微型扑翼飞行器的现状及关键技术

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。

一、课题背景现在和未来的飞行机器人设计方向是期望机器人是小巧的、手提的、可随身携带的，像昆虫一样超低空飞行，能够灵活地完成侦查和搜索任务。

随着空气动力学和MEMS 制作等技术的发展，飞行器的小型化、微型化的研究越来越引起重视，微型飞行器（MAV）的出现正是这些研究的产物。

MAV一般是指翼展长度在15cm左右，重量在几十克至上百克，有效载荷20g，航速64~80km/h，留空时间20~60min，航程数10km；它应有实时成像、导航及通讯能力，可用手、弹药或飞机部署。

由于微型化的飞行器在众多领域有不可估量的应用潜力，因此世界许多发达国家已经将MAV技术列为研究的重点。

1992年，美国兰德公司（RAND）提交DARPA的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了MAV的概念。

该报告认为，携有微小传感器、尺寸极小的侦察飞行器的设想可以实现的，发展尺度位于昆虫量级的微型飞行系统对美国在未来保持军事领先具有重要意义，MAV将会改变未来的战争模式。

此后，麻省理工学院(MIT)的林肯实验室(Lincoln Laboratory)和美国海军研究实验室(NRL)对MAV技术上的可行性进行了更为深入的评估，得出了与兰德公司一致的结论。

微型飞行器的概念唤起了巨大的研究热情，得到世界上许多国家的广泛关注，如澳大利亚、德国、日本、俄罗斯、印度、以色列等，他们继美国之后纷纷成立专门研究机构、投入研究经费。

二、MAV飞行方式的选择MAV通过机翼与周围空气的相互作用产生克服自身重力的升力，从而实现空中飞行之目的。

目前MAV根据其翼型运动方式的不同可分为3类，分别为固定翼、旋翼和扑翼。

固定翼MAV在空气动力学方面面临着不少技术问题。

由于尺寸限制，固定翼通常采用小展旋比机翼布局，升阻比较小，升力面积也比较小，而且MAV飞行的速度也比较小(人约lOm／s左右)，所以很难提供足够的升力。

由于尺寸小和航速低，MAV的流场雷诺数比常规的飞行器小得多，传统的空气动力学理论已经不再适用。

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。

飞行器技术的发展现状与未来趋势现代飞行器技术的发展已经取得了巨大的成就，从最早的热气球到今天的喷气式飞机和无人机，飞行器已成为人类出行、军事侦察和科学研究的重要工具。

本文将就飞行器技术的发展现状以及未来的趋势进行探讨。

一、飞行器技术的发展现状目前，飞行器技术正在朝着更高效、更环保和更安全的方向发展。

首先，飞行器的动力系统正在经历改革。

传统的涡喷发动机将逐渐被新一代的混合动力系统所取代。

新兴的电动飞行器和燃料电池飞行器具有零排放和低噪音的特点，对环境的影响更小。

同时，随着太阳能、氢能及其他可再生能源技术的突破和应用，飞机的动力系统将变得更加先进和环保。

其次，飞行器的构造和材料正在不断创新。

轻量化设计是当前飞行器研发的重要趋势。

新型复合材料、高强度钛合金和蜂窝结构材料等的应用，使得飞机在重量上得到了大幅减轻，进而降低了燃油消耗和碳排放。

此外，3D打印技术的应用，使得传统制造过程中的材料浪费得到了极大改善，并且可以实现更加精确的设计。

再次，飞行器导航和通信技术的进步为飞行安全提供了更好的保障。

全球卫星导航系统的发展使得飞机的定位和航线规划更加精准，大幅减少了事故风险。

通信技术的进步也使得飞机与地面的信息交流更加流畅，确保了飞机飞行的时效性和安全性。

二、飞行器技术的未来趋势未来的飞行器技术将更加注重智能化和无人化的发展。

首先，无人机技术将得到快速发展。

随着人工智能和自主导航技术的突破，无人机已经成为军事侦察、物流运输和科学探测等领域的重要工具。

未来，无人机将进一步融入日常生活，例如在城市交通、快递配送和农业灌溉等方面发挥更大的作用。

同时，无人机的设计和制造也将更加精细化，进一步提高安全性和可靠性。

其次，电动飞行器将成为一种趋势。

随着电池技术和电动机技术的快速发展，电动飞行器的续航能力和载重能力将得到大幅提升。

未来，人们可以想象到城市间的电动飞行汽车、个人空中交通工具的出现。

这将彻底改变人们的出行方式，减少交通拥堵和空气污染。

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 brieflyintroduced．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 presentsituation .the future on the research of FA V in China is outlined．Key words：Bionics ; Flapping-wing air vehicle ; Micro air vehicle ; Key technology1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。

