仿生扑翼飞行器设计与制作

仿生扑翼飞行器设计与制作

摘要：随着仿生学的发展和材料动力技术的不断进步，人类能更好的模仿生物的运动，向大自然学习，服务人类。像鸟一样的飞行是人类几千年的梦想，近几年科研人员在扑翼飞行器的研究和制造方面有了很大的发展，目前世界上已经出现了许多扑翼飞行器，但其仿生程度任然较低。通过学习和研究我们选用了对称的五杆机构来实现飞行器的机翼的动作，并按照飞行原理设计了飞行器的升力机构和推力机构，最后做出了实物，进行了飞行试验。

关键词：仿生;扑翼飞行器;五杆机构;空气动力学;飞行试验

Designing and producting of the flapping wing

flight vehicle in bionics

ABSTRACT: Along with the development of bionics and material power technology advances, mankind can better imitate biological movement, learning to nature and servicing human. Flying Like a bird is the dream of human for several thousand years, In recent years researchers Made great progress in the flapping wing flight vehicle research and manufacturing. There are already some kind of the flapping wing flight vehicles in the word recently, but the bionic degree lower still. With the studying and researching we choose the symmetrical five-bar mechanism to realize the action of the wing of the aircraft, According to the principle of fly. I design the lift institutions and thrust institutions. Finally I made the craft, and test it.

KEY WORDS:Bionic; The flapping wing flight vehicle; Five-bar mechanism; Aerodynamics; Flight test

目录

1前言 (2)

1.1本次毕业设计课题的目的、意义 (2)

1.2仿生扑翼飞行器简介 (2)

2.1仿生扑翼飞行器优缺点 (4)

2.2仿生扑翼飞行器的结构组成 (4)

3仿生扑翼飞行器的原理和设计 (5)

3.1飞行器的飞行原理 (5)

3.2对鸟类飞行的分析 (5)

3.3机构原理性设计 (6)

4仿生扑翼飞行器的参数选择 (8)

4.1动力系统的参数选择和计算 (8)

4.1.1通过对几种飞行器的机翼扇动频率的统计得出下表 (8)

4.1.2齿轮的选用 (8)

4.1.3电机的选用 (8)

4.2飞行器机身尺寸的确定 (9)

4.2机翼五杆机构的设计和计算 (9)

4.2.1机构简图 (9)

4.2.2实体设计 (9)

4.4蒙皮工艺 (11)

5提升机构和推动机构的设计 (13)

6三维建模 (14)

7结论 (17)

参考文献 (19)

致谢 (20)

外文翻译 (21)

附件 ................................................ 错误！未定义书签。

1前言

1.1本次毕业设计课题的目的、意义

本项目是通过仿照鸽子飞行的动作来设计飞行器，模拟鸟类的飞行动作，最终实现飞行。

研究内容摘要：

(1)翅膀骨架复合四杆机构的设计。该机构的设计是本项目的核心任务，通过该机构飞行器就可以模拟鸽子的翅膀的摆动和伸缩动作。

(2)翅膀扭动弹性机构的设计。该机构实现翅膀外翼的相对扭动，以产生推进力。

要实现飞行还需解决骨架材料的选择，铰接结构的设计，这些方面都需要较强的强度和较轻的质量。

1.2仿生扑翼飞行器简介

随着仿生学的发展和材料动力技术的不断升级，人类能更好的模仿生物界动物，借助大自然的杰作去服务人类。象鸟一样的飞行时人类几千年的梦想，近几年在扑翼飞行器的研究和制作方面有了长足的进展，目前世界上以出现了各种各样的扑翼飞行器，但其仿生程度任然较低。仿生扑翼飞行器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。由于它的这些优点使其具有了很高的使用价值，在无人侦察方面可以做到高度的隐蔽性，前途广阔。

图1-1ASN211微型扑翼无人机

上图为美国军方最先研制出的扑翼无人机，在军事侦察方面有出色的表现，良好的机动性，隐蔽性，以及较低的噪音。

图1-2 德国费斯通智能鸟

2011年德国费斯通公司的仿生扑翼飞行器在汉诺威工业博览会展出，引起轰动，改型飞行器几乎完全破译了鸟类的飞行，不仅可以完美模拟鸟类飞行，同时仿真度极高，足可以假乱真。智能鸟采用富有革命性的设计，能够自行启动、飞行和降落。它的翅膀不仅能够上下拍动，同时也可按特定角度扭转，让这只超轻的机器鸟拥有出色

的空气动力性能和令人惊叹的灵敏度。

2 仿生扑翼飞行器概述

2.1仿生扑翼飞行器优缺点

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，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。自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于１５ｃｍ时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。

