仿生扑翼UUV
仿生扑翼UUV.
李明扬 21130911025
王恒良 21130911026
仿生扑翼UUV设计
1
水下扑翼UUV简介 水下扑翼国内外发展状况 水下扑翼UUV结构设计
扑翼UUV流体动力分析
2
扑翼UUV推进性能分析 基于CPG的扑翼UUV控制方法
仿生扑翼UUV简介
• UUV (Unmanned Underwater Vehicle) • 仿生扑翼UUV以海龟等扑翼游动生物为仿生
仿生扑翼推进机构设计
*二自由度扑翼推进机构简图
*在CAD 软件UG 虚拟环境下设计的二自 由度扑翼推进机构虚拟装配图。
推进机构运动仿真
一、两驱动函数均为余弦函数时推进机构运 动仿真
•将装配好的机构三维模型转换和导入到ADAMS/View 环境 中，对机构几何模型特征进行修改并添加运动约束建立起机 构的运动模型，然后通过ADAMS/Solver 求解程序对运动 模型进行运动仿真分析。 •考虑到机构的初始位置及扑翼姿态，将两个电机运动函数 分别定义为π/3cos( 2πt) 和π/4cos( 2πt) ，仿真结束时间 设为2 s，步数设为100。
特点：（与传统螺旋桨推进方式相比）
1.良好的运动性能
仿生扑翼推进器可提高水下航行器的起动、 加速和转向性能，在低速条件下保持高机动 性和稳定性。
2.流体性能更完善
海洋生物通过扑翼的划动产生推进力，具 有更理想的流体力学性能。
3.能源利用率高
仿生扑翼推进器可以大大节省能量，提高能 源利用率，延长航行器的水下作业时间。
特点：（与传统螺旋桨推进方式相比）
4.噪音小
仿生扑翼推进器运行期间的噪音比螺旋桨运行 期间的噪音要低得多，不易被对方声纳发现 或识别，有利于突防，具有重要的军事价值。
仿生机器人报告-仿生扑翼UUV
仿生扑翼UUV研究现状分析摘要本文对一种新型扑翼UUV的研究现状做了分析。
首先简要介绍扑翼UUV的产生背景和应用前景，然后对扑翼UUV进行了流体动力学分析、推进性能分析并对基于CPG的扑翼UUV运动控制方法进行了分析。
通过流体动力学分析得到了关于扑翼UUV攻角和翼型对推进性能的影响，推进性能分析则得到了扑动频率、拍动幅度和翻转幅度对推进性能的影响。
基于CPG的运动控制方法将CPG引入到UUV 的控制中，简化了控制参数，可实现扑翼UUV的节律运动和转弯运动。
关键词：仿生扑翼UUV 流体动力学推进性能 CPG1绪论1.1仿生扑翼UUV产生背景无人水下航行器(Unmanned Undersea Vehicle)的研究工作开始于20世纪中期，进入21世纪以来，由于人类对海洋资源开发、海洋环境研究的重视以及海洋在军事领域的重要作用，水下探测器的研究越来越受到重视。
在过去的十年中，全世界大约有60个UUV研制计划，并建造了大约200个UUV(大部分为实验用)，但是随着技术的成熟和近海工业发展的需要，商业用途的UUV也开始出现，并且在不断地发展和壮大。
然而，以往的UUV均是以传统的螺旋桨做为推进动力。
在自然界中，有一类依靠扑翼游动的生物如海龟、企鹅等，他们的运动方式效率较高，而且机动灵活。
仿生扑翼UUV是近几年提出的一种利用仿生扑翼作为推动力的新型UUV，正是以海龟等扑翼游动生物为仿生对象，依靠扑翼推进结构为其提供动力实现整个UUV 在水下的各种运动，包括上浮、下潜、转弯等，具有推进效率高、稳定性强、机动性及操纵性好等优点。
1.2仿生扑翼UUV的特点仿生扑翼UUV的仿生对象是依靠扑翼进行运动的动物，他们具有爆发力强、机动性高、稳定性好等特点，对于游动和姿态的控制能力是目前任何水下设备无法模拟的。
与传统的螺旋桨推进方式相比，水下扑翼UUV具有以下特点：●良好的运动性能：仿生扑翼推进器可提高水下航行器的起动、加速和转向性能，在低速条件下保持高机动性和稳定性。
一种仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法
一种仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法仿生蝴蝶扑翼飞行器是一种通过模仿蝴蝶独特的飞行方式而设计的飞行器。
它能够在空中灵活操控，具有较好的机动性能和稳定性。
在本文中，将介绍一种制作仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的方法。
首先，我们需要准备一些材料和工具。
材料包括轻质的材料如薄金属片或塑料片，弹性线或者细线，小型电机，螺旋桨等。