全球扑翼无人机产业发展及下游需求专项调研报告随着科技的不断进步和应用，扑翼无人机已经成为新一代无人机的代表之一，无论是在科研领域还是商业应用领域都拥有广泛的市场前景。

本次调研就全球扑翼无人机产业发展及下游需求做出详细分析。

一、全球扑翼无人机产业发展现在，全球扑翼无人机的生产商主要集中在美国、中国、欧洲等发达国家和地区，而其中中国市场占有较大份额，是发展最为迅猛的地区之一。

1. 研发：全球扑翼无人机的研发投入较大，主要集中在高校、科研机构和企业。

在这些机构中，中国的科研投入占据主导地位，其次是欧美国家。

研究领域主要包括机械结构设计、控制算法、飞行器云台技术等。

2. 产业应用：扑翼无人机已经开始应用于电力巡检、土地测量、农业植保以及生态环境监测等领域。

目前，国内的无人机公司已经推出了加装激光雷达、人工智能等高科技装备的扑翼无人机，提高了设备的应用灵活性和精度。

3. 市场前景：扑翼无人机市场前景广阔，主要应用领域是农业、水利、电力、港口码头等方面。

未来几年内，扑翼无人机将更多地与人工智能、机器人等科技进行融合，实现更高效、更智能的应用。

二、下游需求扑翼无人机虽然与其他无人机存在一定相似之处，但其应用领域和市场定位有所不同，因此其下游需求也与其他无人机有所不同。

1. 高清影像需求：扑翼无人机在现实应用中，最为常见就是拍摄高清影像，因此高清影像需求是扑翼无人机下游的重要需求之一。

这类需求主要来自于旅游业、科研领域、建筑工地等。

2. 精准测绘需求：扑翼无人机即便在超低空时也能保证准确的定位和精准的测量，因此，其下游需求中，精准测绘需求也是一个重要的需求品类。

3. 环境监测需求：扑翼无人机在环境监测方面的应用也比较广泛，如空气、水质、土质等方面的监测。

这类需求主要来自于政府部门、环保组织、科研机构和矿业企业等。

总之，扑翼无人机发展前景广阔，产业链不断完善，下游需求也日益增多。

我们可以预见，扑翼无人机将在不久的未来逐渐走向成熟和普及，成为各行各业新的有力工具。

2023年扑翼机行业市场调查报告扑翼机是一种以类似鸟类扑翼的运动机制进行飞行的机器人。

近年来，扑翼机行业迅速发展，市场需求潜力巨大。

本市场调查报告将对扑翼机行业的发展情况、市场规模、竞争格局、发展趋势以及影响因素等进行综合分析，为投资者提供参考。

一、市场背景随着人类对飞行技术的探索和技术的不断进步，扑翼机作为一种全新的飞行形式，具有较大的市场潜力。

扑翼机适用于农业喷洒、环境监测、应急救援、科学研究等领域，特别适用于复杂地形条件下的搜救任务。

二、市场规模根据行业数据，扑翼机市场规模不断扩大。

2019年全球扑翼机市场规模约为10亿元人民币，预计到2025年将达到100亿元人民币，年均增长率约为40%。

市场规模呈逐年增长趋势，具有较高的投资价值。

三、竞争格局目前扑翼机市场竞争格局较为混乱，主要参与者有国内外的科技企业和创业公司。

国内企业主要有某航空技术公司、某科技集团公司等，国外企业主要有某航空公司、某科技公司等。

由于技术门槛相对较高，市场上的知名品牌相对较少。

市场上主要的竞争优势在于产品的飞行稳定性、携带能力以及续航时间等方面。

四、发展趋势未来扑翼机行业发展趋势主要有以下几点：1. 技术升级：随着科技不断进步，扑翼机的飞行稳定性、携带能力以及续航时间将进一步提高，能够实现更多复杂任务。

2. 应用广泛化：扑翼机的应用领域将迅速扩大，不仅仅局限于农业喷洒、环境监测等领域，还可以应用于农田灌溉、航空摄影等领域。

3. 高效节能：扑翼机具有低耗能、低排放的特点，具有较大市场潜力。

4. 创新发展：扑翼机行业需要不断创新，研发更加高效、安全的产品，以满足市场需求。

五、影响因素扑翼机行业的发展受到多个因素的影响，主要有技术发展水平、市场需求、政策支持以及国内外竞争等。

其中，技术发展水平是行业发展的关键因素，技术的不断升级将推动行业的进一步发展。

六、总结扑翼机行业作为一种全新的飞行形式，具有较大的市场潜力。

随着技术的不断创新和市场需求的扩大，扑翼机行业将迎来更好的发展机遇。

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。

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。

扑翼飞行器发展概述摘要：扑翼飞行器历史悠久，但早期受限于科学技术水平，扑翼飞行器的发展并不顺利；但是近年来，随着MEMS技术、空气动力学和新型材料等的发展，使如今扑翼飞行器的小型化、微型化成为可能。

