超小型仿生扑翼飞行器扑翼结构有限元分析

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。

扑翼飞行器翅翼结构设计与气动性能研究摘要：由于扑翼飞行器在众多领域中具有不可估量的发展前景，是世界许多科研机构重点研发对象。

为提高飞行器的飞行性能，分析不同鸟类的分析特点，运用Solidsworks软件构建出单段式、两段式、三段式和拍式四翼单段式的翅翼模型，然后在Fluent软件中进行三维模型瞬态气动性能分析，采用UDF自定义函数和动网格进行仿真模拟计算，得到了不同翅翼的升力系数、阻力系数和升阻比，并对翅翼表面压力场进行分析。

由此可知，翅翼自由度越大，翅翼表面相对最大压力值随着翅翼自由度增加而增大，相对最小压力值随着减小。

关键词：扑翼飞行器，翅翼结构，Fluent，气动性能Abstract：A flapping wing aircraft has an immeasurable development prospect in many fields, which is a key research and development object of many scientific research institutions in the world. In order to improve the flight performance of the aircraft the flighting characteristics of different birds was analyzed, and the single section, two-stage, three-stage and beat type four wing single section wing models was constructed by Solidsworks. Then, the transient aerodynamic performance of the three-dimensional model was analyzed in fluent software. The UDF function and dynamic grid were used to simulate and calculate the lift coefficient of different wings. The pressure field on the wing surface was analyzed. It can be seen that the larger the degree of freedom of the wing is, the greater the value of the relative maximum pressure on the surface of the wing increased, while the relative minimum pressure value decreased.Keywords：Flapping wing aircraft, wing structure, Fluent, aerodynamic performance1.绪论微型飞行器(MAV)概念是20世纪90年代才开始提出的，根据其翼型运动方式的不同可以分为3类，分别为固定翼、旋翼和扑翼。

摘要摘要微型扑翼飞行器扑翼运动规律与控制技术研究微型扑翼飞行器是一种仿鸟类的飞行器，其相比于固定翼飞行器和旋翼飞行器具有独特的优点，并且在军用和民用领域都具有非常广阔的应用前景，因此微型扑翼飞行器已经成为国际各大机构的研究热点之一。

本文主要对微型扑翼飞行器扑翼的运动模型和控制系统进行了研究，主要研究内容如下：首先，参考固定翼飞机的坐标系理论，定义了微型扑翼飞行器飞行时的坐标系统，建立了飞行时的运动参数和坐标系之间的关系。

并根据欧拉旋转定理，推导出了惯性、机体和机翼坐标系之间的变换矩阵。

其次，研究了微型扑翼飞行器扑翼的运动形式，设计出了刚性和柔性两种扑翼模型，并对这两种扑翼模型的气动力进行了分析和计算，并分析了迎角、扑动倾角、转动时间比等参数对扑翼的气动力的影响。

比较了这两个模型的特点，结果表明刚性扑翼模型具有平飞和驻飞两种飞行方式，两种飞行方式的结合可以极大的提高飞行器的机动性，而柔性扑翼模型由于自身的柔性变形能极大的提高飞行器的气动性能。

对两种扑翼模型在惯性坐标系下的气动力和气动力矩进行了分析，确定了影响飞行器位置和姿态的参数，并推导出了微型扑翼飞行器运动的总微分方程。

最后，根据推导出的微型扑翼飞行器总微分方程，提出了分层控制的方法，将微型扑翼飞行器的控制系统分为三个相对独立的控制层：轨迹规划控制层、位置控制层和姿态控制层，重点研究了位置控制层和姿态控制层控制系统的设计。

确定了以一个周期内的平均气动力和气动力矩代替瞬时气动力和气动力矩的控制方法，针对两种扑翼模型，提出了与之相适应的控制方法，并探讨了神经网络控制和切换控制在驻飞飞行姿态控制中的应用，最后采用MATLAB工具对控制系统进行了仿真分析。

