自古以來,人類對飛行就充滿了想象,并付諸于實踐。眾所周知,撲翼飛行是自然界中飛行動物普遍采用的飛行方式。相比較于固定翼和旋翼飛行方式,撲翼飛行方式可通過機翼的揮拍運動獲得飛行所需的升力和前進的推力,它具有結(jié)構(gòu)相對緊湊、飛行效率較高及易于機動等特點。撲翼飛行方式的空氣動力學(xué)原理與固定翼和旋翼有著本質(zhì)的不同,其機翼附近流場相對復(fù)雜,是一種低雷諾數(shù)下的非定常粘性流場,此時穩(wěn)態(tài)空氣動力學(xué)的相關(guān)理論已不再適用。對撲翼飛行的研究有助于我們了解撲翼飛行與其產(chǎn)生的氣動力之間的關(guān)系,這對研制撲翼微飛行器,提升其飛行性能有重大而深遠的意義。本文的研究內(nèi)容是設(shè)計一款多自由度昆蟲仿生飛行驅(qū)動機構(gòu)并通過實驗探究撲翼運動與其產(chǎn)生的氣動力之間的相互關(guān)系,主要內(nèi)容包括:1.介紹了昆蟲翅膀的基本構(gòu)造,它是由翅膜和翅脈組成;闡述了昆蟲的撲翼運動狀態(tài),包括懸停、前飛和機動飛行狀態(tài);綜述了昆蟲撲翼飛行產(chǎn)生高升力的機理;比較了昆蟲和鳥類撲翼飛行的異同點。提出了兩種常見的昆蟲撲翼飛行運動模型并給出了控制方程的數(shù)值求解過程及撲翼氣動性能參數(shù),為順利研究仿昆蟲撲翼飛行提供理論及生物學(xué)依據(jù);2.總結(jié)分析了幾種常見的撲翼飛行驅(qū)動機構(gòu),根據(jù)實驗?zāi)康膭?chuàng)新設(shè)計了一款多自由度昆蟲仿生飛行驅(qū)動機構(gòu)。該驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕,使用差速平面曲柄搖桿機構(gòu)(左右對稱布置)驅(qū)動機翼產(chǎn)生揮拍運動,每個機翼運動具有完全獨立的兩個自由度,由兩個舵機配合驅(qū)動實現(xiàn)。3.設(shè)計了一套電路系統(tǒng)。該電路系統(tǒng)使用STM32F103T8U6型號單片機產(chǎn)生PWM信號驅(qū)動舵機運動并采集舵機位置反饋數(shù)據(jù);使用SPI F-RAM存儲舵機的初始運動數(shù)據(jù)及運動位置反饋數(shù)據(jù);使用Bluetooth設(shè)備進行無線數(shù)據(jù)傳輸以降低有線數(shù)據(jù)傳輸對氣動力測量造成的干擾;使用LED監(jiān)控電源電壓是否低于預(yù)設(shè)臨界值電壓。4.開發(fā)了舵機運動控制程序。該程序能夠通過Bluetooth發(fā)送命令實現(xiàn)對舵機運動的啟�？刂�;能夠讀取SPI F-RAM中的初始運動數(shù)據(jù)并發(fā)送給舵機驅(qū)動其按預(yù)設(shè)規(guī)律運動;能夠?qū)崟r采集運動中的舵機位置反饋數(shù)據(jù)并存儲在SPI F-RAM中。能通過LED實現(xiàn)對電源電壓的監(jiān)控以保證在電壓低于某一臨界值時系統(tǒng)能夠自動報警;5.完成了機械零部件的加工及裝配、電路系統(tǒng)的測試以及舵機運動控制程序的調(diào)試工作。成功搭建了撲翼飛行驅(qū)動機構(gòu)測試平臺并開展了相關(guān)實驗。最終通過實驗驗證了此多自由度仿生昆蟲飛行驅(qū)動機構(gòu)的可行性以及電路系統(tǒng)及控制程序的可靠性。通過對實驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),在運動規(guī)律等其它條件不變的情況下,改變翅膀的剛度可以獲得不同的升力。由此可知,此撲翼飛行驅(qū)動機構(gòu)可用來研究不同實驗條件下的撲翼運動氣動力特性。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V276
【部分圖文】：