本文简要介绍了扑翼飞行器的发展史以及新的发展趋向。

关键词：扑翼微型 MEMS扑翼飞行器（英文学名：ornithopter），是指像鸟—样通过机翼主动运动产生升力和前行力的飞行器，又称振翼机。

1.扑翼飞行器发展史达·芬奇在1485年设计了一架靠人力驱动的扑翼机,虽然这架扑翼机是无法飞行的，但它在驱动机构方面显示出很高的工程技巧。

由于受到工业发展水平的影响，早期的扑翼飞行器都是以人力驱动为主，如1902年的专利申请FR318525A中的一种人力扑翼飞行器，是通过一种类似自行车的机构结合扑翼构成的。

20 世纪初，俄罗斯科学家和设计师们在扑翼飞行器领域内取得了重大突破，但鉴于当时的科学以及工业水平，他们制造的扑翼飞行器也并非是理想的飞行器。

总结了失败的经验，科学家们重新进行计算设计，并通过试飞实践和所积累的理论资料，科学家们看到了许多问题，如：机翼煽动时的频率不够，并不足以产生理想的升力和推力。

重要的是，人们也逐渐意识到了仅靠人体自身肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。

加拿大多伦多大学的DeLaurier致力于载人扑翼机的研制。

他和合作伙伴Harris在1991年制出一架自由飞模型，成功试飞并验证了全尺寸扑翼机所需要的一些技术。

1999，全尺寸载人样机进行了地面滑跑试验，试验中可以滑跑、加速、抬头并短暂离开地面，但没能实现起飞和爬升。

2.扑翼飞行器发展新趋势近年来，随着MEMS（微型机电系统）技术的迅速发展，微型飞行器成为了一个新兴的研究方向。

早在1982年，美国加洲大学伯克利分校就开始进行微型扑翼飞行的运动机理和空气动力学的实验研究，并在十几年研究的基础上于1998年开始实行微型扑翼飞行昆虫（MFI）的研究计划，目的是模拟苍蝇的独特飞行性能，设计出一种能够独立自主操纵的微飞行机器。

2023年扑翼机行业市场前景分析扑翼机作为一种新兴的飞行器，目前市场前景广阔，与传统的直升机和固定翼飞机相比，具有独特的优势和特点。

未来随着技术的不断进步和市场需求的不断增长，扑翼机市场前景将会更加光明。

下面从市场需求、技术发展以及政策环境等方面分析扑翼机行业市场前景。

一、市场需求1.新兴市场需求的增加随着全球经济的高速发展，人们对于快速、安全、高效的交通方式需求越来越大，扑翼机具有快速起飞和降落的特点，并且可以在较小的空间内操作，非常适合于城市的短距离交通需求。