工具则包括剪刀，胶水，钳子，锉子等。
1. 制作翅膀：使用剪刀将薄金属片或塑料片剪成蝴蝶翅膀的形状，大小可自行决定。
确保两个翅膀相对称，并且具有足够的扑翼空间。
然后使用锉子修整翅膀的边缘，使其光滑，减少空气阻力。
最后使用胶水将两个翅膀连接在一起，并且确保翅膀能够自由地扑动。
2. 安装电机和螺旋桨：选择一个小型电机并安装在飞行器的中心位置上。
将螺旋桨固定在电机轴上，确保可以有效地产生推力。
3. 制作拉线式转向机构：在飞行器的尾部或机身两侧的翅膀上，通过胶水或螺丝固定一个小轴。
使用弹性线或者细线将此小轴连接到电机上。
当电机旋转时，它将通过拉线转动翅膀，实现方向的改变。
完成以上步骤后，我们就成功地制作了仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构。
在使用时，只需将电机连接到能源供应，并确保翅膀可以自由地扑动。
通过控制电机的转动速度和方向，我们可以实现飞行器的正常飞行以及转向。
总结：仿生蝴蝶扑翼飞行器及其拉线式转向机构的制作方法相对简单，只需准备适当的材料和工具，并按照上述步骤进行操作即可。
这种飞行器的设计灵感来自于蝴蝶的飞行方式，具有较好的机动性能和稳定性。
通过不断改进和调整，希望能够进一步完善这种仿生飞行器，并应用到更多实际应用场景中。
仿生扑翼机器人
仿生扑翼机器人理论研究
一. 背 景 引 言
二. 现 状 分 析 三. 技 术 原 理
四. 问 题 突 破
五. 意 义 期 望
一.背景引言
木匠祖师爷鲁班的“木 鸢”《渚宫旧事》记载： “尝为木鸢，乘之以窥 宋城。”
一.背景引言
15 世纪 70 年代，达芬奇设计出一种由飞行员自己提供 动力的飞行器，并称之为“扑翼飞机”。之后人们仿照 它进行了很多尝试，结果都失败了。
三.技术原理
与固定翼飞行模式相比，扑翼飞 行最显著的一个特征就是扑翼在 扑动过程中可以同时提供维持飞 行所必须的升力和推力。
当以低速均匀水平飞行速度V∞作扑翼飞行 时，尽管翼型的几何迎角为0°，但当扑 翼向下扑动时，相对于扑翼气流有一个垂 直向上的速度Vflap，合成后扑翼相对静止空 气的速度大小为 速度的方向相对 V∞向上偏转了 α 角。按 照升力理论，作用在扑翼上的总气动力 F 的方向垂直于合速度 V 的方向，总气动力 F 在垂直方向上的分量 FL即为扑翼的垂直 升力，水平分量FT即为水平推力。
飞行器的材料及翼型问题 仿生翼必须轻而坚固，保证在高频的振动下不会断裂，能够提供 足够的升力和推进力，具有很强的灵活性等。这就要求从材料和 翼型等方面进行分析。现如今已研究出在驱动结构设计中，使用 压电陶瓷和化学肌肉等智能材料。
四.问题突破
飞行控制和通信问题 目前比较有前景的控制方式是在微型飞行 器的表面分布微气囊和微型智能自适应机 构，通过微流动控制实现对微型飞行器的 飞行控制。此外，扑翼式飞行器在飞行过 程中往往要飞离操纵者，这就意味着飞行 器必须具备灵敏的通信系统，来传递和控 制飞行器。研制适合的 GPS 接收机和地 面匹配系统是目前较为前沿的通信方式。 随着电子和计算机技术的飞速发展，通信 系统将更加完善和进步。
仿生扑翼飞行器设计新进展
仿生扑翼飞行器设计新进展仿生扑翼飞行器是一种新型飞行器，其体积小、重量轻、隐蔽性好等特点在军事领域和民用领域受到广泛关注。
文章综述了仿生扑翼飞行器的结构分类和升力产生机理，总结国内外研究的理论成果，并介绍现阶段研究所面临的困难，阐述仿生扑翼飞行器的发展前景。
标签：仿生扑翼飞行器；仿生学；结构设计1 概述仿生扑翼飞行器是将推进、爬升和悬停集于一个撲翼系统的新型飞行器。
近年来，国内外专家着手于仿生扑翼飞行器飞行的姿态、空气动力学和能量转换等方面的研究，虽然取得了阶段性的成果，仍面临许多问题[1]。
随后将按照分类与布局、获取升力原理、研究成果和面临问题的顺序对扑翼飞行器国内外现状进行总结。
2 扑翼的分类国内外设计的扑翼飞行器主要有单对和双对两种驱动形式。
单对扑翼飞行器采用曲柄摇杆机构或压电材料驱动，可实现翅膀的怕打与扭转。
机翼设计成仿生骨架结构，采用碳纤维材料制成，再在骨架上粘贴仿生翼膜，形成类似蝙蝠翅膀的仿生翼。
这种仿生翼具有很高的强度和韧性有更高的横向稳定性。
双对扑翼飞行器是采用化学肌肉材料设计的一种仿生飞行器。
可借助MEMS 技术使飞行器尺寸微小化，其独特的飞行方式能够实现快速启动、长时间飞行和悬停，同时可以保持翅膀不动滑行一段距离，大大减少了能源的使用[2]。
