微型扑翼飞行器驱动系统工程设计方法
３４ 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第８期 ２０１３年８月
微型扑翼飞行器驱动系统工程设计方法
王利光 ，宋笔锋 ，付鹏 ，安伟刚１，２
（１．西北工业大学航空学院，陕西西安７ １００７２；２微型仿生无人飞行器设计深圳市重点实验室，广东深圳５ １ ８０５７）
摘要：以微型扑翼飞行器研制为背景，从系统的角度提出了一种仿生扑翼驱动系统的工程设计方法。根据仿生尺度率
原理，对微型扑翼飞行器的总体参数进行了初步设计，提出了驱动系统的设计目标。进行了扑动翼风洞实验，以实际能达
到的飞行状态为标准对实验数据进行分析处理，获得了扑动参数的可行范围和功耗需求。对微型无刷电机进行了工作特
性测试，得到了电机转速、转矩、输出功率、效率等的拟合关系。综合考虑扑动参数可行范围、功耗需求和电机特性等多个
因素，对驱动系统的减速比分配、减速器优化和四连杆扑动机构计算等方面进行了设计，得到了具有良好系统匹配性能
的微型扑翼驱动系统，并通过样机研制和飞行实验证明了设计方法的有效性与可行性。所得研究结论对微型扑翼飞行器
的工程设计和研制有一定指导意义。
关键词：微型扑翼飞行器；总体设计；风洞实验；扑动机构
中图分类号：ＴＨＩ６；Ｖ２７６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１３）０８—００３４—０４
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆｌａｐｐｉｎｇ－Ｗｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ
ＷＡＮＧ Ｌｉ－ｇｕａｎｇ ，ＳＯＮＧ Ｂｉ－ｆｅｎｇ ，ＦＵ Ｐｅｎｇ ，ＡＮ Ｗｅｉ－ｇａｎｇ ，。
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ－ｂｉｏｎｉｃ ＵＡＶ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ帆ｅｆｆｗｉｅｎｔｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ ｍｉｃｒｏ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ（ＦＭＡＶ），肌ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆｌａｐｐｉｎｇ－
ｗｉｎｇ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓ￣ｔｅｍ ｉｓ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆｂｗｎｉｃ ｓｃａｌｅ ｌａｗ，ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆＦＭＡＶ ｉｓ
ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓ￣ｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ａｓｉｂｌｅ ｆｕｔｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆｔｈｅｆｌａｐｐｉｎｇ—ｗｉｎｇ ａｌｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｈｉｃｈ册ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｓｕｂｍｉｔｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ
ｐｒａｃｔｉｃａｌｆｌｙｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ．Ａｆｔｅｒ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｕｔ ａｎｏｔｈｅｒ ｔｅｓｔ，￡ｋ ｍｉｃｒｏ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ’Ｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆａｎｇｕｌａｒ ｓｐｅｅｄ．