除此之外，扑翼机还具有地形适应性强、使用成本低等优势，可以广泛应用于救援、商业运输、旅游、环境监测等领域。

2.军事应用的需求扑翼机在军事领域的运用也越来越广泛，可以用于侦察、情报搜集、无人值守侦察机、反无人机等领域。

尤其是在抗洪救灾、边境巡逻等任务中，扑翼机可以用于低空侦察和援救，具有独特的优势。

二、技术发展1.动力技术的提升扑翼机动力技术的不断提升，将会提高扑翼机的普及程度和使用范围。

目前，扑翼机主要使用的是古尔德翼技术，但是在未来，通过发动机、涡轮等动力系统的改进，扑翼机的性能将会更加卓越。

2.智能化技术的发展随着人工智能技术的发展，未来的扑翼机将会更加智能化和自主化。

人工智能技术将会用于扑翼机的与地面控制系统的通信、导航控制、自主避障等方面，提高了扑翼机的自主实现。

三、政策环境国家对于无人机和飞行器的监管日趋严格，加强了对扑翼机的监管力度。

同时，政府对于扑翼机的推广力度不断加强，将会促进扑翼机市场的快速发展。

未来也有可能出台一些对于扑翼机的专门政策，以更好地促进扑翼机市场的发展。

综上所述，扑翼机市场前景非常广阔，尤其在城市交通、救援、旅游等领域，将会有更加广泛的应用。

随着技术的不断发展和政策环境的不断改善，扑翼机市场将会迎来更加光明的未来。

微型飞行器的结构设计与控制技术研究近年来，随着科技的不断进步和人们对航空技术的需求不断增强，微型飞行器的重要性日益凸显。

微型飞行器，即指飞行器体积非常小，通常不超过10厘米，重量轻，且能够完成飞行任务的无人机。

在现代工业、军事与航空领域中，微型飞行器已经开始被广泛应用，并取得了一些重要的成果。

而在微型飞行器的研究与发展过程中，其结构设计与控制技术是两个非常关键的方面。

一、微型飞行器的结构设计微型飞行器体积小、重量轻、翼面积小，因此，在设计时需要考虑到其流体力学特性、气动性能、传热性能等方面，并进行特殊的设计。

主要的结构设计包括外形设计、材料选择、传动装置和动力装置。

1. 外形设计在外形设计方面，对于微型飞行器而言，需要考虑到其外形、重心、气动阻力等方面的特点。

其外形应该具有优良的气动性质，降低飞行时的阻力，且能够稳定地进行空中悬停运动。

外形设计的一个重要特征是将飞行部件集成在一起，以减小重量和飘移影响。

2. 材料选择材料选择是微型飞行器结构设计的重要方面之一。

由于微型飞行器体积小，其材料选择必须非常保证强度、刚性和轻量化的性能。

对于微型飞行器而言，选择高强度、轻量化的材料非常重要。

目前，常用的材料如碳纤维、铝、钛和镁等。

3. 传动装置传动装置主要用于推动电动机和其他关键的操作部件，是微型飞行器中非常重要的一部分。

现在常用的传动装置包括电子和机械装置。

电子式传动装置采用电子配件来推动电机的旋转，它的效率高、精度高、速度快。

机电传动装置则是基于机械媒介的传输类型，可靠性和稳定性更高。

4. 动力装置微型飞行器的动力装置是直接影响其性能的决定因素之一。

其主要动力装置可分为化学能储存与无线能储存两种类型。

在化学能储存类型中，纯电动型和混合动力型是比较常用的。

无线能储存类型，但是其供应时间相对较短，一般不超过30分钟。

二、微型飞行器的控制技术目前，微型飞行器控制技术的研究和发展已经成为微型飞行器研究领域的重要方面之一。

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。

新型微型飞行器的设计与研发随着科技的不断进步，新型微型飞行器越来越受到人们的关注和重视。

它不仅可以用于民用领域，如侦察、拍摄、搜救等，还可以应用于军事领域，如间谍活动、无人侦察等，因此，逐步研发设计出一款高效稳定的微型飞行器显得尤为重要。

本文将从机身设计、航空动力、控制系统等方面探讨新型微型飞行器的设计与研发。

一、机身设计微型飞行器的机身设计十分关键，它需要具有良好的稳定性、抗风能力和高强度。

目前，较为流行的机身形式有气球、飞翼、圆管、对称型等，而飞翼式机身则被广泛用于微型飞行器中，因为它不仅减小了前后机身的阻力，提高了飞行效率，还可以减轻机身的重量和空气阻力。

因此，在机身设计中，需要考虑到机身的尺寸、形状和材质等因素，以达到更好的飞行效果。

二、航空动力航空动力是微型飞行器研发中的又一个重要环节。

目前主要采用的动力源有电力、化学能和太阳能等。

其中，电动飞行器是最为常见和普遍的一种类型，它不仅安全性高，而且使用方便，有利于实现精密控制。

化学能飞行器则多用于长距离飞行，但它的安全性不如电动飞行器。

太阳能飞行器则需要通过光能来提供能量，但其受到天气、夜晚等因素的影响比较大。

因此，在实际研发中，需要采取合适的动力源来满足微型飞行器的需求。

三、控制系统控制系统是微型飞行器的一个核心部分，它可以帮助飞行器进行平稳的飞行和精密控制。

目前，微型飞行器的控制系统主要分为手动控制和自动控制两种。

手动控制需要人工操作，适用于一些简单的任务，但其受人为因素的影响比较大。

自动控制则可以更精准地控制飞行器，但需要加入更多的硬件设备和模块。

因此，在实际应用中需要根据具体情况选择不同的控制方式。

四、智能化微型飞行器的未来发展趋势是智能化。

未来，微型飞行器将会搭载各种智能模块，如人工智能、计算机视觉等技术，可以自主飞行，自动执行任务。

智能化可以帮助微型飞行器更加精准的完成任务，可以应用于更广泛的领域。

但智能化需要大量的技术和研发工作，需要更加注重相关技术的研究和开发。