發(fā)布時(shí)間：2020-05-19 10:08

【摘要】：自然界中的昆蟲通過拍動(dòng)翅膀在空中飛行,表現(xiàn)出很強(qiáng)的敏捷性、機(jī)動(dòng)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(xué)家和工程師一直在探索昆蟲飛行的氣動(dòng)力機(jī)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(wù),比如在狹窄空間中進(jìn)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(jī)理,基于葉素法建立了昆蟲撲翼飛行的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力模型。使用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力模型分析了仿昆蟲FMAV單個(gè)翅膀產(chǎn)生的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩。使用虛功原理推導(dǎo)了仿昆蟲FMAV翅膀的兩自由度動(dòng)力學(xué)常微分方程組,并進(jìn)行了數(shù)值求解。通過研究昆蟲撲翼飛行時(shí)肌肉、背甲和翅膀的運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)地提出了一種仿昆蟲FMAV的零部件設(shè)計(jì)和制造方法。該方法充分考慮了微型零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、纖維分布、空間布置、電氣隔離、加工精度和裝配關(guān)系等:壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)考慮了電氣隔離和裝配關(guān)系;電磁驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)考慮了空間布置和裝配關(guān)系;傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)身的設(shè)計(jì)考慮了加工精度和裝配難度;翅脈的纖維方向進(jìn)行了合理的布置,使得翅膀擁有高的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)起飛。其中,壓電驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(duì)仿昆蟲FMAV,本文還提出了一種一體化的設(shè)計(jì)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(guān)系的零部件)集成在單片材料上設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)仿昆蟲FMAV,并成功實(shí)現(xiàn)了起飛。針對(duì)微尺度和高頻率的仿昆蟲FMAV,本文搭建了零部件和整機(jī)的系統(tǒng)級(jí)測試平臺(tái),對(duì)零部件和整機(jī)的性能進(jìn)行了測試。通過搭建基于NI-Labview的虛擬儀器平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了多通道同步信號(hào)發(fā)生和數(shù)據(jù)采集。通過搭建驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)和測試平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器和電磁驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)及性能指標(biāo)的測試。使用雙目高速相機(jī)配合運(yùn)動(dòng)分析軟件,成功測試了電磁驅(qū)動(dòng)仿昆蟲FMAV的翅膀三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過設(shè)計(jì)高靈敏度、高分辨力、高帶寬的傳感器,實(shí)現(xiàn)了仿昆蟲FMAV升力的實(shí)時(shí)測量�？傊�,本文從仿生學(xué)原理出發(fā),完成了昆蟲撲翼飛行的氣動(dòng)力建模,系統(tǒng)地開展了仿昆蟲FMAV的設(shè)計(jì)、制造和測試研究,并用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了本文中設(shè)計(jì)理論、加工方法和裝配手段的適用性和可行性,為將來實(shí)現(xiàn)仿昆蟲FMAV的自主飛行提供了理論依據(jù)、設(shè)計(jì)思想和技術(shù)手段。
【圖文】：

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒論（如圖 1-1b、c 所示）。由于當(dāng)時(shí)對(duì)昆蟲飛行機(jī)理的研究不夠成熟，再加上受到材料、加工工藝和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的限制，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思想和制造方法對(duì)后來的研究產(chǎn)生了很深遠(yuǎn)的影響。

（a） （b）圖 1-2 MFI 的胸腔結(jié)構(gòu)（a）示意圖和（b）實(shí)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(xué) 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(fù)雜結(jié)構(gòu)，HMF 進(jìn)優(yōu)化。HMF 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常簡單，主要由四個(gè)部件組成：壓電、翅膀和機(jī)身[14]，采用單個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器通過兩個(gè)四連桿同時(shí)驅(qū)打運(yùn)動(dòng)（如圖 1-3a 所示）。翅膀在氣動(dòng)力和慣性力的作用下實(shí)產(chǎn)生升力。最終研制的樣機(jī)如圖 1-3b 所示，，重量約 60mg，翼±60°，扭轉(zhuǎn)幅值±45°，共振頻率 110Hz，在外置電源的幫導(dǎo)軌攀升（如圖 1-3c 所示），這是仿昆蟲 FMAV 研究史上的一，值得強(qiáng)調(diào)的是，這款飛行器的兩個(gè)翅膀由同一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)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(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：Q811;V276

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 柴雙雙;張衛(wèi)平;柯希俊;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(qū)動(dòng)器的性能參數(shù)分析[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2015年05期

2 鄒才均;張衛(wèi)平;柯希俊;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(dòng)鉸鏈的研究[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2014年03期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 郭啟偉;電磁力驅(qū)動(dòng)微型膜片泵的研究與實(shí)驗(yàn)分析[D];廈門大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2670730