ｔｏｒｑｕｅ，ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｅｆｗｉｅｎｃｙ ａｒｅ ａｃｈｉｃｖｅ￣Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｆｌｕｔｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｐｏｗｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｏｔｏｒ’Ｓ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｒｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｔｈｅ ａｓｓｉｇｎａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ
ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅａｒ ａｎｄ ｄｅｓ￣ｎ ｏｆｔｈｅｆｏｕｒ－ｌｉｎｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｃｏｎｃｏｒｄａｎｔ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ’Ｓｆｌｙｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｖｅｒｔｆｙ ｔｈｅ
ｅｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｐｐｒｏａｃｈ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅ ｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＦＭＡＶ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｆｌａｐｐｉｎ Ｗｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ；Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ Ｄｅｓｉｇｎ；Ｗｉｎｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；Ｆｌａｐｐｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
１引言
扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器。上
世纪９０年代以来，随着军事和民用需求的变化、微加工技术与
ＭＥＭＳ技术的发展，一场前所未有的微型飞行器研究热潮正在国
内外兴起，微型扑翼飞行器以独有的低雷诺数气动优势在微型飞
行器中脱颖而出。现阶段微型扑翼飞行器的研究仍以基础理论研
究和初步样机制作为主，而样机制作也不注重整体效率发挥，主
要考虑的是功能实现Ｉ 。从空气动力学、机构运动学和动力学等
方面人手，提出了一种微型扑翼飞行器驱动系统的设计方法，其
总体思路为：扑翼飞行器总体设计一扑动翼气动实验一电机特性
实验一驱动机构设计一样机研制与实验，从而系统地设计了微型
扑翼飞行器的驱动系统。 ２微型扑翼飞行器总体设计
微型扑翼飞行器的起飞总重由飞行器平台重量和机载设备
重量组成。飞行器平台的重量取决于飞行器本身的规模、设计加
工工艺以及使用材料的水平，而机载设备的重量取决于电子元器
件的发展水平和机载设备设计加工工艺。考虑飞行器的尺寸
（５０ｃｍ以内）和目前的实际情况，起飞总重的最小可能取值约为
２００ｇ。文献喂据仿生相似原理，给出了微型扑翼飞行器的翼展、
翼载荷、重量、巡航速度、扑动频率、功率等参数的仿生尺度律：
翼展ｂ＝１．１７ｍ哪
翼面积Ｓ－－－Ｏ．１６，ｎ
翼载荷Ｗ／Ｓ＝６２．２ｍ
展弦比ＡＲ＝８．５６ｍｏ￣
