仿生扑翼机器人

仿生机器人课程报告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。达芬奇扑翼飞机设想图后人根据设想图制作模型5一.背景引言1929年，德国人AlexanderLippisch成功制造出了一架大型载人扑翼飞机设计的人力模式扑翼飞机设计的混合模式扑翼飞机6一.背景引言1903年莱特兄弟发明了世界上第一架飞机——飞行者I号螺旋桨飞机喷气式飞机一.背景引言1992年在未来军事技术的研讨会上，美国国防高级研究计划局首次提出了较完整的微型飞行器（MAV，MicroAirVehicles）的概念8二.现状分析微型飞行器微型固定翼飞行器微型旋翼飞行器微型扑翼飞行器二.现状分析加拿大多伦多大学的“Flapper”扑翼飞机1/4尺寸比例在1991年首先进行了试飞，成功实现了可控制的持续飞行。后续的全尺寸有人驾驶扑翼机翼展达到12.5m，由一台18千瓦的活塞发动机驱动，完全由扑翼产生向前的推力和向上的升力，在1996—1998年间进行了三次滑跑实验，最高滑行速度可以达到89.5千米/小时。2006年，全尺寸扑翼机进行了一次成功的飞行试验，飞行时间达到14秒。二.现状分析德国Festo公司的“SmartBird”具有无线遥控和自动飞行两种模式，可以自主起飞、盘旋和降落。SmartBird的设计灵感来源于海鸥，SmarBird的翅膀由内、外翼两段构成，内翼具有较大的刚性，而外翼具有较大的柔性，从而在飞行姿态上与海鸥更加接近。二.现状分析美国AeroVironment公司的“NanoHummingbird”该机翅膀采用中空的碳纤杆材料作为骨架，表面是网孔纤维，翼面材料为聚氟乙烯薄膜。能像真蜂鸟那样拍打着翅膀在空中盘旋，甚至还能后空翻飞行，完成某些高难度的特技动作。通过无线飞行遥控器，该蜂鸟飞行机器人可以按照指令进行精确飞行，并能通过机载计算机进行速度和角度修正。另外，机器人还配备了摄像机，音视频数据实时回传给操作员，可进行狭小空间的测量和监控。二.现状分析荷兰戴夫特技术大学的微型的飞行昆虫机器人“DelFly”模仿苍蝇和蜻蜓的飞行原理，翅膀每秒钟可以扇动30次，飞行速度可以达到15m/s，并且可以盘旋，甚至空中倒退飞行。最新设计的DelFlyMicro翼展长度为10cm，重量仅为3.07g，配备了无线摄像机和锂电池，可以利用机器视觉技术实现壁障飞行，被誉为世界上最小的飞行器。二.现状分析日本东京大学的仿蝴蝶扑翼飞行器Butterfly-typeOrnithopter(BTO)BTO的机身由轻质木材构成，翅膀由聚氨酯和聚合物薄膜构成，动力源为扑动橡皮筋，由曲柄带动两翼上下扑动，目前只能持续几秒钟的飞行。利用该仿蝴蝶扑翼飞行器，通过高速摄影和流场成的方式，科研人员对蝴蝶扑翼飞行中的前缘涡高升力机理进行了深入研究，同时也在聚合物薄膜翅膀的设计和制造方面取得了一定成果。二.现状分析国内仿生扑翼机器人研究北京航空航天大学是国内较早展开扑翼飞行机器人研究的高校之一，在仿蜜蜂、蝴蝶等微型飞行器的仿生力学方面取得了一定突破，在机构设计和运动学分析上也取得了一定的成果，并成功研制了飞行样机。西北工业大学对扑翼飞行器的气动特性和流场进行了较深入的研究，并建立了国内第一个微型飞行器专用风洞。南京航空航天大学的扑翼飞行机器人研究团队深入研究了仿鸟复合扑动扑翼的气动特性，并研制了了几种不同尺寸和布局形式仿鸟扑翼机器人样机，于2002年试飞成功，其技术指标已经达到美国“Microbat”的水平。