前安装板和与其相邻的安装板之间安装两组曲柄联动系统。齿轮和其安装的杆件上，是通过键和键槽固定的。本 申请的结构实现了飞行器的仿鸟类的飞行动作。权利要求书2页 说明书4页 附图3页CN 209719925 U 2019.12.03 C N 209719925 U
权 利 要 求 书1/2页CN 209719925 U 1.一种仿生飞行器的机体，其特征在于，包括安装在一起的机体(1)、尾翼系统(3)和翼臂(2)；所述的机体(1)包括前后两个安装板(1.1)和一个前安装板(1.2)；安装板(1.1)的中心设置有安装主轴(1.8)的轴孔，以及在安装板(1.8)上设置有一对安装翼轴(1.7)的轴孔和一对安装翼杆(1.5)的安装孔，在安装主轴(1.8)的轴孔和安装翼杆(1.5)的安装孔之间的安装板上设置安装脊柱杆(1.6)的安装孔；前安装板(1.2)上设置有一个用于安装脊柱杆(1.6)的安装孔和两个翼杆(1.5)的安装孔；脊柱杆(1.6)和翼杆(1.5)将两个安装板(1.1)和前安装板(1.2)串联，主轴(1.8)和两个翼轴(1.7)将两个安装板(1.1)连接；主轴(1.9)上位于两个安装板(1.1)之间安装有一个主齿轮(1.11)和一个传动齿轮(1.12)，一条翼轴(1.7)上安装一个次传动齿轮(1.13)，两个翼杆(1.7)穿出安装板(1.1)的端部各安装一个翼齿轮(1.14)，传动齿轮(1.12)咬合次传动齿轮(1.13)，两个翼齿轮(1.14)互相咬合；在一个安装板(1.1)上还安装一个电机(1.9)，电机(1.9)的输出端安装电机齿轮(1.10)，电机齿轮(1.10)与主齿轮(1.11)咬合；在前安装板(1.2)和与其相邻的安装板之间安装两组曲柄联动系统。 2.根据权利要求1所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的曲柄联动系统包括传动杆一(1.16)、传动杆二(1.15)、传动杆三(1.4)和翼连接块(1.3)；所述的传动杆一(1.16)通关销轴连接传动杆二(1.15)的一端，传动杆二(1.15)的另一端通过销轴连接传动杆三(1.4)的一端，传动杆三(1.4)的另一端通过螺钉与翼连接块(1.3)固定。 3.根据权利要求2所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的传动杆一(1.16)的另一端与一根翼轴(1.7)的端部固定连接；所述的翼连接块(1.3)夹持在安装板(1.1)和前安装板(1.2)之间，且穿过安装板(1.1)和前安装板(1.2)的翼杆(1.5)也穿过翼连接块(1.3)。 4.根据权利要求3所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的翼连接块(1.3)的端部安装翼臂(2)，所述的翼臂(2)包括主翼臂(2.1)和副翼臂(2.2)，以及连接主翼臂(2.1)和副翼臂(2.2)的连接组件(2.3)。 5.根据权利要求4所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的连接组件(2.3)包括一个主翼臂连接件(2.3.1)和副翼臂连接件(2.3.2)；所述的主翼臂连接件(2.3.1)包括连接件本体(2.3.1.1)和连接件本体(2.3.1.1)一端两侧的限位板(2.3.1.2)，两个限位板(2.3.1.2)之间的连接件本体(2.3.1.1)上设置两个铰接耳(2.3.1.3)；所述的副翼臂连接件(2.3.2)包括连接件本体一(2.3.2.1)和连接件本体一(2.3.2.1)一端的一个铰接耳一(2.3.2.2)；铰接耳一(2.3.2.1)插装在两个铰接耳2.3.1.3之间并用销轴安装。 6.根据权利要求5所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的两个限位板(2.3.1.2)之间的夹角不小于60°，且不大于90°。 7.根据权利要求1所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的安装板(1.1)为一个圆形的镂空板面，且在圆周上设置有两个尖角。 8.根据权利要求1所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的前安装板(1.2)成V字形结构。 9.根据权利要求1所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的脊柱杆(1.6)穿出安装板(1.1)的部分安装尾翼系统(3)，尾翼系统(3)包括成T字形分布的尾翼、控制箱和安装在控制箱上且位于脊柱杆两则的凸轮手柄。 10.根据权利要求9所述的仿生飞行器的机体，其特征在于，所述的控制箱包括控制箱 2