来稿日期：２０１２—１０－０５ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１１０２１６１）；总装气动预研资助项目（５１３１３０６０１０３）；中国博士后科学基金资助项目（２０１００４８１３６９） 作者简介：王利光，（１９８１一），男，浙江宁波人，博士，主要研究方向：微型飞行器设计； 宋笔锋，（１９６３一），男，陕西凤翔人，教授，博士生导师，主要研究方向：
飞机设计可靠性生存力 第８期 王利光等：微型扑翼飞行器驱动系统工程设计方法 ３５
最小功率速度 ８．７ｍ
最大航程速度 ＝１１．６ｍ
最小飞行功率 ｌｌ＝１０．９ｍ
机翼扑动频率 ３．９８ｍ－ａ２７
由以上统计规律和起飞总重预测值可得到微型扑翼飞行器
总体设计参数的大致范围：翼展ｂ一０．６ｍ，翼面积Ｓ—Ｏ．０５ｍ ，翼
载荷 ３９．６Ｎ／ｍ ，展弦比ＡＲ一７．８，最小功率速度Ｖ ７ｍ／ｓ，
最大航程速度Ｖ￣９ｍ／ｓ．最小飞行功率 ￣－－８Ｗ，机翼扑动频
率产６Ｈｚ。
３扑动翼风洞实验
扑动翼风洞实验目的是研究扑动翼在不同扑动频率和扑动
幅度下的升力、推力、功耗特性，找出符合实际飞行要求的扑动频
率、扑动幅度组合，从而为驱动系统设计提供依据。
３．１风洞实验设备与实验内容
扑动翼风洞实验在西北工业大学低湍流度风洞进行，该风
洞的湍流度仅为０．０２％，并配备了美国某公司的六分量微量程动
态实验天平，是目前国内较先进的微型扑翼飞行器风洞实验系
统。扑动翼实验装置，如图１所示。该实验装置除了能测量扑动翼
产生的六分量气动力外，在实验装置上还增加扑动角度和扑动转
矩实时测量功能。实验状态如下：风速 分别是４ｍ／ｓ、６ｍ／ｓ、８ｍ／ｓ、
ｌＯｍ／ｓ；迎角Ｏｄ范围为（０—３０）。，变化步长５。；扑动幅度Ａ分别是
３１．７。、４２．８。、５４．３。、６６．６。、８０．１。、９６．０ｏ；扑动频率厂范围是（２一ｌｏ）
Ｈｚ，变化步长２Ｈｚ。
图１风洞实验装置 Ｆｉｇ．１ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
３．２实验结果与分析
３．２．１扑动参数的可行范围
以往进行的风洞实验与理论计算在选取研究状态时具有一
定的盲目性和任意陛，所选状态实际对应扑翼飞行器加减速、上
升和下滑等多种情况，甚至有些状态是飞行器永远不可能达到
的，因此所得结论不能代表扑翼飞行器性能特征。所提扑翼飞行
器性能分析的核心思路是以实际飞行状态为标准来评价气动性
能的优劣，以定常平飞为例，匀速飞行时扑翼飞行器定常平飞时
需满足推力 等于阻力Ｄ（即净推力为０）、升力Ｌ等于重力Ｇ：
Ｄ １ Ｌ：Ｇ Ｊ
然而想要一次性寻找到集合 ＝｛ＸＩＴ＝Ｄ，Ｌ＝Ｇ｝中的状态点是
很困难的，所选的扑动频率、扑动幅度、风速、迎角等参数并不一
定满足平飞条件；单独获得集合ｌ，＝｛ＹＩＴ＝Ｄ｝或ｚ＿｛ＺＩＬ＝Ｇ｝中的状
态点则相对容易，只需求得集合ｙ和ｚ的交集即可得到集合ｘ。
而实验的离散状态点通常也不是按集合ｙ或集合ｚ的要求 设计的，得到的实验结果中未必有恰好满足集合ｌ，或集合ｚ的
状态点，因此需要对实验结果进一步处理。在寻找集合ｌ，的状态
点时，选定某一扑动幅度，以扑动频率为实验变量，不同扑动频率
下将获得一系列净推力值，对这些值用多项式拟合，如果多项式 内插为０的值存在，说明实验状态有效，此时的扑动频率、扑动幅
度、风速、迎角组合即为满足集合ｙ的状态点。寻找集合Ｚ的状
态点与上述过程类似，只需将净推力值换为升力值，升力值多项
式拟合有内插为２００ｇ（飞行器的起飞总重）的点时即为集合ｚ的
状态点。按以上思路对实验结果进行处理，将集合ｌ，和ｚ求交得
到状态点，即为扑动参数的可行范围，如图２所示。图２中横坐标
为扑动频率，纵坐标为扑动幅度，每条线对应某一风速下符合集
合ｚ的迎角、扑动频率、扑动幅度组合。
５ ６ ７ ８ ９ ｌＵ １ｌ ，（ｎｚ）
图２扑动参数可行范围 Ｆｉｇ．２ Ｆｅａｓｉｂｌｅ Ｆｌａｐｐｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 由尺度率计算结果已知设计的扑翼飞行器飞行速度在（７～
９）ｍ／ｓ之间，为覆盖此范围需考虑图３中（６～１０）ｒｒｄｓ的可行域，该
可行域对应的扑动频率约为８Ｈｚ，对应的扑动幅度在（７０—７５）。之
间，扑动机构的运动参数设计将以此为准。
３．２＿２扑动翼驱动转矩
对照图２中扑动频率为８Ｈｚ的各状态，扑动翼翼根的最大驱
