微型扑翼飞行器的现状及关键技术
微型飞行器结构的发展及关键技术
行 器基 本都 是用 现有 的微 器件 ，其设计 指标 都基 本接 近美 国 国防高级 研究计 划 署提 出的相 关技术 指标 。但 是在 自主 导航能 力 、飞行 时间 、机 动性 、作 用半 径等
方面存 在差距 。图 ｌ 固定 翼结构 的微 型 飞行器 。 是
表 ｌ 微 型 飞 行 器 设 计 要 求
无人 机上 ，这也使 得抵 进 侦察成 为可 能Ｌ 。 １ ］
２ 微型 飞 行器 的特征 和典 型结构 形式
为 了对 微型 飞行 器的设 计建 立指 导性 原则 ，美 国 国防高级 研究 计 划 局 （ ＤＡＲ Ａ） 提 出 了一 些 基 本 的 Ｐ 要求 ，这 些基 本 要求 （ 见表 １ ］ ）都 是 为 了满 足 便 携 Ｅ 和单 人操 作 。但 是 由于 当时微 型飞行 器 的研 究 与开 发
林 肯 实验 室 的微 型 飞行器 、航 宇环境 公 司的黑 寡妇 和 洛克希 德 桑德斯 公 司的微 星 。这些公 司研 制 的微 型飞
收 稿 日期 ：２ １一 ０２ ０ １ｉ－ ５
昆虫 飞 行 的新 型微 型飞行 器 ，所 以在 研究 扑翼结 构 的
作 者 简 介 ：崔 瑞 强 （９ ６）男 ， 西忻 州 人 ， 读 硕 士 研 究 生 ， １ ８ 一， 山 在 研究 方 向航 空 宇 航 制 造 工 程 。
第１ 期 （ 第 １０ ） 总 ７期
２１ ０ ２年 ２ 月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮ１ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＥＲＩ ＮＥ ＮＧ ＆ ＡＵＴ【Ｍ ＡＴｌ） ） （Ｎ
ＮＯ． １ Ｆｅ ． ｂ
文 章 编 号 ：６ ２ ６ １ （０ ２ ０ — １７ ０ １ ７ — ４ ２ １行器 （ ＭＡＶｓ ）一词 来源 于美 国 国防 高级 研 究计 划署 （ ＡＲＰ Ｄ Ａ）在 兰德 公 司 （ ＡＮＤ）举 行 Ｒ 的 一次军 事 技术 研讨会 。在 技术 研讨 会后 ，兰德公 司 发行 的研 究 报告 中指 出 ，尺寸极 小 的飞行 器携 带微 型 传感 器用 于 侦察 的想法 是 可 以实现 的 。微 型飞 行器 整 体 结构小 ，不易 被发 觉 ，造 价较 低 ，已经 成 为重要 的 军 事装备 。 由于 微型 飞行 器可 以远距 离侦察 ，且不 易 暴 露也不 涉 及人 员 的安全 问题 ，使其 成 为特种 作 战部 队 的有机 组 成部 分 。尽 管微 型 飞行器 的传感 器 性能 没 有 大型无 人 机 的传感 器性能 那 么优 良 ，但 是 因为 当时 其 尺寸 、重 量 、能量需 求都 使 它们可 以安装 在 更小 的
仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究（已处理）
仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究摘要微扑翼飞行器Flapping-wing micro aerial vehicles模仿鸟类或昆虫的飞行原理,具有体积小、重量轻、隐身性好等优点,被广泛使用到军用和民用领域。
本文以仿蝴蝶微型扑翼机为研究对象,首先分析凤蝶的飞行参数,在此基础上,建立了仿蝴蝶扑翼机的参数化模型,研究了仿蝴蝶扑翼机的流体和扑翼机构的运动特性。
(1)对凤蝶的扑翼飞行和微观形态进行了整理和分析,获得了凤蝶扑翼飞行的尺寸参数及运动参数,为仿蝴蝶扑翼机的数值建模和机构分析提供了数据参考。
(2)以流体仿真软件 FLUENT 为平台,采用参数化语言,建立了仿蝴蝶流体分析模型,针对解决流场的动边界这一难点,采用动网格技术,对翼型的流体动力学性能进行研究。
流体仿真结果表明:涡流是产生高升力的主要原因;在大翼展、低频率扑动前提下,扑翼幅值与产生的升力和推力成正比。
(3)以平面四杆机构为基础,用解析法设计了具有急回特性的扑翼机构,并以 solidworks 软件为平台,建立了扑翼机构的三维模型,进行了扑翼机构的运动仿真,将仿真结果与解析法设计的扑翼机构的运动特性进行比较,验证了解析法设计急回特性的扑翼机构的可行性和可靠性。