微型扑翼飞行器机翼气动特性研究⒇ 杨淑利,宋文萍,宋笔锋,邵立民 (西北工业大学航空学院翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室,陕西西安 710072) 摘 要:依据微型扑翼飞行器产生升力和推力的机理,设计了一套能够快速、有效求得扑翼飞行器机翼气动特性的计算方法。计算程序通过Visual Basic和Fo rtra n语言混合编程来实现,核心部分是利用改进的片条理论方法估算扑翼机翼的气动性能。计算结果与在西北工业大学微型飞行器专用风洞中所进行的吹风试验结果吻合良好,证明了该方法的正确性和有效性。在此基础上,研究了不同机翼平面形状、不同展弦比、不同上下扑时间比对微型扑翼飞行器机翼气动性能的影响,这些参数对微型飞行器的设计有一定的指导和参考意义。 关 键 词:微型扑翼飞行器,片条理论,机翼,风洞试验 中图分类号:V211.3 文献标识码:A 文章编号:1000-2758(2006)06-0768-06 于20世纪90年代提出的微型扑翼飞行器通过机翼扑动不仅可以产生升力,还可以产生维持扑翼飞行的推力,取代了用螺旋桨或喷气式发动机作为推进器,因此气动效率较固定翼飞行器高出很多[1]。 在研制微型扑翼飞行器时,为了能快速、有效地估算机翼气动特性,本文发展了一套基于改进的片条理论[2]的扑翼气动力计算方法,计算程序是通过Visual Basic和Fo rtra n语言混合编程实现的。计算方法在应用片条理论的基础上,还综合考虑了结构弹性、涡尾迹、失速、翼剖面平均迎角和摩擦阻力等因素的影响。 采用本文方法能够求解扑翼机翼的平均升力、推力、输入和输出功率及推进效率等。所得计算结果和风洞吹风试验结果吻合良好,证明了本文方法的正确性和有效性。另外,本文还研究了机翼平面形状、展弦比、上下扑时间比对机翼气动特性的影响,这些参数对微型飞行器的设计有一定指导和参考意义。 1 机翼气动特性计算方法简述 应用改进的片条理论计算机翼的气动参数,首先,沿展向方向将机翼分成2n个翼剖面,在机翼扑动运动中的每一时刻,求出每个翼剖面的升力和推力,然后叠加得到整个机翼的瞬时升力和推力。 图1显示了第i个翼剖面所受的力和力矩示意图。机翼扑动轴为左右机翼对称轴,弹性轴为机翼的前梁,机翼随前梁的弯曲而弯曲,随其扭转而扭转。第i个翼剖面的弯曲和扭转用h i和θi表示。h i垂直于扑动轴,表示第i个翼剖面的位移;θi位于h i和扑动轴所组成的平面内,表示第i个翼剖面弦向与来流方向的夹角。首先要求得h i和θi运动参数,进而求得i段机翼的气动参数 。 图1 第i个翼剖面的力和力矩示意图 由图1可知 h i=(h0)i+h~i 2006年12月第24卷第6期 西北工业大学学报 J o urnal o f N o rthw estern Po ly technica l U niv er sity Dec.2006 V o l.24N o.6 ⒇收稿日期:2006-02-21 作者简介:杨淑利(1982-),女,西北工业大学硕士生,主要从事微型飞行器的研究。
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 wing flight vehicle in bionics ABSTRACT: 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
扑翼式飞行器的发展与展望 从古至今，人们从没有放弃过对翱翔梦的追求。不仅在许多的古书名著中都有长着翅膀的角色形象，人们也一直在用实际行动尝试着各种飞行的可能。昆虫和鸟类的超强飞行能力逐渐引起了人们的关注，早在中国的汉代时期、欧洲的中世纪就有人模拟鸟类进行飞行活动的记载。随着科技的快速发展，以及飞行器在军事上和民用上的广泛应用前景，扑翼式飞行器已经成为当今的研究热点。 1扑翼式飞行器的发展史 1.1 扑翼式飞行器的早期发展 历史上记载了许多人们对飞行的各种尝试方法，《墨子?鲁问》中记载，鲁班制造的木鸟可以飞行三天；古代中国甚至有人将大鸟的羽毛贴在身上试图飞起来，但最终都失败了。