3 扑翼产生升力的原理3.1 Weis-Fogh机制1973年，Weis-Fogh研究发现小黄蜂在起飞前两翅前缘相互靠拢然后迅速打开，此时在两翅中间形成低压腔，将周围空气快速吸入，在翅膀周围形成漩涡。
该漩涡附着在翼尖附近不脱落，给昆虫向上举升的力，从而产生瞬时高升力。
随后他又将这一现象从理论和实验角度进行分析，最终证明此现象为扑翼飞行产生升力的主要原因之一[3]。
3.2 延时失速效应1997年，英国剑桥大学的Ellington在空气流场中放入飞蛾的翅膀模型，模拟飞蛾的飞行姿态[4]。
实验发现扑翼下拍时在翅膀前缘产生一个强烈的前缘涡，使靠近前缘上表面形成低压区，上下翅面产生压强差，大大提高飞行所需升力。
仿生扑翼飞行机器人自主飞行控制系统设计
控制策略验证：验证控 制策略在实际飞行过程 中的有效性，如姿态控 制、飞行路径规划等。
安全性能评估：评估机 器人在遇到突发情况时 的应急处理能力，如避 障、悬停、自动返航等 。
通过以上实验设置与环 境、飞行实验执行与数 据收集、实验结果分析 与评估的内容，可以对 仿生扑翼飞行机器人自 主飞行控制系统进行全 面、系统的验证，为后 续的优化和改进提供有 力支持。
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驱动设计
驱动系统是实现扑翼飞行机器人自主飞行的关键部分。可以 选择电动、气动或液压等驱动方式，根据机器人设计和飞行 需求选择合适的驱动方式，同时需要设计相应的驱动接口和 传动装置。
传感器选择与集成
惯性测量单元（IMU）
高度计
IMU可以测量机器人的加速度、角速度和 姿态角等信息，是实现飞行稳定和自主导 航的重要传感器。
02
03
数据预处理
数据融合
对原始数据进行滤波、去噪、校 准等预处理操作，提取有效信息 。
将不同传感器的数据进行融合， 如通过卡尔曼滤波算法，提高数 据精度和可靠性。
人机交互与遥控接口
图形用户界面
设计直观易用的图形用户界 面，实时显示飞行机器人的 状态参数、飞行轨迹等信息 。
遥控指令解析
解析从遥控器接收到的指令 ，转换为飞行机器人可识别 的控制信号。
仿生扑翼飞行机器人 自主飞行控制系统设 计
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目录
• 引言 • 控制系统硬件设计 • 控制系统软件设计 • 自主飞行实验与验证 • 系统优化与未来工作
01
引言
仿生扑翼飞行机器人概述
仿生设计
仿生扑翼飞行机器人是模仿自然界中的鸟类或昆虫的飞行原理设计的机器人， 具有独特的扑翼机构，能够实现类似于生物的飞行动作。
基于仿生学的扑翼机设计与仿真
基于仿生学的扑翼机设计与仿真一、引言扑翼飞行器作为一种有机动能力的机器人，正在逐渐发展成为未来航空领域的重要组成部分。
而借鉴自然界的仿生学原理，是设计和优化扑翼飞行器的重要方法之一、本文旨在基于仿生学原理，设计并进行仿真分析扑翼机的运动特性和气动性能。
二、仿生学原理1.鸟类翅膀结构：鸟类翅膀的设计使得它们能够在空气中产生升力。
研究发现，鸟类翅膀呈现不对称的形状，上下表面的弯度不同。
这种不对称形状可以产生升力，并且还能减小气动阻力。
2.鸟类振翅模式：鸟类扑动翅膀的频率和振幅对飞行稳定性和效率至关重要。
实验观察发现，鸟类在起飞和飞行过程中，翅膀往往呈现上下振动和回旋运动的特点。
这种振翅模式可以减小气动阻力，并提高机体的机动能力。
在扑翼机的设计过程中，我采用了三维设计软件，模拟仿真扑翼机的运动特性和气动性能，并对设计参数进行优化。
1.扑翼机的翅膀结构2.扑翼机的振翅模式利用软件模拟了扑翼机在水平飞行和上升飞行过程中的振动频率和振幅。
通过改变振翅模式的参数，如频率和振幅，优化了扑翼机的飞行性能。
3.扑翼机的运动特性通过仿真分析，研究了扑翼机的俯仰、滚转和偏航运动特性。
通过改变机体的设计参数，如重心位置和机翼的位置，优化了扑翼机的运动性能和稳定性。
四、仿真结果与分析通过仿真分析，得出了扑翼机在不同飞行状态下的运动特性和气动性能。
结果表明，优化后的扑翼机具有较高的飞行效率和稳定性。
1.升力和阻力分析通过模拟扑翼机在不同速度下的飞行，得出了升力和阻力的变化曲线。
结果表明，在适当的速度范围内，扑翼机可以产生足够的升力，实现平稳的飞行。
