仿生蝴蝶飛行器調(diào)研報(bào)告

仿生蝴蝶飛行器調(diào)研報(bào)告隨著科技的不斷進(jìn)步，人類對自然界的探索和模仿已經(jīng)從簡單的觀察走向了更為深入的仿生學(xué)研究。仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理的科學(xué)。它屬于生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間的邊緣學(xué)科，涉及生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)、控制論、工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。蝴蝶，作為一種具有美麗外表和獨(dú)特飛行能力的昆蟲，自古以來就引起了人們的濃厚興趣。近年來，科研人員通過觀察蝴蝶的飛行行為和生理特征，開始嘗試模仿其飛行方式，以開發(fā)出更為高效、節(jié)能的飛行器。這種仿生蝴蝶飛行器在軍事、民用和科研領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。首先，在軍事領(lǐng)域，仿生飛行器可以作為一種新型的偵察、通信、攻擊等多功能平臺。由于具有很強(qiáng)的隱蔽性和適應(yīng)性，它可以在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，如收集敵方情報(bào)、傳遞指揮信息、投放小型武器等。也可以作為一種低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、高效果的反無人機(jī)武器，利用其靈活的飛行能力和強(qiáng)大的撞擊力，對敵方無人機(jī)進(jìn)行攔截或摧毀。其次，在民用領(lǐng)域，仿生飛行器可以成為一種新型的通訊、監(jiān)測、救援等多功能工具。在自然災(zāi)害或人為事故等緊急情況下，提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如拍攝現(xiàn)場圖像、測量環(huán)境參數(shù)等。還可以在危險(xiǎn)或困難的地區(qū)進(jìn)行救援行動，如投放醫(yī)療物資、搭建通訊設(shè)備等。最后，在科學(xué)領(lǐng)域，仿生飛行器可以成為一種新型的研究、教育、娛樂等多功能載體。由于具有很強(qiáng)的仿真度和創(chuàng)新性，它可以在自然界中觀察和模擬各種生物的飛行特征和行為規(guī)律，如研究鳥類遷徙、群體協(xié)作等現(xiàn)象。撲翼式飛行器具有利用自身機(jī)翼扇動的獨(dú)特性,帶動周圍氣流運(yùn)動在撲翼下面形成渦流，產(chǎn)生的上、下大氣壓的差來飛行。撲翼式飛行器尺寸小、噪音弱、長距離飛行、靈活性強(qiáng)、空中懸停、隱蔽性好,已經(jīng)成為當(dāng)今飛行器的研究熱點(diǎn)。，因此有必要對仿生撲翼飛行器做深入的研究。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國外現(xiàn)狀：很早一千，科學(xué)家們就對蝴蝶的的飛行機(jī)理進(jìn)行了各種研究，蝴蝶雖然其翅膀拍打頻率低，與一些昆蟲不同，但很多飛行機(jī)理同樣在蝴蝶上適用。2002年，Srygley和Thomas為了研究蝴蝶飛行產(chǎn)生力的機(jī)制，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓蝴蝶在風(fēng)洞中自由飛行，并使用高分辨率的煙線流動可視化來獲得定性的高速數(shù)字圖像顯示翅膀周圍的空氣流動[1]。圖1-1表明，自由飛行的蝴蝶翅膀有和大多數(shù)昆蟲一樣的的空氣動力學(xué)機(jī)理:尾跡捕獲機(jī)制，前緣渦機(jī)制(蝴蝶產(chǎn)生了兩種不同類型的前緣渦)和Weis-Fogh的“合攏一打開”機(jī)制(clapandfling)。實(shí)驗(yàn)得出自由飛行的蝴蝶在連續(xù)的撲翼飛行中經(jīng)常使用不同的空氣動力學(xué)機(jī)制，蝴蝶依靠各種各樣的空氣動力學(xué)機(jī)制來起飛，機(jī)動，保持穩(wěn)定飛行和降落。圖1-1在一次飛行中由434毫克蝴蝶飛行到1.5米/秒的風(fēng)中產(chǎn)生的正，中性和負(fù)(向下)載荷的上升2008年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)成功研制了一款仿蜻蜓飛行器“DelFly”第一代樣機(jī)戶外測試的效果欠佳,此后研究人員著力于提高DelFly的氣動性能和自主控制能力。