仿生扑翼飞行器设计与制作论文

仿生扑翼飞行器设计与制作摘要：随着仿生学的发展和材料动力技术的不断进步，人类能更好的模仿生物的运动，向大自然学习，服务人类。像鸟一样的飞行是人类几千年的梦想，近几年科研人员在扑翼飞行器的研究和制造方面有了很大的发展，目前世界上已经出现了许多扑翼飞行器，但其仿生程度任然较低。通过学习和研究我们选用了对称的五杆机构来实现飞行器的机翼的动作，并按照飞行原理设计了飞行器的升力机构和推力机构，最后做出了实物，进行了飞行试验。关键词：仿生;扑翼飞行器;五杆机构;空气动力学;飞行试验DesigningandproductingoftheflappingwingflightvehicleinbionicsABSTRACT:Alongwiththedevelopmentofbionicsandmaterialpowertechnologyadvances,mankindcanbetterimitatebiologicalmovement,learningtonatureandservicinghuman.FlyingLikeabirdisthedreamofhumanforseveralthousandyears,InrecentyearsresearchersMadegreatprogressintheflappingwingflightvehicleresearchandmanufacturing.Therearealreadysomekindoftheflappingwingflightvehiclesinthewordrecently,butthebionicdegreelowerstill.Withthestudyingandresearchingwechoosethesymmetricalfive-barmechanismtorealizetheactionofthewingoftheaircraft,Accordingtotheprincipleoffly.Idesigntheliftinstitutionsandthrustinstitutions.FinallyImadethecraft,andtestit.KEYWORDS:Bionic;Theflappingwingflightvehicle;Five-barmechanism;Aerodynamics;Flighttest目录1前言.................................................................21.1本次毕业设计课题的目的、意义........................................21.2仿生扑翼飞行器简介..................................................22.1仿生扑翼飞行器优缺点................................................42.2仿生扑翼飞行器的结构组成............................................43仿生扑翼飞行器的原理和设计............................................53.1飞行器的飞行原理....................................................53.2对鸟类飞行的分析....................................................53.3机构原理性设计......................................................64仿生扑翼飞行器的参数选择..............................................84.1动力系统的参数选择和计算............................................84.1.1通过对几种飞行器的机翼扇动频率的统计得出下表......................84.1.2齿轮的选用........................................................84.1.3电机的选用........................................................84.2飞行器机身尺寸的确定................................................94.2机翼五杆机构的设计和计算............................................94.2.1机构简图..........................................................94.2.2实体设计..........................................................94.4蒙皮工艺...........................................................115提升机构和推动机构的设计.............................................136三维建模.............................................................147结论.................................................................17参考文献..............................................................19致谢.................................................................20外文翻译..............................................................21附件.................................................