动转矩，如图３所示。在飞行速度（６－－８）ｍ／￣、扑动幅度（７０－７５）。自勺Ｊ隋
况下，扑动翼的翼根需用输入驱动转矩ｚ 范围为（０．４４４）．６１）Ｎｍ。
。．６ ０・５
。．２
０。
７０ ７５ ８０ Ａ（ｄｅｇｒｅｅ） 图３扑动翼翼根输入转矩（扑动周期内的最大值） Ｆｉｇ．３ Ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｌａｐｐｉｎｇ Ｗｉｎｇ （Ｍａｘｉｍｕｍ Ｖａｌｕｅ ｉｎ ａ Ｆｌａｐｐｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ）
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。形象地讲，MAV在空气中以常规方式飞行，犹如通常的飞机在蜂蜜般粘稠的流体中飞行，大气脉动会使微型飞行器如巨浪中的小船。固定翼MAV的空气动力不太稳定，其飞行状态可能始终都在随时间而变化，因此，MAV的基本气动特性呈大尺度非定常流。由于MAV尺度小、重量轻，其受阵风的影响也比常规尺寸飞机大的多。
基于XFLOW分析的仿生扑翼飞行器
基于XFLOW分析的仿生扑翼飞行器
发布时间：2022-09-23T02:12:45.971Z 来源：《中国科技信息》2022年10期5月 作者： 李辉1 丁业升1 张 鑫1 何志超1 张雅琦 1 雷逸帆1
[导读] 昆虫和鸟类都具有高超的飞行技巧。通过对动物的身体构造、运动机理和行为方式的观察研究，
李辉1 丁业升1 张 鑫1 何志超1 张雅琦 1 雷逸帆1
（1.湖北工业大学工程技术学院 机械工程系 湖北 430000）
摘要：昆虫和鸟类都具有高超的飞行技巧。通过对动物的身体构造、运动机理和行为方式的观察研究，将把工程系统的研究设计与仿生学相结合，进行仿生机器的开发与研究。借助空气动力学软件xflow对了翼型进行分析选型，最终得到NACA6409翼型，将此翼型作为扑
翼机异=翼型，针对动力结构，采取双曲柄摇杆机构驱动扑翼机内翼，平行四边形机构驱动扑翼机外翼，而传动结构采取三级斜齿轮减速，
以保证提供更大的扭矩。
关键词：xflow 双曲柄摇杆机构； 三级斜齿轮减速 ；NACA64
1.引言
根据飞行原理的不同，飞行器可分为固定翼飞行器、旋翼飞行器和扑翼飞行器三种类别中。固定翼飞行器主要应用于客运和货运飞机，飞机依靠燃料来提供推力和升力，可以实现快速飞行、高负荷运载以及长途飞行，但缺点是无法实现低速飞行和悬停，并且对飞行环
境要求也较高。设计一款小型扑翼飞行器应用于现实社会具有越来越重要的社会现实意义。
2.整体设计思路
扑翼飞行器是在仿生的基础上发展而来的，我们结合鸟类和昆虫等的飞行原理研究的基础上得出了扑翼飞行的一些基本特点进行设计。
（1）通过扑翼系统在有规律地扑动翅膀时提供飞行时所需的推力和升力，以及飞行时滚转、偏航和俯仰力矩[1]；
（2）通过改变与调整扑动的参数——扑动的频率、幅度和翅膀迎角等[2]。快速有效地改变身体的飞行状态，从而具备较强的机动性和灵活性；
（3）在飞行的任意时刻，鸟类可以将翅膀锁定在某一固定位置，从而在高空中利用重力势能以进行滑翔，这样使得鸟类可以在几不用耗费太多能量的情况下进行长距离的飞行；
微型扑翼飞行器传动机构的研究
龙源期刊网
微型扑翼飞行器传动机构的研究
作者：高杰
来源：《中国新技术新产品》2016年第02期
摘 要：本文通过对双曲柄机构、曲柄滑块机构、二段式传动机构的优缺点的比较，对微型扑翼飞行器的研究起到推动作用，要做到轻巧、紧凑、效率高，所以传动系统的优化和发展一直是当今微型扑翼飞行器的热点课题。
关键词：微型扑翼飞行器；传动机构；特点；进程；展望
中图分类号：V211 文献标识码：A
1 微型扑翼飞行器传动机构的特点
仿生学研究表明，动物飞行能力和技巧的多样性多半来源于它们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。要想做到像鸟类的复杂运动模式，或者象昆虫类高频振翅扑动，都是相当困难的，扑翼飞行的特点就是利用动力的旋转运动转化成扑翼的上下扑动，产生升力和推力，由于微型扑翼飞行器将悬停、转向和推进性能的来源都集中到扑翼传动机构上，因此就要有高效、节能的传动系统与之相适应。微型扑翼飞行器传动机构通常包括：机架、动力输入、连杆件、转轴、左右扑翼杆五部分。机架为飞行器支撑机构，动力输入指动力源即电机，连杆件除机架及扑翼杆之外的杆件。动力源输入动力，旋转运动，通过曲柄连杆机构，变成扑翼杆上下扑动的往复直线运动。整体结构要求紧凑、轻巧、节能并能高效地实现象鸟类翅膀的多样复合运动。