三.技术原理扑翼飞行的空气动力学机理上扑：羽毛张开，形成如百叶窗般的细小狭长空隙，使空气快速通过，从而最大程度地减小了上扑阶段的空气阻力。下扑：羽毛闭合并伸展，最大程度地增大翅膀的迎风面积，从而有利于产生较大的升力。三.技术原理鸟类扑翼运动方式与气动力分析鸟类在飞行过程中受到的力主要有升力、重力、推力和阻力，阻力又包括翼型阻力（或压差阻力）、摩擦阻力（或粘性阻力）和诱导阻力由于飞行中需要克服的力主要有阻力和自身的重力，而重力往往大于阻力，因此翅膀提供的升力也要大于飞行中的阻力，升力和阻力的比值为升阻比，较大的翼展具有较大的升阻比，如麻雀的升阻比为4，而信天翁的升阻比可达到20。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。三.技术原理微型飞行器由机身结构、推进动力、飞行控制和通讯数据处理以及侦测传感器等物理子系统组成。三.技术原理扑翼飞行器与其他微型飞行器相比较1）固定翼飞行模式目前已经得到广泛应用，但其主要体现在大型固定翼飞机上，对于微小飞行器方面，其低速条件下粘性力增大、气动效率低、抗干扰能力差的问题成为主要矛盾，以致无法提供微小飞行器所需的基本升力。2）旋翼飞行模式是固定翼飞行模式的延伸，同时在一定程度上也与扑翼模式有所类似，其应用也取得了很好的进展，旋翼飞行模式结构紧凑，可以进行一定程度的小型化，但旋翼在低速和微小化情况下气动效率急剧降低的问题，也制约了旋翼飞行器进一步微小化。3）扑翼飞行模式在低速条件下的气动效率最为突出，抗干扰能力也最强，是发展微小飞行机器人最理想的飞行模式，但其复杂的空气动力学原理还不完全清楚，微小扑翼机构、高效储能装置和超轻材料等都是未来发展的重要方向。四.问题突破微型飞行器不同于普通飞机，它的雷诺数大约在104左右，空气的粘性阻力相对比较大，并且扑翼式飞行器是以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为基础，但是昆虫和鸟类的翅膀是平面薄体结构，而非机翼的流线型。我们应充分研究这种非传统空气动力学和昆虫翅膀的运动方式，进行提炼和简化，仿生出扑翼式飞行器。空气动力学问题四.问题突破扑翼式微型飞行器要求外形小、质量轻、驱动元件效率高、能耗少。目前，微型飞行器可用的动力源有：内燃发动机、燃料电池、太阳能、电动机以及微型涡轮发动机等。从能量转换效率来看，微型内燃发动机的应用前景非常广泛。但是内燃机的热效率只有5%左右，而且内燃发动机还存在噪音大和可靠性差等方面的问题，还需要大量研究以解决这个关键问题。微型飞行器动力问题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。五.意义期望对扑翼飞行器期望提高续航时间体积小储能小提高能源利用率五.意义期望对扑翼飞行器期望进一步缩小扑翼式飞行器的尺寸，将内部构件全部缩小微型化难以用肉眼辨别的程度，甚至难以被雷达辨别五.意义期望对扑翼飞行器期望灵活的自主飞行以现在的研究水平，飞行器尚不可完成复杂的高难度动作，也不能通过气压气流的改变完成自我控制从而独立飞行。随着技术和研究的深入，未来的扑翼式飞行器将实现自我控制，并独立完成各种飞行状态的改变。五.意义期望扑翼飞行器的意义军事民用娱乐用于侦察，观测，电子干扰，目标追踪，核生化取样，甚至防御和采取进攻。用于监测，摄影，搜救，巡视，测绘，调查和搜查等。简单的低空飞行器可生产成玩具谢谢大家！