大學(xué)本科機(jī)械專業(yè)仿生類蜻蜓飛行器研究畢業(yè)論文

畢業(yè)論文論文題目：仿生類蜻蜓飛行器研究專業(yè)：機(jī)械制造及自動(dòng)化姓名：指導(dǎo)教師：年月日目錄一、緒論 41.微型飛行器的研究概況 41.1.微型飛行器的由來(lái) 41.2.微型飛行器的基本特征和應(yīng)用前景 51.3.微型飛行器技術(shù)研究現(xiàn)狀 62.微型飛行器中的關(guān)鍵技術(shù) 82.1、機(jī)體結(jié)構(gòu)與機(jī)載設(shè)備的微型化 82.2、新型高升阻比升力機(jī)制 82.3、微型高效動(dòng)力推進(jìn)裝置 92.4、微功率下的飛行控制和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 9二、仿生蜻蜓飛行器的設(shè)計(jì) 101蜻蜒拍動(dòng)機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)化及運(yùn)動(dòng)函數(shù) 102.撲翼結(jié)構(gòu)的選擇 123.仿生蜻蜓飛行器的建模 12三、仿生蜻蜓的設(shè)計(jì)計(jì)算 141.結(jié)構(gòu)的選用與電機(jī)的選用 141.1、節(jié)能特性： 141.2、控制特性： 141.3、拖動(dòng)特性： 152.氣動(dòng)計(jì)算 153.腿部機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)仿真 193.1.機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)仿真 193.2.步態(tài)設(shè)計(jì) 203.3.行走重心計(jì)算 214.仿真運(yùn)動(dòng)及有限元分析 224.1.仿生蜻蜓飛行意義概述 224.2.有限元分析的原理 244.3.仿生蜻蜓撲翼飛行器撲翼幾何物理模型的建立 254.4.單元特性的定義 274.5.有限元網(wǎng)格劃分 284.6.翅膀結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析 294.7.仿生蜻蜓飛行器撲翼的結(jié)構(gòu)非線性靜力學(xué)分析 324.8.材料的選擇 34四、結(jié)論 36五、參考文獻(xiàn) 37仿生蜻蜓飛行器研究一、緒論 自1903年萊特兄弟成功地進(jìn)行了人類歷史上的首次動(dòng)力載人飛行以來(lái)，航空器的大型化和高速化一直是航空領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。從DC-3到Boeing747,到Concorde(協(xié)和號(hào))，用盡可能短的時(shí)間來(lái)運(yùn)送盡可能多的貨物，始終是航空工程師們努力追求的目標(biāo)之一。但是，進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，隨著微電子和MEMS等技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器的設(shè)計(jì)又開(kāi)始出現(xiàn)一種向小型化，微型化發(fā)展的新趨勢(shì)。由于微型化的飛行器在眾多領(lǐng)域中具有不可估量的應(yīng)用潛力，因此許多世界發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始將微型飛行器技術(shù)列為研究的重點(diǎn)。對(duì)于微型化的飛行器，由于其特征尺度已遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的飛行器，許多傳統(tǒng)的飛行器設(shè)計(jì)理論和方法將不再適用，飛行器的微型化將面臨諸多的來(lái)自科學(xué)和技術(shù)上的挑戰(zhàn)。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展今天，各學(xué)科交叉滲透，新技術(shù)新材料層出不窮，為微型飛行器的發(fā)展提供了巨大的機(jī)遇。1.微型飛行器的研究概況1.1.微型飛行器的由來(lái)微型飛行器(MAVs)的概念最早出現(xiàn)于1992年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)在蘭德公司(RAND)舉辦的一個(gè)關(guān)于未來(lái)軍事技術(shù)的研討會(huì)。會(huì)后該公司出版的研究報(bào)告認(rèn)為，攜有微小傳感器，尺寸極小的偵察飛行器的設(shè)想是可以實(shí)現(xiàn)的，發(fā)展尺度位于昆蟲(chóng)量級(jí)的微型飛行系統(tǒng)對(duì)美國(guó)在未來(lái)保持軍事領(lǐng)先具有重要意義。在此后的兩年，麻省理工學(xué)院(MIT)的林肯實(shí)驗(yàn)室(LincolnLaboratory)和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)對(duì)微型飛行器技術(shù)上的可行性進(jìn)行了更為深入的評(píng)估，他們的研究小組得出了與蘭德公司一致的結(jié)論，即發(fā)展微型飛行偵察系統(tǒng)具有技術(shù)可行性。同時(shí)，林肯實(shí)驗(yàn)室的工程師們提出了他們的一種微型飛行器的概念設(shè)計(jì)。林肯實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果促使DARPA在1995年秋季召開(kāi)了關(guān)于微型飛行器可行性的專題討論會(huì)，此次會(huì)議得出了肯定性的結(jié)論。DARPA也由此而制定了一項(xiàng)在發(fā)展微型飛行器的計(jì)劃。1996年3月，DARPA向美國(guó)工業(yè)界作了簡(jiǎn)要介紹并于同年10月舉辦了用戶和研究單位之間有關(guān)這一問(wèn)題的討論會(huì)。經(jīng)過(guò)這一系列研討會(huì)，專家們認(rèn)為微型飛行器系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：一、應(yīng)是適合軍用的系統(tǒng)；二、能攜帶全天候的近距離成像系統(tǒng)，分辨率應(yīng)足以使操作人員分辨出發(fā)送區(qū)內(nèi)的重要細(xì)節(jié)；三、應(yīng)具有準(zhǔn)確確定地理位置的能力；四、重量輕，堅(jiān)固耐用，以便能夠放在士兵的背包里攜帶；五、價(jià)格低廉，甚至可一次性使用；六、隱蔽性好，不易被敵人發(fā)現(xiàn)，不應(yīng)暴露使用人員的位置。同時(shí)，專家們認(rèn)為在未來(lái)三年內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的微型飛行器的總體參數(shù)為：特征尺寸(機(jī)身長(zhǎng)度或翼展)6～15厘米，重量10～100克，有效載荷1～18克，巡航速度30～60公里/小時(shí)，續(xù)航時(shí)間20～60分鐘，最大航程為1～10公里；微型飛行器采用固定翼布局而非撲翼布局。前期進(jìn)行的幾輪富有成效的研討會(huì)使DARPA意識(shí)到開(kāi)展微型飛行器技術(shù)研究的重要性以及研制生產(chǎn)微型飛行器的現(xiàn)實(shí)可行性。1997年起，DARPA通過(guò)SBIR項(xiàng)目開(kāi)始增加投資，加大對(duì)微型飛行器技術(shù)的研究力度。1997財(cái)政年度，DARPA向工業(yè)界和學(xué)術(shù)界進(jìn)行項(xiàng)目招標(biāo)，開(kāi)始實(shí)施一項(xiàng)耗資3500萬(wàn)美元，為期四年的微型飛行器研究計(jì)劃。參與競(jìng)標(biāo)的單位包括美國(guó)國(guó)內(nèi)眾多大學(xué)的研究實(shí)驗(yàn)室，航空航天業(yè)界的公司以及其它一些小型企業(yè)。微型飛行器概念一經(jīng)美國(guó)提出，便立即引起世界上許多國(guó)家的廣泛關(guān)注，如澳大利亞，俄羅斯，印度，以色列等。他們紛紛成立專門(mén)研究機(jī)構(gòu)，投入研究經(jīng)費(fèi)，開(kāi)始微型飛行器及其相關(guān)技術(shù)的研究。1.2.微型飛行器的基本特征和應(yīng)用前景與常規(guī)無(wú)人飛行器相比。由于微型飛行器具有體積小，隱蔽性好重量輕，成本低，功能強(qiáng)，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單等突出特點(diǎn)，因此無(wú)論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，它都有十分誘人的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，微型飛行器主要有以下幾方面的應(yīng)用前景：首先，微型飛行器可用于低空或近距離的偵察和監(jiān)視，這也是研制它的最重要的目的之一。其次，微型飛行器能夠承擔(dān)通信中繼，電子干擾和對(duì)地攻擊等任務(wù)。此外，微型無(wú)人機(jī)還可用于目標(biāo)指示，核武器和生化武器的探測(cè)等。特別地，由于微型無(wú)人機(jī)能夠在城市建筑物群中以緩慢的速度飛行，可飛抵甚至停留在建筑物內(nèi)進(jìn)行偵察，探測(cè)和查找建筑物內(nèi)部的敵方人員或恐怖分子，因此，它在未來(lái)的城區(qū)戰(zhàn)場(chǎng)和反恐軍事行動(dòng)中具有極為廣闊的應(yīng)用前景。在民用領(lǐng)域，微型飛行器除了可用于通信中繼、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)情的監(jiān)測(cè)等，還可用于交通道路監(jiān)控、邊境巡邏與控制、毒品禁運(yùn)、農(nóng)業(yè)勘測(cè)、大型牧場(chǎng)巡邏、城區(qū)監(jiān)視、航空攝影等[8]。可以看到，微型飛行器技術(shù)作為又一種拓展偵測(cè)能力的技術(shù)，它將是一項(xiàng)具有良好發(fā)展前途和廣闊應(yīng)用前景的高科技含量的新技術(shù)。1.3.微型飛行器技術(shù)研究現(xiàn)狀按總體布局方案來(lái)分，現(xiàn)有的微型飛行器主要可以分為傳統(tǒng)的固定翼式布局，旋翼式布局和仿生撲翼式布局。