人们逐渐认识到想要飞行必须加上合适的机械装置。 15世纪70年代，著名发明家莱昂纳多?达芬奇设计出一种由飞行员自己提供动力的飞行器，并称之为“扑翼飞机”。“扑翼飞机”模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙，具有多个翅膀。达芬奇认为扑翼机具备推力和提升力。之后人们仿照它进行了很多尝试，有的可以上下蹦跳几下，有的摔成碎片，结果都失败了。 1874年，法国生物学家马雷用连续拍摄的方式初步掌握了鸟类复杂的飞行扑翼动作，以当时的技术水平，这种高难度的动作是无法实现的，与此同时热气球的出现，就使早起人们对制造飞行器尝试告一段落，研究开始转向了其他领域。 1.2扑翼式飞行器国内外的研究现状 随着仿生技术、空气动力学和微加工技术的日益发展，加之军事和民用的广泛应用前景，扑翼式飞行器再次成为了国内外科学领域研究的热点。1997年，DAPRA投入3500万美元，开始了为期四年的MAV的研究计划。加州理工学院、多伦多大学、佐治亚技术研究所、佛罗里达大学、Vanderbilt大学等单位研制了不同结构的扑翼MAV，翼展一般在15cm左右，多采用电池提供能源，飞行时间约在几分钟到十几分钟。加州大学伯克利分校研制的“机器苍蝇”扑翼MAV 总重约为43mg，直径为5mm～10mm，采用太阳能电池和压电驱动。 西北工业大学研制的扑翼MAV采用聚合物锂电池和微型电机驱动，可实现扑翼15Hz～20Hz左右的频率上下拍动，翼展超过15cm。 2扑翼式飞行器的优势及可行性 按照飞行原理的不同划分，MAV可分为固定翼、旋翼和扑翼三种。同其他形式的微型飞行器相比，扑翼式飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。它具有尺寸小、噪音弱、灵活性强、隐蔽性好的特点。 通过分析昆虫各个部分的结构，选用合理的驱动装置，并由电池或其他化学物质提供能源，仿照昆虫结构，同时辅以MEMS设备和装配技术，便可以加工制造出扑翼式微型飞行器。 3关键技术 3.1 空气动力学问题 微型飞行器不同于普通飞机，它的雷诺数大约在104左右，空气的粘性阻力相对比较大，并且扑翼式飞行器是以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为基础，但是昆虫和鸟类的翅膀是平面薄体结构，而非机翼的流线型。我们应充分研究这种非传统
目录 摘要 (1) ABSTRACT (2) 0 引言 (4) 1 国内外仿生扑翼飞行器研究的发展综述 (6) 1.1 国外研究的现状 (6) 1.2 国内研究的现状 (10) 1.3 课题研究的主要内容 (11) 2 超小型仿生扑翼飞行器扑翼有限元模型的建立 (11) 2.1 有限元分析的概述 (11) 2.1.1 有限元分析的原理 (11) 2.1.2弹性力学基础 (14) 2.2 ANSYS软件的介绍 (21) 2.2.1 前处理模块PREP7 (22) 2.2.2 求解模块SOLUTION (23) 2.2.3 后处理模块POST1和POST26 (24) 2.3 扑翼有限元模型的建立 (24) 2.3.1 超小型仿生扑翼飞行器扑翼几何物理模型的建立 (25) 2.3.2 单元类型的选择 (28) 2.3.3 单元特性的定义 (30) 2.3.4 有限元网格划分 (31)
2.4 本章小结 (32) 3 超小型仿生扑翼飞行器扑翼的静态力学特性讨论 (33) 3.1 超小型仿生扑翼飞行器扑翼的结构线性静力学分析 (33) 3.2 超小型仿生扑翼飞行器扑翼的结构非线性静力学分析 (37) 3.3 初探材料特性对仿生扑翼刚度等性能的影响 (40) 3.4 本章小结 (45) 4 结论 (45) 参考文献 (47) 译文 (50) 原文说明 (60)
摘要 超小型仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器，在应用技术上超出了传统的飞机设计和气动力的研究范畴，同时开创了微机电系统技术（MEMS）在航空领域的应用。设计和制造具有良好动力学特性的高效仿生扑翼，是超小型仿生扑翼飞行器研究中的一个关键环节，同时也是目前非常富有挑战性的研究难题。 本文利用有限元的基础理论，对仿照蜻蜓翅翼，设计的仿生扑翼进行结构静力学等内容的分析，研究了超小型仿生扑翼飞行器扑翼的结构特性等。文中的建模、分析方法及所得结论，为超小型仿生扑翼飞行器扑翼的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。 