动物翅膀复杂的多样运动决定了它们具有较高的升力机制，并能灵活地控制飞行姿态，如果要靠单纯的机械结构实现这些功能，是相当困难的。目前我们能做到的单纯地模仿鸟类上下扑动，主要分为两类，一类是仅仅产生上、下扑动的机构，即平面扑翼驱动机构，翅膀的扭转的力学性能靠扇面的柔性去解决；另一类是能像动物翅膀在扑动时，产生扭转、折叠动作以减小阻力和应用非定常机理的机构，即空间扑翼机构。由于高频扑动的空间扑翼机构的实现具有很大的难度，至今只有Dickinson就空间扑翼模型及其动力特性作了详细研究。本文将就平面扑翼驱动机构的设计进行探讨。
扑翼机飞行器传动机构动力学分析
自古以来在天空中翱翔都是人们梦寐以求的，经历了几千年的研究，目前应用较为广泛的飞行器有固定翼飞行器、旋翼飞行器、扑翼飞行器。然而，扑翼飞行器多采用仿自然生物飞行特征研究得到，它具有良好的激动灵活性，很高的升阻比，而且尺寸相对较小，耗能较少，因此相比较固定翼和旋翼飞行器应用更加广泛，目前在民用、国防、军事领域中都有着很好的应用。
从国内外研究现状中显示，目前扑翼机都处于研究阶段，远没有达到推广和大范围应用阶段，存在的问题也相对较多。本文以此为出发点，主要对扑翼机飞行器机构的动力学进行研究，通过对常见扑翼机飞行器传动机构的研究、分析和比较，发现其中的不足，本文在传统的曲柄摇杆的基础上对其进行改进，验证曲柄中存在夹角的曲柄摇杆机构在提高两侧摇杆同步性方面的优势，并且证实了不对称摇杆机构中曲柄存在夹角的情况，相比曲柄中不存在夹角的机构在减少左右摇杆相位差角方面更有优势，能提高不对称机构的同步性。通过对鸟类、昆虫两类生物飞行机理的研究，本文从仿昆虫、仿鸟类、仿蜂鸟三种生物对扑翼几飞行器尺度律进行分析，研究结果表明，扑翼飞行器与真实鸟类的尺度律之间还存在较大程度的差异。通过对扑翼机飞行器传统机构数学模型的建立、模型的求解和推导，得出最佳模型，并从常定力、惯性力以及阻尼力三个方面对飞行器进行了动力学仿真，定常力情况时，弹簧的存在使输入功率的峰值降低了86%，惯性力情况时，弹簧的存在使功率峰值降低了20%，阻尼力情况时，弹簧的存在使功率峰值升高了56%。从整个系统角度来说，弹簧通过对能量的储存和释放两个过程减缓了输入功率的峰值。为了进一步验证安装弹簧在减少功率峰值上的优势，对该进型的不对称传动机构机型了分析研究表明，安装弹簧之后功率峰值可以有效减少%。针对扑翼飞行器续航时间短的问题，对采用太阳能电池板制作扑翼飞行器翅翼的方案进行了可行性分析。分析结果表明，采用太阳能电池板制作扑翼飞行器翅翼具有可行性，在电池板转化效率较高时，收集的太阳能可以提供扑翼飞行器飞行所需的全部能量。
《扑翼结构的仿生飞行器研究》
《扑翼结构的仿生飞行器研究》
扑翼结构仿生飞行器研究
一、引言
随着科技的不断发展，仿生飞行器的研究逐渐成为了一个热门领域。其中，扑翼结构的仿生飞行器因其与真实生物飞行原理的相似性，具有更高的机动性和适应性，成为了研究的重点。本文旨在探讨扑翼结构的仿生飞行器的研究现状、技术难点及未来发展方向。
二、扑翼结构仿生飞行器的概述
扑翼结构仿生飞行器是一种模仿鸟类、昆虫等生物飞行原理的飞行器。其飞行原理主要依赖于机翼的扑动，通过改变机翼的形状和角度，实现飞行过程中的升力、推力和侧向力的控制。相较于传统的固定翼和旋翼飞行器，扑翼结构仿生飞行器具有更高的机动性、适应性和隐蔽性。
三、研究现状
目前，国内外众多科研机构和高校都在进行扑翼结构仿生飞行器的研究。在机构设计方面，研究者们通过模仿鸟类的翅膀结构，设计出了多种扑翼机构，如弹性扑翼机构、刚性扑翼机构等。在控制方面，研究者们利用先进的控制算法和传感器技术，实现了对飞行器的精确控制。此外，研究者们还在材料、能源等方面进行了大量研究，以提高飞行器的性能和寿命。 四、技术难点
尽管扑翼结构仿生飞行器的研究已经取得了一定的成果，但仍存在一些技术难点。首先，扑翼机构的设计需要精确地模仿生物的翅膀结构，以实现高效的能量转换和飞行控制。其次，由于扑翼机构的复杂性，其制造和维护成本较高。此外，由于飞行环境的复杂性和不确定性，如何实现稳定的飞行控制也是一个技术难题。最后，如何提高飞行器的续航能力和载重能力也是当前研究的重点。