关键词:微扑翼飞行器,流体力学仿真,动网格技术,急回特性,运动仿真IAbstractFlapping-wing micro aerial vehicles mimic birds or insect flight principle, hasthe advantage of small volume, light weight, good stealth ability, etc., is widely usedin military and civil fields. Papilio is chosen to research the flapping wing flight andflight mechanism in this paper. The parametric language is used to constructedbutterfly wing model to carry on motion analysis and the design of theflapping-wing mechanism1 Researched and analyzed the flapping wing flight and micro-morphology ofthe papilio, obtained its dimension parameter and motion parameter,provided datareferences for the numerical modeling and mechanical modeling of the bionicornithopter 2The imitating butterfly fluid simulation mode is based on theparameterized modeling method on FLUENT software platform, to solve the flowfield of the moving boundary this problem, using the dynamic mesh technique,research on hydrodynamic performance of airfoil. Fluid simulation results show:eddy current is the main cause of high lift; in the large span, the low frequency,flutter premise, flapping amplitude is proportional to lift and thrust s generated3Based on the analytical method design the plane four-bar linkage, usingquick-return characteristics to design flapping-wing mechanism, and make motionanalyses. Established the three-dimensional model of the flapping wing, and mademotion simulation on solidworks software. The research results revealthat theflapping-wing mechanism motion analysis which is compared withthree-dimensional model simulated analysis is feasible and reliable Keyword: Flapping-wing micro aerial vehicles, fluid dynamics simulation,dynamic mesh, quick-return characteristics, motion simulationII南昌航空大学硕士学位论文目录目录摘要 IAbstract II第1章绪论11.1 引言.11.2 微型扑翼飞行器的研究现状及分析21.2.1 国外研究现状..31.2.2 国内研究现状..51.3 本文的研究目的及意义..71.3.1 微型扑翼飞行器的研究目的..71.3.2 拟解决的技术问题71.4 本文的内容安排..8第2章昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构92.1 昆虫扑翼飞行原理.92.1.1 雷诺数..92.1.2 昆虫的飞行机理..102.1.3 蝴蝶的飞行机理..132.2 蝴蝶翅形态结构142.2.1 蝴蝶翅气动外形特质142.2.2 蝴蝶翅三维形状测量152.2.3 自由飞行时蝴蝶翅形态结构16 2.3 蝴蝶翅微观形态172.3.1 翅的表观结构182.3.2 翅的断面结构192.4 本章小结19第3章仿生扑翼模型的流场分析21 3.1 FLUENT软件简介..213.1.1 FLUENT软件求解步骤..21III南昌航空大学硕士学位论文目录3.1.2 求解控制方程223.2 翼型的流场数值计算.233.2.1 翼型建模及网格化.233.2.2 翼型的流场计算..243.3 翅翼拍动中流场的数值模拟.27 3.3.1 动网格技术.273.3.2 动态数值分析283.3.3 拍打振幅对扑翼运动的影响313.4 本章小结32第4章扑翼机构设计及建模分析334.1 扑翼机构的设计.334.1.1 扑翼机构总体设计要求..334.1.2 扑翼的实现方案..344.2 扑翼机构的运动尺度综合..354.2.1 