多自由度昆虫仿生飞行驱动机构设计与实现

发布时间：2020-10-19 12:34

　　自古以来,人类对飞行就充满了想象,并付诸于实践。众所周知,扑翼飞行是自然界中飞行动物普遍采用的飞行方式。相比较于固定翼和旋翼飞行方式,扑翼飞行方式可通过机翼的挥拍运动获得飞行所需的升力和前进的推力,它具有结构相对紧凑、飞行效率较高及易于机动等特点。扑翼飞行方式的空气动力学原理与固定翼和旋翼有着本质的不同,其机翼附近流场相对复杂,是一种低雷诺数下的非定常粘性流场,此时稳态空气动力学的相关理论已不再适用。对扑翼飞行的研究有助于我们了解扑翼飞行与其产生的气动力之间的关系,这对研制扑翼微飞行器,提升其飞行性能有重大而深远的意义。本文的研究内容是设计一款多自由度昆虫仿生飞行驱动机构并通过实验探究扑翼运动与其产生的气动力之间的相互关系,主要内容包括:1.介绍了昆虫翅膀的基本构造,它是由翅膜和翅脉组成;阐述了昆虫的扑翼运动状态,包括悬停、前飞和机动飞行状态;综述了昆虫扑翼飞行产生高升力的机理;比较了昆虫和鸟类扑翼飞行的异同点。提出了两种常见的昆虫扑翼飞行运动模型并给出了控制方程的数值求解过程及扑翼气动性能参数,为顺利研究仿昆虫扑翼飞行提供理论及生物学依据;2.总结分析了几种常见的扑翼飞行驱动机构,根据实验目的创新设计了一款多自由度昆虫仿生飞行驱动机构。该驱动机构结构紧凑、体积小、重量轻,使用差速平面曲柄摇杆机构(左右对称布置)驱动机翼产生挥拍运动,每个机翼运动具有完全独立的两个自由度,由两个舵机配合驱动实现。3.设计了一套电路系统。该电路系统使用STM32F103T8U6型号单片机产生PWM信号驱动舵机运动并采集舵机位置反馈数据;使用SPI F-RAM存储舵机的初始运动数据及运动位置反馈数据;使用Bluetooth设备进行无线数据传输以降低有线数据传输对气动力测量造成的干扰;使用LED监控电源电压是否低于预设临界值电压。4.开发了舵机运动控制程序。该程序能够通过Bluetooth发送命令实现对舵机运动的启停控制;能够读取SPI F-RAM中的初始运动数据并发送给舵机驱动其按预设规律运动;能够实时采集运动中的舵机位置反馈数据并存储在SPI F-RAM中。能通过LED实现对电源电压的监控以保证在电压低于某一临界值时系统能够自动报警;5.完成了机械零部件的加工及装配、电路系统的测试以及舵机运动控制程序的调试工作。成功搭建了扑翼飞行驱动机构测试平台并开展了相关实验。最终通过实验验证了此多自由度仿生昆虫飞行驱动机构的可行性以及电路系统及控制程序的可靠性。通过对实验结果分析发现,在运动规律等其它条件不变的情况下,改变翅膀的刚度可以获得不同的升力。由此可知,此扑翼飞行驱动机构可用来研究不同实验条件下的扑翼运动气动力特性。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V276
【部分图文】：

装配图,全尺寸,蝴蝶,微机械

美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)研制一种微机械昆虫，命名为“MFI(Micromechanical Flying Insect)”。该款微机械昆虫根据仿生学原理设计，参照苍蝇的飞行原理。其尺寸范围在 10~25mm，总重为 43mg，扑翼频率最高可达 150Hz，采用压电石英驱动方式驱动翅膀拍动。经实验验证，它只能做短暂的无控制飞行[11-13]。图 1.2 四自由度 MFI 纤维传感器装配图[11,12]Fig.1.2 Fiberotic sensor alignment geometry for 4DOF MFI nest[11,12]

电动模型,扑翼

美国斯坦福研究中心(SRI)和加拿大多伦多大学(University of Toronto)在 DARPA 的资助下，合作研制了一款扑翼微飞行器，命名为“Mentor”。这款扑翼微飞行器有两对翅膀，最大的一对翅膀翼展 15cm，总重为 50g，由一种电致伸缩聚合体人造肌肉(Electroactive Polymer Artificial Muscle, EPAM)提供驱动飞行器所需的动力，能量密度较高[18]。2001 年，美国佐治亚技术研究所(Georgia Tech Research Institute, GTRI)、英国剑桥大学(University of Cambridge)和 ETS 实验室共同研制了一种扑翼微飞行器，命名为“Entomopter”。这款扑翼微飞行器有两对机翼，翼展 25.4cm，翅膀扑动频率约 10Hz，工作负载 10g 左右，最大起飞重量 50g[19]。

往复式,测试平台,肌肉,化学