2.振翅模式分析通过模拟扑翼机的振翅模式，得出了振翅频率和振幅对飞行稳定性和效率的影响。
结果表明，在一定的振翅频率和振幅范围内，扑翼机可以实现较高的机动能力和飞行效率。
3.运动特性分析通过模拟扑翼机的运动特性，得出了俯仰、滚转和偏航运动的变化曲线。
结果表明，优化后的扑翼机具有较高的运动稳定性和操控性能。
仿生扑翼飞行器原理
仿生扑翼飞行器原理This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020仿生扑翼飞行器原理一.扑翼飞行器简介扑翼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。
二.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。
三.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）。
仿生扑翼飞行器
仿生扑翼式飞行器2013年9月7日摘要随着航空技术的发展，微型与小型飞行器以其灵活轻便、成本低廉等优点受到研发者的青睐。
相对于大型固定翼、旋翼飞行器，微、小型扑翼机在低空探测、突然袭击、认知搜救、城市作战等方面有着无法比拟的优势。
微、小型扑翼飞行器尚处于初期研发阶段，目前均以仿生学为基础，多数模仿蜻蜓、蜜蜂等昆虫的扑翼原理，而对仿鸟类扑翼飞行器的研究涉及甚少。
鸟类较昆虫有更强的环境适应能力，尤其是恶劣气候环境，且鸟类具有一定量的载重能力，方向调节性能更佳。
该项技术并没有进入实用化阶段，我们有幸成为探索者之一。
在这个项目中我们不一定能做出一架高性能的扑翼机来,但我相信这一定是一个很有启发意义的探索。
关键词：仿生，仿鸟，扑翼机，小型飞行器AbstractWith the development of aviation technology, the micro and small vehicle with the advantages of flexibility, portability and low costhasgained R &D’s pare to the large fixed wing aircraft androtorcraft, microandsmall ornithopter has incomparable advantages in terms of low altitude detection, surprise attack, cognitive search and rescue, andcity operation. Micro, small ornithopter is still in the initial stage of development, currently basesonbionics flapping theory. Most ornithopters imitate dragonfly, bees and other insects, with study of ornithoptersimitatingbirdslittle involved. Birds have a stronger ability to adapt to the environment, especially the harsh climate, andtheircontrol performance is betterthan insects. Moreover, the birds have a certain amount of load capacity.As the technology has not entered the practical stage, we are honored tobecome one of the explorers. In this project, we may beunable to make a high performance aircraft, but I believe that it must be a very instructive exploration.Key words:Bionics, Bird-imitation, Ornithopter, Small aircraft目录目录 (iii)第一章绪论 (1)1.1选题背景 (1)1.2研制重点难点 (2)第二章国内外研发状况 (6)2.1国外研发状况 (6)2.2国内研究情况 (12)第三章作品设计论述 (15)3.1创意构想及三维模型制作 (15)3.1.1概述 (15)3.1.2翅膀扑打运动的实现机构 (15)3.1.3二级齿轮减速器 (17)3.1.4翼型 (19)3.1.5翅膀的扭转 (20)3.1.6尾翼 (20)3.2内部电路 (21)3.2.1电源部分 (21)3.2.2直流电机 (21)3.2.3舵机 (22)3.2.4控制板 (22)第四章应用前景 (24)4.1特点 (24)4.2应用前景 (24)结论 (26)参考文献 (27)致谢词 (28)附录 (29)图1亚氏悬挂式滑翔机外观图 (6)图2亚氏悬挂式滑翔机人类进行飞行示意图 (7)图3亚氏悬挂式滑翔机机构简图 (7)图4史氏玩具飞机扑翼结构 (8)图5史氏玩具飞机机构简图 (8)图6D ELAURIER拍扑机 (9)图7昆虫胸腔剖面示意图 (9)图8麦氏扑翼机扑翼机构 (10)图9麦氏扑翼机机构简图 (10)图10肯式扑翼机扑翼机构 (11)图11肯式扑翼机机构简图 (11)图12M ADANGOPAL微扑翼机构 (12)图13詹秀玲飞鸟玩具整体构造图 (13)图14詹秀玲飞鸟玩具扑翼机构 (13)图15詹秀玲飞鸟玩具机构简图 (13)图16两自由度胸腔式扑翼驱动机构简图 (14)图17压电驱动的仿生微扑翼机构 (14)图18创意整体三维概念模型 (15)图19翅膀扑打运动的实现机构 (17)图20二级齿轮减速器 (18)图21齿轮减速局部视图 (19)图22翼型 (20)图23尾翼 (21)图24舵机控制板外形 (22)图25控制软件 (23)第一章绪论1.1 选题背景我们处在高科技时代，科技文明迅速发展，市面上诸多商品都朝轻、薄、短、小的目标迈进，如手机、随身听、电脑等等，当然应用于军事上的微型飞行器亦是如此。
仿生扑翼UUV流体动力数值计算
关键词 ： 无人水下航行器 ； 扑翼 ； 流体动力
中 图分 类号 ： Ｔ Ｊ ６ ３ 文 献 标识 码 ： Ｂ
Ｎｕｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｂｉ ｏ ｎｉ ｃ Ｆｌ ａ ｐ ｐｉ ｎ ｇ Ｗ ｉ ｎｇ ＵＵＶ ’ Ｓ Ｈｙ ｄ ｒ ｏ ｄｙ ｎａ ｍｉ ｃ ｓ
第３ ０ 卷 第１ 期
文 章编 号 ： １ ０ ０ ６ — ９ ３ ４ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ｌ 一 ０ ３ ９ ７ － Ｃ ￣
计
算
机
仿
真
２ ０ １ ３ 年１ 月
仿生扑翼 Ｕ Ｕ Ｖ流 体 动 力数 值 计 算
张 鹏， 宋保 维 ， 杜 晓 旭
（ 西北工业大学航海学 院， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２） 摘要 ： 仿生扑翼推进方式具有机动灵活 、 推进噪声低 、 稳定性好等 特点 ， 但 由于外 形的复杂性 ， 仿生扑翼 Ｕ Ｕ Ｖ的流体动力具 有很强 的非线性 ， 给流体 动力特 性 的研究 带来 难度 。为 了研 究仿 生扑 翼 的非线 性流 体动 力特性 ， 基 于雷诺 平 均 Ｎ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ — Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 方程 ， 采用 Ｒ Ｎ Ｇபைடு நூலகம் ｋ － ｅ模型 ， 建立 了仿生扑翼 Ｕ Ｕ Ｖ的流体动力计算 数学模 型 ， 并 利用 Ｉ Ｃ Ｅ Ｍ Ｃ Ｆ Ｄ划分 了网格 ， 基 于标 准 Ｃ Ｆ Ｄ软件 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 对 Ｕ Ｕ Ｖ的流体动力特性进行 了仿真计算 。结果表 明， 仿 生扑翼 Ｕ Ｕ Ｖ的流体动力 在小攻角 下呈线性 变化 ，
ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ，Ｓ Ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｌ ｆ ａ ｐ ｐ ｉ ｎ ｇ ｗｉ ｎ ｇ ＵＵＶ ｉ ｓ ｄ ｉ ｆ ｉ ｆ ｃ ｕ ｌ ｔ ．Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ，ｔ ｏ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｌ ｆ ａ ｐ ｐ ｉ ｎ ｇ ｗｉ ｎ ｇ Ｕ ＵＶ，ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ — ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗａ ｓ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｒｅ ｙ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ Ｎａ ｖ ｉ ｅ ｒ —Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ａｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｓ ｈ ｅ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｄ ｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｉ Ｃ ＥＭ Ｃ Ｆ Ｄ．Ｔ ｈ ａ ｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ａ ｐ ｐ ｉ ｎ ｇ ｗｉ ｎ ｇ Ｕ ＵＶ ｗ ａ ｓ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ； ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ＵＵ Ｖ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｒａ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ｏ ｆ ａ ｔ ｔ ａ ｃ ｋ ｉ ｓ ｓ ｍａ ｌ ｌ ，ｂ ｕ ｔ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉｓ ｒ ｔ ｉ ｃ ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ｏ ｆ ａ ｔ ｔ ａ ｃ ｋ ｉ ｓ ｂ ｉ ｇ ．
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从左到右依次是下拍、上挥和一个完整周 期内扑翼模型各个位置的姿态
• 这种扑翼运动模式对拍水运动的加速度和角加速 度没有影响，但是，扑翼翻转的角加速度出现了 很大的突变，峰值超过48 rad /s^2，如此大的角 加速度意味着如果用电机驱动扑翼翻转，那么在 扑翼翻转瞬间需要电机提供非常大的扭矩及转速 ，这样就会增加电机的尺寸和整个机构的尺寸及 重量。
6.可采用多种驱动方式
仿生扑翼UUV用途：
• 可以进行生化探测与环境监测，进入生化 禁区执行任务 • 可以在危险、狭窄、复杂的水下环境中的 救捞和维修 • 可以进行海底管道检测和海底电缆铺设 • 军事上实现侦察、巡逻、突袭、信号干扰 等。
国内外发展现状
• 1 、麻省理工大学的扑翼水下航行器
• AUV装备了四个相同的扑翼驱动装置，呈前后左右对称布 置。每个驱动装置通过两个直流电机带动扑翼作两自由度 的正弦摆动，从而实现扑翼的划水动作。
St 2r0.7max f / U
运动中心位置的影响
• 扑翼在运动时，需要绕翼板上的某点进行 翻转运动和上下拍水运动，该点的位置即 为扑翼的运动中心
X oc x0 / c
运动中心位置的影响
不同翼型的水动力特性
运动中心 位置
不同翼型
扑动 频率 来流 速度
不同扑动频率时各翼型特性
推进特性与扑动频率关系
推力随扑翼拍动频率的增加成平方倍的增 加，但推进效率存在一个最佳值点
推进特性与拍动幅值关系
推进特性与上下翻转幅度关系
水下仿生扑翼UUV
1
流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法
2
3
CPG控制模型
CPG控制模型
CPG模型输出特性
直游
左转弯
右转弯
Thank You!
