飛魚課題說明書

1、飛魚課題說明書負責人：孟利強指導(dǎo)老師：邱克2009年4月3號設(shè)計課題名稱：飛魚設(shè)計課題內(nèi)容：撲翼式浮空飛行器。設(shè)計原理：應(yīng)用仿生學(xué)原理，將浮空飛行器與魚在水中的游動方式相結(jié)合，取消常見飛艇用于推進的螺旋槳，在浮空式艇身的兩側(cè)加裝類似于鰭的推動設(shè)備，靠電動機提供動力，依靠單片機與步進電機相結(jié)合的方式調(diào)整鰭的運動，從而實現(xiàn)艇體在空中的各種運動。而艇身的整體控制通過地面人員的遙控實現(xiàn)。設(shè)計點：眾所周之，魚類在水中的靈活性不容置疑。而實現(xiàn)魚類靈活運動的生理結(jié)構(gòu)就是魚的鰭。而自然界中幾乎所有的靠流體力運動的生物都是采用撲翼式推動（如水中的魚，空中的鳥，飛行的昆蟲等），螺旋槳是推動完全是人類特有的依靠流體

2、運動的推動方式，我們不禁要問，為什么自然選擇沒能夠挑選出考螺旋推動的大型生物呢？原理就在于靠撲翼式推動是唯一一種能夠在短時間內(nèi)對力矩及受力情況做較大的變動的方式，從而使其具有較高的機動性，才能在自然選擇中得以生存。由此可見，撲翼式結(jié)構(gòu)具有與生俱來的優(yōu)勢。但受限于復(fù)雜的機械傳動結(jié)構(gòu)，較高的材料要求和較低的穩(wěn)定性，撲翼飛行器一直未能成品化。本設(shè)計利用仿生學(xué)原理，拋棄撲翼設(shè)計中最難解決的依靠撲翼提供升力地方法，而是采用傳統(tǒng)的浮空式原理提供升力（其設(shè)計點來自魚靠自身浮力提供在水中的升力），撲翼結(jié)構(gòu)只為設(shè)備提供向前的推力和轉(zhuǎn)向的力矩（類似于魚的尾鰭和邊鰭）從而大大簡化了材料要求和機械機構(gòu)的復(fù)雜性，同時實

3、現(xiàn)了飛行器在較低的速度下可以實現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)彎的性能。設(shè)計目的及市場價值：本設(shè)計為驗證性設(shè)計，目的在于驗證新的推動方式的空氣動力原理及效果。為以后的設(shè)計做技術(shù)鋪墊。本設(shè)計以其較為獨特的外形設(shè)計，可用于慶典及大型活動的表演。同時依靠其優(yōu)于傳統(tǒng)飛機的長留空性和優(yōu)于傳統(tǒng)飛艇的高機動性，可作為未來介于飛艇及飛機之間的中間飛行器的技術(shù)驗證。設(shè)計說明一， 艇體部分的設(shè)計1， 艇體尺寸的選擇及外形的確定。（1），材料：根據(jù)設(shè)計初衷，艇體兩側(cè)應(yīng)加裝鰭，所以對艇體的材料強度有一定的要求，同時受質(zhì)量限制，艇體質(zhì)量又不能過大，所以初步選擇0.2mmPVC材料作為艇身的設(shè)計。 （2）,外形尺寸：預(yù)計安裝的設(shè)備重量和艇體重

4、量估算值M= 7KG 初步設(shè)計艇體浮空體積V=6m左右，為保證設(shè)備失控時的回收，F(xiàn)浮<G所以，艇體的體積V> 6m3， 根據(jù)實際計算，V艇=6.12m 受浮空需要，艇體的外形應(yīng)遵守飛艇設(shè)計流線型公式 ，艇體前半部分應(yīng)遵守公式 +=1 +=1 艇體后半部分遵循公式 根據(jù)體積要求計算的L= 4.568 m R= 0.8m 艇體外形曲線遵循上面兩公式 2， 艇體實際浮空體積的矯正。根據(jù)上式，艇體的實際體積V=6.12m3 實際產(chǎn)生浮力F=1.1404*6.12=6.98kg（所充氣體為氫氣）或1.0563*6.12=6.46kg（所充氣體為氦氣），艇體的長徑比k=2.85，重心點位置距艇

5、最前端的距離為1.9m最大截面積s=8.0424m3，艇體風阻的計算：假設(shè)為微風條件，即風速小于2米每秒，艇體迎風面近似認為為圓面，或略氣體粘滯性，艇體阻力F阻=艇體的外形及尺寸如圖4568二， 鰭傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計。（一） 原始方案，（即模型驗證方案）1， 鰭整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計：為實現(xiàn)推動艇體運動的力，鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 圖一鰭結(jié)構(gòu)三維圖 鰭結(jié)構(gòu)實體圖2,鰭的推理產(chǎn)生的設(shè)計：為了實現(xiàn)其擺動時能夠推動艇體前進，鰭向前擺動和向后擺動時必須存在空氣壓力差，以便能夠推動艇體前進。根據(jù)上式，艇體在無風情況下受到的阻力F= ，初步設(shè)計鰭外探部分的長度L=1000mm，張開擺動時，張開角=60度，閉合擺動時，張開角