本文基于蜻蜓真实的翅翼样本，利用ANSYS10.0软件，分别建立了仿生扑翼1和仿生扑翼2的几何结构模型，并通过选择适当的单元类型及设定特性参数，完成三维仿生扑翼1和仿生扑翼2的有限元模型。在此基础上，对超小型仿生扑翼飞行器扑翼进行静态特性分析，分别对仿生扑翼1和仿生扑翼2进行线性和非线性力学分析，比较两种情况下结构的变形及应力等静态性能，并初步探讨了改变材料特性对仿生扑翼刚度变形的影响，总结出仿生扑翼的几何外形和结构布局以及材料都会对扑翼的刚性产生一定的影响。 关键词：超小型飞行器，仿生扑翼，有限元分析
四旋翼飞行器无刷直流电机调速系统的设计 孟磊，蒋宏，罗俊，钟疏桐 武汉理工大学自动化学院、武汉理工大学信息工程学院 摘要，关键字：略 近年来，无人机的研究和应用广泛受到各个方面的重视。四旋翼飞行器作为无人机的一种，能够垂直起落、空中悬停、可适用于各种飞行速度与飞行剖面，具有灵活度高、安全性好的特点，适用于警务监控、新闻摄影、火场指挥、交通管理、地质灾害调查、管线巡航等领域实现空中时时移动监控。 四旋翼飞行器的动力来源是无刷直流电机，因此针对该型无刷直流电机的调速系统对飞行器的性能起着决定性的作用。为了提高四旋翼飞行器的性能，本文设计制作了飞行试验平台，完成了直流无刷电机无感调速系统的硬件、软件设计。通过实验证明该系统的设计是可行的。 四旋翼飞行器平台结构 四旋翼平台呈十字形交叉，有四个独立电机驱动螺旋桨组成。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨转向相同，相邻的螺旋桨转向相反同时增加减少四个螺旋桨的速度，飞行器就垂直上下运动；相反的改变中心对角的螺旋桨速度，可以产生滚动、俯仰等运动。结构图如下： 四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分：飞行控制系统和无刷直流电机调速系统。飞行控制系统通过IMU惯性测量单位（由陀螺传感器和加速度传感器组成）检测飞行姿态，通过无线通讯模块与地面遥控器通信。4个无刷直流电机调速系统通过I2C总线与飞行控制器通信，通过改变4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态，系统采用12V电池供电。控制系统结构图如下：
无刷直流电机调速系统 无刷直流电动机既具有运行效率高、调速性能好，同时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，是电机主要发展方向之一，现已成功运用与军事、航空、计算机数控机床、机器人、电动自行车等多个领域。在该四旋翼飞行器上使用了新西达2217外转子式无刷直流电机，其结构为12绕组7对磁极，典型KV值为1400. 通常无刷直流电机的控制方式分为有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。有位置传感器控制方式通过再定子上安装电磁式、光电式或者磁敏式位置传感器来检测转子的位置，为驱动电路提供转向信息。无位置传感器的控制方式有很多，包括磁链计算法‘反电动势法、状态观测器法、电感法等。在各种无位置传感器控制方法中，反电动势法是目前技术最为成熟的、应用最为广泛的一种位置检测方法。本系统采用的饭店董事过零检测法是反电动势法中的一种，通过检测各相绕组反电动势的过零点来判断转子的位置。根据无刷直流电机的特性，电机的最佳转向时刻是想反电动势过零点延迟30电角度的时刻，而该延迟的电角度对应的时间可以有两次过零点时间间隔计算得到。 无刷直流电机调速系统硬件设计 该无刷直流电机调速系统有三相全桥驱动电路、反电势过零电路、电流电压检测电路组成电机驱动器。使用一片ATmega8单片机作为控制器，该单片机内部集成了8kB的flash，最多具有23个可编程的I/O口，输出时为推挽结构输出，驱动能力较强。片上集成了AD 转换器、模拟比较器、通用定时器、可编程计数器等资源。 三相全桥驱动电路利用功率型MOS管作为开关器件，选用P型MOS管FD6637与N型MOS管FD6635搭配使用，设计容量为允许通过的最大电流为30A。FD6637的开关利用三极管9013进行驱动、FD6635的开关直接用单片机的I/O口进行驱动。电路如图3所示。通过R17、R19、R25来减少下管FDD6635的栅极充电电流峰值，防止震荡并保护MOS管；R16、R23、R24作为下拉电阻，保证下关的正常导通与关断；R2、R5、R8作为上管栅极上拉电阻，阻值选择470Ω，既保证了MOS管的开关速率不降低，同时也防止三极管Ic电流过大。A+、B+、C+提供驱动桥的上桥臂的栅极导通信号，分别通过ATmega8的三个硬件PWM通道驱动，通过改变PWM信号的占空比来实现电机调速；A-、B-、C-提供下桥臂栅极驱动信号，由单片机的I/O口控制，只有导通和关闭两种状态。