一个周期内扑翼模型运动各时刻姿态
• 在仿真环境中，扑翼绕地面坐标系y 轴运动为扑翼拍水运 动，绕扑翼连体坐标系z 轴运动为扑翼翻转运动 • 图a) 和图b) 分别为扑翼相对于地面坐标系y 轴和z 轴的角 速度及角加速度曲线 • 由于扑翼绕z 轴运动为扑翼相对自身翼轴运动和扑翼拍水 运动的叠加，所以出现了非正弦波动，但角速度及角加速 度的值仍然在可以接受的范围内波动
升力特性
1 2 • 计算扑翼升力的定义公式 L CL 2 U S U 为来流速度，S为水 • 式中 为流体密度，
翼平面面积，C为升力系数。影响升力特性 的因子很多。，主要有来流攻角 、来流雷 诺数Re、水翼弦长等。其中攻角对升力系 数的影响最大，典型的升力特性常用升力 系数C对攻角 的关系曲线(升力曲线)表示。
特点：（与传统螺旋桨推进方式相比）
4.噪音小
仿生扑翼推进器运行期间的噪音比螺旋桨运行 期间的噪音要低得多，不易被对方声纳发现 或识别，有利于突防，具有重要的军事价值。
5.推进器和舵的统一
仿生扑翼推进器的应用将改变目前螺旋桨和 舵机系统分开，功能单一，结构庞大，机构 复杂的情况，实现桨一舵功能的合二为一。 仿生扑翼推进器可采用机械驱动，也可以采 用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动方式 ；对于微小型水下运动装置，可采用形状记 忆合金、人造合成肌肉以及压电陶瓷等多种 驱动元件。
国外发展现状
• 4、加拿大的仿生水下移动平台
• 2004年加拿大VASSAR大学生物认知科学和多学科仿生机器 人实验室成功研制了一种新型仿生水下移动平台。该移动 平台在推进方式上相比传统水下航行器有着本质的区别， • 在水中通过摆动四个翼板达到灵活机动的目的。
国内研究现状
• 国内有关仿生扑翼驱动系统的研究起步相对较晚 ，并多见于仿生扑翼飞行器研究领域。 • 西北工业大学、南京航空航天大学、扬州大学扑 翼飞行器研究。 • 哈尔滨工程大学机器鱼胸鳍水动力研究。 • 上海交通大学开展了四足两栖仿生机器龟的研究 工作，在扑翼驱动装置设计上采用连杆机构来实 现。
不同来流速度时各翼型特性
不同来流速度时各翼型特性
结论
水下仿生扑翼UUV
1
流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法
2
3
推进性能分析
• 选用NACA0010翼型的刚性扑翼，弦长 c=100mm • 来流速度U=0.1m/s，上下拍动幅度 y0=0.03m，翻转幅度为30°，得到推力系 数随时间变化曲线
攻角与升力系数关系
攻角与阻力系数关系
攻角与俯仰力矩关系
仿真结果分析
• 1)仿生扑翼UUV的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ场计算稳定收敛，说 明了本文研究方法的可行性以及流体动力 数值计算结果的合理性； • 2)仿生扑翼UUV的流体动力在小攻角(0～6 度)下呈线性变化，这和传统的UUV的流体 动力特性一致，但在大攻角下(大于6度)出 现非线性特征。
不同翼型的水动力特性
运动中心 位置
不同翼型
扑动 频率 来流 速度
对翼型的流体力学仿真研究
翼型介绍
• • • • • NACA：美国国家航空咨询委员会 NACA四位数字翼型 ：NACA XYZZ X---相对弯度：中弧线到弦的最大距离 Y---最大弯度位置 ZZ—相对厚度：翼型最大厚度与弦长之比
国外发展现状
• 3、美国NUWC研制的仿生扑翼水下航行器
• 美国NUWC(海军研究局)先后研制了3台采用扑翼装置驱 动的仿生水下航行器，在载体前后两端各布置了3只仿生 翼板，每一只翼板都可以单独完成持续的大幅度扑动和扭 转运动。这台AUV的开发目的是为了取代槽道螺旋桨推进 • 器以实现悬停定位操作。
二、翻转函数改为STEP 函数后的机构运动仿 真