扑翼机构方案确定.364.2.2 构件尺寸确定374.3 按解析法设计急回特性的扑翼机构..374.3.1 扑翼机构设计374.3.2 扑翼机构分析424.4 扑翼机构建模.464.4.1 零件三维建模464.4.2 零件装配与运动仿真474.5 本章小结49第5章结论与展望505.1 结论..505.2 展望..50参考文献..52攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研情况.56一、攻读硕士学位期间发表的论文..56二、攻读硕士学位期间参加的科研情况56致谢57IV南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论第 1 章绪论1.1 引言微型扑翼飞行器Flapping-wing micro aerial vehicles以其优良的机动性、低噪音、低成本、携带方便、操作简单、可执行多种任务等功能,不论在军用还是民[1]用领域都具有十分重要、极其广泛的用途。
扑翼飞行器文献阅读
一、课题背景现在和未来的飞行机器人设计方向是期望机器人是小巧的、手提的、可随身携带的，像昆虫一样超低空飞行，能够灵活地完成侦查和搜索任务。
随着空气动力学和MEMS 制作等技术的发展，飞行器的小型化、微型化的研究越来越引起重视，微型飞行器（MAV）的出现正是这些研究的产物。
MAV一般是指翼展长度在15cm左右，重量在几十克至上百克，有效载荷20g，航速64~80km/h，留空时间20~60min，航程数10km；它应有实时成像、导航及通讯能力，可用手、弹药或飞机部署。
由于微型化的飞行器在众多领域有不可估量的应用潜力，因此世界许多发达国家已经将MAV技术列为研究的重点。
1992年，美国兰德公司（RAND）提交DARPA的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了MAV的概念。
该报告认为，携有微小传感器、尺寸极小的侦察飞行器的设想可以实现的，发展尺度位于昆虫量级的微型飞行系统对美国在未来保持军事领先具有重要意义，MAV将会改变未来的战争模式。
此后，麻省理工学院(MIT)的林肯实验室(Lincoln Laboratory)和美国海军研究实验室(NRL)对MAV技术上的可行性进行了更为深入的评估，得出了与兰德公司一致的结论。
微型飞行器的概念唤起了巨大的研究热情，得到世界上许多国家的广泛关注，如澳大利亚、德国、日本、俄罗斯、印度、以色列等，他们继美国之后纷纷成立专门研究机构、投入研究经费。
二、MAV飞行方式的选择MAV通过机翼与周围空气的相互作用产生克服自身重力的升力，从而实现空中飞行之目的。
目前MAV根据其翼型运动方式的不同可分为3类，分别为固定翼、旋翼和扑翼。
固定翼MAV在空气动力学方面面临着不少技术问题。
由于尺寸限制，固定翼通常采用小展旋比机翼布局，升阻比较小，升力面积也比较小，而且MAV飞行的速度也比较小(人约lOm／s左右)，所以很难提供足够的升力。
由于尺寸小和航速低，MAV的流场雷诺数比常规的飞行器小得多，传统的空气动力学理论已经不再适用。
微型扑翼飞行器扑翼运动规律与控制技术研究
摘要摘要微型扑翼飞行器扑翼运动规律与控制技术研究微型扑翼飞行器是一种仿鸟类的飞行器，其相比于固定翼飞行器和旋翼飞行器具有独特的优点，并且在军用和民用领域都具有非常广阔的应用前景，因此微型扑翼飞行器已经成为国际各大机构的研究热点之一。
本文主要对微型扑翼飞行器扑翼的运动模型和控制系统进行了研究，主要研究内容如下：首先，参考固定翼飞机的坐标系理论，定义了微型扑翼飞行器飞行时的坐标系统，建立了飞行时的运动参数和坐标系之间的关系。
并根据欧拉旋转定理，推导出了惯性、机体和机翼坐标系之间的变换矩阵。
其次，研究了微型扑翼飞行器扑翼的运动形式，设计出了刚性和柔性两种扑翼模型，并对这两种扑翼模型的气动力进行了分析和计算，并分析了迎角、扑动倾角、转动时间比等参数对扑翼的气动力的影响。
比较了这两个模型的特点，结果表明刚性扑翼模型具有平飞和驻飞两种飞行方式，两种飞行方式的结合可以极大的提高飞行器的机动性，而柔性扑翼模型由于自身的柔性变形能极大的提高飞行器的气动性能。
对两种扑翼模型在惯性坐标系下的气动力和气动力矩进行了分析，确定了影响飞行器位置和姿态的参数，并推导出了微型扑翼飞行器运动的总微分方程。
最后，根据推导出的微型扑翼飞行器总微分方程，提出了分层控制的方法，将微型扑翼飞行器的控制系统分为三个相对独立的控制层：轨迹规划控制层、位置控制层和姿态控制层，重点研究了位置控制层和姿态控制层控制系统的设计。
确定了以一个周期内的平均气动力和气动力矩代替瞬时气动力和气动力矩的控制方法，针对两种扑翼模型，提出了与之相适应的控制方法，并探讨了神经网络控制和切换控制在驻飞飞行姿态控制中的应用，最后采用MATLAB工具对控制系统进行了仿真分析。
