机器鸟扑翼仿生机构研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.5MB 74 页 15积分

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摘要

在古代，人们受到鸟类扑翼飞行的启发，开始尝试制作各种飞行机械，但是

他们的尝试最终失败了。由于当时很多工程上的问题限于当时科技水平不能得到

解决。直到 19 世纪，仿鸟滑行飞行状态的固定翼飞机出现了。这种飞行和鸟类的

飞行还有差距，人类能否最终实现鸟类的飞行?

20 世纪 90 年代起，扑翼逐步形成了研究热点。在飞行机理尚不十分清楚情

况下，研制工作多是直接试制微小扑翼飞机，并已有短时的成功飞行。总的来说，

扑翼飞行器总体研制水平低于固定翼和旋翼。

在本文中，首先引入了一种国内还没有使用先例的一款欧洲非常流行的一款

机构设计软件 SAM6.0，这款软件以其强大的机构设计分析功能正受到原来越多

的欢迎。在此软件的基础上，本文从仿生学角度研究并验证了鸟类扑翼飞行的翅

膀结构，在对鸟类翅膀的生理结构和运动特征的分析的基础上，分别从扑翼鸟的

翅膀骨骼机构和飞行中翅膀运动规律两个仿生学角度设计了鸟类翅膀的驱动平面

机构和执行平面机构。参考了鸟类各种飞行参数，在理论计算分析的基础上对机

构的参数进行了优化设计。

在完成了基于翅膀展向运动的鸟类翅膀平面机构的设计和优化的基础上，本

文又研究了翅膀弦向的动作规律，从而设计出满足驱动弦向翅面的驱动机构。并

进行了运动学的仿真，仿真效果优异。

此外，机构设计和机构运动学分析中，参考了如翅膀关节比例，翼展，展弦

比，翼面积等鸟类飞行参数，从而为机体设计提供了依据。在仿生的过程中我们

增加了对鸟类的优于机械机构的生理结构的认识。

关键词:扑翼仿生机构优化运动仿真模拟

ABSTRACT

In the ancient time many aeronautical pioneers of China and other countries were

greatly inspired by bird’s flapping flight, but all of their efforts to make flight

mechanism failed. Because bird’s flight and control are so complicated and intellectual

that many complex engineering problems were unable to be solved at that time.

However, aircrafts with fixed wings only simulating bird’s gliding have been

developed since 19th century. Can human beings realize the bird-like flight?

Since the 90s of last century, the study of flapping wing gradually became a

research focus, and have achieved some results. In the case of that the law of flapping

wing is not very clear, most work is to make a direct prototype aircraft, which can fly

for a short moment. All in all, the development of the study of flapping wing aircraft is

far behind the fixed wing and rotary wings and there is long way to go to application.

In this thesis, first, we bring in a software mechanism design, which has always

gained tremendous popularities in Europe, and this software has not been used in

China. In this software, we have studied the structure and movement law of the wing

from the perspective of bionic, on the base of which, we have designed two type

mechanisms which are from the perspective the structure and movement of the

flapping wing. In the process of the design, we get reference from parameters of birds

and then optimized the flapping mechanism on the base of much analysis.

After the design and optimization of the mechanism of the spanwise wing, this

thesis have studied the law of the chordwise movements of the flapping wing and then

designed the driven mechanism of chordwise. The simulation proved that this design is

good enough.

Besides, in the process of designing and analysising, as we have used the

parameters of birds, such as the proportion of wing joints, wing span, aspect ratio,

wing area, which provides many references to our study. In this thesis, we have got

much knowledge about the advantages of birds over the mechanism.

Keywords: flapping wing bionic mechanism optimization

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...............................................................................................................1

§1.1 扑翼飞行器的研究意义 ..................................................................................1

§1.2 扑翼飞行器的优势 ..........................................................................................2

§1.3 扑翼飞行器研究中的关键技术 ......................................................................2

§1.4 扑翼飞行器的国内外研究现状 ......................................................................3

§1.4.1 样机研究现状 .......................................................................................3

§1.4.2 国外研制的扑翼飞行器 .......................................................................3

§1.4.3 国内研制的飞行器 ...............................................................................6

§1.5 理论研究现状 ..................................................................................................7

§1.6 本章小结 ..........................................................................................................9

第二章鸟的扑翼飞行原理 .........................................................................................11

§2.1 引言 ................................................................................................................11

§2.2 鸟类的扑翼飞行原理 ....................................................................................11

§2.2.1 鸟类的翅膀结构 .................................................................................11

§2.2.2 鸟翼的运动方式 .................................................................................11

§2.2.3 翼尖轨迹的实现 .................................................................................12

§2.3 鸟类扑翼飞行的特点 ....................................................................................14

§2.4 本章小结 ........................................................................................................14