•第一种所仿真的这种扑翼运动方式与海龟实际扑翼运动的 方式并不相同，为了在二自由度上模拟海龟实际的前肢扑翼 运动方式，可以将控制模型扑翼翻转的驱动重新定义，用 ADAMS 提供的函数构造器中的STEP 函数来完成［12］，定 义控制扑翼翻转的运动函数为 •STEP( t，0. 4，0. 785，0. 5，－ 0. 785) + STEP( t，0. 9，0，1， 0. 785)
不同扑动频率时各翼型特性
不同扑动频率时各翼型特性
不同扑动频率时各翼型特性
不同扑动频率时各翼型特性
不同扑动频率时各翼型特性
不同翼型的水动力特性
运动中心 位置
不同翼型
扑动 频率 来流 速度
不同来流速度时各翼型特性
不同来流速度时各翼型特性
不同来流速度时各翼型特性
不同来流速度时各翼型特性
流场速度矢量图
流场速度矢量图
卡门涡街
• 流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥 离，形成交替的涡流。 • 这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬 间速度不同。流体速度不同，阻流体两侧 受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发 生振动。
推力的产生
• 前缘涡和尾涡在脱离扑翼后都形成逆卡门涡 街，从而对扑翼产生推力。 • 扑翼推力的变化频率是扑翼扑动频率的2倍 ，且产生了2个推力峰值和两个阻力峰值， 由于推力峰值大于阻力峰值，产生了推力。
阻力特性
俯仰力矩特性
CFD和Fluent简介
• CFD:计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)
,它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法， 对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析 研究，以解决各种实际问题。
• Fluent:用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的
特点：（与传统螺旋桨推进方式相比）
1.良好的运动性能
仿生扑翼推进器可提高水下航行器的起动、 加速和转向性能，在低速条件下保持高机动 性和稳定性。
2.流体性能更完善
海洋生物通过扑翼的划动产生推进力，具 有更理想的流体力学性能。
3.能源利用率高
仿生扑翼推进器可以大大节省能量，提高能 源利用率，延长航行器的水下作业时间。
• 攻角：无穷来流与翼弦的交角称为扑翼几 何攻角 • 水动升力：水流作用在扑翼上的合力在垂 直于来流方向的分量，常用L表示 • 水动阻力：水流作用在扑翼上的合力在平 行于来流方向的分量力，常用D表示 • 水动力矩：水流作用在扑翼上的分布力相 对于扑翼前缘的合力矩称为水动力矩，常 用M表示。
攻角（angle of attack）
• 例如，NACA 2412表示翼型的相对弯度为2%， 最大弯度位置在弦长的0. 4，相对厚度为12%
扑翼运动方程
斯德鲁哈数
St
• St用来定义扑翼扑动速度相对于来流速度的 大小，表达式为 St fh / U • 其中，f为扑动频率，h为扑动最高点到最低 点的扑动距离（也称扑动幅度）。 • 国外研究机构的实验发现，扑翼运动最高 推进效率时满足0.2<St<0.4
仿生扑翼UUV设计
1
水下扑翼UUV简介 水下扑翼国内外发展状况 水下扑翼UUV结构设计
扑翼UUV流体动力分析
2
扑翼UUV推进性能分析 基于CPG的扑翼UUV控制方法
水下仿生扑翼UUV
1
流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法
2
3
流体动力分析
攻角的影响
翼型的影响
扑翼流体动力定义
仿生扑翼UUV结构设计
1
海龟前肢扑翼运动模式 扑翼推进结构设计 推动结构运动仿真
2
3
海龟前肢扑翼运动模式
• 海龟在水中游动时，主要依靠前肢划水产生推力 ，而后肢只起到舵的作用。 • 3种基本的前进游动方式：水平直线运动、转向运 动和升沉运动。后两个运动可在直线运动的基础 上，左右前肢拍水频率和幅度不一，同时配合后 肢而做出。