载人扑翼飞行器研制的可行性报告 摘要：北京二环到五环频频全线拥堵，上海高峰时段驾车出行举步维艰，深圳交通遭遇黑色周一，道路堵塞已成常态，十五个大城市每日因拥堵蒙受损失十几亿元，拥堵已成为各大城市的流行病，2010年中秋前夜的一场秋雨，北京上海各地出现创纪录大堵车，北京一地160条道路堵塞，济南，成都，长沙也显拥堵现象，交通拥堵已向二三线城市蔓延。随着中国经济社会的高速发展，人民生活水平的快速提高，机动车保有量以及增长速度屡创新高。据调查，现在每增加100万辆车，北京需要增加的公路里程数至少应该达到2800公里，这一数字相当于三环以内已经有的公路网络的容量，因此，很难在道路上面再去拓展，再去增加。各种治堵方案层出不穷，但至目前为止，作用有限，效果不尽人意。故而，对于人们日常出行，如果思考角度从地面二维空间向低空三维空间转变，鉴于三维空间的无限性，通过一种合适的方式和手段，必能解决现有的各种出项困局。 扑翼飞行器是人类最古老的梦想之一，就是能够肩插双翅像鸟一样在天空自由飞翔。与传统的固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器的主要特点是，将升力、悬停、推进、控制功能全面集成于扑翼系统中，可以用很少的能量进行远距离飞行，同时具有高效率、高机动性、低噪音、无须专用起飞着陆场地等。 载人的大致上可以分为两类：一类是手动的，就是动力来源于手臂扑扇；一类是引擎作为动力来源的。在1894年左右，一个叫做奥多Otto Lilienthal的家伙在德国变得非常出名，主要是他几次公开的滑翔飞行，而且都成功了。同时这位老兄也对扑翼飞机进行了数次的实验。最后他还建造了这样的一架飞行器，可惜这位老兄走的太早，这项工程就没有完成。 最近的（意思就是中间的我就不搞文字工作了）在2010.8.2号，多伦多航空学院的一个哥们叫做todd reichert，试飞了一架人力的扑翼飞机，这飞机有个好名字叫做雪鸟。这架翼展达32M重约92.59磅的大家伙使用碳纤维、玻萨轻木、泡沫制作而成的；这个飞机可以飞15.91英里每小时。 2，空气动力学原理 如果你想深入的了解扑翼飞机，编者的建议是去英文网页搜索，那里有很多注释。
For personal use only in study and research; not for commercial use 纸飞机飞行原理 纸飞机要飞得远、飞得快，有几点要注意：? 1）要尽量折得两边对称，如果不对称得话，飞机容易转弯，就飞不远了；? 2）翅膀和机身的比例要恰当。机身小翅膀大，飞机升力是够了，但重心上抬，投出去的飞机容易发飘；机身大翅膀小，重心过于下移，飞机就像飞镖一样，惯性十足，但却失去了飞行滑翔的行程，仿佛是扔出去的纸团。正确合理的翅膀和机身比例要根据纸飞机的形状和纸张的质地决定，多试几次就能找到最佳比例；? 3）注意前后的平衡。机头太重，飞机容易一头扎在地上；机头太轻，又容易造成机头上翘，导致失速。通过调整纸飞机的外形，或用纸条或胶带进行适当的加载（如果允许的话）可以调节飞机的平衡；? 4）最后说一点，纸飞机的投掷也很有讲究：不要侧风投飞，不然容易被刮偏；顺风投掷也没有足够的动力；最好是迎着不太强的正面逆风投掷，投出的角度稍大于水平角度，约15度左右，飞机要平稳向前送出，到最后一刻才自然脱手，那样飞得最远。 纸飞机的原理 2、机头不能太重，否则一下就载下去了；? 3、机头不宜太尖。阻力小，速度快，在空中停留的时间自然就短；? 4、机翼适当大一些，这与空气中的浮力成正比；? 5、后翼两侧向上折一下，但注意适度；如果迎面有微风吹来，有时还能向上飞；? 6、折时两边尽量对称，如果是开阔地，可以适当将左或右侧重一点点，使飞机在空中盘旋，可以一定程度上增加飞机在空中的滞留时间。? 7、折完后将两侧机翼向上，形成一定度数的v字夹角，注意不要太向上，稍有一点就行了。之后检查机翼两侧是否对称；? 8、先试飞，观察飞行情况做调整。（比如：飞起来机头向前一点一点的，说明机头轻了）?