第三章平面机构的设计 .............................................................................................15

§3.1 什么是 SAM? ................................................................................................ 16

§3.2 机构的设计过程 ............................................................................................17

§3.3 SAM 软件功能及使用 ...................................................................................17

§3.4 鸟类翅膀运动机理 ........................................................................................35

§3.4.1 鸟类翅膀展向运动规律分析 .............................................................35

§3.4.2 鸟翼翅膀弦向运动规律分析 .............................................................35

§3.5 建立在鸟类翅膀结构上的平面机构设计 ....................................................37

§3.5.1 鸟类翅膀展向的执行和驱动机构设计 .............................................41

§3.5.2 仿鸟翅膀的展向机构的分析 .............................................................42

§3.6 建立在鸟翅膀运动规律上的平面机构的设计 ............................................43

§3.7 机构的仿真实验验证与拟合 ........................................................................44

§3.8 本章小结 ........................................................................................................52

第四章空间机构的设计与优化 .................................................................................54

§4.1 空间机构设计参数的计算 ............................................................................54

§4.2 空间机构设计 ................................................................................................55

§4.3 空间机构运动与鸟翼运动的拟合试验 ........................................................58

§4.4 本章小结 ........................................................................................................63

第五章结论 .................................................................................................................64

§5.1 机构总结 ........................................................................................................64

§5.2 后续工作展望 ................................................................................................68

参考文献 .........................................................................................................................69

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 72

致谢 .............................................................................................................................73

第一章绪论

§1.1 扑翼飞行器的研究意义

古代，受到鸟类扑翼飞行的启发，人们开始尝试制作各种飞行机械，但他们

的尝试最终失败了。当时很多工程上的问题限于当时科技水平不能得到解决。直

到19 世纪，仿鸟滑行的固定翼飞机出现。这种飞行和鸟的飞行还有差距.