6、=20度，則張開和閉合過程中翼型的面積差s=1/8*r=390000mm，兩個鰭的種面積差S=2*390000=780000mm，根據(jù)設(shè)計要求，鰭的擺動過程應(yīng)連續(xù)可調(diào)，其最低擺動速度為0，最高擺動速度為2次/秒，即擺動頻率為2HZ，則在最快情況下，其能夠產(chǎn)生的推力F推= ，而艇體在靜風（即風速小于2m/s時）的阻力F阻= F推>>F阻，即飛艇的撲翼結(jié)構(gòu)滿足推動艇體前進的最小要求，3，鰭開和結(jié)構(gòu)的設(shè)計：為實現(xiàn)鰭向前擺動和向后擺動時的阻力差，其必須設(shè)計成開和結(jié)構(gòu)（原理及運算情況如上），為實現(xiàn)鰭的可控開合，其采用平行四邊形連桿機構(gòu)，靠步進電機控制器開合平行四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖。平行四邊形桿

7、件的邊長Ls= 50mm 完全張開時牽引端距轉(zhuǎn)軸的距離Lk= 86.5mm 完全閉合式牽引端距轉(zhuǎn)軸的距離Lb=98.4mm 兩端的距離差L= 11.9mm ，即牽引端的移動距離為 11.9mm鰭的牽引采用步進電機程序控制步進電機選用五線電機，采用單片機控制，其線路圖和程序參見附錄一，二 4鰭擺動的控制：為了使鰭能夠產(chǎn)生相應(yīng)的推力推動艇體前進，鰭在X-Y平面內(nèi)做繞Z軸的轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)動煽動氣流，來推動艇體向前的運動，其工作原理見圖如下結(jié)構(gòu)的牽引方案在設(shè)計中有兩種設(shè)計，模型中應(yīng)用的為四桿機構(gòu)牽引靠無刷電機提工動力，電子調(diào)速器控制速度，被設(shè)計的優(yōu)點是電子結(jié)構(gòu)簡單，成品件多，組裝調(diào)試簡單，缺點是機械傳動

8、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且兩個鰭之間的距離受限于牽引結(jié)構(gòu)，不能隨意調(diào)節(jié)。改進方案中應(yīng)用的是步進電機取代拉桿機構(gòu)實現(xiàn)鰭的擺動，該設(shè)計方案的優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，且穩(wěn)定性高，但缺點是步進電機要用單片機控制，從而使電控設(shè)備變得復(fù)雜?，F(xiàn)分別將兩種結(jié)構(gòu)說明如下（1）四桿機構(gòu)牽引的設(shè)計方案（即模型方案）：設(shè)計情況如圖，兩個鰭通過一個V型桿連接，連接點距轉(zhuǎn)軸的距離L= 146mm V型桿同時牽引兩個鰭的相同部位，從而使其產(chǎn)生相同的運動情況。V型桿的另一端與一個滑塊相連，滑塊在導(dǎo)軌上作直線運動，從而保證了運動的平穩(wěn)性，滑塊的另一端與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)相連從而將轉(zhuǎn)輪電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為鰭的擺動，具體情況如圖。 鰭擺出 鰭拉回（2）

9、，單片機方案，單片機設(shè)計方案中，取消了復(fù)雜的傳動機構(gòu)，改用單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動，步進電機選用五線步進電機，步進電機的主軸直接與鰭的轉(zhuǎn)軸相連，從而實現(xiàn)其直接轉(zhuǎn)動，簡化了機械結(jié)構(gòu)，控制步進電機的單片機結(jié)構(gòu)圖及相應(yīng)的程序在附錄中給出（附錄一和附錄二）5，鰭結(jié)構(gòu)材料強度的校核因為該設(shè)計為浮空類飛行器，所以其重量要求和強度要求并重，初步設(shè)計采用8直徑的模型用碳纖維材料，其強度和重量要求的可以滿足，經(jīng)計算的碳纖維材料的強度和抗彎能力都符合5動力電機的選擇根據(jù)設(shè)計，飛艇在無風條件下飛行，迎面風速為2m/s，所受到的阻力在上式中計算得，F(xiàn)= kv ，假設(shè)飛艇飛行的最大速度為5m/s，則實際所受的風阻F1=k