仿生扑翼飞行器原理 一.扑翼飞行器简介 扑翼飞行器是区别于固定翼飞行器、旋转翼飞行器的另一类飞行器，其飞行原理直接来自自然界的鸟类和昆虫的飞行方式。与固定翼和旋转翼相比有明显的优势。与固定翼飞行器相比，它可同时将举升、悬停、推进等功能集中在一个扑翼系统中；与旋转翼飞行器相比，它的能量利用率更高，即可推进飞行，也可滑翔飞行，而且更灵活。 二.飞行器的飞行原理 传统飞行器大致可分为三类：一类是根据牛顿第二定律，即作用力与反作用力定律，获得空气的反作用力进行飞行的，包括各类固定、旋转、扑翼飞行器；第二类是阿基米德原理，获取空气的浮力进行飞行，如各类飞艇，热气球；第三类是根据动量守恒定理飞行的，如，火箭，宇宙飞船的飞行等。 由上可知扑翼飞行器的动力来源是空气对飞行器的反作用力。从简单飞艇入手，飞行器的上升原因是因为空气对其竖直向上的推力大于其自身的重力。要获得前进方向的运动必须还得有一个水平的推力，这样飞行器才能完成基本的飞行。比如固定翼飞行器，一般由引擎提供水平的推力，机翼在高速气流的作用下产生升力，再如直升飞机，由引擎提供升力，螺旋桨与水平面的夹角产生的分力作为推力。 综上所述，扑翼飞行器必须能同时获得空气对其在水平和竖直方向上的足够的反作用力，即升力和推力，才能完成简单飞行。 三.对鸟类飞行的分析
了辉煌的成就，但是鸟类仍 是地球上最棒的‘飞行器’。 这里以鸽子作为研究对象。 鸽子可以在前进方向上以任 何角度飞行，还可以从容的 变化飞行姿势，随时转弯， 随意的起飞降落，同时飞行 动作可以清楚的观察。 鸽子的飞行主要归功于它灵活有力的翅膀和尾翼。下面我们将试着简 单的说明一下鸽子的飞行原理。根据前面的飞行原理，鸽子的翅膀必 须能产生竖直向上的升力和水平的推力（这两个力不一定是严格的水 平和竖直）。 1.升力的产生：在这里我们先假设空气是静止的。鸽子的翅膀可以围 绕身体作一定角度的摆动，向下摆动时翅膀展开，向上摆动时翅膀折 叠成到V形，而且往返摆动的时间不相等（这个有待验证）。由于翅 膀上下摆动时受力面积不同，从而导致翅膀上下摆动时的受力大小不 同，向下摆动时空气对翅膀的反作用力F1（竖直向上）大于向上摆 动时空气对翅膀的反作用力F2（竖直向下）， 当F1>G时，产生向上的升力 连续的飞行动作是一个循环的过程，循环单元就是翅膀做一次 上下摆动，向上摆动记作T1，向下摆动记作T2。
基于仿生学的扑翼机设计与仿真 苏扬、邵冠豪、史佳针、李根、李凯兴 （中国民航大学航空工程学院，天津，300300） 摘要:仿生扑翼飞行器是一种模仿昆虫或鸟类扑翼飞行的新型飞行器。由于具有重量轻、体积小、隐身性、可操作性好和成本低等特点,在国防和民用领域均有十分广泛的应用前景。本文主要介绍了基于仿生学研制的某小型扑翼无人飞行器，并对其设计思想和制作工艺进行详细阐述与说明。 关键词: 仿生学扑翼机无人侦察制作工艺 0 前言 论文详细介绍了一款基于仿生学研制的小型扑翼无人飞行器。该扑翼飞行器可以作为无人侦察机使用，整机重20g，采用四翅扑翼机构，翼展为280mm，整机全长仅190mm。该机采用轻木为材料来制作机身，KT板来制作尾翼。不但价格低廉，加工方便，而且还能很大程度上保持较轻的重量和足够的强度。扑翼传动机构采用3D打印技术进行制作，材料为PLA塑料。整机外形尺寸是以家燕为仿生对象来进行设计的，整机的外形尺寸参数如表1所示。 表 1 扑翼无人飞行器试验机结构参数（单位mm） 名称机身长度机身宽度机身最高处翼展机翼弦长机翼厚度垂尾高度 参数190 40 35 280 85 0.015 55 1 扑翼飞行器的设计与建模 扑翼机构采用四翅机构是由于四翅机构可以利用Wei-Fogh效应而产生较高的升力[2]，这会对之后添加工作负载产生很大的帮助。机身结构外形尺寸参数是根据尺度效应[3]来确定的，在最大限度地减重和模仿家燕的同时，还留有一定的可调裕度以适应不同重量的负载。尾翼结构采用应用较为成熟的常规式尾翼。控制方面采用电磁舵机+微型接收机来作为控制舵面的方式。整机三维建模如图1所示。
扑翼飞行器研制现状 UTIAS Ornithopter No.1 多伦多大学有动力单座扑翼飞行器 WIKI UTIAS Ornithopter No.1 Role Experimental ornithopter Manufacturer University of Toronto Institute for Aerospace Studies Designer James DeLaurier First flight 8 July 2006 Number built 1 The UTIAS Ornithopter No.1 (registration C-GPTR) was an ornithopter built in Canada in the late 1990s. On 8 July 2006, it took off under its own power, assisted by a turbine jet engine, making a flight of around 300 metres that lasted 14 seconds. Specifications General characteristics Crew: One pilot Length: 7.47 m (24 ft 6 in) Wingspan: 12.56 m (41 ft 2 in) Gross weight: 322 kg (710 lb)