关键词：微型扑翼飞行器，气动特性，运动方程，位置控制，神经网络控制，姿态控制AbstractAbstractThe Flapping Wing Motion Law and Control Technology Research of theMicro Flapping Wing Flight VehicleMicro flapping wing flight vehicle is a kind of imitation bird flying machines,because it is compared with the fixed wing aircraft and rotor wing aircraft has unique advantage,and in the field of military and civilian has very broad application prospects,so the study of the micro flapping wing flight vehicle become to one of the highlights in agro-scientific research in the international institutions.This paper aim at the motion law of flapping wing and the design of control system,The main research content is as follows:First of all,according to the fixed wing aircraft coordinate system theory,the coordinate system of the micro flapping wing flight vehicle was defined,and the relation between movement parameters of the micro flapping wing flight vehicle and the coordinate system has been defined.And according to the euler rotation theory,derived the transformation matrix of these three coordinate.Secondly,studied the motion form of the micro flapping wing flight vehicle,designed the rigid and flexible flapping wing model,and the aerodynamic force is analyzed and calculated for two flapping wing models.Then analyzed the influence of the flapping angle and the rotation time on the aerodynamic characteristics of flapping wing.The results show the rigid wings has two flight modes,the horizontal flight and hovering flight,which may enhanced flight mobility if they work together,and flexible flapping wing structure can greatly enhance the aerodynamic characteristics of flapping wing because of the flapping wing flexible deformation.The aerodynamic force and moment in inertia coordinate system of two kinds of flapping wing model were analyzed,and the parameters which effect the position and the posture of the micro flapping wing flight vehicle has been determined,and deduced the total differential equation of the micro flapping wing flight vehicle movement.Finally,according to the micro flapping wing flight vehicle total differential equation,吉林大学硕士学位论文It decomposes the global control system into three independent control systems,trajectory planner control system,position control system and posture control system.For the position and the posture control system,a method of average aerodynamic forces and moment is designed.According to two kinds of flapping wing model,put forward the corresponding control method,for the two models of the micro flapping wing flight vehicle position and posture control strategies were studied.The application of artificial neural network and the switching control for micro flying vehicle in hovering flight is discussed.Finally,the control systems are simulated and analyzed by the MATLAB.Key words:micro flapping wing flight vehicle,aerodynamic characteristics,movement rule,position control,neural network control,posture control目录目录第1章绪论 (1)1.1课题的研究背景和意义 (1)1.1.1扑翼飞行器的研究背景 (1)1.1.2研究意义 (2)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1国外研究现状 (3)1.2.2国内研究现状 (5)1.3论文的主要工作 (6)第2章扑翼飞行机理和飞行坐标系统 (7)2.1昆虫的飞行机理研究 (7)2.2坐标系定义 (10)2.2.1结构模型 (10)2.2.2坐标系定义 (11)2.3坐标系之间的变换矩阵 (12)2.3.1惯性坐标系和机体坐标系之间的变换矩阵 (12)2.3.2机体坐标系与机翼坐标系的关系 (13)2.4本章小节 (14)第3章扑翼模型及气动力分析 (15)3.1引言 (15)3.2刚性扑翼模型平飞气动力分析 (15)吉林大学硕士学位论文3.2.1刚性扑翼模型平飞飞行方式 (15)3.2.2气动力计算 (16)3.2.3仿真与分析 (18)3.3刚性扑翼模型驻飞气动力分析 (19)3.3.1刚性扑翼模型驻飞飞行方式 (19)3.3.2气动力计算 (21)3.3.3仿真与分析 (22)3.4柔性扑翼模型的气动力分析 (23)3.4.1柔性翼的扑动方式 (23)3.4.2气动力计算 (24)3.4.3仿真与分析 (24)3.5本章小结 (25)第4章微型扑翼飞行器的运动方程 (27)4.1参数关系的建立 (27)4.2微型扑翼飞行器三维空间运动方程的建立 (28)4.2.1平动时的动力学方程 (28)4.2.2转动时的动力学方程 (28)4.3作用在微型扑翼飞行器机体上的力和力矩 (30)4.3.1刚性扑翼模型平飞飞行的力和力矩 (30)4.3.2刚性扑翼模型驻飞飞行的力和力矩 (31)4.3.3柔性扑翼模型的力和力矩 (33)目录4.4本章小结 (35)第5章控制系统设计 (37)5.1引言 (37)5.2刚性扑翼模型平飞飞行控制系统设计 (38)5.2.1刚性扑翼模型平飞位置控制 (38)5.2.2刚性扑翼平飞飞行的姿态控制 (42)5.3刚性扑翼模型驻飞飞行控制系统设计 (44)5.3.1基于切换控制的姿态控制方案 (44)5.3.1基于神经网络的姿态控制方案 (47)5.4柔性扑翼模型飞行控制系统设计 (49)5.4.1柔性扑翼模型位置控制系统 (49)5.4.2柔性扑翼模型姿态控制系统 (52)5.5本章小结 (54)第6章总结与展望 (55)6.1全文总结 (55)6.2展望 (56)参考文献 (57)作者简介及科研成果 (63)致谢 (65)第1章绪论第1章绪论1.1课题的研究背景和意义微型扑翼飞行器是一种仿生类飞行器，同固定翼飞行器相比，固定翼飞行器要产生很大的升力需要很大的表面积和很高的飞行速度，而很高的飞行速度需要发动机提供很大的牵引力，所以固定翼飞行器无法完成低速条件下的稳定飞行，扑翼飞行器所维持飞行所需要的升力和推力均由扑翼的扑动产生，不需要大功率发动机的牵引，因此能够完成低速条件下的飞行。