关键词：微型扑翼飞行器，气动特性，运动方程，位置控制，神经网络控制，姿态控制AbstractAbstractThe Flapping Wing Motion Law and Control Technology Research of theMicro Flapping Wing Flight VehicleMicro flapping wing flight vehicle is a kind of imitation bird flying machines,because it is compared with the fixed wing aircraft and rotor wing aircraft has unique advantage,and in the field of military and civilian has very broad application prospects,so the study of the micro flapping wing flight vehicle become to one of the highlights in agro-scientific research in the international institutions.This paper aim at the motion law of flapping wing and the design of control system,The main research content is as follows:First of all,according to the fixed wing aircraft coordinate system theory,the coordinate system of the micro flapping wing flight vehicle was defined,and the relation between movement parameters of the micro flapping wing flight vehicle and the coordinate system has been defined.And according to the euler rotation theory,derived the transformation matrix of these three coordinate.Secondly,studied the motion form of the micro flapping wing flight vehicle,designed the rigid and flexible flapping wing model,and the aerodynamic force is analyzed and calculated for two flapping wing models.Then analyzed the influence of the flapping angle and the rotation time on the aerodynamic characteristics of flapping wing.The results show the rigid wings has two flight modes,the horizontal flight and hovering flight,which may enhanced flight mobility if they work together,and flexible flapping wing structure can greatly enhance the aerodynamic characteristics of flapping wing because of the flapping wing flexible deformation.The aerodynamic force and moment in inertia coordinate system of two kinds of flapping wing model were analyzed,and the parameters which effect the position and the posture of the micro flapping wing flight vehicle has been determined,and deduced the total differential equation of the micro flapping wing flight vehicle movement.Finally,according to the micro flapping wing flight vehicle total differential equation,吉林大学硕士学位论文It decomposes the global control system into three independent control