仿生撲翼飛行機(jī)器人飛行機(jī)理及其翅翼驅(qū)動(dòng)方式的研究.pdf

1、仿生撲翼飛行機(jī)器人(或稱其為微型撲翼飛行器)是基于生物撲翼飛行原理設(shè)計(jì)和制造的微型飛行器，在民用和軍事領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著微型撲翼飛行器研究的不斷深入，有關(guān)仿生撲翼飛行機(jī)器人的飛行機(jī)理及其翅翼驅(qū)動(dòng)方式的研究正成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 本文圍繞仿生撲翼飛行機(jī)器人研究中的突出問題，以仿生撲翼飛行機(jī)器人的飛行機(jī)理及其驅(qū)動(dòng)方式為重點(diǎn)，在“昆蟲飛行高升力機(jī)理”、“柔性翅”、“柔性楔形效應(yīng)”、“翅翼驅(qū)動(dòng)方式”、“電致伸縮器”等方

2、面進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，旨在對(duì)攻克目前仿生撲翼飛行機(jī)器人研究中的一些突出難題有所貢獻(xiàn)。論文由八個(gè)章節(jié)組成，約10萬字。 緒論部分簡(jiǎn)述了仿生飛行的歷史與進(jìn)展、仿生撲翼飛行機(jī)器人的特點(diǎn)和應(yīng)用，論述了仿生撲翼飛行機(jī)器人研究中的幾大突出難題及論文涉及的有關(guān)研究，對(duì)仿生撲翼飛行機(jī)器人飛行機(jī)理及翅翼驅(qū)動(dòng)方式的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，敘述了課題研究意義及論文主要研究?jī)?nèi)容。 有關(guān)微型撲翼生物的飛行高升力機(jī)理問題，第二章對(duì)現(xiàn)有“昆蟲飛行高升力

3、機(jī)理”進(jìn)行了認(rèn)真研究，提出了現(xiàn)有“昆蟲飛行高升力機(jī)理"研究成果中存在的一些值得商榷的問題。第三章提出一種基于“柔性楔形效應(yīng)”的生物撲翼飛行高升力機(jī)理新解釋。用“柔性楔形效應(yīng)”解釋昆蟲飛行高升力，有別于很多研究者們目前對(duì)昆翅柔性變形的理解。昆翅柔性變形對(duì)高升力的影響，最主要的不是改變了面積，而是改變了氣流的路徑。 有關(guān)剛性翅和柔性翅的問題，第三章和第四章的研究表明：翅變形所改變的不僅是有效面積，最重要的是影響了升阻比的大小，對(duì)產(chǎn)生

4、高升力有很大的貢獻(xiàn)。根據(jù)研制撲翼飛行機(jī)器人過程的有關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果和生物活體研究的結(jié)果，提出在研究仿生撲翼飛行機(jī)器人飛行機(jī)理時(shí)將昆翅視為柔性翅的新觀點(diǎn)?；谌嵝猿岬挠^點(diǎn)，第三章提出：翅翼在自適應(yīng)變形狀態(tài)下施以簡(jiǎn)單的節(jié)律運(yùn)動(dòng)將是仿生撲翼飛行器翅翼驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展趨勢(shì)，研究重點(diǎn)將轉(zhuǎn)向翅翼的材料、結(jié)構(gòu)和變形。第七章中對(duì)翅膜變形進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了論述。 將昆翅視為柔性翅，第四章從翅的結(jié)構(gòu)、翅變形的測(cè)量、翅變形對(duì)導(dǎo)流角的影響、翅變形對(duì)升力

5、系數(shù)的影響、翅變形與渦流作用、翅反向時(shí)的馬格納斯效應(yīng)、翅反向時(shí)的尾流捕捉等方面對(duì)昆蟲飛行時(shí)有關(guān)運(yùn)動(dòng)和力的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析。對(duì)這些問題的正確認(rèn)識(shí)，有助于理解柔性翅優(yōu)于剛性翅的觀點(diǎn)，有助于理解仿昆翅只需采取簡(jiǎn)單節(jié)律運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)。用翅變形觀點(diǎn)分析昆蟲飛行時(shí)的運(yùn)動(dòng)和力，強(qiáng)調(diào)昆翅具有柔性、飛行時(shí)產(chǎn)生變形從而獲得高飛行力。提出等效的方法，建立柔性翅研究和剛性翅研究的內(nèi)在聯(lián)系。 依據(jù)柔性翅的觀點(diǎn)對(duì)昆翅運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的分析和對(duì)柔性翅氣動(dòng)力進(jìn)行的分