采用傳統(tǒng)的固定翼式布局的典型微型飛行器主要有美國(guó)AeroVironment公司的BlackWidow，Sanders公司的MicroSTAR等。這里只對(duì)BlackWidow進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹：BlackWidow是AeroVironment公司按照DARPA提出的微型飛行器技術(shù)要求而研制出的一種微型飛機(jī)。翼展15厘米的碟型BlackWidow原型機(jī)于1996年春完成了9秒鐘的飛行。1997年11月，未攜帶有效載荷，飛行重量為40克，采用鋰電池的BlackWidow飛行時(shí)間達(dá)到16分鐘。為了進(jìn)一步提高原型機(jī)的性能，AeroVironment采用綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化方法(MDO)對(duì)原型機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，發(fā)展出第一代BlackWidow。1999年3月攜帶黑白攝像機(jī)的第一代BlackWidow成功地飛行了22分鐘。此次飛行重量為56克，巡航速度為約40.2公里/小時(shí)。1999年夏季，AeroVironment完成了BlackWidow的最終設(shè)計(jì)(見(jiàn)附錄圖2b)。2000年8月BlackWidow試飛的留空時(shí)間達(dá)到30分鐘，最大活動(dòng)半徑1.8公里，最大飛行高度約234米(769英尺)，飛行重量為80克。BlackWidow的機(jī)載接收機(jī)重量為2克，它的方向舵和升降舵均由0.5克重的驅(qū)動(dòng)器控制，攝像采用CMOS彩色攝像頭(重量1.7克，分辨率512×488，功率150毫瓦)，圖象傳送裝置重1.4克。整機(jī)重量中，推進(jìn)系統(tǒng)占62%，結(jié)構(gòu)占17%?？刂葡到y(tǒng)占9%，有效載荷占12%。由于BlackWidow采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，加上尺寸小，距離50米以外便聽(tīng)不到它發(fā)出的聲音，因此它具有極好的隱蔽性。整套系統(tǒng)可以放置在一個(gè)公文包大小的手提箱內(nèi)，其中包括微型飛行器，拆卸式發(fā)射架，地面控制與監(jiān)視用液晶顯示器，總重約7公斤。采用旋翼式布局的微型飛行器主要以美國(guó)Lutronix公司的Kolibri，斯坦福大學(xué)(StanfordUniversity)的Mesicopter等為代表。這里只對(duì)Kolibri進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹：Kolibri在德語(yǔ)中的意思是蜂鳥(niǎo)，它是Lutronix公司和Auburn大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的一種垂直起降(VTOL)旋翼式微型飛行器(見(jiàn)附錄圖3)。該機(jī)設(shè)計(jì)飛行重量約為300克。這個(gè)重量比采用固定翼布局的BlackWidow和MicroSTAR的重50～85克。但它能攜帶100克的有效載荷，而不是前兩者的15克。這就使它能夠裝載多種機(jī)載設(shè)備和足夠的燃油，以增加續(xù)航時(shí)間。該設(shè)計(jì)將具有三軸方向穩(wěn)定性，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和2小時(shí)的續(xù)航能力[11]。采用仿生撲翼式布局的微型飛行器主要有Caltech的Microbat，SRI的Mentor，GTRI的Entomopter等。這里對(duì)Microbat進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹：Microbat是加州理工學(xué)院,AeroVironment公司和UCLA聯(lián)合研究的一種微型撲翼飛行器。它的翼展約為15厘米(6英寸)，撲翼的頻率在每秒20次左右。首架原型機(jī)在1998年10月作了持續(xù)9秒的試驗(yàn)飛行(見(jiàn)附錄圖4a)，它由一個(gè)重2克，容量為1法拉的超級(jí)電容作驅(qū)動(dòng)電源，飛行持續(xù)的時(shí)間受到電容容量限制。這架撲翼機(jī)重量為7.5克。第二架原型機(jī)改用3克重的可充式Ni-Cad電池作動(dòng)力源(見(jiàn)附錄圖4b)。它的最長(zhǎng)持續(xù)飛行時(shí)間提高到22秒，重量為10.5克。而第三架原型機(jī)在增加了無(wú)線電控制設(shè)備后，能夠在飛行中偏航轉(zhuǎn)彎和調(diào)整俯仰姿態(tài)(見(jiàn)附錄圖4c)，重量則約為12.5克。2000年8月，它的最長(zhǎng)留空時(shí)間到時(shí)提高到42秒，而到2001年底則已經(jīng)提高到6分17秒。roMicbat是世界上第一種手掌大小的電動(dòng)撲翼機(jī)。加州理工學(xué)院戴聿昌(Yu-ChongTai)教授領(lǐng)導(dǎo)的這個(gè)研究小組設(shè)想未來(lái)的Microbat將是象附錄的圖4d中所設(shè)想的一種微型飛行裝置。目前我們國(guó)內(nèi)的部分高等院校和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了微型飛行器方面的研究工作。但與國(guó)外相比，我們國(guó)內(nèi)對(duì)微型飛行器技術(shù)的研究工作還存在著差距[13]。2.微型飛行器中的關(guān)鍵技術(shù)微型飛行器作為一種集成了諸多物理子系統(tǒng)的新型飛行器，涉及到以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：2.1、機(jī)體結(jié)構(gòu)與機(jī)載設(shè)備的微型化微型飛行器在尺寸上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)的飛行器，其機(jī)體內(nèi)空間十分有限，因此它可以攜帶的機(jī)載設(shè)備裝置和有效載荷受到極大的限制。這些機(jī)載設(shè)備和裝置，如飛行控制、導(dǎo)航、致動(dòng)、動(dòng)力、圖像攝取、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等，不再能夠象它們?cè)谄胀w行器上那樣有較多的安裝選擇余地。這使得微型飛行器除了本身的機(jī)體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用重量輕，強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)材料來(lái)減輕重量外，其它用于機(jī)載的各種設(shè)備和裝置也需要進(jìn)行最大程度的微型化，以減輕設(shè)備的重量，壓縮各自的空間。隨著微型飛行器的尺寸進(jìn)一步縮小，和固定翼布局的微型飛行器相比，仿生撲翼布局的微型飛行器在氣動(dòng)方面，優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯[14]。但是，仿生撲翼的布局首先給微型飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，尤其是在撲翼的結(jié)構(gòu)，材料以及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微型化設(shè)計(jì)方面將面臨更多的技術(shù)困難。2.2、新型高升阻比升力機(jī)制微型飛行器由于尺寸小，速度低，其飛行雷諾數(shù)Re遠(yuǎn)小于普通的飛行器，由此對(duì)微型飛行器的氣動(dòng)性能帶來(lái)了不利影響。飛行雷諾數(shù)反映了施加在飛行器上的慣性作用力與粘滯作用力之比。微型飛行器的飛行雷諾數(shù)范圍一般為102～104，這個(gè)范圍已經(jīng)與自然界的鳥(niǎo)類及昆蟲(chóng)等的飛行雷諾數(shù)范圍大體相當(dāng)。在上述范圍的飛行已屬于低Re數(shù)飛行，此時(shí)空氣粘性的影響越發(fā)顯著，微型飛行器受到的粘滯力相對(duì)增大。低雷諾數(shù)對(duì)固定翼微型飛行器性能的影響主要表現(xiàn)為：(1)升力系數(shù)下降導(dǎo)致有效飛行載荷的相對(duì)降低；(2)阻力系數(shù)增大要求更大的飛行動(dòng)力；(3)相對(duì)容易發(fā)生的氣流分離降低了機(jī)翼的氣動(dòng)性能以及微型飛行器的機(jī)動(dòng)性能。另一方面，對(duì)于利用螺旋槳來(lái)產(chǎn)生前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力的微型飛行器而言，螺旋槳的推進(jìn)效率也將隨著飛行雷諾數(shù)的減小而降低。2.3、微型高效動(dòng)力推進(jìn)裝置微型動(dòng)力裝置是目前微型飛行器發(fā)展所面臨的制約因素之一。微型動(dòng)力裝置是微型飛行器的關(guān)鍵設(shè)備，它需要在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生足夠的能量并轉(zhuǎn)換為微型飛行器的驅(qū)動(dòng)力以及維持機(jī)載設(shè)備工作所需要的電能。如果具備了高性能的微型動(dòng)力系統(tǒng)，就可以克服微型飛行器在空氣動(dòng)力方面的許多不足。但是研制高功率密度和高能量密度的微型動(dòng)力裝置和微型動(dòng)力源同樣面臨著十分突出的技術(shù)困難。目前在研發(fā)中的微型動(dòng)力裝置種類較多。有微型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，如微型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、微型脈動(dòng)式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、微型內(nèi)燃機(jī)等，也有微型電動(dòng)機(jī)。微電機(jī)的常用電源有電池，如鎳鉻電池、鎳氫電池、鋰電池、固態(tài)氧化物燃料電池，也有微型渦輪發(fā)電機(jī)等。此外還有采用RCM驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力裝置。