五、未来发展方向
未来，扑翼结构仿生飞行器的研究将朝着以下几个方向发展：一是提高飞行器的性能和稳定性，以满足更复杂的任务需求；二是降低制造和维护成本，以实现更广泛的应用；三是研究新型材料和能源技术，以提高飞行器的续航能力和载重能力；四是加强与其他领域的交叉研究，如与人工智能、机器人技术等相结合，实现更高级别的自主控制和智能化。
六、结论
总之，扑翼结构仿生飞行器的研究具有重要的学术价值和实际应用前景。通过不断的技术创新和突破，相信未来扑翼结构仿生飞行器将在军事、民用等领域发挥重要作用。同时，我们也应该注意到，在研究过程中需要解决的技术难题和挑战仍然很多，需要广大科研工作者的共同努力和探索。
仿生扑翼飞行器
仿生扑翼式飞行器 2013年9月7日
i 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 Abstract With 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 to
微型扑翼飞行器扑动机构相关研究进展
第４３卷第３期 ２０１３年５月 航空计算技术 Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．３ Ｍａｖ．２０１３
微型扑翼飞行器扑动机构相关研究进展
李洋，宋笔锋，王利光，杨文青
（西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２）
摘要：微型扑翼飞行器（ＦＭＡＶ）具有独特的外形和飞行优势，具有重要的军事和民用价值。扑动机构是微型扑 翼飞行器实现能量转换和机翼仿生运动的核心部件，是扑翼飞行器研究中极其重要的一环。阐述了扑动机构仿生 规律实现、设计方法的最新进展，同时就设计中的关键技术进行了评述，主要为：仿生扑动规律的实现；提高系统效 率的机构匹配设计方法；扑动机构的发展趋势。 关键词：微型扑翼飞行器；扑动机构；仿生扑动；多自由度机构 中图分类号：Ｖ２７６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—６５４Ｘ（２０１３）０３—０００１—０４
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌａｐｐｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｆｌａｐｐｉｎｇ—ｗｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ
ＬＩ ｒａｎｇ，ＳＯＮＧ Ｂｉ—ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｉ－ｇｕａｎｇ，ＹＡＮＧ Ｗｅｎ—ｑｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７ １ ００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌａｐｐｉｎｇ ｗｉｎｇ ｍｉｃｒｏ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ（ＦＭＡＶ）ｈａｓ ａ ｕｎｉｑｕｅ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｆｌｉｇｈｔ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｗｉｔｈ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｎｄ ｃｉｖｉｌ ａｒｅａ．Ｆｌａｐｐｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｆｏｒ ＦＭＡＶ ｔｏ ｒｅａｌ—
ｉｚｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｉｎｇ Ｓ ｂｉｏｎｉｃ ｍｏｔｉｏｎ，ｉｓ ａ ｖｉｔａｌ ｐａｒｔ ｏｆ ＦＭＡＶ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｂｉｏｎｉｃ ｆｌａｐｐｉｎｇ ｌａｗｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｌａｐｐｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，
