扑翼机飞行器传动机构动力学分析.docx

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扑翼机飞行器传动机构动力学分析

扑翼机飞行器传动机构动力学分析

摘要

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40.3%。

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。

Abstract

Sinceancienttimes,flyingintheskyarecoveted,hasexperiencedthousandsofyearsofresearch,theaircraftwidelyusedfixedwingaircraft,rotorcraft,flappingwingaircraft.However,theuseofnaturalbiologicalresearchaircraftflightcharacteristicsimitation,ithasgoodemotionalflexibility,highliftdragratio,andrelativelysmallsize,lessenergyconsumption,sothecomparisonoffixedandrotarywingaircraftisusedmoreandmorewidely,atpresentinthecivilandnationaldefenseandmilitaryfieldhaveaverygoodapplication.

Fromtheresearchstatusathomeandabroad,wecanseethatatpresent,theflappingwingaircraftisattheresearchstage,farfromreachingthestageofpopularizationandapplication,andtherearestillmoreproblems.ThisarticleasastartingpointforresearchonMechanismofflappingwingaircraftdynamics,throughresearch,analysisandcomparisonofthecommonflappingwingaircraftdrivingmechanism,foundtheproblem,basedonthetraditionalcrankrockerontheimprovementoftheexistingangleofthecrankrockermechanisminimprovingthesynchronizationofbothsidesoftherockertheadvantagesarevalidatedandconfirmedinthecrankangle,theexistenceofasymmetriccrankrockermechanism,thecrankangledoesnotexistinthemechanisminreducingaboutrockerphasedifferenceanglehasmoreadvantagesthancanimprovethesynchronizationoftheasymmetrymechanism.Throughthestudyofbirdsandinsectsoftwokindsofbiologicalflightmechanism,thispaperfromtheanalysisofseveralaircraftscalinginsectlikeflapping,imitationimitationbirds,threespeciesofhummingbirds.Theresultsshowthatbetweenflappingflightandrealbirdscalelawalsoinvolvesahighdegreeofdifference.Bysolvingthemathematicalmodelisestablished,andtheaircraftornithoptertraditionalmechanismmodel,theoptimummodel,andsimulatedfromthreeaspectsoftenforce,inertialforceanddampingforceofthevehicle,constantforcesituation,thepresenceofspringmakesthepeakinputpowerisreducedby86%,theinertialforcesituationthespring,thepeakpowerisreducedby20%,thedampingforcewhenthespringpeakpowerincreasedby56%.Fromthepointofviewofthewholesystem,thespringslowsthepeakoftheinputpowerbystoringandreleasingtwoprocessesofenergy.Inordertofurtherverifythattheinstalledspringhastheadvantageofreducingthepowerpeakvalue,theanalysisandresearchoftheasymmetrictransmissionmechanismofthistypeshowthatthepowerpeakcanbereducedby40.3%afterinstallingthespring.Theflappingwingaircraftbatterylifeshortproblem,tomakeflappingflightwingsusingsolarpanelsforfeasibilityanalysis.Theanalysisresultsshowthattheproductionofflappingwingaircraftwingswiththefeasibilityofusingsolarpanels,highconversionefficiencyinsolarpanels,tocollectsolarenergycanprovidealltherequiredflyingwingaircraft.