用于微型飛行器的動(dòng)力裝置主要有兩類：采用鋰或氫氧燃料電池的微電動(dòng)機(jī)和微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。新一代微動(dòng)力裝置可達(dá)到的典型參數(shù)為:渦輪直徑8毫米，葉片0.2毫米，推力0.15牛頓，重量20克，燃料消耗每小時(shí)25克。微動(dòng)力裝置將采用基于硅材料的MEMS技術(shù)制造。表1.3.1列出了微動(dòng)力裝置和常規(guī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度和耗油率的比較。表1微動(dòng)力裝置與常規(guī)動(dòng)力裝置兩個(gè)重要參數(shù)的對(duì)比參數(shù)微動(dòng)力裝置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度(瓦/克)0.150.50燃料消耗率(克/瓦小時(shí))0.490.322.4、微功率下的飛行控制和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)微型飛行器要求具備相當(dāng)程度的自主飛行能力，這需要依靠它的飛行控制系統(tǒng)來(lái)保證[17]。微型飛行器的飛行控制技術(shù)是微型飛行器研制中又一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。一方面，由于微型飛行器在空中的飛行活動(dòng)許多時(shí)候面臨湍流或陣風(fēng)的干擾，因此需要通過(guò)自身的飛行控制系統(tǒng)來(lái)保證其穩(wěn)定的飛行姿態(tài)和正確的航線。另一方面，微型飛行器需要在一定條件下，通過(guò)飛行控制系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行地面控制人員發(fā)出的機(jī)動(dòng)指令。而采用仿生布局的微型飛行器的飛行控制，將是微型飛行器飛行控制技術(shù)中一個(gè)更為復(fù)雜的難題。微型飛行器在進(jìn)行自主飛行的同時(shí)，需要與地面控制站進(jìn)行飛行和控制信息的實(shí)時(shí)傳遞以及視頻，音頻等數(shù)據(jù)的傳輸[18]。微型飛行器上用于數(shù)據(jù)或信息傳輸?shù)臒o(wú)線電設(shè)備需要消耗一定的電能，以保證信號(hào)有足夠的傳輸距離。但隨著微型飛行器尺寸的縮小，其動(dòng)力源可提供的功率受到極大地限制。因此，在設(shè)法提供更高功率的機(jī)載動(dòng)力源的同時(shí)，如何提供功耗更低，效率更高的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)也是微型飛行器發(fā)展所面臨的一個(gè)問(wèn)題。二、仿生蜻蜓飛行器的設(shè)計(jì)為了研究蜻蜓拍動(dòng)雙翼飛行時(shí)產(chǎn)生的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)以往的觀測(cè)結(jié)果。設(shè)計(jì)制作了能夠精確模擬蜻蜓翼運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)構(gòu)，用于蜻蜓高升力機(jī)制的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)測(cè)試表明，該機(jī)構(gòu)可精確模擬蜻蜓翼運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)重復(fù)性高，完全滿足蜻蜓仿生流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。蜻蜓是一種飛行能力很強(qiáng)的昆蟲(chóng)其長(zhǎng)時(shí)間的滑翔、懸停、快速前飛及靈活機(jī)動(dòng)的飛行能力，長(zhǎng)久以來(lái)吸引著流體力學(xué)家的目光。蜻蜓翼拍動(dòng)改變其周圍空氣流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)乍飛行中所需的升力與推力。因此，對(duì)蜻蜒拍動(dòng)雙翼飛行中．翼周圍的流場(chǎng)的觀測(cè)對(duì)于蜻蜓飛行機(jī)理的研究具有非常重要意義，由于活體蜻蜓拍動(dòng)雙翼飛行具有隨機(jī)性(即不能長(zhǎng)時(shí)間保持一種飛行狀態(tài))，至使觀測(cè)某一特定飛行狀態(tài)下翼周圍流場(chǎng)非常困難，因此有必要運(yùn)用仿生學(xué)的原理，設(shè)計(jì)制作能夠模擬蜻蜓翼運(yùn)動(dòng)的機(jī)電模型，模擬蜻蜓翼拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為流場(chǎng)觀測(cè)帶來(lái)便利。1蜻蜒拍動(dòng)機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)化及運(yùn)動(dòng)函數(shù)蜻蜓翼在拍動(dòng)飛行中，具有平動(dòng)、翻轉(zhuǎn)及拍動(dòng)平面偏離三個(gè)運(yùn)動(dòng)(如圖1)所示，為清晰辨認(rèn)，圖中僅畫(huà)出蜻蜒的一對(duì)前翼表示蜻蜒翅膀的運(yùn)動(dòng)．其后翼運(yùn)動(dòng)與前翼一致)。翼平動(dòng)是翼繞自身體軸上下拍動(dòng)．翻轉(zhuǎn)是翼繞翼展軸線(如圖1中右翼繞O1O2線)的轉(zhuǎn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可不斷改變翅膀的攻角,上下拍動(dòng)雙翼過(guò)程中,翼并非保持在拍動(dòng)平面內(nèi)，即拍動(dòng)平面偏離。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化．鑒于蜻蜓翼縱橫比較大，可忽略三維效應(yīng)，在模擬機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮前后兩翼各兩個(gè)自由度——平動(dòng)和翻轉(zhuǎn)。且蜻蜓飛行時(shí)，翅膀拍動(dòng)左右對(duì)稱，根據(jù)對(duì)稱原則，在仿生實(shí)驗(yàn)中僅模擬蜻蜓一側(cè)的前后翅膀運(yùn)動(dòng)，則需要模擬機(jī)構(gòu)能夠模擬四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)瑞典科學(xué)家Norberg采集的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)可擬合出蜻蜓翼平動(dòng)與翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)函數(shù)：圖1蜻蜓翼運(yùn)動(dòng)示意圖平動(dòng)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為(為拍動(dòng)幅角；T為拍動(dòng)周期；f為時(shí)間；對(duì)于前翼，永遠(yuǎn)為零)：α=0．5[1-cos(2rrt／T+γ)](1)翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為(△t為扭轉(zhuǎn)時(shí)間，△t=0.4T):π/4sin(πt/Δt，)﹛0≤t≤0.2Tαπ/40.2T≤t≤0.3Tαπ/4cos[π(t-0.3t)/Δt]0.3T≤t≤0.7T-π/40.7T≤t≤0.8T-π/4cos[π(t-0.8t)/Δt]0.8T≤t≤T2.撲翼結(jié)構(gòu)的選擇同常規(guī)布局飛機(jī)相比，鳥(niǎo)類僅用一對(duì)撲翼就可以同時(shí)產(chǎn)生推力和升力。如果設(shè)計(jì)撲翼飛行器，僅僅通過(guò)調(diào)整撲翼系統(tǒng)的撲動(dòng)參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)靈活的機(jī)動(dòng)，從而可省略推進(jìn)裝置和各種升力面、控制面，大大降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，簡(jiǎn)化復(fù)雜程度。近年來(lái)，微型飛行器MAV（MicroAirVehicle）由于其尺寸小、重量輕、應(yīng)用前泛的特點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視。目前研制的微型飛行器尚多半是固定翼布局，但撲翼式微型飛行器因其更接近鳥(niǎo)的飛行，并且無(wú)需螺旋槳或噴氣裝置，而受了國(guó)內(nèi)外的極大關(guān)注。撲翼相對(duì)于固定翼的一個(gè)重要特征，就是撲翼在提供升力的同時(shí)還能產(chǎn)生推力。下面根據(jù)最簡(jiǎn)化的撲翼模型，分析一下其同時(shí)產(chǎn)生升力和推力的機(jī)理。如圖，流場(chǎng)有一低速直勻流∞V,迎角為0，撲翼向下?lián)鋭?dòng)時(shí)，氣流相對(duì)撲翼有一垂直向上的速度f(wàn)lapV，撲翼的相對(duì)來(lái)流速度大小為V=V∞+Vflap，方向如圖相對(duì)V∞向上偏轉(zhuǎn)了αflap。由Kutta-Joukowski定理可知，作用在撲翼上的氣動(dòng)力F方向垂直于合速度V指向斜上方，其在垂直和水平方向上的分量FL、FT即分別為撲翼的升力和推力。圖2撲翼氣動(dòng)力示意圖3.仿生蜻蜓飛行器的建模根據(jù)蜻蜓原型尺寸比例設(shè)計(jì)，蜻蜓撲翼的撲動(dòng)是一種周期運(yùn)動(dòng)，主要可以分成兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：(1)繞體軸線的上下?lián)鋭?dòng)；(2)繞前緣或某一位置弦線的俯仰運(yùn)動(dòng)。定義α為撲翼相對(duì)來(lái)流方向的迎角，表示撲翼俯仰運(yùn)動(dòng)的位置；撲動(dòng)角β是圖3所示撲翼翼根處翼面與水平面的夾角，表示撲翼上下?lián)鋭?dòng)的位置。圖3蜻蜓飛行翅膀位置圖4蜻蜓外觀仿生設(shè)計(jì)仿生機(jī)械蜻蜓基本參數(shù)：長(zhǎng)：472mm寬：634mm高：111mm質(zhì)量：260g翅膀：前翼191.1X39.2,面積18133.5;后翼189X51.1,面積21410.9三、仿生蜻蜓的設(shè)計(jì)計(jì)算1.