如圖1-2所示分別為第二代樣機(jī)DelFlyI和第三代樣機(jī)DelFlyMicro[2-3]，其中第二代樣機(jī)的翼展為280mm，重17g，第三代樣機(jī)的翼展為100mm，重僅為3.07g，撲動頻率為30Hz，飛行速度高達(dá)15/s，該飛行器是當(dāng)時(shí)全球范圍內(nèi)最小的飛行機(jī)器人。如圖1-2第二代樣機(jī)DelFlyI和第三代樣機(jī)DelFlyMicro2012年Huang和Sun依據(jù)低雷諾數(shù)非定?？諝鈩恿W(xué)理論，求解Navier-Stokes方程，提出蝴蝶飛行運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型,并計(jì)算出了該蝴蝶模型的尾渦系如圖1-3。尾渦產(chǎn)生升力,而且蝴蝶翅膀具有吸收尾跡氣流能量的能力[4].圖1-3蝶模型的尾渦系國內(nèi)現(xiàn)狀：國內(nèi)對于仿生蝴蝶撲翼式飛行器研究起步較國外晚一些，成果也相對較少，許多加工工藝和設(shè)計(jì)思路需要借鑒已有的仿昆蟲撲翼飛行器。上海交通大學(xué)冷燁設(shè)計(jì)了一款仿生蝴蝶撲翼式飛行器。該仿蝴蝶撲翼飛行器由舵機(jī)直驅(qū)，翼展為49.8cm，機(jī)身總長37.9cm，整機(jī)重量為32.2g。之后針對仿蝴蝶撲翼飛行器進(jìn)行驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并制作出了相應(yīng)的硬件電路。制造裝配出整機(jī)后，通過實(shí)驗(yàn)平臺對仿蝴蝶撲翼飛行器的升力和翅膀拍打狀態(tài)分別進(jìn)行測試，得到了該仿蝴蝶撲翼飛行器的升力-時(shí)間曲線和拍打角時(shí)間曲線，測得該飛行器的升力為0.272N，拍打頻率在1.1Hz左右，最大拍打角為136度南京航空航天大學(xué)程宏寶采用XFLOW軟件在低雷諾數(shù)非定常流場下對仿蝴蝶飛行器進(jìn)行三維數(shù)值仿真模擬，求解在仿蝴蝶飛行器翅膀撲動作用下的周圍擾流空氣的流場特性，并分析了仿蝴蝶飛行器的飛行速度、撲動頻率、撲動角度、翻轉(zhuǎn)角度、翅膀撲動上下分配比例對其飛行升力與阻力的影響。并探究了在撲動周期內(nèi)仿蝴蝶飛行器的壓力和渦量的變化。圖1-4仿生蝴蝶撲翼式飛行器結(jié)構(gòu)圖陳前川俄亥俄州立大學(xué)聯(lián)合南京航空航天大學(xué)萬里鷹設(shè)計(jì)一種實(shí)用的仿生蝴蝶飛行器,本研究分析了仿生蝴蝶的高升力機(jī)理,認(rèn)為大渦環(huán)的形成、前緣渦形成的位置和飛翼下拍過程中的高升力是3個(gè)關(guān)鍵因素,并基于分析結(jié)果設(shè)計(jì)了仿生蝴蝶的機(jī)構(gòu)。研究結(jié)果表明:仿生蝴蝶具有蝴蝶的形狀和巧妙的可移動后翼,通過蝴蝶翅膀形狀結(jié)構(gòu)的仿生和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化產(chǎn)生大渦環(huán)保證仿生蝴蝶飛行時(shí)的大升力;通過仿生蝴蝶的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使仿生蝴蝶翅膀在下拍過程中獲得更大的升力:同時(shí)仿生蝴蝶質(zhì)心可調(diào),前緣渦有利于增大升力,從而實(shí)現(xiàn)垂直升降。圖1-5仿生蝴蝶效果圖[1]]RB,Srygley,ALR,Thomas.Unconventionallift-generatingmechanismsinfree-flyingbutterflies.[INature.2002420(6916):660-4[2]Pornsin-SirirakTN,TaiYC,HoCM,etal.Microbat:APalm-SizedElectricallyPoweredOrnithopterJ.ProceedingsoftheNASA/JPLWorkshoponBiomorphicRobotics,2001.[3]ScJEB.FlowVisualizationandForceMeasurementsonaFlapping-WingMAVDelFlyIIinForwardFlightConfigurationD].Masterthesis,DelftUniversityofTechnology,Delft,NL,2012.[4]HuangH,SunM.Forwardflightofamodelbutterfly:SimulationbyequationsofmotioncoupledwiththeNavier-Stokesequa-tions[J].ActaMechani