仿生扑翼UUV.
仿生扑翼飞行器的发展与展望
仿生扑翼飞行器的发展与展望仿生扑翼飞行器的发展与展望摘要：本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其历史，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。
在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论，并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。
关键词仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术Abstract：The concept，characteristics and usage of flapping-wing air vehicle are brieflyintroduced．The present research situation and future development trend of FA V are summarized．According to these，several key technologies of FA V are discussed．Taking into account the presentsituation .the future on the research of FA V in China is outlined．Key words：Bionics ; Flapping-wing air vehicle ; Micro air vehicle ; Key technology1仿生飞行的历史与进展1．1向鸟类学习在中国两千年以前的航空神话和传说中，就有“人要是长着翅膀，就能在空中飞行”、“人骑着某种神奇的动物，可以飞行”等反映古人飞行理想和愿望的文字记载。
多数昆虫长着一左一右两个或4个翅膀，他们都是飞行家，飞行技术非常高明。
但因为昆虫比较小，翅膀的运动速度太快，不易被观察，在古人眼里，只认为鸟类是可以模仿的、最好的飞行家。
传说中春秋时代(公元前770-前481)后期，鲁国著名的能工巧匠公输盘(有些史籍也记作“公输班”)研究并花费3年时间制造了能飞的木鸟，又名木鸢。
仿生扑翼机器人的机械系统设计研究
仿生扑翼机器人的机械系统设计研究近年来，仿生机器人技术迅猛发展，其潜在的应用领域不断扩大。
其中，仿生扑翼机器人作为一种模拟昆虫翅膀运动的机器人，具有较高的机动性和适应性，在无人侦查、救援和农业等领域有着广阔的前景。
本文将着重研究仿生扑翼机器人的机械系统设计。
首先，机械系统设计是仿生扑翼机器人实现扑翼运动的关键。
为了模拟昆虫翅膀的运动特点，机械系统应具备轻量化、高刚度和高可靠性的特点。
一种常见的设计方法是采用柔性材料制作翅膀，如碳纤维复合材料，以实现翅膀的轻量化和高刚度。
同时，采用特殊的结构设计，如曲线状的翅膀弯曲轴，可以使机械系统具备较好的可靠性和机动性。
其次，机械系统设计还需考虑扑翼机构与驱动系统的协同工作。
在仿生扑翼机器人中，扑翼机构通常采用类似昆虫的并联结构，通过多个关节和连杆实现翅膀的运动。
为了实现高效的扑翼运动，机械系统设计需要考虑关节的精确控制和连杆的合理长度。
同时，驱动系统需要提供足够的力和速度，以实现扑翼机构的正常工作。
电机、液压或气动系统都可以作为驱动系统的选择，不同的驱动方式会对机械系统的设计提出不同的要求。
最后，机械系统设计还需考虑机器人的稳定性和控制性能。
由于仿生扑翼机器人在空气中运动，存在空气动力学效应的影响，机械系统设计需要考虑机器人的稳定性。
通过调整翅膀的形状和尺寸，以及控制翅膀的运动轨迹，可以提高机器人的稳定性。
此外，机械系统设计还需要与控制系统紧密结合，通过传感器和反馈控制实现对机器人的精确控制。
综上所述，仿生扑翼机器人的机械系统设计是实现扑翼运动的关键。
通过采用轻量化、高刚度和高可靠性的材料，设计合理的扑翼机构和驱动系统，以及考虑机器人的稳定性和控制性能，可以实现高效、稳定的扑翼运动。
随着技术的不断发展，仿生扑翼机器人的机械系统设计将进一步提升，为各个领域的应用带来更多可能性。
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UUV.
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。
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。
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。
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。
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。
仿生扑翼飞行器
曾制作过四轴飞行器，并成功的完成。也制作过小飞机，可以说在飞行器方面有 一定的基础。擅长机械装置的控制系统的设计与制作。
蒋卓尔：11级机械工程学院，热爱科技创新，积极参与学校举办的各种 科学技术创新活动，参加过许多比赛，例如世纪杯，科研立项等，世纪 杯获得三等奖，科研立项通过审查。
阻力转向：如果鸽子在滑翔中控制翅膀的形状，使翅膀左右的阻力不相等，那 么就会产生一个和前进方向不共线的阻力，也会使鸽子转向。
扑翼飞行器的扑翼驱动机构（方案）
扑翼飞行器的驱动机构可很多中结 构，例如，交变磁场驱动机构， 静电致动胸腔式扑翼机构，压电晶 体( PZT)致动机构，人工肌肉驱动 机构，连杆驱动机构等等，我们所 采用的是连杆驱动机构,如图1所示。
制作扑翼飞行器要了解的方面
1.空气动力学基础
仿生扑翼飞行研究以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为主，但昆虫和鸟类 的翅膀不像飞机翼那样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构。 按照传统的空气动力学理论，它们无法有效地利用空气的升力和阻力， 因而就很难起飞。但是它们翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运 动，这会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力 学效应是研究和理解昆虫、鸟类飞行的运动机理和空气动力学特性进而 实现仿生飞行的重要基础。
图2 简单的扑翼模型
1.各个参数：
扑翼飞行器的机构动态分析
从质量0. 006kg，翼展0. 155m 的戴菊莺，到质量8. 5kg，翼展3. 4m 的漂泊信天翁，
共68 种不同鸟类的飞行参数，采用最小二乘法对其结构参数、运动参数以及动力参数进
行数据拟合，即可得出各参数与质量m 仿生学公式如下：
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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。
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。
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。
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。
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。
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)
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。
仿生扑翼UUV应用背景
• 目前国内外的UUV 大多采用传统的螺旋桨推进器 ，尽管螺旋桨推进器已经在船舶领域取得广泛的 应用，但是采用螺旋桨推进器的水下航行器在操 纵性方面和低速运动方面存在性能不高的问题。 在海洋科学考察中考虑到海底地形复杂，存在暗 流、浪、涌的区域，以及要完成海洋参数的测量 ，海地信息的调查和定点作业等任务，采用传统 的螺旋桨推进器方式已经无法满足这种应用的要 求。
Flapping foil UUV
国外发展现状
• 2、美国Duke大学的x形扑翼水下航行器
• Duke大学的学生AUV小组设计了一种采用X形布置的柔性 扑翼推进水下航行器。4个推进器呈X形的布置方式下，航 行器能够获得较好的水动力性能，从而产生较强的机动性 可以有效地调整和控制深度、航向、位置和速度等运动参 数。
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
仿生扑翼UUV结构设计
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
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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。