错误!未定义书签。宁夏大学机械工程学院2012届毕业设计21前言1.1本次毕业设计课题的目的、意义本项目是通过仿照鸽子飞行的动作来设计飞行器，模拟鸟类的飞行动作，最终实现飞行。研究内容摘要：(1)翅膀骨架复合四杆机构的设计。该机构的设计是本项目的核心任务，通过该机构飞行器就可以模拟鸽子的翅膀的摆动和伸缩动作。(2)翅膀扭动弹性机构的设计。该机构实现翅膀外翼的相对扭动，以产生推进力。要实现飞行还需解决骨架材料的选择，铰接结构的设计，这些方面都需要较强的强度和较轻的质量。1.2仿生扑翼飞行器简介随着仿生学的发展和材料动力技术的不断升级，人类能更好的模仿生物界动物，借助大自然的杰作去服务人类。象鸟一样的飞行时人类几千年的梦想，近几年在扑翼飞行器的研究和制作方面有了长足的进展，目前世界上以出现了各种各样的扑翼飞行器，但其仿生程度任然较低。仿生扑翼飞行器飞行器是区别于固定翼飞行器、旋转翼飞行器的另一类飞行器，其飞行原理直接来自自然界的鸟类和昆虫的飞行方式。与固定翼和旋转翼相比有明显的优势。与固定翼飞行器相比，它可同时将举升、悬停、推进等功能集中在一个扑翼系统中；与旋转翼飞行器相比，它的能量利用率更高，即可推进飞行，也可滑翔飞行，而且更灵活。由于它的这些优点使其具有了很高的使用价值，在无人侦察方面可以做到高度的隐蔽性，前途广阔。图1-1ASN211微型扑翼无人机上图为美国军方最先研制出的扑翼无人机，在军事侦察方面有出色的表现，良好的机动性，隐蔽性，以及较低的噪音。宁夏大学机械工程学院2012届毕业设计3图1-2德国费斯通智能鸟2011年德国费斯通公司的仿生扑翼飞行器在汉诺威工业博览会展出，引起轰动，改型飞行器几乎完全破译了鸟类的飞行，不仅可以完美模拟鸟类飞行，同时仿真度极高，足可以假乱真。智能鸟采用富有革命性的设计，能够自行启动、飞行和降落。它的翅膀不仅能够上下拍动，同时也可按特定角度扭转，让这只超轻的机器鸟拥有出色的空气动力性能和令人惊叹的灵敏度。宁夏大学机械工程学院2012届毕业设计42仿生扑翼飞行器概述2.1仿生扑翼飞行器优缺点仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于１５ｃｍ时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。虽然仿生扑翼飞行器具有以上优点，但是目前材料方面的瓶颈限制了它的发展，使其无法承担高强度的任务，或无法在恶劣的环境下工作。2.2仿生扑翼飞行器的结构组成仿生扑翼飞行器的研究涉及到空气动力学、仿生学、微电子学材料科学、流体力学以及微致动器、微传感器、控制器、能源等领域,是一门多学科的综合课题,它的研制不仅仅是其自身问题的解决而且能够对相关技术领域的发展起到积极推动作用。仿生扑翼飞行器研究尚处于起步阶段,处于不断的探索过程中。扑翼驱动机构的设计,不能追求对于复杂机构的模仿,而应注意于用多个简单的机械元件完成复杂扑翼动作。用机械装置去实现扑翼飞行的复杂运动模式具有极大的难度，但其本身并不是决定性的,关键在于人们应当去不断的尝试与探讨。宁夏大学机械工程学院2012届毕业设计53仿生扑翼飞行器的原理和设计3.1飞行器的飞行原理传统飞行器大致可分为三类：一类是根据牛顿第二定律，即作用力与反作用力定律，获得空气的反作用力进行飞行的，包括各类固定、旋转、扑翼飞行器；第二类是阿基米德原理，获取空气的浮力进行飞行，如各类飞艇，热气球；第三类是根据动量守恒定理飞行的，如，火箭，宇宙飞船的飞行等。由上可知扑翼飞行器的动力来源是空气对飞行器的反作用力。从简单飞艇入手，飞行器的上升原因是因为空气对其竖直向上的推力大于其自身的重力。要获得前进方向的运动必须还得有一个水平的推力，这样飞行器才能完成基本的飞行。比如固定翼飞行器，一般由引擎提供水平的推力，机翼在高速气流的作用下产生升力，再如直升飞机，由引擎提供升力，螺旋桨与水平面的夹角产生的分力作为推力。综上所述，扑翼飞行器必须能同时获得空气对其在水平和竖直方向上的足够的反作用力，即升力和推力，才能完成简单飞行。3.2对鸟类飞行的分析尽管人类对飞行器的研究有了辉煌的成就，但是鸟类仍是地球上最棒的‘飞行器’。这里以鸽子作为研究对象。鸽子可以在前进方向上以任何角度飞行，还可以从容的变化飞行姿势，随时转弯，随意的起飞降落，同时飞行动作可以清楚的观察。鸽子的飞行主要归功于它灵活有力的翅膀和尾翼。下面我们将试着简单的说明一下鸽子的飞行原理。根据前面的飞行原理，鸽子的翅膀必须能产生竖直向上的升力和水平的推力（这两个力不一定是严格的水平和竖直）。图3-1鸽子骨骼图升力的产生：在这里我们先假设空气是静止的。鸽子的翅膀可以围绕身体作一定角度的摆动，向下摆动时翅膀展开，向上摆动时翅膀折叠成到V形，而且往返摆动的时间不相等（这个有待验证）。由于翅膀上下摆动时受力面积不同，从而导致翅膀上宁夏大学机械工程学院2012届毕业设计6下摆动时的受力大小不同，向下摆动时空气对翅膀的反作用力F1（竖直向上）大于向上摆动时空气对翅膀的反作用力F2（竖直向下），当F1G时，产生向上的升力连续的飞行动作是一个循环的过程，循环单元就是翅膀做一次上下摆动，向上摆