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。

摘要超小型仿生扑翼飞行器(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。

本文以采用单曲柄双摇杆驱动机构的超小型仿生扑翼飞行器为研究对象,以提高其运动对称性为目的进行优化设计，为解决该类飞行器在飞行过程中发生向左或者向右倾斜、栽落的问题提出一种新的解决方案。

在对鸟类扑翼飞行生物学原理研究的基础上，从合力作用与分解的角度提出了一种气动力对超小型仿生扑翼飞行器作用的机理，解释了超小型仿生扑翼飞行器在试飞过程中倾斜栽落的力学原因。

同时根据该机理和条带理论计算了超小型仿生扑翼飞行器作一维拍动时上下方向受到的气动力，最后将计算结果与风洞实验所得到的升力曲线进行了比较，二者的结果比较接近。

用ADAMS建立超小型仿生扑翼飞行器虚拟样机，将气动力计算结果加载到虚拟样机上，仿真得到动力学状态下两翼扑动角速度曲线图；位置控制系统应用PID控制技术，借助MATLAB和ADAMS进行联合仿真，结果显示该控制系统设计合理，为超小型仿生扑翼飞行器的研制奠定了基础。

关键词：扑翼飞行器，仿生，PID控制，仿真The Design of Control System for Bionic Flapping-wingＭicrominiature Air VehicleABSTRACTBionic Flapping-wing Microminiature Air Vehicle (FMAV) are new conceptual air vehicles that mimic the flying modes of birds and insects. The study of bionics and aerodynamics indicates that the MAV which the characteristic dimension almost equate to bird or insect, the flapping flight is precede to fixed and rotatory MAV.The object of study in the paper is FMAV that have driving mechanisms of single-crank and double-rocker, and launched the work surrounding the goal of enhancing the symmetry of the wings’ movement. a new solution of FMAV with driving mechanisms of single-crank and double-rocker often tilt toward the left or the right and fall in the course of flight was proposed in the paper. Based on the biological flight mechanism of birds, a new mechanism of FMAV affected by forces was proposed in view of composition of forces, and the reason of the phenomena in force was explained under the using the new mechanism. The force on wings in a full cycle was computed new mechanism when there was only flapping, and its curve is similar to the curve tunnel test.The whole simulation model of FMAV was established in ADAMS, then the precomputed force was load to the model, and the angular velocity of both wings in aerodynamic situation was gained, which paved the way to the dynamics optimization of the driving mechanisms. The position control system was designed by PID in the paper. The position control mode is research deeply by MATLAB and ADAMS. Results indicate that this position control system is efficient.Key words:FMAV，bionic，PID，simulation超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计厉敏0811051750 引言自古以来，人们就梦想着在天空自由翱翔。