6、析，不同于傳統(tǒng)的昆翅運(yùn)動(dòng)分析和對(duì)剛性翅的氣動(dòng)力分析，但又利用了目前剛性翅試驗(yàn)研究的成果，有助于對(duì)柔性翅進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。有關(guān)微型翅翼驅(qū)動(dòng)問題，第五章基于仿生撲翼飛行機(jī)器人翅翼驅(qū)動(dòng)方式采取簡(jiǎn)單節(jié)律運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)翅翼節(jié)律運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行了研究。分析了在樣機(jī)研制過程中進(jìn)行過研究的幾種驅(qū)動(dòng)方式各自的特點(diǎn)，對(duì)一種新的驅(qū)動(dòng)方式——采用電致伸縮器驅(qū)動(dòng)仿生撲翼飛行機(jī)器人的翅翼運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行了深入研究。理論與試驗(yàn)都表明，電致伸縮器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，若

7、材料選擇適宜，將能有較好的驅(qū)動(dòng)力和較大的直線位移且自重較小，適用于生物器件的驅(qū)動(dòng)，如仿生撲翼飛行機(jī)器人的撲翼運(yùn)動(dòng)。對(duì)電致伸縮器在仿生撲翼飛行機(jī)器人中的潛在應(yīng)用進(jìn)行了分析。將電致伸縮器應(yīng)用于仿生撲翼飛行機(jī)器人，通過控制電致伸縮器的“縮”和“伸”，能實(shí)現(xiàn)翅翼在一定角度范圍內(nèi)的上、下拍動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式，能減小驅(qū)動(dòng)器的啟動(dòng)功率和整個(gè)系統(tǒng)的沖擊載荷；當(dāng)驅(qū)動(dòng)兩翼的電致伸縮器所施加的電壓不同時(shí)，可使兩翼拍動(dòng)幅值不同，從而實(shí)現(xiàn)不同的飛行動(dòng)作，具有較高的

8、靈活性。 有關(guān)微型動(dòng)力源的問題，第六章提出了微型飛行機(jī)器人動(dòng)力源的兩大研究趨勢(shì)。第七章提出了仿昆撲翼飛行機(jī)器人課題研究中值得思考的若干問題。有關(guān)低雷諾數(shù)問題，提出以動(dòng)量定理為基礎(chǔ)分析昆蟲翅翼產(chǎn)生高飛行升力方法具有合理性的觀點(diǎn)；有關(guān)非定常微分方程問題，提出非定常微分方程并非解決一切問題之關(guān)鍵的觀點(diǎn)；有關(guān)翅變形問題，提出采用柔性翅模型進(jìn)行研究和利用有關(guān)剛性翅研究成果的觀點(diǎn)；有關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步研究的問題，提出集中有效資源和研究力量進(jìn)行仿生

9、撲翼飛行機(jī)器人樣機(jī)和試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)研究的觀點(diǎn)。 本研究得到的新理論的核心是“柔性翅更適合仿生飛行”和“用翅柔性變形簡(jiǎn)化撲翼運(yùn)動(dòng)”。第六章對(duì)于剛性翅和柔性翅的拍翅模型在課題組共同研制的氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了氣動(dòng)力試驗(yàn)，得到了合適剛度對(duì)氣動(dòng)力性能明顯有益、飛行生物的翅存在柔性對(duì)升力明顯有益的試驗(yàn)結(jié)果。該試驗(yàn)結(jié)果是論文“柔性翅更適合仿生飛行”這一觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。仿生運(yùn)動(dòng)的模擬越簡(jiǎn)單越容易穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)，課題組設(shè)計(jì)制作的第一代柔性翅仿生