Powerplant: 1 × K?nig SC-430, 18 kW (24 hp) Performance Cruising speed: 82 km/h (51 mph) Ornithopter Report for 8 July 2006 Hello Everyone We have been runway testing once again. Recall that testing last year was curtailed because of problems with the jet-boost engine. At first this was due to electromagnetic interference: the main engine’s ignition scrambling the jet’s electronic control unit. Measures were taken to correct this, both by us and AMT Netherlands (the engine’s manufacturer). However, after this was dealt with a new problem occurred, where the engine’s glow plug simply wouldn’t ignite. A big clue was that the RPM wasn’t being displayed on the EDT (Electronic Data Terminal), and it turned out that the RPM sensor was damaged. AMT sent us a new one, and the problem was solved. A run-up on 8 June showed no problems with both engines, and the aircraft was then on standby for runway testing. The weather was suitable on Saturday, 8 July, and the team met early in the morning. The first run was at 9:00 and 50 mph was reached with the wings flapping at 0.8 Hz. There were a couple of brief liftoffs, but nothing close to sustained flight. Essentially, this was a repeat of the last run from 2005. The second run was at 9:10 and 51 mph was reached with 1.0 Hz flapping. Again, brief liftoffs were attained, but longer and higher. Runs 3 and 4 (9:20 and 9:38) were virtually identical, with slightly above 50 mph being reached with flapping between 1.05 and 1.1 Hz. Some very large hops were attained, but the engine was throttled back before the hopping continued. The final run was at 10:16, and the wings were given maximum throttle (1.0 Hz). The aircraft then lifted off and stayed off of the runway for a sustained flight of 14 seconds. The height was above one meter and the distance covered was about a third of a kilometer. After about 10 seconds of straight and level flight (amazing looking by the way), a cross wind caused the right wing to begin lifting and the aircraft began to experience roll divergence. Jack Sanderson then throttled back and brought it down, but its roll angle by that time was large enough that it touched the left wing tip and spun around to collapse the nose gear. Jack was fine and the damage isn’t drastic, so the team was in a celebratory mood while walking the aircraft back to the hangar. The important thing to remember is that the aircraft needed the jet boost to stay aloft. It wasn’t a pure flapping-wing flight. We had known that the wing was marginal because it was trying to fly a 770 lb aircraft, whereas it was designed for a 600 lb aircraft. Ornithopter wings are not happy operating at off-design conditions. What we learned is that the wing is actually slightly sub-marginal (not unexpected) and the jet boost was needed. Of course, in all fairness I should say that the jet alone