摘要1

Abstract2

第1章绪论5

1.1课题研究背景与意义5

1.2扑翼机飞行器国内外研究现状8

1.2.1国外理论体系及装置研究现状8

1.2.2国内理论体系和装置研究现状9

1.3扑翼飞行器机构非定常气动机理11

1.4本文主要内容与章节组织结构12

第2章扑翼机飞行器及传动机构的分析与优化13

2.1常见扑翼机传动机构的研究13

2.1.1单曲柄遥感传动机构13

2.1.2双曲柄遥感传动机构13

2.1.3空间曲柄摇杆机构13

2.2扑翼飞行器翅翼研究14

2.3.1刚性仿生翼14

2.3.2柔性仿生翼14

2.2扑翼机传动机构的优化设计15

2.2.1机构分析15

2.2.2模型建立与求解16

2.3本章小结20

第3章扑翼机飞行器参数设计21

3.1生物飞行机理分析21

3.1.1鸟类飞行机理分析21

3.1.2昆虫类飞行机理分析24

3.1.3两类生物飞行机理差异性分析27

3.2扑翼机飞行器参数的分析28

3.2.1传动机构对称性分析28

3.2.2机构对比分析30

3.3不对成机构的扩展分析30

3.4扑翼机飞行器尺度律分析32

3.4.1防昆虫扑翼飞行器32

3.4.1仿鸟扑翼飞行器35

3.4.2仿蜂鸟扑翼飞行器38

3.5本章小结39

第4章扑翼机飞行器传动机构设计40

4.1扑翼机飞行器传动机构数学模型的建立40

4.2角位移的推导与求解40

4.2.1角位移的推导40

4.2.2最小传动角的推导42

4.3扑翼机飞行器动力学仿真43

4.3.1定常力情况分析43

4.3.2惯性力情况分析45

4.3.3阻尼力情况分析46

4.4本章小结48

第5章扑翼机飞行器传动机构功耗分析49

5.1不对称机构功耗对比分析49

5.1.1机构模型建立49

5.1.2仿真对比分析49

5.2扑翼机飞行器功耗分析52

5.2.1太阳能电池板扑翼模型52

5.2.2太阳能电池板扑翼功耗分析53

5.3本章小结56

第6章总结与展望57

致谢58

参考文献59

第1章绪论

1.1课题研究背景与意义

扑翼机飞行器实际上是一种仿生飞行器，它可以像鸟一样通过机翼主动运动产生升力和前行力，所以又可以成为振翼机[1-5]。

该类型飞行器主要有三个特征：

其一，机翼是处于主动运动状态；其二，通过机翼在空气中拍打二获取的反力作为升力及前行力；最后，通过机翼及尾翼的位置在飞行中的变化进行机动飞行[6][7]。

向鸟一样在空中自由翱翔一直以来都是人类的梦想，从古希腊工程师代达洛斯及他的儿子就开始有这种设计想法，中国汉朝的史书中也记载了王莽曾经就观察过最早的扑翼飞行器的飞行测试。

这种仿生扑翼飞行器通常重量和体积都相对较小，飞行器各项结构尺寸不超过15厘米，体重也大概在10-100克范围间，续航能力在20-60分钟，其飞行速度为30-60公里每小时，最大航程为1-10公里。

正是由于其具有自助飞行，携带任务载荷执行特定的任务、通信及传输信息等基本特征，在军事及侦察行业中会有广阔的应用前景。

所以，扑翼机飞行器正越来越受到学者、研究机构等关注，并且国家也在大力支持该项科技的稳定、快速的进行。

在早期由于受到科技、理论知识、科学推理技术水平的限制，虽然国内外学者关于飞行器进行了大量的研究，但是仅仅是的单纯的模仿生物飞行，并没有完全的将扑翼机飞行器的飞行方式弄清楚。

但是的学者以树叶、羽毛、布匹等各种材料做成翅膀，并奢求人类能够通过带上这种翅膀能够像鸟一样在天空翱翔，然而理想是美好的，现实情况是难以实现，最终也没有将这种想法变为实际的应用。

后来，人们慢慢的观察到鸟的飞行特点，以其飞行为参照，将研究的重点放在了固定翼上，并且很快取得了非常显著的成效，如今的打飞机就是采用的固定翼原理实现的，从而实现了人类长期梦想在天空飞翔的愿望。

固定翼飞行器的飞行原理是依靠着气流经机翼上表面和下表面所产生的不同压力来获取升力[8-10]，然而在飞行器的体积减小，机翼的结构发生变化的情况下，其参数雷诺数也就大大降低，此时固定翼飞行器在飞行过程中就会出现很多的问题，主要表现在：