結(jié)構(gòu)的選用與電機(jī)的選用確定撲翼頻率為14HZ——19HZ傳動(dòng)比計(jì)算：i=22/10*22/10*16/16=4.84電機(jī)調(diào)速范圍:4357r/min——5517.6r/min1.1、節(jié)能特性：能量轉(zhuǎn)換效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到90%以上（鐵芯電動(dòng)機(jī)一般在70%）。1.2、控制特性：起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快，機(jī)械時(shí)間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達(dá)到10毫秒以內(nèi)（鐵芯電動(dòng)機(jī)一般在100毫秒以上）；在推薦運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可以方便地對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行靈敏的調(diào)節(jié)。1.3、拖動(dòng)特性：運(yùn)行穩(wěn)定性十分可靠，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)很小，作為微型電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)速波動(dòng)能夠容易的控制在2%以內(nèi)。另外，空心杯電動(dòng)機(jī)的能量密度大幅度提高，與同等功率的鐵芯電動(dòng)機(jī)相比，其重量、體積減輕1/3-1/2。2.氣動(dòng)計(jì)算φ(t)=φ0+φmaxsin(ωΦt+βφ)ψ(t)=ψ0+ψmaxsin(ωψt+βψ)平均阻力：260g平均升力：280g其中φ為拍打角，ψ為扭轉(zhuǎn)角。升力和阻力的計(jì)算式在此基礎(chǔ)上考慮了機(jī)翼的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形后得出的。繪制升力和阻力隨撲翼角變化的曲線。X0(t)=(A0/2)cosβ(cosωt+1)Y0(t)=(A0/2)sinβ(cosωt+1)α(t)=α0-α0sin(ωt+φ)其中ω為撲翼頻率，α0為攻角變化幅值，φ為平動(dòng)角與轉(zhuǎn)動(dòng)角的相位差。根據(jù)所示運(yùn)動(dòng)方程，可以計(jì)算機(jī)翼在各個(gè)時(shí)刻的位置和姿態(tài)，同時(shí)還可以通過(guò)仿真軟件實(shí)現(xiàn)撲翼機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)顯示。在運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步進(jìn)行飛行器的體動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)仿真。 圖5蜻蜓飛行姿態(tài)機(jī)身沿Z軸方向，翅膀的后緣固定在機(jī)身上，兩個(gè)翅膀所在的平面的交線（翅膀中線）與機(jī)身的傾斜角為β。翅膀的前緣在撲翼結(jié)構(gòu)的作用下以機(jī)身為軸上下拍動(dòng)，α表示翅膀前緣在XOY平面上的拍動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)）角。由于翅膀后緣固定在機(jī)身上，此時(shí)β角β也會(huì)因?yàn)槌岚蚯熬壍脑祈斣赮OZ平面內(nèi)變化。這使得翅膀產(chǎn)生輕微的俯仰運(yùn)動(dòng)。翅膀拍動(dòng)角α與α俯仰角β可由如下方程組給出：α(t)=α0+(A0/2)(cosωt)β(t)=β0+(B0/2)(cosωt)式中：ω為拍動(dòng)ω頻率，A0為拍動(dòng)角幅值，α0為拍動(dòng)初始角，B0為俯仰角幅值，β0為翅膀與機(jī)身的初始傾角。圖6升力計(jì)算軟件是通過(guò)vb編程，運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，計(jì)算出理論升力與理論升力變化的曲線。迎角—升力頻率—升力撲動(dòng)角度幅值—升力通過(guò)蜻蜓來(lái)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，再運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)計(jì)算，再對(duì)仿生數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改，我們最終確定蜻蜓的基本尺寸、迎角大小、撲動(dòng)頻率、拍動(dòng)角度幅值等等一系列參數(shù)，使得我們?cè)O(shè)計(jì)有了大量理論的依據(jù)。迎角：40°撲動(dòng)頻率：14hz—18hz拍動(dòng)角度幅值：60°3.腿部機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)仿真3.1.機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)仿真圖7腿部受力分析圖8圖8六足爬行步態(tài)示意圖3.2.步態(tài)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用仿“六足綱”昆蟲(chóng)(蟑螂、螞蟻等)的步行方式來(lái)設(shè)計(jì)蜻蜓的運(yùn)動(dòng)，采用三角步態(tài)的運(yùn)動(dòng)示意如。蜻蜓開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí),左側(cè)的腿2和右側(cè)的腿4,6抬起準(zhǔn)備向前擺動(dòng),另外3條腿1,3,5處于支撐狀態(tài),支撐機(jī)器人本體確保蜻蜓的原有重心位置處于3條支腿所構(gòu)成的三角形內(nèi),使蜻蜓處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒,擺動(dòng)腿2,4,6向前跨步,支撐腿1,3,5一面支撐蜻蜓本體,一面在小型直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下驅(qū)動(dòng)蜻蜓本體,使蜻蜓機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)到位時(shí),擺動(dòng)腿2,4,6立即放下,呈支撐態(tài),使蜻蜓的重心位置處于2,4,6三條支撐腿所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi),原來(lái)的支撐腿1,3,5已抬起并準(zhǔn)備向前跨步,擺動(dòng)腿1,3,5向前跨步,支撐腿2,4,6此時(shí)一面支撐蜻蜓本體,一面驅(qū)動(dòng)蜻蜓本體,使蜻蜓機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)，如此不斷從步態(tài)循環(huán)往復(fù),周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)蜻蜓不斷向前運(yùn)動(dòng)。占空系數(shù)β又稱有荷因數(shù),步態(tài)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)步行的關(guān)鍵之一,為達(dá)到較為理想的步行，圖所示蜻蜓機(jī)器人的步態(tài)是β=0.5時(shí)的狀態(tài)，在3擺動(dòng)腿著地的同時(shí),另外3支撐腿立即抬起.即任意時(shí)刻同時(shí)只有支撐相或擺動(dòng)相。圖8圖8六足三角步態(tài)行走3.3.行走重心計(jì)算如圖所示，點(diǎn)M,N,E分別為六足機(jī)器人的左前腿、右中腿、左后腿在地面上的支撐點(diǎn).。三角形M,N,E是由3條支撐腿構(gòu)成的1組支撐三角形，取機(jī)器人的重心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，y軸正向?yàn)闄C(jī)器人的前進(jìn)方向，x軸與其垂直。設(shè)支撐點(diǎn)M,N,E的水平坐標(biāo)分別為M(xM,yM),N(xN,yN),E(xE,yE)，各點(diǎn)的z坐標(biāo)相同.。點(diǎn)M′,N′,E′是機(jī)器人重心到支撐三角形各邊的垂足點(diǎn)，d1,d2,d3是重心到各邊的相應(yīng)距離。4.仿真運(yùn)動(dòng)及有限元分析圖9蜻蜓模擬飛行本文基于蜻蜓真實(shí)的翅翼樣本，利用proe5.0和CreoParametric2.0軟件，分別建立了仿生撲翼1和仿生撲翼2的幾何結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋图霸O(shè)定特性參數(shù)，完成三維仿生撲翼1和仿生撲翼2的有限元模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)超小型仿生撲翼飛行器撲翼進(jìn)行靜態(tài)特性分析，分別對(duì)仿生撲翼1和仿生撲翼2進(jìn)行線性和非線性力學(xué)分析，比較兩種情況下結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力等靜態(tài)性能，并初步探討了改變材料特性對(duì)仿生撲翼剛度變形的影響，總結(jié)出仿生撲翼的幾何外形和結(jié)構(gòu)布局以及材料都會(huì)對(duì)撲翼的剛性產(chǎn)生一定的影響。4.1.仿生蜻蜓飛行意義概述自古以來(lái)，人們就夢(mèng)想著在天空自由翱翔，對(duì)鳥(niǎo)在滑翔狀態(tài)下的研究使人類乘著飛機(jī)上了天。但在一般情況下，昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類翅膀具有很大的機(jī)動(dòng)靈活性，生物超強(qiáng)的飛行能力也引起了人們的極大興趣，如昆蟲(chóng)利用其薄如蟬翼的翅膀高頻振動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)前飛、倒飛、側(cè)飛及倒著降落等特技飛行。對(duì)生物生理結(jié)構(gòu)和飛行機(jī)理的研究為仿制出具有更大飛行靈活性的新型撲翼飛行器打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

