基本信息
- 项目名称：
- 仿生扑翼救灾飞行器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行器，本设计采用连续转动的半转机构可以产生类似的昆虫扑翼飞行的效果。 作品包括机械系统和控制系统：机械系统由机身、扑翼系统（半转机构）、推进系统、支撑系统组成；控制系统包括供电系统、检测系统、电控系统。本设计采用遥控远程控制。
- 详细介绍：
- 产品设计说明书 1绪 论 1.1研究背景及意义 在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发性事故等，灾难频繁发生，已威胁到人类的生命和财产安全。在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助，然而常用救灾车辆、机器人往往都无法进入复杂的灾难现场，给救援人员带来了很大困难。因此，研究智能的救灾机器人具有极大的挑战性和现实意义。 针对目前这一情况，我们设计了一款实用、定位精度高、稳定性高、效率高、仿昆虫振翅效果的救灾扑翼飞行器，用于对付各种自然灾难的探测及救援工作。 1.2作品简介 仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行器。大自然中，所有能飞的生物几乎无一例外地都采用扑翼飞行方式。与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行。 作品包括机械系统和控制系统：机械系统由机身、扑翼系统（半转机构）、推进系统、支撑系统组成；控制系统包括供电系统、检测系统、电控系统。半转机构即扑翼系统是本设计的核心所在，半转机构的运动产生类似于鸟类扑翼振翅的飞行效果；电控系统分别控制电动机的转速及螺旋桨系统从而分别实现仿生扑翼飞行器的悬停、前进及后退，通过电控系统控制两电动机之间的差速来控制仿生扑翼飞行器的转向。本设计采用遥控远程控制。 图1.1 作品实物图 2系统方案 2.1机械系统 图2.1 飞行器传动原理图 1.小齿轮 2.固定轴 3.电机 4.大齿轮 5.套筒 6.翼臂 7.小同步带齿轮 8.同步带轮 9.大同步带齿轮 10.翼片 11.翼片轴 12.转轴 13.推进电机 14.桨 15.固臂 2.1.1扑翼系统（半转机构） 扑翼系统（半转机构）产生升力类似于昆虫和鸟类的飞行。Weis-fogh在研究昆虫飞行时，发现昆虫扑翼飞行时能产生高升力或推力，它分为三个阶段：急张阶段（0°≤α≤45°）、平推阶段（45°<α<135°）、相拍阶段(135°≤α≤180°)。其中急张阶段和相拍阶段是产生高升力或推力的阶段：在急张阶段，两叶片迅速张开时，由于两叶片的间隙很小，张开的两叶片之间的上端和下端存在很大的气压差，空气从气压高的上端流入气压低的下端，从而产生围绕叶片的速度环量，转变为叶片的升力；同理，在相拍阶段，两叶片迅速合拢，同样在两叶片之间的上端和下端存在很大的气压差，空气从气压高的上端流入气压低的下端，也产生围绕叶片的速度环量，从而产生高升力，这种特殊的振翅运动被称为韦斯—福效应。 扑翼系统（半转机构）是一种结构简单的机构，可将发动机传出的动力很方便地转换为某种平面运动，转臂运动1周，叶片运动半周。用半转机构实现Weis-Fogh效应形式如图，与普通的weis-fogh效应相比，叶片急张时，叶片的间隙的容积都增大，导致外部气体净流量都涌入叶片与固壁（叶片与叶片）之间的间隙。因此都能产生速度环量，从而产生升力或推力的效果。 图2.3 半转机构扑翼原理示意图 扑翼系统（半转机构）的组成包括翼片10、翼片轴11、翼臂6、固定轴2、大同步带轮9、小同步带轮8、套筒5等。其中，套筒5与翼臂6通过螺栓固定在一起，小同步带轮8通过键固定在固定轴2上，小同步带轮8与大同步带轮9的传动比为1：2。电机的转动通过小齿轮1以1：2的传动比传给大齿轮4，进而带动翼臂6转动。此时，翼片10在翼臂6的带动下围绕固定轴2公转，又由于固定轴2固定不转，则小同步带轮8将获得相对于翼臂6相反的转速，从而使翼片10在公转的同时，又以翼臂的一半相反转速围绕翼片轴11自转。因此翼臂6公转一圈时，翼片自转半圈。 