systems,trajectory planner control system,position control system and posture control system.For the position and the posture control system,a method of average aerodynamic forces and moment is designed.According to two kinds of flapping wing model,put forward the corresponding control method,for the two models of the micro flapping wing flight vehicle position and posture control strategies were studied.The application of artificial neural network and the switching control for micro flying vehicle in hovering flight is discussed.Finally,the control systems are simulated and analyzed by the MATLAB.Key words:micro flapping wing flight vehicle,aerodynamic characteristics,movement rule,position control,neural network control,posture control目录目录第1章绪论 (1)1.1课题的研究背景和意义 (1)1.1.1扑翼飞行器的研究背景 (1)1.1.2研究意义 (2)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1国外研究现状 (3)1.2.2国内研究现状 (5)1.3论文的主要工作 (6)第2章扑翼飞行机理和飞行坐标系统 (7)2.1昆虫的飞行机理研究 (7)2.2坐标系定义 (10)2.2.1结构模型 (10)2.2.2坐标系定义 (11)2.3坐标系之间的变换矩阵 (12)2.3.1惯性坐标系和机体坐标系之间的变换矩阵 (12)2.3.2机体坐标系与机翼坐标系的关系 (13)2.4本章小节 (14)第3章扑翼模型及气动力分析 (15)3.1引言 (15)3.2刚性扑翼模型平飞气动力分析 (15)吉林大学硕士学位论文3.2.1刚性扑翼模型平飞飞行方式 (15)3.2.2气动力计算 (16)3.2.3仿真与分析 (18)3.3刚性扑翼模型驻飞气动力分析 (19)3.3.1刚性扑翼模型驻飞飞行方式 (19)3.3.2气动力计算 (21)3.3.3仿真与分析 (22)3.4柔性扑翼模型的气动力分析 (23)3.4.1柔性翼的扑动方式 (23)3.4.2气动力计算 (24)3.4.3仿真与分析 (24)3.5本章小结 (25)第4章微型扑翼飞行器的运动方程 (27)4.1参数关系的建立 (27)4.2微型扑翼飞行器三维空间运动方程的建立 (28)4.2.1平动时的动力学方程 (28)4.2.2转动时的动力学方程 (28)4.3作用在微型扑翼飞行器机体上的力和力矩 (30)4.3.1刚性扑翼模型平飞飞行的力和力矩 (30)4.3.2刚性扑翼模型驻飞飞行的力和力矩 (31)4.3.3柔性扑翼模型的力和力矩 (33)目录4.4本章小结 (35)第5章控制系统设计 (37)5.1引言 (37)5.2刚性扑翼模型平飞飞行控制系统设计 (38)5.2.1刚性扑翼模型平飞位置控制 (38)5.2.2刚性扑翼平飞飞行的姿态控制 (42)5.3刚性扑翼模型驻飞飞行控制系统设计 (44)5.3.1基于切换控制的姿态控制方案 (44)5.3.1基于神经网络的姿态控制方案 (47)5.4柔性扑翼模型飞行控制系统设计 (49)5.4.1柔性扑翼模型位置控制系统 (49)5.4.2柔性扑翼模型姿态控制系统 (52)5.5本章小结 (54)第6章总结与展望 (55)6.1全文总结 (55)6.2展望 (56)参考文献 (57)作者简介及科研成果 (63)致谢 (65)第1章绪论第1章绪论1.1课题的研究背景和意义微型扑翼飞行器是一种仿生类飞行器，同固定翼飞行器相比，固定翼飞行器要产生很大的升力需要很大的表面积和很高的飞行速度，而很高的飞行速度需要发动机提供很大的牵引力，所以固定翼飞行器无法完成低速条件下的稳定飞行，扑翼飞行器所维持飞行所需要的升力和推力均由扑翼的扑动产生，不需要大功率发动机的牵引，因此能够完成低速条件下的飞行。
飞行器技术的发展现状与未来趋势
飞行器技术的发展现状与未来趋势现代飞行器技术的发展已经取得了巨大的成就，从最早的热气球到今天的喷气式飞机和无人机，飞行器已成为人类出行、军事侦察和科学研究的重要工具。
