基于仿生学的扑翼机设计与仿真设计

基于仿生学的扑翼机设计与仿真

苏扬、邵冠豪、史佳针、李根、李凯兴

（中国民航大学航空工程学院，天津，300300）

摘要: 仿生扑翼飞行器是一种模仿昆虫或鸟类扑翼飞行的新型飞行器。由于具有重量轻、体积小、隐身性、可操作性好和成本低等特点,在国防和民用领域均有十分广泛的应用前景。本文主要介绍了基于仿生学研制的某小型扑翼无人飞行器，并对其设计思想和制作工艺进行详细阐述与说明。

关键词: 仿生学扑翼机无人侦察制作工艺

0 前言

论文详细介绍了一款基于仿生学研制的小型扑翼无人飞行器。该扑翼飞行器可以作为无人侦察机使用，整机重20g，采用四翅扑翼机构，翼展为280mm，整机全长仅190mm。该机采用轻木为材料来制作机身，KT板来制作尾翼。不但价格低廉，加工方便，而且还能很大程度上保持较轻的重量和足够的强度。扑翼传动机构采用3D打印技术进行制作，材料为PLA塑料。整机外形尺寸是以家燕为仿生对象来进行设计的，整机的外形尺寸参数如表1所示。

表1 扑翼无人飞行器试验机结构参数（单位mm）

名称机身长度机身宽度机身最高处翼展机翼弦长机翼厚度垂尾高度

参数190 40 35 280 85 0.015 55

1 扑翼飞行器的设计与建模

扑翼机构采用四翅机构是由于四翅机构可以利用Wei-Fogh效应而产生较高的升力[2]，这会对之后添加工作负载产生很大的帮助。机身结构外形尺寸参数是根据尺度效应[3]来确定的，在最大限度地减重和模仿家燕的同时，还留有一定的可调裕度以适应不同重量的负载。尾翼

结构采用应用较为成熟的常规式尾翼。控制方面采用电磁舵机+微型接收机来作为控制舵面的方式。整机三维建模如图1所示。

图1 整机的三维建模图2 重心位置示意图

2扑翼飞行器的分析与调整

我们对所设计的扑翼飞行器分别进行了重心、气动、振动、扑动稳定性四个方面的分析，分析结果如下：

重心分析：在三维建模软件中完成整机的三维建模之后，再对各个部件按照实际情况进行材料的定义，定义完材料之后进行质量统计，得出该扑翼飞行器的整机质量约为12g，重心位置如图2所示，可见其重心在空气动力弦与对称面的交点附近，便于机身的稳定。

气动分析：由于机翼是对称结构，所以仅需对一侧机翼进行气动分析，我们利用CFD软件Fluent来对一侧机翼进行分析。为了简化分析，本文仅对刚性扑翼进行分析，而不考虑机翼柔性变形对流动产生的影响。分析可得:扑翼时产生升力的大小与其扑翼速度有着密切的联系，瞬时扑翼速度越快，产生的升力越大，而且在下扑过程中产生的升力要比在上扑过程中产生的升力要大（如图3和图4所示）。这与2006年6月23日美国科学家在《自然》杂志上报告的“其他鸟类（除蜂鸟外）飞翔时所需的升力全部来自翅膀下扇”结论是一致的[4]。所以，我们在设计传动机构时，使其在下扑行程时具有急回特性，从而可以提供更大的升力。

图3 翼面压力云图（下扑速度最大时）图4 翼面压力云图（上扑速度最大时）振动模态分析：扑翼机在空中飞行时，扑翼拍打产生振动。因此我们对扑翼机整体进行动态分析，分析其固有频率是十分有必要的。我们研究的是扑翼机的空中振动特性，不需要施加约束，所以使用自由状态固有频率分析。我们指定计算模态阶数为30，计算结果取前15阶模态，各阶振型和固有频率如下表所示。

模态阶数模态振型固有频率（Hz）

1 左上翼1弯45.7275

2 右上翼1弯49.4701

3 右下翼1弯89.063

4 左上翼2弯112.092

5 左下翼1弯113.343

6 平尾1弯155.533

7 左上翼3弯209.624

8 右上翼2弯214.875

9 右下翼2弯261.8

10 机身平尾2弯292.069

11 左下翼2弯334.82

12 右上翼3弯384.889

13 右下翼3弯447.736

14 平尾垂尾弯扭451.461

15 左下翼3弯482.746

由此可以看出，全机固有频率偏高，而该扑翼飞行器的最大扑动频率才30Hz左右，很难引发共振。从图中我们发现，全机振动变形主要集中在机翼和尾翼上，而机翼是飞机产生升力的主要结构，同时和尾翼一起为飞机提供操纵性。可见机翼和尾翼的结构刚度对飞机安全性和操纵性影响很大。所以根据此结论，需要对尾翼和机翼进行加固以提高其结构刚度。

图5 两翼升力曲线

扑动稳定性分析：我们通过动力学分析软件Adams对扑翼机构的运动进行分析。首先，先在Adams里建立虚拟样机模型，之后，运用Delaurier条带理论[5]对小型扑翼机的一维拍动模型进行气动升力计算，再对Adams建立的虚拟样机施加气动力，计算并分析其升力曲线。得到的两翼升力曲线如图5所示。而且从图中可以看出，此机构两侧机翼的升力曲线完全重合，由此可以表明此扑翼机构的运动具有稳定性。

3 扑翼飞行器的制作

3D打印机打印出的扑翼传动机构零件是通过钢制轴钉来相互连接的，其不但具有一定的强度且表面光滑不会影响传动。机身与尾翼各个组件是通过胶接的方式来进行连接的，具有一定的连接强度。机翼的材料是聚酯薄膜，为保证机翼具有一定的刚度，在四片机翼上各加固了一根直径为0.5mm的碳杆。尾翼采用0.6g的微型电磁舵机驱动，（驱动力矩）。为使驱动升降舵的电磁舵机良好定中，我们想到利用磁性物体同性相斥的原理，在此电磁舵机下部通过胶接的方式固定一小块具有磁性的物体，使电磁舵机在初始时就受到一个向上的斥力从而舵面也可以保持在中立位。扑翼飞行器试验机的整机实物图，如图6和图7所示。

图6 整机实物图1 图7 整机实物图2

5 结论

试验机的组装完成后，进行试飞等一系列试验，以检验结构强度。气动特性等。经过试飞表明，扑翼机的设计和制作工艺都能比较好地与预期效果吻合，达到了较为满意的结果。当然，试飞之后也发现一些小问题。其一是扑翼传动机构的齿轮由于冲击等原因而产生的滑齿现象，我们在加强了齿轮轴心处的连接后这种现象发生的几率明显下降。其二是增加图传负载之后，平飞高度下降的问题，在适当改进设计更换较高转速电机之后有所改善。

参考文献：

[1] 张铮.仿生扑翼飞行器的动力特性分析及结构优化设计(应用型).哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士论文，2014.

[2]Wesi-Fogh T.Quick estimates of fiight fitness in hovering animals, including novel mechanism for lift Produetion.J ExP Biol.,1973,59:169-230

[3] 刘岚，方宗德，侯宇等. 微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计[J]. 中国机械工程，2005，9(18):1613-1617.

[4]周凯. 微扑翼飞行器动力学仿真及驱动机构优化设计.西安：西北工业大学硕士论文，2007.

[5]Delaurier J.D. An aerodynamic model for flapping-wing flight.Aeronautica journal[C],1993,125-130