一種仿昆蟲撲翼微型飛行器

張軼凡

摘 要：微型飛行器憑借其體積小、重量輕的優(yōu)勢，在多種環(huán)境下都具有廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)的撲翼飛行器大多是仿鳥類型，一方面尺寸較大，未實(shí)現(xiàn)真正意義上的微型化；另一方面飛行方式單一，只能前飛不能懸停。設(shè)計(jì)一款仿昆蟲撲翼微型飛行器，模仿昆蟲翅翼形狀及其拍動形式，提出高集成度的驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并通過原理樣機(jī)組裝調(diào)試及試飛測試表明設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)懸停飛行。研究成果和實(shí)驗(yàn)方法將為設(shè)計(jì)更先進(jìn)的仿生撲翼微型飛行器提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：仿生；撲翼；微型飛行器；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：V224 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0093-02

1 研究背景及意義

撲翼飛行器將升力產(chǎn)生、姿態(tài)控制集成于一對翼上，其在低雷諾數(shù)條件下的氣動效率和機(jī)動性能是固定翼和旋翼類飛行器無法相比的，未來可廣泛應(yīng)用于民用和國防領(lǐng)域。美國航宇環(huán)境公司2012年研發(fā)的Nano Hummingbird仿蜂鳥撲翼無人機(jī)代表著目前的最高技術(shù)水平[1]，該機(jī)可攜帶攝像頭實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自主避障飛行。近日，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)也在期刊Nature上發(fā)布了仿果蠅撲翼飛行器方案[2]，可在空中俯沖和打滾，航程1km。

我國撲翼飛行器研究起步相較歐美國家較晚，北航、南航、西工大等高校都有仿鳥類撲翼飛行器設(shè)計(jì)方案，但尺寸、重量較大，且不能實(shí)現(xiàn)懸停和高機(jī)動飛行。模仿昆蟲翅翼拍動形式設(shè)計(jì)一款高穩(wěn)定性、高集成度的可懸停的撲翼微型飛行器，對設(shè)計(jì)更先進(jìn)的仿生撲翼微型飛行器有重要意義。

2 總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一款可懸停的仿昆蟲撲翼微型飛行器，其包含升力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及功能模塊等部分，總體布局方案如圖1所示。考慮各系統(tǒng)的重量占比及尺寸，制定總體方案主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

3 各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 升力系統(tǒng)

升力系統(tǒng)即撲翼飛行器的一對仿生翼。參考新加坡國立大學(xué)Tien Van Truong等人的設(shè)計(jì)方案[3]，采用“碳纖維翅脈+薄膜”的方案設(shè)計(jì)仿生撲翼，結(jié)構(gòu)示意如圖2（a）所示。為獲得氣動效率較高的撲翼制作方案，對比分析展弦比（主梁長度：根部碳桿長度）分別為2.5、3和3.5的撲翼升力特性，根部碳桿取2.5cm，拍動幅值為120°，獲得的升力-功率曲線如圖2（b）所示。從對比結(jié)果看，展弦比為3的仿生翼升力水平較高，并且所產(chǎn)生的升力足以克服自身重力實(shí)現(xiàn)空中懸停，所以升力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選定為一對展弦比為3的仿生撲翼。

3.2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)即撲翼的驅(qū)動裝置，主要功能是實(shí)現(xiàn)撲翼按一定頻率和拍動幅度往復(fù)拍動。撲翼拍動幅度設(shè)計(jì)為120°，采用雙曲柄搖桿結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)仿生撲翼飛行器的傳動系統(tǒng)，設(shè)計(jì)原理圖及建立的三維模型如圖3（a）所示。

3.3 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)采用微型鋰電池及空心杯電機(jī)的組合。根據(jù)撲翼飛行器的最大起飛重量及動力要求，采用型號8520，額定電壓為7.4V的空心杯電機(jī)驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)。同時，根據(jù)有效載荷的要求及撲翼能產(chǎn)生的最大升力，選擇額定電壓7.4V，電容量80mah的微型鋰電池，動力系統(tǒng)的總重量10g。

3.4 控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)一種控制機(jī)構(gòu)，使仿生撲翼微型飛行器可實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)等機(jī)動飛行動作，如圖3（b）。設(shè)計(jì)方案采用兩個空心杯電機(jī)，分別驅(qū)動左右撲翼拍動頻率，同時利用兩個舵機(jī)調(diào)節(jié)撲翼拍動桿的在滑槽的安裝位置，以改變撲翼的氣動中心位置。

4 樣機(jī)組裝及飛行測試

4.1 樣機(jī)組裝

傳動機(jī)構(gòu)的零部件均采用3D打印技術(shù)加工成型，使用的是ABS光敏樹脂材料，如圖4（a）所示。齒輪采用標(biāo)準(zhǔn)的工程塑料，各零部件之間采用銅質(zhì)和鋁質(zhì)鉚釘進(jìn)行裝配。原理樣機(jī)如圖4（b）所示。

4.2 飛行測試

飛行測試主要驗(yàn)證結(jié)構(gòu)可靠性及升力水平。由于撲翼飛行器的振動較為劇烈，原理樣機(jī)尚未設(shè)計(jì)飛控系統(tǒng)，故采用外接穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時，通過豎直緊繃的細(xì)繩對飛行器的運(yùn)動方向進(jìn)行約束，以驗(yàn)證其豎直方向的升力。飛行測試的結(jié)果如圖4（c）所示，選取了錄制視頻的8個畫面。飛行測試表明，該仿昆蟲撲翼飛行器可產(chǎn)生足夠大的升力克服自身重力垂直起飛并實(shí)現(xiàn)懸停飛行，且傳動機(jī)構(gòu)在試飛測試中未發(fā)生破壞。

5 結(jié)果與展望

5.1 結(jié)論

基于昆蟲翅翼的飛行方式，提出了一種撲翼微型飛行器總體設(shè)計(jì)方案，給出了升力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，并通過飛行測試表明原理樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)懸停飛行。

5.2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）傳動系統(tǒng)只有硬幣大小，集驅(qū)動機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)一體化，體現(xiàn)微型化的設(shè)計(jì)理念；（2）采用3D打印加工成型，成本低效率高；（3）相較仿鳥類撲翼機(jī)具有更高的機(jī)動性能，可實(shí)現(xiàn)懸停飛行，便于執(zhí)行定點(diǎn)拍攝任務(wù)。

5.3 展望

目前，對昆蟲飛行的高升力機(jī)理的認(rèn)識已經(jīng)較為成熟，下一階段應(yīng)著重關(guān)注這些機(jī)理和方法在MAV設(shè)計(jì)中運(yùn)用的可行性，翼拍動運(yùn)動的高效實(shí)現(xiàn)，飛行的動穩(wěn)定性與控制技術(shù)等，為仿生撲翼微型飛行器研制做技術(shù)儲備。同時，微型飛行器的高度集成設(shè)計(jì)依托于微電子技術(shù)、新材料、新工藝的發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)科間的交叉與融合。

參考文獻(xiàn)

[1]M. Keennon，K.Klingebiel，H.Won， A. Andriukov， Development of the nano hummingbird ： a tailless flapping wing micro air vehicle，50th AIAA Aerosp.Sci.MTG，Nashville，January，2012.

[2]M.Karasek，A.Hua，Y.Nan，M.Lalami，A tailless aerial robotic flapper reveals that flies use torque coupling in rapid banked turns， Nature Robotic，2018.

[3]Tien Van Truong，Quoc-Viet Nguyen and Heow Pueh Lee， Bio-Inspired Flexible FlappingWings with Elastic Deformation，Molecular Diversity Preservation International Aerospace，2017.