微型扑翼飞行器扑翼气动特性分析作者：刘赫然黄健来源：《山东工业技术》2016年第18期摘要：本文主要是以飞蛾的翅翼作为分析对象，设计了不同结构和形状的蛾翼；通过改变扑翼频率等性能参数，对扑翼的气动特性进行分析；通过利用有限元软件，对翅翼进行单向流固耦合分析；并得出翅翼结构对气动特性的相关影响因素。

关键词：翅翼；有限元分析；流固耦合；气动特性DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.18.2370 引言近年来，微型扑翼飞行器因其尺寸小、机动性强、隐蔽性好等特点，已经成为国内外研究的热点。

其中在空气动力学方面是扑翼飞行器的研究基础也是研究重点，在国内外学者的研究工作中发现，扑翼飞行器的柔性翅翼对扑翼的气动特性有较大的影响[1-3]。

因此，为了更好的了解扑翼飞行器在低雷诺数下能够稳定灵活的飞行，有必要进行相关的扑翼气动特征分析。

在自然界中，扑翼式生物产生气动力的来源主要有以下三种：（1）主动推升力（通过扑翼的翅翼的自身扑动产生）；（2）惯性叠加力（通过飞行时惯性力和自身重量产生）；（3）柔性变形力（通过翅翼在扑动时产生柔性变形而产生）。

在这三种产生的推升力均存在一定关系的耦合，而且在主动推升力和柔性变形力的研究中，Dickinson[4]等人利用通过研究昆虫的翅膀动作提出了三种动作模式：尾迹捕捉、旋转环流和延时失速，充分论证了两种力之间的耦合关系。

孙茂[5]等人用数值模拟方法，求解N-S方程研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。

分别就昆虫在不同飞行状态下、不同速度时升力及推力的来源进行了分析，完善了扑翼飞行器的气动机理，同时得出了比功率随飞行速度的变化关系曲线。

本文从仿生学角度出发，建立了仿生翼脉。

通过利用有限元分析软件，对翅翼进行单向流固耦合分析，然后通过改变扑翼特性参数（扑翼攻角、扑翼频率等）实验对比，分析仿生翼脉的不同结构对柔性扑翼气动结构特性的影响。

1 研究对象目前所研究的扑翼飞行器按其特征尺寸形状可以分为仿鸟类扑翼飞行器和仿昆虫扑翼飞行器，由于鸟类的翅膀结构很复杂，通过控制肌肉来控制骨骼以及小羽翼的变化，其动作特征灵活多样，完全模仿其动作难度较大，但昆虫翅翼则不同，它们只在翅翼根部有肌肉，翅翼的状态只能从根部来控制。

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》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。