20 世纪 90 年代起，扑翼逐步形成了研究热点。在飞行机理尚不十分清楚情

况下，研制工作多是直接试制微小扑翼飞机，并已有短时的成功飞行。总的来说，

扑翼飞行器总体研制水平低于固定翼和旋翼。

研究基于鸟类飞行原理的系统原理，目的在于探求扑翼飞行器的仿生学、空

气动力学、结构元件一体化以及控制、导航系统的设计与实现，为研制可以实用

扑翼飞行器提供理论依据和技术支持。扑翼飞行器的研究具有重要的意义和应用

价值：

①扑翼飞行器是一个跨学科、多领域的研究，涉及到仿生学、空气动力学、

以及微传感器、微能源等的研究。这些问题的研究不仅有利于扑翼飞行器本身问

题的解决，而且能够对相关技术领域的发展起到积极的推动作用。

②扑翼飞行器是一种新概念飞行器，相关技术超出了传统的飞机设计研究范

畴。扑翼飞行器的仿生机构设计、控制研究等，具有基础性、先导性和共用性。

③微机电系统技术成熟，将为扑翼飞行器的设计与制造提供有力的技术

支持，为扑翼飞行器走向实际应用提供保证。一旦扑翼飞行器的研制达到实

用化，其经济效益和社会作用将会日益显现。加拿大名为“拦截技术”的公司

设计出了一种机器鸟，用于吓跑机场、垃圾场、高尔夫球场上的各种飞鸟[1]。

图1-1 被用于吓跑机场的飞鸟的机器猎鹰

机器鸟扑翼仿生机构研究

§1.2 扑翼飞行器的优势

扑翼飞行器是一种仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。自然界的飞行生物无

一例外采用扑翼飞行方式，同时仿生学和空气动力学研究均表明，扑翼飞行比固

定翼和旋翼飞行更具优势：气动效率高，载荷大，起降方便，飞行高度高，速度

适中。其成功的产品多用于军事侦察领域，作为单兵侦察设备配备。扑翼飞行器

其优势明显：可达空重 3公斤左右，载荷 5~10 公斤，最大飞行速度 60~80 公里/

小时，飞行最高高度 300~500 米，最大留空时间 30~90 分钟（不使用滑翔），最

大悬停时间为 10 分钟。翼展 1~1.5 米，飞行器存放大小大约为 50cm，20cm，20cm

大小。可以配备侦察设备：微型微光摄像机，抗干扰遥控及数据传输设备，电池，

简易红外导引器，红外/热成像摄像设备，数据中继设备，声音侦察设备等。其应

用价值明显。

单兵扑翼飞行设备可以有如下的用途：

1、战场侦察：通过摄像机，照相机进行微光、红外、热成像侦察，或者通过

多机协作，通过声音进行定位和侦察。扑翼飞行器在城市战中更加有用。

2、战场攻击：扑翼机优良的飞行性能和大的载荷量，完全可以悬挂手雷、燃

烧弹、地雷等进行一些无法通过常规途径达到的特殊目标进行精确攻击。或者投

放标志物进行辅助攻击。

3、战场救护：扑翼机的投放功能同样可以为自己人服务，比如给受伤的人员

投放救生包，运送小量武器弹药等等。

4、战场联络：信鸽的功能。

5、通讯中继：单兵扑翼飞行器可以携带通讯中及设备进行两地的干扰情况下

的中继通讯，比如激光通讯，或者常规的无线电定向通讯等等。

§1.3 扑翼飞行器研究中的关键技术

扑翼飞行器所具有的独特优势，使之成为微型飞行器发展一个最具前景方向。

因此，扑翼飞行器研究要比固定翼和旋翼飞行器困难得多。扑翼飞行器研究中的

关键技术包括：

(l)扑翼飞行非定常空气动力学机理研究。研究鸟类是如何产生和利用非定常

流和旋涡来获得高升力和大推力。

第一章绪论

(2)仿生扑翼运动与驱动机构研究。鸟类在飞行过程中翅膀并不是单纯上下拍

动，而是具有复杂运动规律。

(3)扑翼飞行器柔性翼结构设计。柔性翼技术被证明对于微型飞行器稳定和抵

抗扰动能力有相当有利的作用。

(4)扑翼飞行器控制策略与控制系统实现。扑翼飞行控制方式不同于常规固定

翼飞行器，其姿态控制主要依靠扑翼运动方式改变，并配合尾翼辅助调节。

(5)扑翼飞行器风洞试验方法研究。风洞试验结果可以为设计提供可靠原始数

据，也可以验证理论和方法的正确性[2-4]。

§1.4 扑翼飞行器的国内外研究现状

§ 1.4.1 样机研制现状

扑翼飞机的设想己有 100 年历史，尽管研究面临诸多困难，发展缓慢，但人

们从未放弃过像鸟一样飞翔的理想，从 20 世纪 90 年代起，逐步形成了研究热点，

并取得一定成果。在飞行机理尚不十分清楚情况下，研制工作多是直接试制微小

扑翼飞机，并已有短时的成功飞行。总的来说，扑翼飞行器总体研制水平低于固

定翼和旋翼，距实际应用尚有较大差距。

§ 1.4.2 国外研制的扑翼飞行器

由美国军队资助的研究机构设计制造出了扑翼蝙蝠飞行器，用于军事侦察作

业，这个扑翼飞行器由密西根大学，新墨西哥大学，加州大学伯克利分校联合研

制的扑翼蝙蝠具有尺寸小，飞行灵活，可以靠阳光获得能量做持续飞行。

图1-2 扑翼蝙蝠飞行实验

机器鸟扑翼仿生机构研究

关于扑翼飞行，法国的学者对其研究较多，并成功的制作了很多成功的扑翼

机模型。其试飞试验证明，在一定尺寸范围内，法国人扑翼飞行器成功的解决了

控制，起飞，降落等控制问题，并可以出色的完成一定时间的持续飞行。其扑翼

飞行器的翅膀多采用柔性翅膀，符合空气动力学和仿生学的要求，在试验中也取

得很好的应用效果。初步证明了型扑翼飞行器的可行性，如图（1-3）所示：

图1-3 法国人的扑翼模型

据《新京报》报道，美国航宇环境公司宣布获得美国国防部价值 210 万美元

的合同，继续完善研发被称为“蜂鸟”的超微型无人飞机。据悉，“蜂鸟”无人机仅

重10 克，长度不超过 7.5 厘米，预计将于明年服役。

美国航宇环境公司表示，“蜂鸟”超微型扑翼机将是航空科技的一个里程碑，

“‘蜂鸟’将充分利用仿生学原理，在微型飞行器的空气动力和能量转换效率、耐力

和操控性方面做出突破，将提高在城市环境下的军事侦察能力。如下图（1-4）所

示：

图1-4 10 克重超微扑翼飞行器

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摘要在古代，人们受到鸟类扑翼飞行的启发，开始尝试制作各种飞行机械，但是他们的尝试最终失败了。由于当时很多工程上的问题限于当时科技水平不能得到解决。直到19世纪，仿鸟滑行飞行状态的固定翼飞机出现了。这种飞行和鸟类的飞行还有差距，人类能否最终实现鸟类的飞行?20世纪90年代起，扑翼逐步形成了研究热点。在飞行机理尚不十分清楚情况下，研制工作多是直接试制微小扑翼飞机，并已有短时的成功飞行。总的来说，扑翼飞行器总体研制水平低于固定翼和旋翼。在本文中，首先引入了一种国内还没有使用先例的一款欧洲非常流行的一款机构设计软件SAM6.0，这款软件以其强大的机构设计分析功能正受到原来越多的欢迎。在此软件的基础上，...

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