（1）存在升力不足情况，这是因为随着飞行器的飞行体积的降低，固定翼飞行器的飞行面积减小，上下翅翼的气流多产生的压力差降低，所以升力就难以解决自身重量带来的问题。

（2）小体积物理在低雷诺数下的空气动力学问题。

在实际飞行器设计中，对于大客机、直升机一般的雷诺数需要达到107左右，而对于小型无人机则雷诺数就小，一般在50-107之间，因此传统的空气动力学理论就不能很好的解释其飞行机理。

（3）对气流的抵抗能力变弱，由于扑翼机飞行器尺寸较小，机翼空气动力产生的升力随着时间的变化变得较为剧烈，波动值会大大增加。

当遇到意外的气流变化，会导致飞行器难以稳定飞行，产生较为剧烈的波动，甚至可能出现坠机情况。

（4）飞行器的尺寸变小导致翅翼无法达到足够的升力，进而通过燃料提供的推力具有更高的要求，但是受限于自身的重量和体积，推进系统难以携带大量的燃料，所以给飞行器的设计带来了极大的挑战。

此外，旋翼飞机也是应用较为广泛的一种飞行器，如执行飞机，但是当飞行器的尺寸减小时，旋翼飞机所遇到的问题与固定翼飞机所遇到的情况类似。

因此，学者逐渐的将注意力转移到怎样研制出一种在低雷诺数下能够提供较大的升力并且能够对外界气流环境具有较强的抵抗力的飞行器。

科学家们通过对世界范围内的生物进行观察发现，飞行器的面积减小可以通过改变飞行器的飞行方式来获得足够的提升力[11]，扑翼飞行器就慢慢的进入到学者眼中。

经过长时间的进化，生物的飞行技巧已经变得相当成熟，能够快速的完成起飞、避开障碍物、翻转、滑翔和降落等动作，无论是动作的还是准确性都相对较为出色。

之所以具有如此强大的优势，是因为生物翅膀所生长的材料较为特殊，两翼的结构也很特别，在实际的飞行过程中能够很好的利用周围的非定常气流产生足够大的升力；同时还得益于生物通过肌肉、骨骼、翅脉以及翅膜等可以有效的利用体内的化学能，而且骨骼之间的连接摩擦较小，能量损失较少[12]。

因此，学者就希望研制出一种飞行器，它的质量、体积、飞行机制、能源效率、灵活性、准确性、飞行技巧能够与生物飞行相似，那样对于人类的飞行就会进一步的发展。

但是，在实际的研究过程中就会出现很多的困难，取得的成就也相对有限。

通过学者们的不断探索、研究，加之科学技术、理论知识等变得更加先进、丰富，发现扑翼相比较其他几种飞行器具有显著的优势。

主要表现在：

（1）扑翼机飞行器能够很好的将爬升、推进和悬停等过程有效的融合在一起，能够有效的利用能源使飞行器的续航时间得到最大；

（2）在扑翼机飞行器起飞的时候对环境的要求相对不是非常苛刻，即便是在较小的场合也能顺利的启航，能够通过加速振翅频率来原地起飞，不需要滑行过程；

（3）具有很好的机动性能和灵活性（尤其是在低速的情况下），可以迅速的改变飞行姿势，避开障碍物，于是在将来的很多方面都有很好的前景；

扑翼机飞行器具有较为广阔的应用前景，无论是在军事领域还是在民用领域，扑翼机飞行器的开发潜力巨大，这是因为它的飞行器具有特殊的结构，能够完成其他飞行器不能完成的特殊的功能。