本文将就飞行器技术的发展现状以及未来的趋势进行探讨。
一、飞行器技术的发展现状目前，飞行器技术正在朝着更高效、更环保和更安全的方向发展。
首先，飞行器的动力系统正在经历改革。
传统的涡喷发动机将逐渐被新一代的混合动力系统所取代。
新兴的电动飞行器和燃料电池飞行器具有零排放和低噪音的特点，对环境的影响更小。
同时，随着太阳能、氢能及其他可再生能源技术的突破和应用，飞机的动力系统将变得更加先进和环保。
其次，飞行器的构造和材料正在不断创新。
轻量化设计是当前飞行器研发的重要趋势。
新型复合材料、高强度钛合金和蜂窝结构材料等的应用，使得飞机在重量上得到了大幅减轻，进而降低了燃油消耗和碳排放。
此外，3D打印技术的应用，使得传统制造过程中的材料浪费得到了极大改善，并且可以实现更加精确的设计。
再次，飞行器导航和通信技术的进步为飞行安全提供了更好的保障。
全球卫星导航系统的发展使得飞机的定位和航线规划更加精准，大幅减少了事故风险。
通信技术的进步也使得飞机与地面的信息交流更加流畅，确保了飞机飞行的时效性和安全性。
二、飞行器技术的未来趋势未来的飞行器技术将更加注重智能化和无人化的发展。
首先，无人机技术将得到快速发展。
随着人工智能和自主导航技术的突破，无人机已经成为军事侦察、物流运输和科学探测等领域的重要工具。
未来，无人机将进一步融入日常生活，例如在城市交通、快递配送和农业灌溉等方面发挥更大的作用。
同时，无人机的设计和制造也将更加精细化，进一步提高安全性和可靠性。
其次，电动飞行器将成为一种趋势。
随着电池技术和电动机技术的快速发展，电动飞行器的续航能力和载重能力将得到大幅提升。
未来，人们可以想象到城市间的电动飞行汽车、个人空中交通工具的出现。
这将彻底改变人们的出行方式，减少交通拥堵和空气污染。
微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术
2004 年 , 已经分别基于多种控制算法(例如 :PID[ 5] 、 LQ[ 5] 、Backstepping[ 6] 、Sliding -mode[ 6] ), 实现了飞行 器姿态控制 。
OS4 II 的机身最大长度 72 cm , 重 520 g ;机载 230 g 的锂电池 ,能提供自主飞行 30 min 的能量 。它与 OS4 I 的区别主要有:使用了桨叶面积更大的新旋翼;使用了 更轻 、功率更大的 LRK 无刷电机 BLDC ;使用皮带减速 装置代替了电机减速箱 ;控制器 、传感器 、电池和电机 驱动模块等都直接安装在机体上 , 不再由机体外部提 供 。2006 年 1 月 ,EPFL 已经实现了 OS4 II 在室内环境 中基于惯导的自主悬停控制 。
0 引言
微小型四旋翼飞行器是一种电动的 、能够垂直 起降(VTOL)的 、多旋翼式遥控 自 主飞行器 。 它在 总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器 , 与常规 旋翼式飞行器相比 , 其结构更为紧凑 , 能够产生更大 的升力 , 并且 4 只旋翼可相互抵消反扭力矩 , 不需要 专门的反扭矩桨 。
早在 1907 年 , Bréguet -Richet 就让世界上第一 架四旋翼飞行器“ Gyroplane No .1 ” 升上了天空[ 1] 。
X -UFO 机体最大长度 68 .5 cm , 高 14 cm ;持续 飞行时间约 5 min ;遥 控距离可达 100 m 。X -UFO 的旋翼被置于发 泡聚丙烯(EPP)制成的圆环中 , 比 Draganflyer Ⅲ有更好的安全性 。
图 1 Draganflyer Ⅲ 图 2 X-UFO
OS4 是 EPFL 自动化系统实验室开发的一种电 动小型法 , 目标是要实现室内和室外环 境中的完全自主飞行 。
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。
全球扑翼无人机产业发展及下游需求专项调研报告
全球扑翼无人机产业发展及下游需求专项调研报告随着科技的不断进步和应用，扑翼无人机已经成为新一代无人机的代表之一，无论是在科研领域还是商业应用领域都拥有广泛的市场前景。
本次调研就全球扑翼无人机产业发展及下游需求做出详细分析。
一、全球扑翼无人机产业发展现在，全球扑翼无人机的生产商主要集中在美国、中国、欧洲等发达国家和地区，而其中中国市场占有较大份额，是发展最为迅猛的地区之一。
1. 研发：全球扑翼无人机的研发投入较大，主要集中在高校、科研机构和企业。
在这些机构中，中国的科研投入占据主导地位，其次是欧美国家。
研究领域主要包括机械结构设计、控制算法、飞行器云台技术等。
2. 产业应用：扑翼无人机已经开始应用于电力巡检、土地测量、农业植保以及生态环境监测等领域。
目前，国内的无人机公司已经推出了加装激光雷达、人工智能等高科技装备的扑翼无人机，提高了设备的应用灵活性和精度。
3. 市场前景：扑翼无人机市场前景广阔，主要应用领域是农业、水利、电力、港口码头等方面。