隨著對(duì)生物飛行機(jī)理的認(rèn)識(shí)和微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS)、空氣動(dòng)力學(xué)以及新型材料等的快速發(fā)展，仿生微撲翼飛行器目前已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。由于其在軍事和民用上均具有廣泛的應(yīng)用前景，許多國(guó)家都已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究探索工作，并且國(guó)內(nèi)的一些科學(xué)家們也開(kāi)始了這方面的相關(guān)基礎(chǔ)性研究。

仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)飛行，基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)制造的新型飛行機(jī)器。該類飛行器若研制成功，那么與固定翼和旋翼飛行相比，它便具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：如原地或小場(chǎng)地起飛，極好的飛行機(jī)動(dòng)性和空中懸停性能以及飛行費(fèi)用低廉，它將舉升、懸停和推進(jìn)功能集于一個(gè)撲翼系統(tǒng)中，可以用很小的能量進(jìn)行長(zhǎng)距離飛行，因此更適合在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)能源補(bǔ)充及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任務(wù)。自然界的飛行生物無(wú)一例外地采用撲翼飛行方式，這也給了我們一個(gè)啟迪，同時(shí)根據(jù)仿生學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果可以預(yù)見(jiàn)，在翼展小于15cm

時(shí)，撲翼飛行比固定翼和旋翼飛行更具有優(yōu)勢(shì)，微型仿生撲翼飛行器也必將在該研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

仿生微撲翼飛行器通常具有尺寸適中、便于攜帶、飛行靈活、隱蔽性好等特點(diǎn)，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域尤其是國(guó)防領(lǐng)域有著十分重要而廣泛的應(yīng)用，并能完成許多其他飛行器所無(wú)法執(zhí)行的任務(wù)。本節(jié)基于有限元理論，對(duì)仿照蜻蜓前、后翼設(shè)計(jì)出來(lái)的超小型仿生撲翼飛行器的撲翼進(jìn)行有限元的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，進(jìn)而得出一些結(jié)論和規(guī)律，為超小型仿生撲翼飛行器撲翼的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供一些理論上的參考。本課題研究的主要內(nèi)容包括超小型仿生撲翼飛行器撲翼的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析：

（1）超小型仿生撲翼飛行器撲翼有限元模型的建立。根據(jù)蜻蜓前、后翅翼樣本，模仿其幾何外形及結(jié)構(gòu)布局，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，建立撲翼的幾何物理模型，然后通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)膯卧愋?，建立起三維的超小型仿生撲翼飛行器撲翼的有限元模型。

（2）超小型仿生撲翼飛行器撲翼的靜力學(xué)分析。對(duì)所構(gòu)建的仿生撲翼模型分別進(jìn)行相應(yīng)的靜態(tài)分析，得到撲翼在受載情況下的變形及應(yīng)力分布等靜態(tài)特性，進(jìn)而觀察仿生撲翼的剛性及其影響因素。4.2.有限元分析的原理有限元分析（FEA，F(xiàn)inite

Element

Analysis）的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。

有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh

Ritz法＋分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh

Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh

Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。有限元求解問(wèn)題的基本步驟通常為：

第一步

問(wèn)題及求解域定義：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。

第二步

求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越?。ňW(wǎng)絡(luò)越細(xì)）則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。

第三步

確定狀態(tài)變量及控制方法：一個(gè)具體的物理問(wèn)題通?？梢杂靡唤M包含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。

第四步

單元推導(dǎo)：對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣）。

為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。

對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無(wú)法求解。

第五步

總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組），反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。

第六步

聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。

簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。

4.3.仿生蜻蜓撲翼飛行器撲翼幾何物理模型的建立各種昆蟲(chóng)均是最為靈活機(jī)動(dòng)的飛行器，盡管很多飛行方式相當(dāng)簡(jiǎn)單，但是某些昆蟲(chóng)，如蜻蜓通過(guò)其脈絡(luò)分布的翅翼結(jié)構(gòu)以及特殊的振翅機(jī)制顯示出驚人的特技飛行性能。而且現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越清楚，蜻蜓的各種飛行技巧和飛行方式大阪市來(lái)源于它們微妙復(fù)雜的翅翼結(jié)構(gòu)。

本節(jié)模仿蜻蜓翅翼進(jìn)行仿生建模，參考蜻蜓翅翼樣本，結(jié)合其幾何外形，自行設(shè)計(jì)一款超小型仿生撲翼飛行器撲翼的幾何結(jié)構(gòu)模型。蜻蜓翅翼結(jié)構(gòu)如圖10和圖11所示。圖11蜻蜓前翅圖12蜻蜓后翅通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外關(guān)于蜻蜓翅翼測(cè)量方面的研究成果，采集到蜻蜓前、后翅翼的相關(guān)幾何參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如蜻蜓前后翅翼的翼長(zhǎng)、平均弦長(zhǎng)等，進(jìn)而為建立仿生撲翼的集合物理模型做好了準(zhǔn)備，具體數(shù)據(jù)歸納與表2中。

表2蜻蜓翅翼的相關(guān)參數(shù)根據(jù)蜻蜓翅翼的集合結(jié)構(gòu)布局以及表2.1中的相關(guān)參數(shù)，模仿蜻蜓的前后翅翼，并對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，利用ANSYS應(yīng)用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，初步設(shè)計(jì)出兩款超小型仿生撲翼飛行器的撲翼幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖13和圖14所示：圖13蜻蜓翅膀模型1圖14蜻蜓翅膀模型2這兩款撲翼模型的具體參數(shù)如表3表3超小型仿生撲翼飛行器撲翼幾何結(jié)構(gòu)模型相關(guān)參數(shù)需要說(shuō)明的是，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本次建立的模型為二維平面模型，在計(jì)算時(shí)通過(guò)選用適當(dāng)?shù)膯卧愋蛠?lái)實(shí)現(xiàn)三維仿生撲翼結(jié)構(gòu)的計(jì)算。具體的單元類型選用及特性定義，將盡量參照真實(shí)的情況，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)下面的章節(jié)。4.4.單元特性的定義有限元模型中除了表現(xiàn)出一定的外部形狀（網(wǎng)格）外，還應(yīng)該具備計(jì)算所需要的內(nèi)部數(shù)據(jù)，包括物理特性、材料特性等。這些數(shù)據(jù)定義的正確與否，將直接影響到計(jì)算結(jié)果的正確程度。

由于蜻蜓的遲疑結(jié)構(gòu)由20～200μm的翅脈和2～5μm的薄膜組成[9]，根據(jù)這些參數(shù)，并結(jié)合初步設(shè)計(jì)的模型幾何結(jié)構(gòu)布局，對(duì)選用的單元初步設(shè)定物理特性參數(shù)，具體如下：

