自古以來(lái),人類對(duì)飛行就充滿了想象,并付諸于實(shí)踐。眾所周知,撲翼飛行是自然界中飛行動(dòng)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(guò)機(jī)翼的揮拍運(yùn)動(dòng)獲得飛行所需的升力和前進(jìn)的推力,它具有結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊、飛行效率較高及易于機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)。撲翼飛行方式的空氣動(dòng)力學(xué)原理與固定翼和旋翼有著本質(zhì)的不同,其機(jī)翼附近流場(chǎng)相對(duì)復(fù)雜,是一種低雷諾數(shù)下的非定常粘性流場(chǎng),此時(shí)穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論已不再適用。對(duì)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(dòng)力之間的關(guān)系,這對(duì)研制撲翼微飛行器,提升其飛行性能有重大而深遠(yuǎn)的意義。本文的研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一款多自由度昆蟲(chóng)仿生飛行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究撲翼運(yùn)動(dòng)與其產(chǎn)生的氣動(dòng)力之間的相互關(guān)系,主要內(nèi)容包括:1.介紹了昆蟲(chóng)翅膀的基本構(gòu)造,它是由翅膜和翅脈組成;闡述了昆蟲(chóng)的撲翼運(yùn)動(dòng)狀態(tài),包括懸停、前飛和機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài);綜述了昆蟲(chóng)撲翼飛行產(chǎn)生高升力的機(jī)理;比較了昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類撲翼飛行的異同點(diǎn)。提出了兩種常見(jiàn)的昆蟲(chóng)撲翼飛行運(yùn)動(dòng)模型并給出了控制方程的數(shù)值求解過(guò)程及撲翼氣動(dòng)性能參數(shù),為順利研究仿昆蟲(chóng)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(jiàn)的撲翼飛行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)新設(shè)計(jì)了一款多自由度昆蟲(chóng)仿生飛行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)(左右對(duì)稱布置)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼產(chǎn)生揮拍運(yùn)動(dòng),每個(gè)機(jī)翼運(yùn)動(dòng)具有完全獨(dú)立的兩個(gè)自由度,由兩個(gè)舵機(jī)配合驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。3.設(shè)計(jì)了一套電路系統(tǒng)。該電路系統(tǒng)使用STM32F103T8U6型號(hào)單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)并采集舵機(jī)位置反饋數(shù)據(jù);使用SPI F-RAM存儲(chǔ)舵機(jī)的初始運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及運(yùn)動(dòng)位置反饋數(shù)據(jù);使用Bluetooth設(shè)備進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸以降低有線數(shù)據(jù)傳輸對(duì)氣動(dòng)力測(cè)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(kāi)發(fā)了舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序。該程序能夠通過(guò)Bluetooth發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的啟停控制;能夠讀取SPI F-RAM中的初始運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并發(fā)送給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)其按預(yù)設(shè)規(guī)律運(yùn)動(dòng);能夠?qū)崟r(shí)采集運(yùn)動(dòng)中的舵機(jī)位置反饋數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在SPI F-RAM中。能通過(guò)LED實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓的監(jiān)控以保證在電壓低于某一臨界值時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警;5.完成了機(jī)械零部件的加工及裝配、電路系統(tǒng)的測(cè)試以及舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序的調(diào)試工作。成功搭建了撲翼飛行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)測(cè)試平臺(tái)并開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此多自由度仿生昆蟲(chóng)飛行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性以及電路系統(tǒng)及控制程序的可靠性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),在運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)可用來(lái)研究不同實(shí)驗(yàn)條件下的撲翼運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)力特性。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V276
【部分圖文】：

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)研制一種微機(jī)械昆蟲(chóng)，命名為“MFI(Micromechanical Flying Insect)”。該款微機(jī)械昆蟲(chóng)根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)，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(dá) 150Hz，采用壓電石英驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)翅膀拍動(dòng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，它只能做短暫的無(wú)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(guó)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(duì)翅膀，最大的一對(duì)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(dòng)飛行器所需的動(dòng)力，能量密度較高[18]。2001 年，美國(guó)佐治亞技術(shù)研究所(Georgia Tech Research Institute, GTRI)、英國(guó)劍橋大學(xué)(University of Cambridge)和 ETS 實(shí)驗(yàn)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(duì)機(jī)翼，翼展 25.4cm，翅膀撲動(dòng)頻率約 10Hz，工作負(fù)載 10g 左右，最大起飛重量 50g[19]。

美國(guó)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(duì)翅膀，最大的一對(duì)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(dòng)飛行器所需的動(dòng)力，能量密度較高[18]。2001 年，美國(guó)佐治亞技術(shù)研究所(Georgia Tech Research Institute, GTRI)、英國(guó)劍橋大學(xué)(University of Cambridge)和 ETS 實(shí)驗(yàn)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(duì)機(jī)翼，翼展 25.4cm，翅膀撲動(dòng)頻率約 10Hz，工作負(fù)載 10g 左右，最大起飛重量 50g[19]。圖 1.3 電動(dòng)模型的無(wú)線電控制系統(tǒng)[17]Fig.1.3 Battery-power prototype with a radio control system[17]
【參考文獻(xiàn)】

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(chóng)微撲翼飛行器設(shè)計(jì)及制作[J];機(jī)器人;2011年03期

2 張亞鋒;宋筆鋒;袁昌盛;吉國(guó)明;;微型撲翼飛行器升力特性研究[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);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(yàn)[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);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(jī)理的風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2007年11期

5 歐陽(yáng);;微型無(wú)人機(jī)——未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的奇兵[J];科學(xué)啟蒙;2007年03期

6 袁昌盛;付金華;;國(guó)際上微型飛行器的研究進(jìn)展與關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)穩(wěn)定性研究[J];航空學(xué)報(bào);2005年04期

8 周建華,顏景平,王姝歆,張志勝;微型仿昆飛行機(jī)器人翅運(yùn)動(dòng)模型及氣動(dòng)力分析[J];揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(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(niǎo)復(fù)合振動(dòng)的撲翼氣動(dòng)分析[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2003年01期

本文編號(hào)：2847204