如①低空侦察，通过高空对地面物体进行侦察和探视目前应用较为广泛的是采用军事卫星或者是无人间谍机来实现，但是因为侦探离地面较高，所以很难对地面上的向此情况进行侦察，因此在实际的战争中，如果想要准确的获取到敌人的情报就相对比较困难，若派遣士兵进行打探，又会给士兵带来潜在的危险，造成不必要的人员伤亡，然而扑翼机飞行器尺寸较小，具有较强的隐蔽性，而且能够轻松的完成低空侦探，能够到达人难以到达的危险区域；②城市作战，在不久的将来军事对决将在居民较为集中的中大型城市中展开，由于在此环境下居民较多，建筑物较为复杂，城市路况也比较复杂，在此情景下，为了避免伤害无辜市民，可以应用扑翼机在相对狭小的空间中进行穿梭、打探敌情或者实现自毁式攻击，从而能够较为迅速的结束战争；③进行电子对抗和中继通信等相关任务。

扑翼机飞行器能够携带电子干扰器进入敌方阵营，对敌方的雷达等无线通信设备进行强有力的电子干扰，对敌方的通信频段进行拦截，从而获取敌方的重要信息；此外当无线通信链路出现意外故障的情况下，通过扑翼飞行器还可以对其故障进行诊断和维修，并提供通信中继；④核、生化探测，扑翼机飞行器能够潜入到核泄露和生化污染区域进行探测，对生命进行查找，对核污染程度进行检测，实现了人无法完成的任务；⑤民用领域，野外作业人员可以通过扑翼机飞行器对地形探测、远距离通信，自然灾害现场进行监控以及自然灾害来临时的物资投放，机场周围开展鸟类驱逐，公安武警在执行案件侦查时对犯罪团伙的实时监控以及边境地带的军事巡逻等任务。

扑翼飞行器是一种模仿鸟类或者昆虫飞行姿态设计出来的新型飞行器，在实际研制过程中需要涉及到仿生学、空气动力学、结构力学、MEMS技术、微传感器技术等[13-15]，其相关技术已经超出了传统飞机设计的研究范畴，是一个多学科的交叉研究领域。

由于其存在诸多的优势，在军事和民用领域上具有广泛的应用前景。

扑翼飞行器的传动机构是飞行器的直接动力驱动源，其传动机构的好坏直接关系到扑翼飞行器整体性能。

好的传动机构可以提高飞行的控制性和稳定性，进而提高飞行效率、延长续航时间。

扑翼飞行生物的翅膀拍动及相应的变形极其复杂，从仿生学出发设计机械传动机构，难免只能做到形似而神不似，很难实现生物机体的一样地高效率。

因此，研究传动机构的动力学性能，优化机构设计，提高传动效率自然显得尤为重要。

1.2扑翼机飞行器国内外研究现状

扑翼飞行器从最初的设想到目前的实际开发已经有几百年的历史，在这过程中，科研工作者为扑翼飞行器的研究工作做了不懈努力，主要包含两方面：

一是关于扑翼飞行的空气动力学理论问题，二是关于扑翼飞行器的应用开发工作。

从研究的先后顺序来讲，应该是先将扑翼飞行的空气动力学理论研究清楚之后，再有扑翼飞行器的应用开发工作。

但事实上，由于扑翼飞行空气动力学问题的复杂性，扑翼飞行器开发人员往往是对飞行生物仿生并进行逆向设计，在开发出扑翼飞行器的基础上，再对运动机构和气动性能进行优化。

1.2.1国外理论体系及装置研究现状

早在1973年Weis-Fogh就在生物学资料基础上展开了对小黄蜂飞行机理的研究[16]，并且通过长期的研究研制出一种能够瞬间产生升力的Weis-Fogh机构，并对产生瞬时升力的原理进行了阐述，即为ClapandFling机理，人们对于Weis-Fogh机构有了初步的认识，并展开研究和应用。

再经过20年，Delaurier通过对条带理论的研究并加以改进[17-18]，以此对扑翼在拍动和俯仰运动中的空气动力学的模型进行了建立，并且通过计算得出拥有一个翼展达18英尺、拍打频率达到1.2Hz、飞行中的速度为44英尺/秒的扑翼模型的平均升力、推理和输入功率。

