仿生扑翼飞行器 我们的团队 扑翼飞行器的发展现状及背景 制作扑翼飞行器要了解的方面 ( 前期准备 ) 扑翼飞行器的原理 扑翼飞行器的扑翼驱动机构 扑翼飞行器的机构动态分析 预期成果 经费预算 图片

我们的成员 吕红勇： 11级机械设计制造及其自动化十班，个人动手能力强，喜欢做一些小

发明，小创造，，学习了 soliddworks , pro-e 等三维制图软件，现属于机械工程学院科协的一个成员，对机械结构设计比较感兴趣，喜欢琢磨东西，擅于团结周围的人。中学时参加小发明小制作获一等奖和二等奖。大学期间积极参加学校举办的各种机械设计比赛。参加了学校的科研立项，在学院举办的《运水小车》比赛中获二等奖。暑期自行组织去中国第一重型机械集团进行社会实践。

冯乐： 10级电子卓越试点班，对专业知识掌握较好，喜欢设计和制作小发明，曾制作过四轴飞行器，并成功的完成。也制作过小飞机，可以说在飞行器方面有一定的基础。擅长机械装置的控制系统的设计与制作。

蒋卓尔： 11级机械工程学院，热爱科技创新，积极参与学校举办的各种科学技术创新活动，参加过许多比赛，例如世纪杯，科研立项等，世纪杯获得三等奖，科研立项通过审查。

王朋： 11级机械工程学院，积极参加学校组织的各种科技创新活动，有一点的专业基础知识，热爱科技发明，喜欢钻研，爱动脑子。

扑翼飞行器的发展现状及背景

从古到今，人们对飞行都充满向往，也做了很多的尝试。昆虫和鸟类翅膀很大的机动灵活性，超强的飞行能力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。随着对生物飞行机理的认识和微电子机械技术 、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。也有一些公司加入了仿生扑翼飞行器的研究队伍。就国内高校而言，西北工业大学，南京航空航天大学等高校也进行过仿生扑翼飞行器的研究。由于扑翼飞行器相对固定翼和螺旋翼飞行器来说具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点，扑翼飞行器越来越被人们关注。

制作扑翼飞行器要了解的方面

1.空气动力学基础 仿生扑翼飞行研究以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为主，但昆虫和鸟类

的翅膀不像飞机翼那样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构。按照传统的空气动力学理论，它们无法有效地利用空气的升力和阻力，因而就很难起飞。但是它们翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，这会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力学效应是研究和理解昆虫、鸟类飞行的运动机理和空气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础。

2.飞行动力和能源问题 由于微型扑翼飞行器要求外形较小、质量轻、驱动元件效率高、能耗少，这就要求我们在对仿生扑翼飞行内在关系的分析了解基础上，对其能源动力系统的质量、大小以及功率等方面的因素对扑翼飞行驱动的作用进行深入细致的探讨。考虑到扑翼飞行对质量和大小的要求，并从研究的角度及目前的动力系统发展趋势来看，在今后的研制过程中，电池和微小型电机应是相当长一段时间内的首选对象。

3.翼形和材料 仿生翼必须轻而坚固，能够在高频振动下不会断裂，且要能够提供足够的升力和推进力等。在设计过程中，翼形主要还是仿造生物翼形状，翼的重量要轻，在扑动过程中还要有灵敏的柔性。此外，材料的选择涉及仿生扑翼飞行的整个过程，设计中的重量轻、柔性以及微型化等要求都与材料有关。如在驱动结构设计中，压电陶瓷和化学肌肉等智能材料都被采用。另外，为保证整体重量轻，翼有一定强度且能灵活变形，聚脂化合物及碳纤维等也被广泛采用。4. 通信和控制系统 在仿生飞行器运用飞行中，要实现飞行的控制与决策，这需要进行任务规划、路径规划、飞行模式规划和运动学控制，这其中的翼变化控制和稳定性控制是控制系统研究的关键。首先，将外部条件简化，即考虑飞行环境是理想的；其次，可采用多级简单控制方法。另外，结合实际研制过程，遥控操作、电子调速及方向舵相结合的简单控制系统仍将是首选。

扑翼飞行器的原理（创新点）扑翼飞行器的动力来源是空气对飞行器的反作用力。以鸽子的飞行原理为例。 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。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 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。

3.转向原理： 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。

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

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。

扑翼飞行器的扑翼驱动机构（方案）扑翼飞行器的驱动机构可很多中结构，例如，交变磁场驱动机构，　静电致动胸腔式扑翼机构，压电晶体 ( PZT)致动机构，人工肌肉驱动机构，连杆驱动机构等等，我们所采用的是连杆驱动机构 ,如图 1所示。 图 1 连杆驱动机构

简单扑翼模型通过对大量昆虫飞行的生物学观察发现 ,大多数昆虫翅膀运动可以简化为平动和转动的复合运动 ,也就是翅上下扑动 ,同时翅沿扭转轴扭转 ,使迎角迅速地改变 , 在翅下拍至最低点时 ,翅快速地向外扭转 ,而在翅上抬至最高点时 ,翅快速地向内扭转 . 见图 2. 蜻蜓 ,黄蜂等昆虫都具有这类扑翼模式 .

图 2 简单的扑翼模型

扑翼飞行器的机构动态分析 1.各个参数： 从质量 0. 006kg ，翼展 0. 155m 的戴菊莺，到质量 8. 5kg ，翼展 3. 4m 的漂泊信天翁，共 68 种不同鸟类的飞行参数，采用最小二乘法对其结构参数、运动参数以及动力参数进行数据拟合，即可得出各参数与质量 m 仿生学公式如下：翼展 6 = 1. 237m0. 368翼面积 S = 0. 164m0. 667展弦比 AR = 9. 339m0. 069扑翼频率 f = 3. 991m - 0. 202阻力系数 Cc = 0. 027m - 0. 034 最小功率速度 Vmin ， p = 8. 704m0. 158最小阻力速度 Vmin ， c = 11. 591m0. 158飞行功率输出 'fly = 45. 21m0. 728最大功率输出 'max = 84. 388m0. 734

2.扑翼飞行器的动态分析（过程如图所示）

动态分析

运动学分析 气动力分析 动力学分析

2.扑翼飞行器的动态分析（过程如图所示）

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预期成果

该项目以实验为基础，通过一次次的实验得出正确的参数，再根据所设计的机械结构及其机械原理，在老师的指导与同学们的相互合作中完成飞行器的整个制作，最后得出实物，实现扑翼飞行器的飞行，以及一些简单动作的完成。

经费预算

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