未来几年内，扑翼无人机将更多地与人工智能、机器人等科技进行融合，实现更高效、更智能的应用。
二、下游需求扑翼无人机虽然与其他无人机存在一定相似之处，但其应用领域和市场定位有所不同，因此其下游需求也与其他无人机有所不同。
1. 高清影像需求：扑翼无人机在现实应用中，最为常见就是拍摄高清影像，因此高清影像需求是扑翼无人机下游的重要需求之一。
这类需求主要来自于旅游业、科研领域、建筑工地等。
2. 精准测绘需求：扑翼无人机即便在超低空时也能保证准确的定位和精准的测量，因此，其下游需求中，精准测绘需求也是一个重要的需求品类。
3. 环境监测需求：扑翼无人机在环境监测方面的应用也比较广泛，如空气、水质、土质等方面的监测。
这类需求主要来自于政府部门、环保组织、科研机构和矿业企业等。
总之，扑翼无人机发展前景广阔，产业链不断完善，下游需求也日益增多。
我们可以预见，扑翼无人机将在不久的未来逐渐走向成熟和普及，成为各行各业新的有力工具。
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无人机本文2007-08-02收到,作者分别系海军航空工程学院讲师、副教授和助教图1 微型蝙蝠飞行器微型扑翼飞行器的现状及关键技术郭卫刚 贾忠湖 康小伟摘 要 微型扑翼飞行器是高新技术的产物,是当前国内外研究的热点。
简述了微型扑翼飞行器目前的发展现状,提出发展微型扑翼飞行器的几项关键技术,并对微型扑翼飞行器的发展趋势进行了展望。
关键词 扑翼机 微型飞行器 微机电系统(ME M S)MAV(M icro A ir Veh icle微型飞行器)由于具有特殊的用途(如侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等)而倍受关注。
根据美国国防高级研究计划局(DARPA)提出的要求,微型飞行器的基本技术指标是:飞行器各个方向的最大尺寸不超过150mm,续航时间20m i n~60m in,航程达到10km以上,飞行速度22k m/h~45km/h,可以携带有效载荷,完成一定的任务[1]。
按飞行原理的不同,MAV分为固定翼、旋翼、扑翼三大类型。
固定翼布局有许多问题亟待解决,如升阻比相对较小,在低雷诺数状态下机翼不能提供足够的升力,遭遇突风难以保持稳定等。
旋翼布局尽管能够垂直起降和悬停,但其飞行速度低,质量大,仅适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。
而综观生物的飞行,无一例外都是采用扑翼飞行方式。
同常规布局相比,扑翼布局仅用一套扑翼系统就可代替螺旋桨或喷气发动机提供推力;扑翼可以使MAV像昆虫和鸟类那样低速飞行、盘旋、急转弯甚至倒飞;扑翼下面可以产生一种涡流,这是扑翼飞行器飞行的必要助推力,扑翼飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。
微型扑翼飞行器具有一般航空飞行器无法比拟的机动和气动性能,与无人侦察机相比,具有以下优势:可以低速飞行,可以随意改变方向,可以悬停,还可以向后倒退。
1 研究现状在DARPA的资助下,微型扑翼飞行器的研究得到了很大进展,主要有加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学共同研制的微型蝙蝠(M icrobat[2]),斯坦福研究中心和多伦多大学共同研制的引导者(M en-tor),乔治亚理工研究院及其协作者研制的昆虫机(Ento m opter)。
1.1 微型蝙蝠微型蝙蝠是最早的电动扑翼飞行器,其机翼是采用微电机系统(ME MS)技术加工制作而成的。
通过质量轻、摩擦低的传动机构将微电机的转动变为机翼的扑动。
加州理工学院在DARPA的倡议下依据仿生昆19飞航导弹 2007年第12期图2引导者飞行器图3 昆虫机飞行器虫的原理研制了第一架原型机,并于1998年10月进行了首飞,飞行时间为9s 。
经对微型机电系统(M E M S)不断的改进[3],加州理工学院已经制造出钛合金骨架蒙以聚合物薄膜构成的机翼,同时还有包括电池、减速器和扑动传动机构在内的轻型动力传输系统。
微型蝙蝠改型机(见图1)采用锂离子电池为动力,总质量11.5g ,最大尺寸20.32c m,由无线电遥控方向舵、升降舵和推力飞行。
最大续航时间为377s 。
1.2 引导者受昆虫和鸟类飞行启发,多伦多大学的德劳瑞教授选择蜂鸟作为模型,研发能空中盘旋并从盘旋转换到水平飞行的扑翼飞行器。
在美国斯坦福研究中心(SRI)开发的数学模型的帮助下,研究小组模仿昆虫的振动与推进机制,利用电致伸缩聚合体人造肌肉(E lectrostricti v e Poly m er Actuated M uscle ,EP -AM )作动力,开发了仿蜻蜓飞行姿态的引导者扑翼飞机,见图2。
2002年2月引导者试飞成功,成为世界上首架可在空中盘旋的扑翼飞机,并创下了在空中盘旋10m i n 的世界纪录。
它有4片机翼,利用垂直尾翼保持平衡,质量50g 。