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。

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。

扑翼飞行器工作原理最近在研究扑翼飞行器的原理，发现了一些有趣的事儿，今天来聊聊扑翼飞行器工作原理吧。

你看啊，鸟儿在天空中自由自在地飞翔，那轻盈的姿态真是让人羡慕。

其实这就和扑翼飞行器有着类似的原理呢。

鸟儿扇动翅膀的时候，会产生向上的升力以及向前的推力，扑翼飞行器也是这样的。

当扑翼向下扇动时，相当于给空气一个向下的作用力，根据牛顿第三定律，空气会给飞行器一个向上的反作用力，这个反作用力就是升力的一部分啦。

打个比方，就好像我们游泳的时候，用手向下划水，水就会把我们往上推，是不是很好理解呀。

那向前的推力又是怎么来的呢？这就要说到扑翼运动的复杂性了。

鸟的翅膀不只是简单的上下扇动，在扇动过程中还有扭动和弯曲的动作。

扑翼飞行器也是这样，通过巧妙地设计扑翼的运动轨迹，它在上下扇动时还会产生一个向前的分量，这个就类似鸟儿在扇动翅膀时，既获得了升力又获得了向前的动力。

老实说，我一开始也不明白为什么扑翼飞行器的翅膀设计得那么复杂。

后来查阅资料发现，这里面涉及到空气动力学的一些理论。

比如说，伯努利原理就在这里起了作用。

空气在翅膀上下表面的流速不同，就会导致压力不同，这也进一步影响了升力和推力的产生。

说到这里，你可能会问，扑翼飞行器这种模仿鸟儿飞行的设计有啥实际应用呢？可多啦。

比如说在军事侦察方面，扑翼飞行器因为外形接近鸟类或者昆虫，不容易被发现。

还有在一些特殊环境的科考活动中，体积小、灵活性高的扑翼飞行器能够深入复杂地形进行探测。

不过，扑翼飞行器的发展也有很多限制。

就比如说能量供应的问题呀，鸟类能够不断扇动翅膀飞行，是因为它们经过了长时间的进化，身体有非常高效的能量转化机制。

而目前人类制造的扑翼飞行器想要长时间飞行，在能量供给上还面临挑战。

还有呀，扑翼的精确控制也是个难点，就像要精准地指挥一个复杂的舞蹈演员的每个动作一样困难。

我自己理解，扑翼飞行器的研究虽然目前还有很多挑战，但是它如果能够发展完善的话，未来在很多领域都会产生巨大的变革。

扑翼机的飞行原理扑翼机是一种通过模仿鸟类和昆虫的翅膀运动实现飞行的飞行器。

它的飞行原理源于对空气动力学的深入理解和对昆虫和动物生理机制的研究。

下面，我们来详细解析扑翼机的飞行原理。

1.空气动力学原理扑翼机的飞行的基础是空气动力学，即空气对物体的作用力。

当一个物体运动时，它通过周围的空气流动产生一种叫做升力的力量，这个力量可以支持物体在空中飞行。

扑翼机的翅膀设计就是为了最大化升力的产生。

扑翼机的翅膀通常采用曲面形状，它可以使空气在翅膀两侧产生不同的流速，形成一个向上的压差，使得机器可以产生一个向上的升力。

扑翼机的翅膀还可以实现扭转和变形，这可以提高机器的机动性和增加升力。

2.生理学原理扑翼机的飞行原理不仅仅是基于物理学原理，还涉及生理学原理。

动物和昆虫的翅膀形状和运动方式都对扑翼机的设计有很大的启示。

例如，鸟类的翅膀有一个特殊的羽翼结构，它们可以在飞行过程中翘起或展开，来控制鸟的机动性和速度。

而昆虫的翅膀则非常轻盈，非常适合在空气中飞行，同时，它们的翅膀可以扇动非常快的速度，每秒数百次，从而产生足够的升力。

扑翼机设计师参考了这些生物的特点，通过研究和模拟它们的翅膀运动方式，来为扑翼机的翅膀设计提供灵感。

这些设计可以使扑翼机在空中更加敏捷和灵活。

3.控制和稳定性扑翼机的控制和稳定性是保证其正常运行的关键。

在飞行时，扑翼机的翅膀需要以一定的速度和角度扫过空气来产生升力。

机器必须能够动态地调整翅膀的角度和速度来改变升力的大小，从而保持稳定的飞行。

扑翼机的控制还必须面对降落和起飞等问题。

在起飞时，扑翼机需要产生足够的升力才能离开地面。

在降落时，它需要缓慢降落在地面上。

为了实现这些，扑翼机需要配备特殊的传感器和控制器来检测其位置和动作，以及对环境进行判断和调整。

综上所述，扑翼机的飞行原理取材于空气动力学和生理学原理，同时需要配备先进的控制和稳定系统。

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。

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。

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）。

扑翼机构的发展及结构设计分析从古至今，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。