仿昆虫扑翼微飞行器的设计、制造与测试研究

发布时间：2020-05-19 10:08

【摘要】：自然界中的昆虫通过拍动翅膀在空中飞行,表现出很强的敏捷性、机动性和稳定性,并且可以产生自身重量几倍的升力。在过去的几十年里,很多科学家和工程师一直在探索昆虫飞行的气动力机理,并尝试研制仿昆虫扑翼微飞行器(FMAV)。仿昆虫FMAV继承了昆虫的诸多优势,可以完成很多大型飞行器无法完成的任务,比如在狭窄空间中进行搜索、救援、监视、探测和侦察等。本文围绕仿昆虫FMAV主要开展了如下工作:通过研究双翅目昆虫的飞行机理,基于叶素法建立了昆虫扑翼飞行的准稳态气动力模型。使用准稳态气动力模型分析了仿昆虫FMAV单个翅膀产生的气动力和气动力矩。使用虚功原理推导了仿昆虫FMAV翅膀的两自由度动力学常微分方程组,并进行了数值求解。通过研究昆虫扑翼飞行时肌肉、背甲和翅膀的运动,系统地提出了一种仿昆虫FMAV的零部件设计和制造方法。该方法充分考虑了微型零部件的结构设计、纤维分布、空间布置、电气隔离、加工精度和装配关系等:压电驱动器的设计考虑了电气隔离和装配关系;电磁驱动器的设计考虑了空间布置和装配关系;传动机构和机身的设计考虑了加工精度和装配难度;翅脉的纤维方向进行了合理的布置,使得翅膀拥有高的强度和刚度。利用这种方法,本文成功研制出了两种仿昆虫FMAV,均可以产生足够的升力实现起飞。其中,压电驱动仿昆虫FMAV重84 mg,翼展35mm,在100 Hz的拍打共振频率下可以产生约±60°的拍打角度。电磁驱动仿昆虫FMAV重80 mg,翼展35mm,翅膀拍打频率80 Hz,拍打角度约±70°。除此之外,针对仿昆虫FMAV,本文还提出了一种一体化的设计和制造方法。该方法将仿昆虫FMAV的大部分零部件(特别是有装配关系的零部件)集成在单片材料上设计和制造,避免了零部件之间的装配,从而减少了手工过程的误差。通过使用该方法,本文研制出了重80 mg的一体化电磁驱动仿昆虫FMAV,并成功实现了起飞。针对微尺度和高频率的仿昆虫FMAV,本文搭建了零部件和整机的系统级测试平台,对零部件和整机的性能进行了测试。通过搭建基于NI-Labview的虚拟仪器平台,实现了多通道同步信号发生和数据采集。通过搭建驱动器的驱动和测试平台,实现了对压电驱动器和电磁驱动器的驱动及性能指标的测试。使用双目高速相机配合运动分析软件,成功测试了电磁驱动仿昆虫FMAV的翅膀三维运动规律。通过设计高灵敏度、高分辨力、高带宽的传感器,实现了仿昆虫FMAV升力的实时测量。总之,本文从仿生学原理出发,完成了昆虫扑翼飞行的气动力建模,系统地开展了仿昆虫FMAV的设计、制造和测试研究,并用实验手段验证了本文中设计理论、加工方法和装配手段的适用性和可行性,为将来实现仿昆虫FMAV的自主飞行提供了理论依据、设计思想和技术手段。
【图文】：

东京大学,昆虫

上海交通大学博士学位论文第一章绪论（如图 1-1b、c 所示）。由于当时对昆虫飞行机理的研究不够成熟，再加上受到材料、加工工艺和驱动技术的限制，导致最终设计的仿昆虫 FMAV 并不能产生飞行所需要的升力。尽管如此，他们提出的柔性铰链的设计思想和制造方法对后来的研究产生了很深远的影响。

示意图,胸腔,实物,示意图

（a）（b）图 1-2 MFI 的胸腔结构（a）示意图和（b）实物图[11-12]Fig.1-2 (a) Schematic diagram and (b) a photo of the MFI thorax[11-12] 年，哈佛大学 Microrobotics Lab 的 Wood[14-15]成功研制了世界身重力起飞的仿昆虫 FMAV（命名为 HMF）。Wood 继续采用压方法沿用了 SCM 工艺。相比伯克利 MFI 的复杂结构，HMF 进优化。HMF 的结构设计非常简单，主要由四个部件组成：压电、翅膀和机身[14]，采用单个压电驱动器通过两个四连杆同时驱打运动（如图 1-3a 所示）。翅膀在气动力和惯性力的作用下实产生升力。最终研制的样机如图 1-3b 所示，，重量约 60mg，翼±60°，扭转幅值±45°，共振频率 110Hz，在外置电源的帮导轨攀升（如图 1-3c 所示），这是仿昆虫 FMAV 研究史上的一，值得强调的是，这款飞行器的两个翅膀由同一个压电驱动器不了三维空间的多自由度控制，因此不可能满足在空中自由飞
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q811;V276

【参考文献】