扑翼飞行机器人的设计与分析方案

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1、扑翼飞行机器人的设计与分析方案1绪论1.1引言目前国内外对飞行机器人的研究多集中于固定翼和旋翼类型，这两种类型的飞行机器人各有特长，但活动场所和工作环境等都受到一定的限制。随着军事、民用的发展和科学技术的进步，对于许多任务而言，固定翼和旋翼类型的机器人的飞行方式是不够的。因此，为了适应任务的复杂性和环境的多样性，对具有更好机动灵活性的飞行方式的研究是势在必行，即要在飞行方式上进行创新。与固定翼和旋翼类型的飞行机器人相比，扑翼飞行方式由于其具有更大的机动灵活性、更好的避障能力以及低廉的飞行费用，因而受到国内外众多研究者的广泛关注。许多国家都已在这

2、方面进行了研究，如美国加州大学、日本东京大学等都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，国内的科学家们也开始了这方面的基础研究工作。仿生扑翼飞行机器人目前还处在一个刚刚开始和兴起的阶段，虽然取得了一些阶段性研究成果，但距离实用阶段还有很远，仍有很多理论和实践工作需要进行深入研究。我国应利用这个有利时机，加大投入，争取在仿生扑翼飞行机器人研究的某些关键技术方面取得突破。1.2扑翼飞行特点及其应用前景仿生扑翼飞行机器人或仿生扑翼飞行器，既属于飞行器范畴，又属于新概念的仿生飞行机器人研究范畴，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

3、机器人:随着对动物飞行机理的认识和微电子机械技术(MEMS)、空气动力学和新型材料等的快速发展，仿生扑翼飞行机器人在目前己成为一个新的研究热点。53仿生扑翼飞行机器人若研制成功，它便有一些飞行机器人所不具有的优点:如原地或小场地垂直起飞，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一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm时，扑翼飞行

4、比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行机器人也必将在该研究领域占据主导地位。仿生扑翼飞行器通常具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点，因此在民用和国防领域有十分重要而广泛的应用，并能完成许多其他飞行器所无法执行的任务。它可以进行生化探测与环境监测，进入生化禁区执行任务;可以对森林、草原和农田上的火灾、虫灾及空气污染等进行实时监测;可以进入人员不易进入地区，如地势险要战地，失火或出事故建筑物中等;特别是在军事上，仿生扑翼飞行器可用于战场侦察、巡逻、突袭、信号干扰以及进行城市作战等。2扑翼飞行机器人的研究现状2.1早期研究情况众所

5、周知，早在中国西汉时代就曾有人来模仿鸟的飞行，世界上第一架按技术规程设计的扑翼机图纸出自著名画家达.芬奇之手，它是根据鸟类飞行机理进行设计的，至今仍完好地保存在博物馆内。但过了300多年后，科学家们才重新开始考虑扑翼机，并把它作为一种飞行器来研究。在19世纪中期，由考夫曼、英国人哈尔格莱夫和德国人李林塔尔对扑翼机的理论所作的研究及实践成为扑翼飞行器发展史上重要的里程碑。20世纪初，俄罗斯科学家和设计师们在这一领域内取得了重大突破，但鉴于知识背景，当时的扑翼飞行器也不能算理想的飞行器。一系列的失败迫使科学家们重新进行计算设计，通过试飞实践和所积累

6、的理论资料，科学家们看到了许多问题，如:机翼扑动时效果不明显，并未产生理想的升力和推力。另外，关键一点是科学家们认识到之前那些仅靠人体自身肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。由此至20世纪中后期，人类历经艰辛才发明了扑翼滑翔飞行器和动力扑翼飞行器。但是仍由人发出功率，故不能独立起飞，只有获得必要的高度才能滑翔飞行，在无上升气流情况下，要靠驾驶员人力扑动机翼，以减缓某一时刻的下降速度;后者当时则利用了发动机来完全或部分取代人力。在1986年，美国人波拉.麦克里迪在动力扑翼飞行器上取得过一定成绩，但须要加装大传动比的减速器才能使发动机

7、满足扑翼工作要求，相比之下，蒸汽发动机、电动机等更适合扑翼飞行器使用。532.2国外研究现状初期的扑翼飞行机器人的发展融入了许多科学家的艰苦努力，但整体上都显得较为庞大且也相当笨重:，离实用还相当甚远，和目前发展的扑翼飞行机器人相比，也显得很笨拙，却为后期的研究工作提供了一定的理论基础和实践经验。国外对仿生扑翼飞行机器人的研究始于90年代初，目前研究工作主要包括仿生飞行机理、微型仿生飞行机器人的设计与研制、材料及单个部件研究等几个方面。随着MEMS技术、空气动力学和新型材料等的发展，如今的扑翼飞行机器人也越来越灵巧且逐渐小型化，离实用也越来越近

8、，它的发展也成为飞行器研究领域最为热门的前沿学科。其主要的进展有以下几方面:(一)“大扑翼”20世纪末，扑翼飞行器的发展也取得了可喜的成功。在1996