虽然仿生扑翼飞行器具有以上优点，但是目前材料方面的瓶颈限制了它的发展，使其无法承担高强度的任务，或无法在恶劣的环境下工作。

2.2仿生扑翼飞行器的结构组成

仿生扑翼飞行器的研究涉及到空气动力学、仿生学、微电子学材料科学、流体力学以及微致动器、微传感器、控制器、能源等领域 ,是一门多学科的综合课题 ,它的研制不仅仅是其自身问题的解决而且能够对相关技术领域的发展起到积极推动作用。仿生扑翼飞行器研究尚处于起步阶段 ,处于不断的探索过程中。扑翼驱动机构的设计 ,不能追求对于复杂机构的模仿 ,而应注意于用多个简单的机械元件完成复杂扑翼动作。用机械装置去实现扑翼飞行的复杂运动模式具有极大的难度，但其本身并不是决定性的 ,关键在于人们应当去不断的尝试与探讨。

3仿生扑翼飞行器的原理和设计

3.1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。

3.2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）。

图3-1鸽子骨骼图

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）。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

连续的飞行动作是一个循环的过程，循环单元就是翅膀做一次上下摆动，向上摆动记作T1，向下摆动记作T2。

在t1时，产生向上的速度v，在t2时，f2和g会产生向下加速度，使v减小，鸽子减速上升直到速度为零，再下降，如果在没有降到初始位置前下一个循环开始，那么鸽子就可以在宏观上产生竖直向上的运动。

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。

鸽子的翅膀由骨架、肌肉、皮肤和羽毛组成。骨架较硬，肌肉羽毛相对有弹性。这是由于肌肉羽毛的弹性，使翅膀在摆动的时候翅膀的后沿一只跟随着前沿运动并一直滞后于前沿，因此翅膀截面会在翅膀上下摆动时与水平面的夹角产生近似互为余角的变化。

转向原理：鸽子的转向种类很复杂，根据日常生活的观察，有大半径转向、小半径转向、在滑翔中转向，在飞行中转向。这些转向都依靠翅膀的不对称摆动、尾翼转动和展合以及躯干扭动的相互配合而实现的，鸽子具体是如何通过控制这些器官来实现转向，这个过程复杂我们也无法解释，但可以抓住主要因素，从原理上简单的进行分析。

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。

3.3机构原理性设计

机构的选用

平面扑翼机构采用的连杆机构有四杆五接头、五杆七接头、杆七接头、七杆九接头等机构形式。关于四杆六接头如图3-2所示。

该机构为大多数直翼的扑翼飞行器的驱动机构，结构简单，制作简单。

市面上的飞飞鸟就是该机构。这种机构有个致命的缺点，就是左右运动不对称，会在运动过程中产生振动，随着转动频率的增加，振动频率也会增加，会导致飞行过程中的摇晃。

图3-2非同步扑与同步扑翼机构图3-3双曲柄双摇杆扑翼机构

图3-3为双曲柄双摇杆扑翼机构，可以保证左右运动的完全对称。该机构在扑翼飞行器的设计中有着广泛的应用。

本设计将采用该种机构作为机翼的驱动机构。

4仿生扑翼飞行器的参数选择

4.1动力系统的参数选择和计算

4.1.1通过对几种飞行器的机翼扇动频率的统计得出下表

4.1.2齿轮的选用

由于条件限制，齿轮的材料必须是轻质材料，而且必须有一定的强度，因此我在网上购买了一对齿轮作为曲柄圆的，模数0.5，齿数144mm。

在此配一个双联齿轮，连接电机和曲柄圆，模数0.5，Z1=50，Z2=14.

图4-1减速齿轮组结构简图

该齿轮组的降速比为50.3

4.1.3电机的选用

本设计需对电机进行无级变速，故选用专用的航模电机。

由上述传动比i=50.3齿轮转速=120r/min

得电机转速：n=6036r/min

4.2飞行器机身尺寸的确定

以一对啮合齿轮的总长度为机身的宽度，家鸽躯体的比例，得出

翼展： 1300mm 至1500mm

机身长度： 800mm

机翼宽度： 210mm

4.2机翼五杆机构的设计和计算

4.2.1机构简图

本设计的一大难点就是设计能仿真鸟类折翼运动的机构，通过学习和研究，提出如下图的由曲柄摇杆机构和双摇杆机构复合而成的无杆机构。该机构中杆1、杆2、杆3和机架组成的曲柄摇杆机构能完成主翼的摆动。杆2、3、4组成双摇杆机构，该机构相对曲柄四杆机构中的连杆做相对运动，连个机构公用杆2。双摇杆机构可以完成飞行器的折翼动作。合成运动为平面运动，表现为鸟类翅膀的扇动。

机构简图：

图4-2 曲柄摇杆复合双摇杆机构

4.2.2实体设计