Pipe16單元：

翅脈

外徑：0.100mm；

壁厚：0.020mm。

Shell43單元：

厚度設(shè)為0.004mm。

蜻蜓翅翼是一種超級(jí)的天然復(fù)合材料，它的材料特性，尤其是它的強(qiáng)度之高和重量之輕是很少見(jiàn)的。但就目前來(lái)講，與蜻蜓翅翼相似的材料并不多，所以在未找到非常理想的材料之前，翅翼的外形和翅脈的布局仍然是關(guān)注的重點(diǎn)。因此，在材料屬性的設(shè)定中，根據(jù)相應(yīng)的參考文獻(xiàn)，將仿生撲翼翅脈和薄膜統(tǒng)一設(shè)定為各向同性的、線性的、不隨溫度變化的材料，在這里給出三個(gè)指數(shù)：彈性模量EX為6.1GN/m2，泊松比PRXY為0.25，密度DENS為1200kg/m3。在后面的計(jì)算章節(jié)中，將根據(jù)進(jìn)一步的需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整材料的一些特性參數(shù)來(lái)考察所構(gòu)建的仿生翅翼模型的性能。4.5.有限元網(wǎng)格劃分因?yàn)槌嵋淼谋∧げ捎昧吮卧跃W(wǎng)格形狀可分為三角形和四邊形，不過(guò)三角形相對(duì)于四邊形網(wǎng)格的計(jì)算精度較低，故翅翼薄膜部分采用四邊形網(wǎng)格劃分。劃分方式上，為提高運(yùn)算效率，采用自由劃分方式。

另外，由于所構(gòu)建的仿生撲翼模型的整體幾何尺寸較小，為了提高計(jì)算結(jié)果的精度，在約束單元尺寸時(shí)，將盡量把網(wǎng)格劃分得細(xì)些。具體設(shè)定為：Pipe單元設(shè)定為0.125mm；薄殼單元也設(shè)定為0.125mm。這樣劃分網(wǎng)格后，便得到了仿生撲翼的有限元模型，如圖15和圖16所示。圖15蜻蜓翅膀1有限元模型圖16蜻蜓翅膀2有限元模型以上兩圖所示的超小型仿生撲翼飛行器撲翼有限元模型中，撲翼1共計(jì)節(jié)點(diǎn)240個(gè)，單元195個(gè)；撲翼2共計(jì)節(jié)點(diǎn)454個(gè)，單元404個(gè)。4.6.翅膀結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析本節(jié)對(duì)前面章節(jié)所建立的超小型仿生撲翼飛行器的撲翼進(jìn)行結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析，觀察翅翼結(jié)構(gòu)在施加一定載荷后的剛性變形等性能。

雖然蜻蜓翅翼的翅脈結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但是蜻蜓在空中飛行的過(guò)程中可以非常輕易地處理各種各樣的受力情況，從而實(shí)現(xiàn)譬如懸停、急速轉(zhuǎn)彎、快速飛行以及倒退等各種飛行姿態(tài)。本節(jié)考慮了一種較為簡(jiǎn)單的情況，忽略了超小型仿生撲翼飛行器在飛行時(shí)撲翼所處的角度，并結(jié)合超小型仿生撲翼飛行器自身的重量以及撲翼的展開(kāi)面積，在仿生撲翼模型下表面施加了一組垂直于該模型表面的均勻的載荷，進(jìn)而觀察仿生撲翼模型在受載情況下的剛性等特性。

首先，要定義邊界及載荷的約束條件，對(duì)仿生撲翼模型根部施加位移約束，并根據(jù)相應(yīng)的參考文獻(xiàn)[25]，對(duì)仿生撲翼模型下表面施加一組垂直于該表面的均布載荷，其值為5.4E-05N/mm2。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到仿生撲翼1和仿生撲翼2在受到該載荷條件下的剛性變形及應(yīng)力分布，如圖17所示。(a)翅膀1靜態(tài)變形圖(b)翅膀1的應(yīng)力分布圖(c)翅膀2的靜態(tài)變形圖(d)翅膀2的應(yīng)力分布圖圖17仿生撲翼飛行器撲翼線性靜態(tài)性能仿生撲翼實(shí)質(zhì)上是一種桁架結(jié)構(gòu)，也可以說(shuō)是由梁和薄膜組成的復(fù)合桿架結(jié)構(gòu)。由圖17（a）和圖17（c）所示的變形可以看出，結(jié)構(gòu)在受到給定載荷的條件下的變形并不是非常大，也就是說(shuō)對(duì)于所構(gòu)建的仿生撲翼模型，其下表面在受到等同于超小型仿生撲翼飛行器自身重量的舉力時(shí)，翼形沒(méi)有出現(xiàn)那種特別大的變形情況，這在某種意義上說(shuō)明所構(gòu)建的撲翼模型在一定程度上具有可取性。

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析還應(yīng)該看到，這種變形的程度在實(shí)際的超小型仿生撲翼飛行器撲翼設(shè)計(jì)中還是不能接受的，這是因?yàn)槌⌒头律鷵湟盹w行器的撲翼是其在空中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，撲翼通過(guò)相應(yīng)的拍動(dòng)和扭轉(zhuǎn)這兩種基本的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行耦合，從而實(shí)現(xiàn)特殊的運(yùn)動(dòng)性能，產(chǎn)生支撐飛行器在空中完成各種指令動(dòng)作的升力，然而如果出現(xiàn)這種較大變形的話，就很難實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，進(jìn)而難以滿足在實(shí)際應(yīng)用中的需要。而且，與撲翼1的靜態(tài)分析結(jié)果相比，撲翼2變形的程度要小一下，即表明在相同材料特性的情況下，展弦比較小的翅翼結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力要比展弦比較大的翅翼結(jié)構(gòu)來(lái)的更強(qiáng)，因此，綜合以上可見(jiàn)，翅翼結(jié)構(gòu)的幾何外形和脈絡(luò)布局均直接影響著該翅翼結(jié)構(gòu)的剛性性能。

另外，由圖17（b）和圖17（d）所示的應(yīng)力分布還可以看到，在受到均布載荷的條件下，靠近撲翼模型根部的區(qū)域往往會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，這說(shuō)明該區(qū)域是仿生撲翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較為薄弱的環(huán)節(jié)，那么在超小型仿生撲翼飛行器撲翼的設(shè)計(jì)中便可以作為參考，采取適當(dāng)?shù)拇胧┨岣吒拷Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能，進(jìn)而保證所設(shè)計(jì)撲翼的可靠性要求。4.7.仿生蜻蜓飛行器撲翼的結(jié)構(gòu)非線性靜力學(xué)分析根據(jù)上一節(jié)的結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析結(jié)果可知，仿生撲翼結(jié)構(gòu)在承受特定的載荷條件下產(chǎn)生了大變形情況，那么，它變化的幾何形狀就有可能引起結(jié)構(gòu)的非線性影響，因此接下來(lái)有必要對(duì)撲翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力學(xué)分析，并將其結(jié)果與線性靜力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步觀察兩款撲翼模型在受載荷情況下的變形等性能。本次所施加的載荷條件與線性分析時(shí)基本上相同，只是添加了一些非線性分析的設(shè)置，如設(shè)定大變形或大應(yīng)變選項(xiàng)，定義載荷步子步等。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到仿生撲翼1和仿生撲翼2的變形以及應(yīng)力等靜態(tài)性能，如圖18所示。(a)翅膀模型1在受載下的大變形(b)翅膀模型1在受載下的應(yīng)力分布圖(c)翅膀模型2在受載下的大變形（d）翅膀模型2在受載下的應(yīng)力分布圖圖18仿生蜻蜓飛行器撲翼非線性靜態(tài)性能為了便于對(duì)線性與非線性靜態(tài)分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)將這兩種情況下的位移及應(yīng)力值歸納于表3中。表3線性與非線性靜態(tài)分析結(jié)果對(duì)比由表3可以看出，節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力都有一定的變化，但整體上也都限制在10%之內(nèi)。對(duì)結(jié)果做進(jìn)一步分析還應(yīng)該看到，與線性靜態(tài)分析類似，對(duì)于既定的仿生撲翼模型，其變形與蜻蜓實(shí)際飛行中翅翼承受載荷后的剛度變形并不符合，而且這與實(shí)際超小型仿生撲翼飛行器撲翼設(shè)計(jì)中對(duì)剛性的要求也有很大的差異。