研究人员希望最终能把它的尺寸压缩到蜂鸟般大小,那时它将成为未来的微型间谍。
1.3 昆虫机研究表明,当机翼是自主地(自然而然或非受控的)和匀称地(恒频和等幅)扑动,其上下挥动都产生升力。
这种升力有可能实现昆虫机悬停飞行,见图3。
乔治亚理工研究院(GTRI)与英国剑桥大学和ETS 实验室正在合作研制昆虫机,这种昆虫机使用基于往复式化学肌肉(Reciprocating Che m ica lM uscle ,RC M )的动力装置。
这是一种再生装置,它不通过燃烧反应就可将化学能转化为动能。
这种方法的主要优点是结构紧凑,也具有很高的能量释放率。
该昆虫机质量为50g ,能够装载10g 有效载荷。
该飞行器是利用化学能源的驱动力来拍打机翼并供给机载系统功率。
研究者期望它能在未来的火星探测中发挥重要作用。
2 关键技术微型扑翼飞行器的研究虽然已经取得了相当大的技术成果,并积累了一定的经验,但仍然处于试验阶段,其发展还存在许多技术难题。
2.1 低雷诺数下的空气动力学人们不可能把一架波音747飞机按比例缩小到150mm 长,还指望它能够飞起来。
由于尺寸小,速度低,微型扑翼飞行器要比普通飞机在更低的雷诺数下飞行,这时空气的粘滞力很大,其影响无法忽略。
与大飞机相比,微型飞行器所受的阻力更大,就像小昆虫在水中游泳。
目前,低雷诺数下的空气动力学还没有具体的理论和经验公式可以遵循。
因此,必须发展新的理论和试验技术。
2.2 微型动力装置微型扑翼飞行器的动力设备既要能装在微型飞行器内,又要能储备足够的能量,除维持飞行器的飞行外,还要能对机载设备提供能源。
因此,需要对高能效的电源技术进行研究,以保证能源供给。
微型扑翼飞行器的动力可以有很多种,如内燃发动机、燃料电池、电动机及太阳能等,其中内燃发动机具有良好的前景。
但微型内燃发动机的热效率只有5%左右,而且内燃发动机还存在噪音大及可靠性差等问题。
发动机使用高能电动装置也是很有前途的。
微20 飞航导弹 2007年第12期型扑翼飞行器的电动机可以利用电化学电池、燃料电池、微型涡轮发电机、热光电发电机、太阳能电池或电子束能量系统作为能源。
此外,往复化学肌肉、电致伸缩人造肌肉、弹性动力等新技术目前正在研究中。
2.3 飞行控制与通信首先要有一个飞行控制系统来稳定微型扑翼飞行器,至少应增加其受外部自然条件影响时的稳定性。
这样在面临湍流或突发阵风时可以保持其航线,并可执行控制人员的机动命令。
目前较好的控制方式是在微型扑翼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扑翼飞行器的飞行控制。
微型扑翼飞行器需要保持与控制人员的通信联系。
由于体积质量的限制,目前只能采用微波通信方式。
尽管微波可以传播大量的数据,足够进行实况电视转播,但它却无法穿透墙壁,因而只能在视距内使用。
当飞机飞出视线或视线被挡住时,就需要一个空中的通信中继站。
为使微型扑翼飞行器自主飞行,可以利用地图导航,也可利用全球定位系统(GPS)来确定它的位置。
GPS可以大大提高微型扑翼飞行器的导航能力,但目前它在功率、天线尺寸、质量及处理能力等方面均存在不少问题,需要加以解决。
2.4 侦察传感器的微型化微型扑翼飞行器还需要携带一些侦察传感器,如电视摄像机、红外及生化探测器等。
现在正在研制1g重的CCD摄像机,它可在100m高的空中以足够的分辨率探测出人员及车辆。
虽然在这方面取得了不少的成绩,但是离实用化还有一定距离。
3 发展趋势3.1 仿生扑翼动力学理论逐步走向成熟受低雷诺数的影响,传统空气动力学理论无法解释扑翼的升力问题[4]。
今后,在气动研究人员和昆虫生物学家共同努力下,随着非定常空气动力学理论和低雷诺数空气动力学研究的深入,仿生扑翼动力学理论将取得重大突破,从而使微型扑翼飞行器的工程化和实用化成为可能。
3.2 微型扑翼飞行器进一步微型化随着ME M S技术的发展,微型扑翼飞行器机载设备的其它部件也将进一步微型化,如作动器、摄像机等。
由于飞行器尺寸小,在空中飞行时,不仅肉眼很难发现,就是雷达探测器也很难探测到,即使被发现也很可能被认为是一只普通的小鸟而不会引起注意。
未来飞行器的尺寸将会进一步缩小,会变成像苍蝇那么大小,即使飞入房间,或停在墙上也不会被发现。
3.3 飞行性能显著改善,并将能自主飞行微型扑翼飞行器的研究涉及到空气动力、机械、电子、材料、能源、控制、信息等学科,这些学科的不断发展将解决目前微型扑翼飞行器设计中的难点,使其能像昆虫或鸟类一样利用大气中的上升气流翱翔,实现自主飞行。
未来的战场上将会出现成千上万的武装微型扑翼飞行器,用来执行侦察、跟踪、监视、攻击等多种任务,这将是一种全新的战场形态。
4 结束语微型扑翼飞行器技术是一个多学科交叉的高新技术领域,其研究在一定程度上反映一个国家的科技水平。
微型扑翼飞行器的研制不仅能够推动新技术和相关领域的发展,而且对国防建设也有重大意义,是我国迫切需要开展的研究项目。
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