图2.5 半转机构的实物图 图2.4 扑翼系统（半转机构）三维图 2.1.2 推进系统 考虑飞行器的简洁性、平稳性和可操纵性，本扑翼救灾飞行器采用一个螺旋桨系统做推进装置，用于扑翼救灾飞行器的前进及后退。螺旋桨系统的转动平面与地面垂直，并用固定板固定在飞行器的中部。 图2.6 螺旋桨系统实物图 图2.7 螺旋桨系统三维图 2.1.3 支撑系统 扑翼救灾飞行器具有原地起飞的优点，为了减轻扑翼救灾飞行器的重量及减少加工费用，直接采用六根铝合金管作为扑翼救灾飞行器的支撑系统。 2.1.4 机身 机身主体由工程塑料ABS制造，并通过铆钉将固壁固定到机身主体，机架采用工字形结构，便于安装。 2.2 控制系统 电子控制系统由机内电子控制装置、传感与信号处理系统和无线远程遥控和通讯装置等组成。机内电子控制装置主要包括供电系统、控制器和控制线路等，主要完成对电机转速、尾桨转矩以及与手动操纵装置等对应的电子操纵装置的控制，实现飞行器的姿态控制。传感与信号处理系统通过加载不同探测仪器如生命探测仪、摄像机云台等，并辅以相应的信号处理电路，实现对现场灾情信号的实时定位、监控功能，并通过通讯传输装置反馈至救灾指挥中心。无线远程遥控和通讯装置则对机内控制装置操纵进行远程遥控飞行姿态，以及将现场采集信号传输至远程指挥中心。其电控系统结构图和原理图如图2.8、图2.9。 图2.8 控制系统结构图 2.2.1 供电系统 整个系统都由13个11.1v的锂电池并联而成，组成稳定的供电系统。单片机控制电源由78L05降压提供。 图2.9 控制电路原理总图 3.2.2检测系统 本系统使用三轴陀螺仪提供稳定控制，三轴陀螺可以对X/Y/Z轴分别提供锁定式稳定反馈信号，能够轻松完成悬停，转向，升降等飞行方式。 图2.10 接受系统控制电路原理图 3.2.3电控系统 电控系统包括单片机控制电路、接口电路、无线电指令电路、陀螺仪稳定电路、无刷调速电路、伺服电路等电路系统。 3总 结 3.1 创新点 1）思维创新 产品根据灾难突发性、复杂性等特点，在分析现有灾难救援机器等存在的缺点和不足上，结合扑翼飞行器的高效、稳定和机动灵活等特点，利用仿生原理设计具有灾难探测、逃生和救援等功能的仿生扑翼飞行器。 2）原理创新 本扑翼救灾飞行器利用叶片转动时叶片与固壁之间形成的相对封闭容积变化，产生比直升机或固定翼更高的升力。 3）机构创新 现有的扑翼飞行器无一例外都采用连杆机构或柔性翅机构，连杆机构大大的增加了机体的重量而且结构复杂稳定性低；柔性翅膀机构表面曲面结构复杂，制造设计困难且成本昂贵，而仿生扑翼救灾飞行器运用刚性翅膀，设计制造简单、结构简单、能与常用发动机匹配使用等，运用半转机构原理，形成仿生振翅扑翼运动。 利用了仿生振翅飞行器的优势，对控制各系统的采用独立或配合工作方式，利用电路控制系统来分别控制半转机构与螺旋桨系统的转速差和转速，从而实现仿生振翅飞行器的悬停、上升下降、前进后退和转向。 4）结构创新 飞行器的半转机构的结构，是将固定轴固定，通过套筒带动转臂转动，使叶片围绕固定轴公转，同时，带轮获得了相对于转臂相反的转速，从而带动叶片围绕叶片轴自转，这种设计结构简化了半转机构。 3.2 应用前景 本设计方案具有效率高、低噪音、飞行姿态与鸟类相似等特点，可用于地震、水灾、火灾灾情调查救援，可迅速进入灾难现场的无人探测救灾飞行器，用于生命探测、灾情调查、监控以及为地面救援车辆提供导航功能；应对紧急灾难发生的逃生救灾飞行器，用于灾难紧急逃生和自救；用于灾区物资和伤员输送的运输扑翼飞行器,用于完成各种自然灾难的探测及救援工作. 仿生扑翼飞行器不仅适用于低空的中低速飞行，而且还具有体积小、重量轻、效率高、低噪音、飞行姿态与鸟类相似等特点。所以仿生扑翼飞行器同时还拥有着广泛的民事和军事应用前景: 民用方面可用于环境监测、航拍、航模、重要设施连续监控，输电线路、输油管线巡查，区域性空－地、空－海通讯中继，农田、林区农药喷洒等多种用途等. 军用则可作为扑翼无人侦察机弥补侦察卫星和侦察飞机的空白区，秘密收集敌军各类情报；作为通信中继；拍摄夜间红外照片；当作反辐射和微型攻击武器；靠近敌人雷达天线作用区，有效地干扰敌人雷达，并用携带的微型炸弹破坏对方雷达和通信中枢；进入核、生、化污染区进行检测，并迅速确定生化战剂类别以便及时控制污染区；涂上强反射材料后在空中飞行作诱饵，以探测敌方的防空部署和雷达性能参数；用于边境或海防缉私巡逻. 所以国外有专家预言，它们一旦广泛应用或许会出现一个新兵种. 作品展示 仿生扑翼飞行器实物和仿真外型图