一种仿昆虫扑翼微型飞行器
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一种仿昆虫扑翼微型飞行器
作者：张轶凡
来源：《中国科技纵横》2018年第23期
摘 要：微型飞行器凭借其体积小、重量轻的优势，在多种环境下都具有广阔的应用前景。国内的扑翼飞行器大多是仿鸟类型，一方面尺寸较大，未实现真正意义上的微型化；另一方面飞行方式单一，只能前飞不能悬停。设计一款仿昆蟲扑翼微型飞行器，模仿昆虫翅翼形状及其拍动形式，提出高集成度的驱动机构设计方案，并通过原理样机组装调试及试飞测试表明设计方案可实现悬停飞行。研究成果和实验方法将为设计更先进的仿生扑翼微型飞行器提供有价值的参考。
关键词：仿生；扑翼；微型飞行器；实验
中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0093-02
1 研究背景及意义
扑翼飞行器将升力产生、姿态控制集成于一对翼上，其在低雷诺数条件下的气动效率和机动性能是固定翼和旋翼类飞行器无法相比的，未来可广泛应用于民用和国防领域。美国航宇环境公司2012年研发的Nano Hummingbird仿蜂鸟扑翼无人机代表着目前的最高技术水平[1]，该机可携带摄像头实现室内自主避障飞行。近日，荷兰代尔夫特理工大学团队也在期刊Nature上发布了仿果蝇扑翼飞行器方案[2]，可在空中俯冲和打滚，航程1km。
我国扑翼飞行器研究起步相较欧美国家较晚，北航、南航、西工大等高校都有仿鸟类扑翼飞行器设计方案，但尺寸、重量较大，且不能实现悬停和高机动飞行。模仿昆虫翅翼拍动形式设计一款高稳定性、高集成度的可悬停的扑翼微型飞行器，对设计更先进的仿生扑翼微型飞行器有重要意义。
2 总体方案设计
设计一款可悬停的仿昆虫扑翼微型飞行器，其包含升力系统、传动系统、动力系统、控制系统及功能模块等部分，总体布局方案如图1所示。考虑各系统的重量占比及尺寸，制定总体方案主要设计参数如表1所示。
《小型扑翼飞行器的结构设计及仿真分析》
《小型扑翼飞行器的结构设计及仿真分析》
一、引言
随着科技的不断发展，扑翼飞行器因其高效、灵活的飞行特点，在军事侦察、环境监测、生物仿生学等领域中受到了广泛的关注。本文旨在探讨小型扑翼飞行器的结构设计及其仿真分析，为扑翼飞行器的设计与研发提供理论依据。
二、小型扑翼飞行器的结构设计
（一）基本框架设计
小型扑翼飞行器的结构主要由以下几个部分组成：框架、动力系统、驱动系统、飞行控制系统和扑翼机构。其中，框架是整个飞行器的基础，负责支撑和固定其他部件。
（二）扑翼机构设计
扑翼机构是扑翼飞行器的核心部分，其设计直接影响到飞行器的飞行性能。扑翼机构主要包括翼片、连杆、驱动装置等。翼片的设计要考虑到空气动力学特性，以提高飞行器的升力和稳定性。连杆和驱动装置的设计要保证翼片的运动轨迹和速度，以实现高效的能量转换。
（三）动力系统与驱动系统设计
动力系统通常采用电动或燃油发动机，为飞行器提供动力。驱动系统则负责控制扑翼机构的运动，通常采用舵机或电机等。在设计中，要考虑到动力系统的功率、重量、体积等因素，以及驱动系统的控制精度和可靠性。
（四）飞行控制系统设计
飞行控制系统是扑翼飞行器的重要组成部分，负责控制飞行器的姿态和轨迹。通常采用微处理器和传感器等设备实现控制。在设计中，要考虑到控制系统的稳定性、响应速度和抗干扰能力等因素。
三、仿真分析
（一）仿真模型的建立
利用计算机仿真软件，建立小型扑翼飞行器的三维模型。模型要尽可能地反映真实情况，包括各部件的尺寸、重量、材料等参数。
（二）仿真实验过程
在仿真软件中，对模型进行动力学分析和运动学分析。通过改变模型的参数，如翼片形状、连杆长度、驱动速度等，观察飞行器的飞行性能变化。同时，还可以通过仿真实验分析飞行控制系统的控制效果和稳定性。
（三）仿真结果分析
根据仿真实验的结果，分析各参数对飞行器性能的影响。通过对比不同设计方案的仿真结果，选择最优的设计方案。同时，还要对飞行控制系统的控制效果和稳定性进行分析，以提高飞行器的整体性能。
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。