10、v ，因為驅(qū)動艇體前進的動力為鰭的滑動，效率較螺旋槳推動稍低，經(jīng)計算的，傳動效率=75%，則計算可得，動力電機的功率Q= ，給據(jù)功率，電動機選用模型用無刷電機，飛速達2833，KV值1250，功率200W，遠遠滿足設(shè)計需要，電池選用11.1V鋰電池，空載電機轉(zhuǎn)速12500轉(zhuǎn)，負載后電機轉(zhuǎn)速9800，故需要較大的減速比減速箱，6減速箱的選擇，根據(jù)設(shè)計需要，鰭的擺動頻率為2HZ，所以減速比為1：100，根據(jù)設(shè)計需要，選用成品1“100減速箱，初步選定采用GSM公司的模型減速箱，減速比為1：100 ，齒輪為行星齒輪即能保證較高的傳動效率，又能滿足強度要求和重量要求，且轉(zhuǎn)動軸心不變。7，電動機電子調(diào)速

11、器的選擇。動力電池的電流較大功率較高，故應(yīng)選用較大允許電流的電子調(diào)速器，初步選定為高安模型的20A 電子調(diào)速器。用以控制電機轉(zhuǎn)速由；零向9800轉(zhuǎn)無極變化。8，電池的選擇：動力電池的單位時間電流量為20A，飛艇的飛行時間預(yù)計在十分鐘左右，故電池的電量Q=20*1/6=10/3A/h，選用4000ma理電池。四,，飛艇的接收發(fā)射機電路連接控制圖及說明接收機舵機一舵機動力電機用電子調(diào)速器俯仰電機用電子調(diào)速器俯仰電機俯仰電機動力電機動力電池動力電池 線路圖該圖為原始設(shè)計方案中的接收機布線圖，其中艇體的前進和俯仰靠兩個無刷電機控制，舵機一控制鰭開合部分的單片機的A_D轉(zhuǎn)換，其與控制動力電機的電子調(diào)速器

12、相連，從而保證鰭的開合運動與擺動相一直，且同步調(diào)節(jié)。舵機2 控制尾翼，以保證艇體的轉(zhuǎn)向（動力電機用電池與俯仰電機用電池為同一電池）接收機實物圖 遙控設(shè)備圖、艇體轉(zhuǎn)向設(shè)計：為使艇體在飛行過程中能夠靈活變向或達到某一指定位置，所以需在艇體上安裝轉(zhuǎn)向機構(gòu)。原方案：在艇尾安裝一個類似“魚尾”的裝置，即尾翼。通過拉桿控制，使尾翼在兩側(cè)均有一定的擺動空間，這樣在飛行過程中，當尾翼擺動到某一側(cè)時，該側(cè)所受到的空氣阻力將會變大，從而使艇體的飛行方向發(fā)生改變，實現(xiàn)對飛艇在飛行過程中的方向控制。如下圖所示：新方案：通過控制舵機的運動，使兩扇形側(cè)翼不再同步運動，即使一扇形側(cè)翼張開角度達到最小，而另一側(cè)運動狀態(tài)不變。

13、這樣，兩側(cè)所受阻力便會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)方向的改變。如下圖所示：原運動：轉(zhuǎn)向運動如下圖：兩種方案的比較：以上兩種方案均可實現(xiàn)飛艇在飛行過程中的轉(zhuǎn)向運動。但是，新設(shè)計方案比原設(shè)計方案更加簡便易行。相對于原方案，新方案不僅省去一套牽引機構(gòu)，而且轉(zhuǎn)向也更加靈活。因為受于材料和技術(shù)所限，飛艇不能如魚類那般擺動整個尾部卻不影響自身的平衡，因此在設(shè)計時尾翼不宜過大。這樣，其轉(zhuǎn)向速度相對新方案較慢，而且不能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。雖然新方案對舵機的控制要求相對較高，但還是可以輕松實現(xiàn)。所以采用新方案較合適。二、艇體俯仰的設(shè)計 1、俯仰控制原理 在原來的設(shè)計圖中，“飛魚”懸艙底部設(shè)計密封風道，中央安裝風扇，通過控制風扇

14、的轉(zhuǎn)速，調(diào)整進氣量，從而調(diào)整飛魚的升力大小，進而控制飛魚的上升和下降。結(jié)構(gòu)如下： 進氣口實際進氣面積：S=100*60=6000mm 設(shè)平均風速為v=2m/s，（無風天氣），則單位時間內(nèi)流入進氣道的氣體 為q= U為氣體流速 v= 則 q=vA=2*6000=12000mm 即 q=12000mm=0.012L注：此計算未考慮氣體的粘性和風扇工作時的狀態(tài)，因為此為最小進氣量。在整個飛魚結(jié)構(gòu)中，風扇的位置如下圖：注：浮升關(guān)系，推力線較重力線和浮力線考前。飛魚仰頭時，F(xiàn)浮+F推F重，艇體產(chǎn)生仰頭的力矩，如下圖：飛魚懸浮時，F(xiàn)浮+F推=F重，F(xiàn)推*L3=G*L2,力矩平衡。如圖：下降時，F(xiàn)浮+F推F