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发性事故等，灾难频繁发生，已威胁到人类的生命和财产安全。在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助，然而常用救灾车辆、机器人往往都无法进入复杂的灾难现场，给救援人员带来了很大困难。因此，研究智能的救灾机器人具有极大的挑战性和现实意义。 仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行器，本设计采用连续转动的半转机构可以产生类似的昆虫扑翼飞行的效果。 现有的扑翼飞行器大多采用连杆机构或柔性翅膀机构，然而，连杆机构大大的增加了机体的重量而且结构复杂、稳定性低，柔性翅膀机构表面的曲面结构复杂，制造设计困难且成本昂贵。半转机构由两块互成90°分布的翼片和一块翼臂组成，能够保证总有一块翼片处在急张或相拍阶段，使它始终都能保持有高升力。此机构的运动是转动，可直接与常用转动发动机连接，不再需要将转动转化为摆动的复杂机构，简化了扑翼飞行器的制造。 设计的技术关键： 1：翼臂转动的角速度是翼片转动的角速度的两倍，翼片的旋转方向与翼臂的旋转方向相反，从而使翼片产生左右不对称的转动，与周围空气产生上下不同作用力。 2：翼片要相互垂直的安装在翼臂两端的翼轴上，且翼片的长度小于翼臂的1.5倍。从而使两翼片工作时相互不受干扰。
科学性、先进性
- 本设计采用的扑翼系统（半转机构）可以产生类似Weis-Fogh机构运动的效果：现有的扑翼飞行器大多采用连杆机构或柔性翅膀机构，连杆机构结构复杂、稳定性低，柔性翅膀机构曲面结构复杂，制造设计困难且成本昂贵；本设计采用连续转动的半转机构可以产生类似的昆虫扑翼飞行的效果。半转机构由两块互成90°，能够保证总有一块翼片处在急张或相拍阶段，使它始终都能保持有高升力。
获奖情况及鉴定结果
- （1）作品在湖南省第四届大学生机械创新设计大赛中获三等奖 （2）作品论文于2010年10月在《机械》杂志第10期发表
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物，图纸，图片，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本设计方案具有体积小、重量轻、效率高、低噪音、飞行姿态与鸟类相似等特点，可用于地震、水灾、火灾灾情调查救援。 仿生扑翼飞行器不仅适用于低空的中低速飞行，而且还具有体积小、重量轻、效率高、低噪音、飞行姿态与鸟类相似等特点。所以仿生扑翼飞行器同时还拥有着广泛的民事和军事应用前景: 民用方面可用于环境监测、航拍、航模、重要设施连续监控，输电线路、输油管线巡查，区域性空－地、空－海通讯中继，农田、林区农药喷洒等多种用途等. 军用则可作为扑翼无人侦察机弥补侦察卫星和侦察飞机的空白区，秘密收集敌军各类情报；作为通信中继；拍摄夜间红外照片；进入核、生、化污染区进行检测，并迅速确定生化战剂类别以便及时控制污染区；涂上强反射材料后在空中飞行作诱饵，以探测敌方的防空部署和雷达性能参数；用于边境或海防缉私巡逻. 所以国外有专家预言，它们一旦广泛应用或许会出现一个新兵种.
同类课题研究水平概述
- 国外的工程师对扑翼飞行器研究较早，在1996年，加拿大人詹姆斯.德拉瑞尔研制了“大扑翼”，美国斯坦福研究中心也在研究一种扑翼飞行器 “Mentor” 。 国内研究起步相对较晚，但国内科学家们始终关注着其发展动态，并也开始这方面的基础和应用研究工作。南京航空航天大学在2004年4月也研制成功了国内第一架能在空中悬浮飞行的扑翼飞行器。东南大学和扬州大学目前也已就仿生扑翼飞行机构的机理分析、扑翼飞行实验测试平台的建立等方面进行了联合攻关和探讨，并取得初步成效。 但是这些扑翼飞行器有着机体笨重、结构复杂、制造设计困难、成本昂贵的缺点。根据国内外飞行器的发展现状和存在的不足，设计了这款利用半转机构飞行的扑翼飞行器，简化了扑翼飞行器的结构，提高了它的稳定性，降低了制造费用。