在此之后，针对扑翼机模型的研究，Vest、Smith、Hall、Jones等人都从不同的角度对扑翼的飞行机理进行了研究，得出不同空气动力学模型[19-22]。

Ramamurti在1999年采用有限元的方法对组合扑翼动作的非定常流场进行模拟和研究[23]，WeiShyy等人从仿生学的基础上提出了一些能够解决微型扑翼飞行器设计过程中所遇到的关键问题，该解决方案的提出是在低雷诺数下扑翼气动力和柔性翅翼对扑翼飞行的影响的研究基础上进行的[24]。

当代的很多机构在对扑翼飞行器进行了深入研究，美国加利福利亚大学伯克利分校早在1998年就开始对昆虫的飞行方式进行了观察和研究，发现了他们飞行的巧妙之处，并制作了扑翼机MFI，该机构的驱动方式是采用将压电陶瓷置于交流电场中实现，飞行器能源采用的是太阳能提供，整个机构重约43g，直径长约5-10mm。

1999年Vanderbilt大学根据压电原理特性研究制作出CIM飞行器[25]，他主要是由4个翅膀组成，采用的是锂电池提供飞行器能源，压电材料能够产生伸缩，并通过放大装置转化为翅膀的拍打动作。

2000年SRI国际公司与多伦多大学采用校企合作方式研制出Mentor扑翼机[26-27]，它是由两个翅膀和一个尾翼组成的，而它的能源提供者是采用人造肌肉，这种扑翼机控制相对较为复杂，因而并没有得到突破性进展，仍然处于初级阶段。

加州理工大学与加州大学联合研究出一款名为Micro-Bat型扑翼机[28-30]，它是由一个翅膀和一个尾翼构成的，可以通过携带摄像机来实现对周围环境的视频监控，供电能源采用的是镍镉电池，由于飞行控制尚有缺陷，目前还不能很好的解决。

美国GTRI研究所、英国剑桥大学、ETS实验室共同开发了以往复式化学肌肉为能源的名为Entomopters扑翼机飞行器[31-33]，该飞行器的缺陷是携带的储备燃料相对有限，所以难以持久飞行。

美国航空环境公司设计了“蜂鸟”飞行器，整个机构体型相对较小，能够放置于手掌中，而且外型也是模仿蜂鸟设计的，能够有较好的灵活性，可以在室外编队飞行，具有良好的抗干扰型，能够在风速在2.5m/s的环境下飞行，可以说是当前研究的最好的微型放生扑翼飞行器。

1.2.2国内理论体系和装置研究现状

国内对于扑翼机飞行器研究起步相对较晚，理论知识、研发经验尚处于积累阶段，对有关的扑翼机飞行器的理论知识认识分布不均，大多是集中在国内的某几所工科院校和科研机构，在材料的加工方法上和微型化方面相比较国外仍然需要很大的努力，而且获得的实质性的进展和成果想对较少。

首先，对于学者而言，扑翼机飞行器是一个相对较新的领域，能够激发他们对知识的追求兴趣，所以很多学者都在参与扑翼机的研究上。

李峙岳采用平面连杆机构演化的再生运动链方法对扑翼飞行器的机构进行了优化设计[34]，通过对机构原型是六杆七副传动机构的多次推导产生多种类型并择优选择，通过对该机构运动学的建立和优化后结果显示机构的不对称程度下降到原来的20.41%，通过对动力学仿真，得到在不同减速比或者不同的负载还有不同输入力矩的情况下系统运转规律。

宋海龙根据对扑翼机各个关节部位质量的测量以相应特点的分析建立了扑翼机运动方程[35]，并且对扑翼机飞行器的载荷计算方法进行了研究，得出了扑翼机飞行器的升力、推力产生原理。

张福梁以蝇为仿生对象，按照仿生扑翼飞行肌传动系统对扑翼机飞行器进行研究[36]，设计出了能够click双稳态非线性的扑翼机飞行器结构，通过微力材料试验机Inst