【摘要】：自然界中的昆蟲通過拍動翅膀在空中飛行,表現(xiàn)出很強的敏捷性、機動性和穩(wěn)定性,并且可以產(chǎn)生自身重量幾倍的升力。在過去的幾十年里,很多科學家和工程師一直在探索昆蟲飛行的氣動力機理,并嘗試研制仿昆蟲撲翼微飛行器(FMAV)。仿昆蟲FMAV繼承了昆蟲的諸多優(yōu)勢,可以完成很多大型飛行器無法完成的任務,比如在狹窄空間中進行搜索、救援、監(jiān)視、探測和偵察等。本文圍繞仿昆蟲FMAV主要開展了如下工作:通過研究雙翅目昆蟲的飛行機理,基于葉素法建立了昆蟲撲翼飛行的準穩(wěn)態(tài)氣動力模型。使用準穩(wěn)態(tài)氣動力模型分析了仿昆蟲FMAV單個翅膀產(chǎn)生的氣動力和氣動力矩。使用虛功原理推導了仿昆蟲FMAV翅膀的兩自由度動力學常微分方程組,并進行了數(shù)值求解。通過研究昆蟲撲翼飛行時肌肉、背甲和翅膀的運動,系統(tǒng)地提出了一種仿昆蟲FMAV的零部件設計和制造方法。該方法充分考慮了微型零部件的結構設計、纖維分布、空間布置、電氣隔離、加工精度和裝配關系等:壓電驅動器的設計考慮了電氣隔離和裝配關系;電磁驅動器的設計考慮了空間布置和裝配關系;傳動機構和機身的設計考慮了加工精度和裝配難度;翅脈的纖維方向進行了合理的布置,使得翅膀擁有高的強度和剛度。利用這種方法,本文成功研制出了兩種仿昆蟲FMAV,均可以產(chǎn)生足夠的升力實現(xiàn)起飛。其中,壓電驅動仿昆蟲FMAV重84 mg,翼展35mm,在100 Hz的拍打共振頻率下可以產(chǎn)生約±60°的拍打角度。電磁驅動仿昆蟲FMAV重80 mg,翼展35mm,翅膀拍打頻率80 Hz,拍打角度約±70°。除此之外,針對仿昆蟲FMAV,本文還提出了一種一體化的設計和制造方法。該方法將仿昆蟲FMAV的大部分零部件(特別是有裝配關系的零部件)集成在單片材料上設計和制造,避免了零部件之間的裝配,從而減少了手工過程的誤差。通過使用該方法,本文研制出了重80 mg的一體化電磁驅動仿昆蟲FMAV,并成功實現(xiàn)了起飛。針對微尺度和高頻率的仿昆蟲FMAV,本文搭建了零部件和整機的系統(tǒng)級測試平臺,對零部件和整機的性能進行了測試。通過搭建基于NI-Labview的虛擬儀器平臺,實現(xiàn)了多通道同步信號發(fā)生和數(shù)據(jù)采集。通過搭建驅動器的驅動和測試平臺,實現(xiàn)了對壓電驅動器和電磁驅動器的驅動及性能指標的測試。使用雙目高速相機配合運動分析軟件,成功測試了電磁驅動仿昆蟲FMAV的翅膀三維運動規(guī)律。通過設計高靈敏度、高分辨力、高帶寬的傳感器,實現(xiàn)了仿昆蟲FMAV升力的實時測量�？傊�,本文從仿生學原理出發(fā),完成了昆蟲撲翼飛行的氣動力建模,系統(tǒng)地開展了仿昆蟲FMAV的設計、制造和測試研究,并用實驗手段驗證了本文中設計理論、加工方法和裝配手段的適用性和可行性,為將來實現(xiàn)仿昆蟲FMAV的自主飛行提供了理論依據(jù)、設計思想和技術手段。
【圖文】：

上海交通大學博士學位論文 第一章 緒論（如圖 1-1b、c 所示）。由于當時對昆蟲飛行機理的研究不夠成熟，再加上受到材料、加工工藝和驅動技術的限制，導致最終設計的仿昆蟲 FMAV 并不能產(chǎn)生飛行所需要的升力。盡管如此，他們提出的柔性鉸鏈的設計思想和制造方法對后來的研究產(chǎn)生了很深遠的影響。

（a） （b）圖 1-2 MFI 的胸腔結構（a）示意圖和（b）實物圖[11-12]Fig.1-2 (a) Schematic diagram and (b) a photo of the MFI thorax[11-12] 年，哈佛大學 Microrobotics Lab 的 Wood[14-15]成功研制了世界身重力起飛的仿昆蟲 FMAV（命名為 HMF）。Wood 繼續(xù)采用壓方法沿用了 SCM 工藝。相比伯克利 MFI 的復雜結構，HMF 進優(yōu)化。HMF 的結構設計非常簡單，主要由四個部件組成：壓電、翅膀和機身[14]，采用單個壓電驅動器通過兩個四連桿同時驅打運動（如圖 1-3a 所示）。翅膀在氣動力和慣性力的作用下實產(chǎn)生升力。最終研制的樣機如圖 1-3b 所示，，重量約 60mg，翼±60°，扭轉幅值±45°，共振頻率 110Hz，在外置電源的幫導軌攀升（如圖 1-3c 所示），這是仿昆蟲 FMAV 研究史上的一，值得強調的是，這款飛行器的兩個翅膀由同一個壓電驅動器不了三維空間的多自由度控制，因此不可能滿足在空中自由飛
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：Q811;V276

【參考文獻】

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1 柴雙雙;張衛(wèi)平;柯�？�;鄒陽;張偉;葉以楠;張正;胡楠;吳凡;陳文元;;仿昆撲翼微飛行器中壓電驅動器的性能參數(shù)分析[J];上海交通大學學報;2015年05期

2 鄒才均;張衛(wèi)平;柯�？�;邵云立;張偉;柴雙雙;胡楠;葉以楠;陳文元;;仿昆撲翼微飛行器中高效傳動鉸鏈的研究[J];上海交通大學學報;2014年03期

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1 郭啟偉;電磁力驅動微型膜片泵的研究與實驗分析[D];廈門大學;2009年

本文編號：2670730