15、重，且F推* L3G*L2，艇體產(chǎn)生低頭的力矩。如圖：根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)驗證模型的動作演示，兩個魚鰭的開合和前后擺動完全可以獨立控制，同時也可以同步控制。由此為我們的俯仰控制和轉(zhuǎn)向控制提供力更多的設(shè)計空間，我們可以通過控制魚鰭的角度和開合來實現(xiàn)飛魚的俯仰和轉(zhuǎn)向動作，魚鰭的結(jié)構(gòu)簡圖如下:步進電機通過單片機來控制，單片機程序已經(jīng)編好，現(xiàn)在正在制作單片機硬件。由于時間問題，單片機結(jié)構(gòu)沒有運用在驗證模型上。步進電機3的轉(zhuǎn)動可以使魚鰭產(chǎn)生傾角，從而可以控制整個飛魚的俯仰。步進電機1控制魚鰭的前后擺動，電機2控制魚鰭的開合，整個過程的協(xié)調(diào)一致有單片機控制。2、風扇電機和槳葉的選擇 1、電機運用飛速達2830，K

16、V值為1290的無刷電機，重量為4550g，外形尺寸為28*30，槳葉選用9*5的馬刀槳，負載后轉(zhuǎn)速為9600z/min。最大推力為5001000g。2、電機的安裝3、控制風扇的電機電機轉(zhuǎn)速的電子調(diào)速器的選擇 電池選用和魚鰭相同的11.1V鋰電池驅(qū)動，以使整個系統(tǒng)能協(xié)調(diào)一致，同時在型號的電池也能滿足風扇的要求。 轉(zhuǎn)速的控制選用20A的無刷電阻調(diào)速器。六，改進方案改進點一，在鰭的擺動位置所做的改進，鰭的擺動由原始的牽引桿機構(gòu)聯(lián)動控制改為分別依靠步進電機控制具體改進在鰭擺動的的控制的方案二中進行了說明，五線步進電機的電路圖和程序參見附錄改進點二取消原有的關(guān)于俯仰控制的電機及風扇，改用鰭沿水平軸轉(zhuǎn)動

17、一個角度的方法倆控制俯仰，即通過鰭在水平方向上的轉(zhuǎn)動時本來產(chǎn)生的水平方向推動艇體前進的力改為斜向的力，從而使艇體產(chǎn)生俯仰力矩，改進點三，取消原有的轉(zhuǎn)向尾翼，其轉(zhuǎn)向通過分別控制兩個鰭擺動頻率的不同來產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)向力矩，以控制艇體的轉(zhuǎn)向，較尾翼方案的優(yōu)點市機動性更高，轉(zhuǎn)向更靈敏，轉(zhuǎn)動半徑更小七，模型的說明。 受經(jīng)費和時間的限制，本次上交的為未進行改進的鰭的運動情況驗證模型，該模型旨在驗證鰭的開合和轉(zhuǎn)動方案的可行性。模型的制作目的旨在驗證鰭最主要的傳動結(jié)構(gòu)的運動可行性，忽略實際設(shè)備過程中的強度問題，其比例為一比一（鰭的外伸部分受空間限制，模型制作了實際長度的1/3，其余部分都為一比一的比例）因為不需

18、要實際推動艇身，該模型只采用20W的有刷電機和電子調(diào)速器，采用1;16的減速箱進行減速，其他部位與設(shè)計方案一相同，采用無線遙控設(shè)備控制，鰭的擺動速度可以由0 到最大轉(zhuǎn)速間進行無級調(diào)速，鰭通過單片機控制，可與鰭的擺動同頻率開合，也可獨立開合（見相關(guān)文件夾中的圖片）在模型的制作過程中，我們對傳動中實際面臨的問題進行了分析研究，得出了改進的傳動方案和控制方案（詳情見上面的改進方案說明） 八，關(guān)于模型實體化的申情，限于設(shè)計中較難的單片機問題和制作過程中較高的經(jīng)費問題，我小組再現(xiàn)階段只能進行傳動模型的驗證，未能夠進再將模型實體化，先做申請如下：1， 請學(xué)校對相關(guān)模型所驗證的傳動結(jié)構(gòu)和改進方案進行可行性評價和修改意見，以便我組在實體的制作過程中進行改進，同時希望校方給與技術(shù)和設(shè)備上的支持2， 鑒于實體搭建過程中的費用較高，以無法由個人承擔，希望校方能在資金上給與一定的支持，以便模型能夠盡快實體化。 課題說明附錄：#include<reg51.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delay1ms(uint k);/延時間extern duyali();/讀0808 uchar aa;main()char a,b;while(1)puyi();b=aa;for(a=0;a&