美國加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)研制一種微機械昆蟲，命名為“MFI(Micromechanical Flying Insect)”。該款微機械昆蟲根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計，參照蒼蠅的飛行原理。其尺寸范圍在 10~25mm，總重為 43mg，撲翼頻率最高可達 150Hz，采用壓電石英驅(qū)動方式驅(qū)動翅膀拍動。經(jīng)實驗驗證，它只能做短暫的無控制飛行[11-13]。圖 1.2 四自由度 MFI 纖維傳感器裝配圖[11,12]Fig.1.2 Fiberotic sensor alignment geometry for 4DOF MFI nest[11,12]

美國斯坦福研究中心(SRI)和加拿大多倫多大學(xué)(University of Toronto)在 DARPA 的資助下，合作研制了一款撲翼微飛行器，命名為“Mentor”。這款撲翼微飛行器有兩對翅膀，最大的一對翅膀翼展 15cm，總重為 50g，由一種電致伸縮聚合體人造肌肉(Electroactive Polymer Artificial Muscle, EPAM)提供驅(qū)動飛行器所需的動力，能量密度較高[18]。2001 年，美國佐治亞技術(shù)研究所(Georgia Tech Research Institute, GTRI)、英國劍橋大學(xué)(University of Cambridge)和 ETS 實驗室共同研制了一種撲翼微飛行器，命名為“Entomopter”。這款撲翼微飛行器有兩對機翼，翼展 25.4cm，翅膀撲動頻率約 10Hz，工作負載 10g 左右，最大起飛重量 50g[19]。

美國斯坦福研究中心(SRI)和加拿大多倫多大學(xué)(University of Toronto)在 DARPA 的資助下，合作研制了一款撲翼微飛行器，命名為“Mentor”。這款撲翼微飛行器有兩對翅膀，最大的一對翅膀翼展 15cm，總重為 50g，由一種電致伸縮聚合體人造肌肉(Electroactive Polymer Artificial Muscle, EPAM)提供驅(qū)動飛行器所需的動力，能量密度較高[18]。2001 年，美國佐治亞技術(shù)研究所(Georgia Tech Research Institute, GTRI)、英國劍橋大學(xué)(University of Cambridge)和 ETS 實驗室共同研制了一種撲翼微飛行器，命名為“Entomopter”。這款撲翼微飛行器有兩對機翼，翼展 25.4cm，翅膀撲動頻率約 10Hz，工作負載 10g 左右，最大起飛重量 50g[19]。圖 1.3 電動模型的無線電控制系統(tǒng)[17]Fig.1.3 Battery-power prototype with a radio control system[17]
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 遲鵬程;張衛(wèi)平;陳文元;李洪誼;孟坤;崔峰;劉武;吳校生;;基于MEMS技術(shù)的SU-8仿昆蟲微撲翼飛行器設(shè)計及制作[J];機器人;2011年03期

2 張亞鋒;宋筆鋒;袁昌盛;吉國明;;微型撲翼飛行器升力特性研究[J];空氣動力學(xué)學(xué)報;2008年04期

3 張亞鋒;宋筆鋒;袁昌盛;王利光;;微型撲翼飛行器推力特性試驗[J];航空動力學(xué)報;2007年12期

4 昂海松;曾銳;段文博;史志偉;;柔性撲翼微型飛行器升力和推力機理的風(fēng)洞試驗和飛行試驗[J];航空動力學(xué)報;2007年11期

5 歐陽;;微型無人機——未來戰(zhàn)爭中的奇兵[J];科學(xué)啟蒙;2007年03期

6 袁昌盛;付金華;;國際上微型飛行器的研究進展與關(guān)鍵問題[J];航空兵器;2005年06期

7 孫茂,熊燕;微型飛行器的仿生力學(xué)——蜜蜂懸停飛行的動穩(wěn)定性研究[J];航空學(xué)報;2005年04期

8 周建華,顏景平,王姝歆,張志勝;微型仿昆飛行機器人翅運動模型及氣動力分析[J];揚州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2004年01期

9 李占科,宋筆鋒,宋海龍;微型飛行器的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J];飛行力學(xué);2003年04期

10 曾銳,昂海松;仿鳥復(fù)合振動的撲翼氣動分析[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報;2003年01期

本文編號：2847204