因此，除了研究仿生撲翼模型的結(jié)構(gòu)布局對(duì)其剛度等性能的影響之外，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)的材料特性等方面進(jìn)行考慮。通過(guò)調(diào)整材料特性參數(shù)，觀察撲翼結(jié)構(gòu)的實(shí)際可取性，這樣既考慮到蜻蜓翅翼的真實(shí)情況，又考慮到超小型仿生撲翼飛行器設(shè)計(jì)中的實(shí)用性原則。4.8.材料的選擇本節(jié)通過(guò)改變材料特性參數(shù)來(lái)觀察超小型仿生撲翼飛行器撲翼的剛度變形，主要還是為了驗(yàn)證仿生撲翼結(jié)構(gòu)在受載作用下出現(xiàn)較大變形時(shí)，在不改變幾何特征的前提下，依然可以通過(guò)調(diào)整其他性能參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

在仿生撲翼飛行研究中，所選擇的仿生撲翼材料需要保證撲翼的輕柔、強(qiáng)韌，并能承受高頻拍動(dòng)而不失效。翅脈材料應(yīng)該具有高應(yīng)力極限、高疲勞極限和低慣性損耗。在目前的設(shè)計(jì)中，可供參考的材料主要有鋁、不銹鋼、鈦合金以及碳纖214170.0.0維等。鋁的密度小，比強(qiáng)度高，具有較好的耐腐蝕性，但剛性差；不銹鋼的強(qiáng)度和耐腐蝕性能好，但密度大；鈦合金密度小，具有較高的比強(qiáng)度和優(yōu)良的耐腐蝕性能，但加工困難，成本較高；碳纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量以及抗腐蝕等性能，還具有纖維的柔曲性，與前面材料比較看來(lái)，碳纖維還是相對(duì)較為合適的結(jié)構(gòu)材料。翅膜的材料大多采用塑料薄膜，具有厚度薄、柔軟、強(qiáng)度好、耐腐蝕和易成形加工等優(yōu)點(diǎn)，可供選擇的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯薄膜和聚酰亞胺等。通過(guò)對(duì)翅脈及翅膜材料性能的比較，并參考國(guó)內(nèi)外超小型仿生撲翼飛行器制作的諸多實(shí)例，最后重新確定了仿生撲翼的材料，翅脈選用碳纖維復(fù)合材料，翅膜選用聚酰亞胺材料，具體材料性能參數(shù)參見(jiàn)表4。表4翅翼材料的性能參數(shù)根據(jù)表4中所確定的材料參數(shù)，對(duì)前面建立的仿生撲翼1和仿生撲翼2的有限元模型進(jìn)行重新設(shè)置，改變其單元特性從而生成新的計(jì)算模型。由于只是改變了材料特性，有限元的幾何特性并沒(méi)有改變，所以仿生撲翼結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格圖并沒(méi)有變化，在這里就不再贅述。經(jīng)過(guò)計(jì)算后，得到仿生撲翼結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布圖，結(jié)果如圖19所示。（a）翅膀1的靜態(tài)變形圖和應(yīng)力分布圖(b)翅膀2的靜態(tài)變形圖和應(yīng)力分布圖圖19仿生蜻蜓飛行器撲翼靜態(tài)性能分析結(jié)果由圖19所示的分析結(jié)構(gòu)可以得到，改變材料特性參數(shù)后，仿生撲翼1和仿生撲翼2結(jié)構(gòu)在受到與前面章節(jié)相同載荷作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)的最大位移情況和節(jié)點(diǎn)承受的最大應(yīng)力值情況歸納于表5中。表5仿生蜻蜓飛行器撲翼靜態(tài)性能分析結(jié)果從表5中顯然可以看出，仿生撲翼的變形情況小了很多，應(yīng)力值也相應(yīng)地有所減小，即在結(jié)構(gòu)布局及載荷條件不變的情況下，調(diào)整仿生撲翼的材料特性參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度等技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生了顯著地影響，結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力有了很大的提高，而且其幾何非線性特征也有所減弱，這不僅驗(yàn)證了前面所提及的材料特性也是影響結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的一個(gè)非常重要的因素的觀點(diǎn)，同時(shí)也從側(cè)面說(shuō)明了，對(duì)于所構(gòu)建的仿生撲翼的結(jié)構(gòu)布局，可以通過(guò)調(diào)整如材料特性等參數(shù)來(lái)達(dá)到超小型仿生撲翼飛行器撲翼的技術(shù)要求。

仿生撲翼結(jié)構(gòu)所采用的材料只是通過(guò)理論上分析材料各項(xiàng)性能指標(biāo)，并參考國(guó)內(nèi)外超小型仿生撲翼飛行器的制作實(shí)踐案例來(lái)進(jìn)行選擇，從效果上來(lái)看，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。而事實(shí)上，材料的選擇涉及超小型仿生撲翼飛行器涉及的整個(gè)過(guò)程，設(shè)計(jì)中要求的重量輕、柔性以及微型化等要求都與選用的材料有關(guān)，再加上目前對(duì)昆蟲(chóng)翅翼材料的研究工作還沒(méi)有獲得真正的突破，因此，在超小型仿生撲翼飛行器的設(shè)計(jì)中，撲翼材料的選取任然是一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題之一。四、結(jié)論自然界的鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)擁有者高效的飛行和控制能力，仿生學(xué)的研究為超小型撲翼飛行器的研究提供了新的思路和途徑，但仿生不是對(duì)生物運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單復(fù)制，而是在深入研究其機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的創(chuàng)新。

本論文依據(jù)有限元理論以及仿生學(xué)等理論，對(duì)模仿蜻蜓翅翼所建立的超小型仿生撲翼飛行器的仿生撲翼有限元模型分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)線性靜力分析和非線性靜力分析，并觀察和討論了仿生撲翼的幾何外形、結(jié)構(gòu)布局以及材料特性對(duì)其剛性的影響。仿生計(jì)算的結(jié)果為超小型仿生撲翼飛行器撲翼的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了有效地幫助。綜合本論文的研究工作，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)仿照蜻蜓翅翼的仿生撲翼有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)線性靜力分析。當(dāng)仿生撲翼模型在受到均布載荷的情況下，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)。（2）對(duì)仿生撲翼有限元模型進(jìn)行非線性靜力分析，將分析結(jié)果與線性靜力分析結(jié)果進(jìn)行比較深入的對(duì)比和分析，發(fā)現(xiàn)仿生撲翼的幾何外形和結(jié)構(gòu)布局都會(huì)對(duì)撲翼的剛性產(chǎn)生一定的影響。

（3）適當(dāng)調(diào)整撲翼材料特性參數(shù)后，分析結(jié)果表明撲翼的材料也是影響結(jié)構(gòu)剛性的重要因素。

由于時(shí)間與實(shí)驗(yàn)條件的限制，本論文只是對(duì)仿照蜻蜓翅翼的仿生撲翼的了學(xué)特性等進(jìn)行了初步的探討，理論分析考慮的因素還需要進(jìn)一步的完善。為是以后的研究工作能夠更好的得到開(kāi)展，現(xiàn)在提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）在撲翼變形的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，可以設(shè)計(jì)一個(gè)模擬加振實(shí)驗(yàn)，觀察撲翼變形與加載的關(guān)系，分析其非線性特征。

（2）去除撲翼的翅膜，對(duì)翅脈進(jìn)行模擬加振實(shí)驗(yàn)，觀察翅脈變形與加載的關(guān)系，研究翅膜對(duì)剛性的影響。

昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)仿生研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，它涉及機(jī)械、計(jì)量、力學(xué)、生物、信息等多學(xué)科，利用了各學(xué)科的最新研究成果，同時(shí)也把各個(gè)學(xué)科想新的領(lǐng)域不斷拓寬。隨著對(duì)昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究的不斷深入，超小型仿生撲翼飛行器的諸多關(guān)鍵技術(shù)將會(huì)不斷得到完善和解決，其潛在的應(yīng)用價(jià)值也將越來(lái)越值得大家期待。

超小型仿生撲翼飛行器技術(shù)的研究在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的科技水平。超小型仿生撲翼飛行器的研制不僅能夠推動(dòng)新技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，而且對(duì)國(guó)防建設(shè)也有著重大的意義，是我國(guó)迫切需要開(kāi)展的研究項(xiàng)目。五、參考文獻(xiàn)[1]

驥平，武立新，朱興龍.仿生撲翼飛行器的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2004：12～17

[2]

彭躍林.微小撲翼飛行器機(jī)翼及機(jī)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[M].西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003

[3]超小型仿生撲翼飛行器撲翼結(jié)構(gòu)有限元分析[4]撲翼的氣動(dòng)特性和實(shí)驗(yàn)研究[5]一種微型飛行器概念機(jī)的總體設(shè)計(jì)研究附錄：FromtheworldofradiointheworldtoasinglechipModerncomputertechnology,industrialrevolution,theworldeconomyfromthecapitalintotheeconomytoknowledgeeconomy.Fieldintheelectronicworld,fromthe20thcenturyintotheeraofradiotocomputertechnologyinthe21stcenturyasthecenteroftheintelligentmoderneraofelectronicsystems.Thebasiccoreofmodernelectronicsystemsareembeddedcomputersystems(referredtoasembeddedsystems),whilethemicrocontrolleristhemosttypicalandmostextensiveandmostpopularembeddedsystems.First,radiohascreatedgenerationsofexcellenceintheworldFiftiesandsixtiesinthe20thcentury,themostrepresentativeoftheadvancedelectronictechnologyiswirelesstechnology,includingradiobroadcasting,radio,wirelesscommunications(telegraph),AmateurRadio,radiopositioning,navigationandothertelemetry,remotecontrol,remotetechnology.Earlythattheseelectronictechnologyledmanyyoungpeopleintothewonderfuldigitalworld,radioshowwasawonderfullife,theprospectsforscienceandtechnology.Electronicsbegantoformanewdiscipline.Radioelectronics,wirelesscommunicationsbegane-worldjourney.Radiotechnologynotonlyasarepresentativeofadvancedscienceandtechnologyatthattime,butalsofrompopulartoprofessionalfieldsofscience,attractingtheyoungpeopleandenablethemtofindalotoffun.Orefromthebedsidetothesuperheterodyneradioradio;reportissuedfromtheradioamateurradiostations;fromthetelephone,electricbelltotheradiocontrolmodel.Becamepopularyouthradiotechnology,scienceandtechnologyeducationisthemostpopularandmostextensivecontent.Sofar,manyoftheoldergenerationofengineers,experts,Professoroftheyearareradioenthusiasts.Funradiotechnology,radiotechnology,comprehensivetraining,frombasicprinciplesofelectronics,electroniccomponentstotheradio-basedremotecontrol,telemetry,remoteelectronicsystems,hastrainedseveralgenerationsoftechnologicalexcellence.Second,fromthepopularityoftheradioeratoeraofelectronictechnologyTheearlyradiotechnologytopromotethedevelopmentofelectronictechnology,mostnotablyelectronicvacuumtubetechnologytosemiconductorelectronictechnology.Semiconductortechnologytorealizetheactivedeviceminiaturizationandlowcost,somorepopularwithradiotechnologyandinnovation,andtogreatlybroadenthenumberofnon-radio-controlareas.Thedevelopmentofsemiconductortechnologyleadtotheproductionofintegratedcircuit,formingthemodernelectronictechnologyleapfromdiscreteelectronicsintotheeraoferaofintegratedcircuits.Electronicdesignengineersnolongerusethediscreteelectroniccomponentsdesignedcircuitmodules,anddirectselectionofintegratedcircuitcomponentsconstituteasinglesystem.Theyfreedthedesignofthecircuitunitdedicatedtosystemdesign,greatlyliberatingtheproductiveforcesofscienceandtechnology,promotethewiderspreadofelectronicsystems.Semiconductorintegratedcircuitsinthebasicdigitallogiccircuitsfirstbreakthrough.Alargenumberofdigitallogiccircuits,suchasgates,counters,timers,shiftregisters,andanalogswitches,comparators,etc.,fortheelectronicdigitalcontrolprovidesexcellentconditionsforthetraditionalmechanicalcontroltoelectroniccontrol.Powerelectronicdevicesandsensortechnologytomaketheoriginaltotheradioasthecenterofelectronictechnologyturnedtomechanicalengineeringinthefieldofdigitalcontrolsystems,testinginthefieldofinformationcollection,movementofelectricalmechanicalservodrivecontrolobject.Semiconductorandintegratedcircuittechnologywillbringusauniversalageofelectronictechnology,wirelesstechnologyasthefieldofelectronictechnologyapartof.70yearsintothe20thcentury,largescaleintegratedcircuitappearedtopromotetheconventionalelectroniccircuitunit-specificelectronicsystemsdevelopment.Manyelectronicsystemsunitintoadedicatedintegrateddevicessuchasradios,electronicclocks,calculators,electronicengineersintheseareasfromthecircuit,thesystemdesignedtodebugintothedeviceselection,peripheraldeviceadapterwork.Electronictechnology,andelectronicproductsenriched,electronicengineerstoreducethedifficulty,butatthesametime,radiotechnology,electronictechnologyhasweakenedthecharm.Thedevelopmentofsemiconductorintegratedcircuitsclassicalelectronicsystemsarematuring,remaininthelargescaleintegratedcircuitotherthantheshrinkingofelectronictechnology,electronictechnologyisnottheolddaysofradiofuntimesandcomprehensiveengineeringtraining.Third,fromtheclassiceraofelectronictechnologytomodernelectronictechnologyofthetimes80yearsintothe20thcentury,thecenturyofeconomicchangeisthemostimportantrevolutioninthecomputer.Thecomputerrevolutioninthemostimportantsignisthebirthofthecomputerembeddedapplications.Moderncomputernumericalrequirementsshouldbeborn.Alongperiodoftime,istodevelopthemassivecomputernumericalduty.Butthecomputershowsthelogicoperation,processing,control,attractingexpertsinthefieldofelectroniccontrol,theywantdevelopmenttomeetthecontrolobjectrequirementsofembeddedapplications,computersystems.Ifyoumeetthemassivedata-processingcomputersystemknownasgeneral-purposecomputersystem,thenthesystemcanbetheembeddedobject(suchasships,aircraft,motorcycles,etc.)inacomputersystemcalledtheembeddedcomputer.Clearly,boththedirectionoftechnologydevelopmentaredifferent.Theformerrequiresmassivedatastorage,handling,processingandanalysisofhigh-speeddatatransmission;whilethelatterrequiresreliableoperationinthetargetenvironment,theexternalphysicalparametersonhigh-speedacquisition,analysisandprocessinglogicandtherapidcontrolofexternalobjects.Itwilladdanearlygeneral-purposecomputerdataacquisitionunit,theoutputdrivercircuitreluctancetoformaheattreatmentfurnacetemperaturecontrolsystem.Thisgeneral-purposecomputersystemisnotpossibleformostoftheelectronicsystemused,andtomakegeneral-purposecomputersystemmeetstherequirementsofembeddedapplications,willinevitablyaffectthedevelopmentofhigh-speednumericprocessing.Inordertosolvethecontradictionbetweenthedevelopmentofcomputertechnology,inthe20thcentury70s,semiconductorexpertsanotherway,infullaccordancewiththeelectronicsystemembeddedcomputerapplicationrequirements,amicro-computer'sbasicsystemonachip,theformationoftheearlySCM(SingleChipMicrocomputer).Aftertheadventofsinglechipinthecomputerindustrybegantoappearinthegeneral-purposecomputersystemsandembeddedsystemsthetwobranches.Sincethen,boththeembeddedsystem,orgeneral-purposecomputersystemshavebeendevelopedrapidly.Althoughtheearlygeneral-purposecomputerconvertedtheembeddedcomputersystems,andrealembeddedsystembeganintheemergenceofSCM.Becausethemicrocontrollerisdesignedspecificallyforembeddedapplications,theMCUcanonlyachieveembeddedapplications.MCUembeddedapplicationsthatbestmeetenvironmentalrequirements,forexample,chip-levelphysicalspace,large-scaleintegratedcircuitslow-cost,goodperipheralinterfacebusandoutstandingcontrolofinstruction.Acomputersystemmicrocontrollercore,embeddedelectronicsystems,intelligentelectronicsystemsforthefoundation.Therefore,thecurrentsinglechipelectronicsysteminwidespreaduseofelectronicsystemstoenablerapidtransitiontotheclassicalmodernintelligentelectronicsystems.4,singlechiptocreatethemoderneraofelectronicsystemsAmicrocontrollerandembeddedsystemsEmbeddedcomputersystemsfromembeddedapplications,embeddedsystemsforearlygeneral-purposecomputeradaptedtotheobjectsystemembeddedinavarietyofelectronicsystems,suchastheship'sautopilot,enginemonitoringsystems.Embeddedsystemisprimarilyacomputersystem,followedbyitbeingembeddedintotheobjectsystem,objectsintheobjectsystemtoachieverequireddatacollection,processing,statusdisplay,theoutputcontrolfunctions,asembeddedintheobjectsyste