基本信息
- 項目名稱：
- 仿生撲翼救災飛行器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類和昆蟲飛行，基于仿生學原理設計制造的新型飛行器，本設計采用連續(xù)轉動的半轉機構可以產生類似的昆蟲撲翼飛行的效果。 作品包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)：機械系統(tǒng)由機身、撲翼系統(tǒng)（半轉機構）、推進系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)組成；控制系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、電控系統(tǒng)。本設計采用遙控遠程控制。
- 詳細介紹：
- 產品設計說明書 1緒 論 1.1研究背景及意義 在世界各地，由于自然災害、恐怖活動和各種突發(fā)性事故等，災難頻繁發(fā)生，已威脅到人類的生命和財產安全。在這種緊急而危險的環(huán)境下，救災機器人可以為救援人員提供幫助，然而常用救災車輛、機器人往往都無法進入復雜的災難現(xiàn)場，給救援人員帶來了很大困難。因此，研究智能的救災機器人具有極大的挑戰(zhàn)性和現(xiàn)實意義。 針對目前這一情況，我們設計了一款實用、定位精度高、穩(wěn)定性高、效率高、仿昆蟲振翅效果的救災撲翼飛行器，用于對付各種自然災難的探測及救援工作。 1.2作品簡介 仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類和昆蟲飛行，基于仿生學原理設計制造的新型飛行器。大自然中，所有能飛的生物幾乎無一例外地都采用撲翼飛行方式。與固定翼和旋翼飛行相比，它便具有獨特的優(yōu)點：如原地或小場地起飛，極好的飛行機動性和空中懸停性能以及飛行費用低廉，它將舉升、懸停和推進功能集于撲翼系統(tǒng)，可以用很小的能量進行長距離飛行。 作品包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)：機械系統(tǒng)由機身、撲翼系統(tǒng)（半轉機構）、推進系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)組成；控制系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、電控系統(tǒng)。半轉機構即撲翼系統(tǒng)是本設計的核心所在，半轉機構的運動產生類似于鳥類撲翼振翅的飛行效果；電控系統(tǒng)分別控制電動機的轉速及螺旋槳系統(tǒng)從而分別實現(xiàn)仿生撲翼飛行器的懸停、前進及后退，通過電控系統(tǒng)控制兩電動機之間的差速來控制仿生撲翼飛行器的轉向。本設計采用遙控遠程控制。 圖1.1 作品實物圖 2系統(tǒng)方案 2.1機械系統(tǒng) 圖2.1 飛行器傳動原理圖 1.小齒輪 2.固定軸 3.電機 4.大齒輪 5.套筒 6.翼臂 7.小同步帶齒輪 8.同步帶輪 9.大同步帶齒輪 10.翼片 11.翼片軸 12.轉軸 13.推進電機 14.槳 15.固臂 2.1.1撲翼系統(tǒng)（半轉機構） 撲翼系統(tǒng)（半轉機構）產生升力類似于昆蟲和鳥類的飛行。Weis-fogh在研究昆蟲飛行時，發(fā)現(xiàn)昆蟲撲翼飛行時能產生高升力或推力，它分為三個階段：急張階段（0°≤α≤45°）、平推階段（45°<α<135°）、相拍階段(135°≤α≤180°)。其中急張階段和相拍階段是產生高升力或推力的階段：在急張階段，兩葉片迅速張開時，由于兩葉片的間隙很小，張開的兩葉片之間的上端和下端存在很大的氣壓差，空氣從氣壓高的上端流入氣壓低的下端，從而產生圍繞葉片的速度環(huán)量，轉變?yōu)槿~片的升力；同理，在相拍階段，兩葉片迅速合攏，同樣在兩葉片之間的上端和下端存在很大的氣壓差，空氣從氣壓高的上端流入氣壓低的下端，也產生圍繞葉片的速度環(huán)量，從而產生高升力，這種特殊的振翅運動被稱為韋斯—福效應。 撲翼系統(tǒng)（半轉機構）是一種結構簡單的機構，可將發(fā)動機傳出的動力很方便地轉換為某種平面運動，轉臂運動1周，葉片運動半周。用半轉機構實現(xiàn)Weis-Fogh效應形式如圖，與普通的weis-fogh效應相比，葉片急張時，葉片的間隙的容積都增大，導致外部氣體凈流量都涌入葉片與固壁（葉片與葉片）之間的間隙。因此都能產生速度環(huán)量，從而產生升力或推力的效果。 圖2.3 半轉機構撲翼原理示意圖 撲翼系統(tǒng)（半轉機構）的組成包括翼片10、翼片軸11、翼臂6、固定軸2、大同步帶輪9、小同步帶輪8、套筒5等。其中，套筒5與翼臂6通過螺栓固定在一起，小同步帶輪8通過鍵固定在固定軸2上，小同步帶輪8與大同步帶輪9的傳動比為1：2。電機的轉動通過小齒輪1以1：2的傳動比傳給大齒輪4，進而帶動翼臂6轉動。此時，翼片10在翼臂6的帶動下圍繞固定軸2公轉，又由于固定軸2固定不轉，則小同步帶輪8將獲得相對于翼臂6相反的轉速，從而使翼片10在公轉的同時，又以翼臂的一半相反轉速圍繞翼片軸11自轉。因此翼臂6公轉一圈時，翼片自轉半圈。 圖2.5 半轉機構的實物圖 圖2.4 撲翼系統(tǒng)（半轉機構）三維圖 2.1.2 推進系統(tǒng) 考慮飛行器的簡潔性、平穩(wěn)性和可操縱性，本撲翼救災飛行器采用一個螺旋槳系統(tǒng)做推進裝置，用于撲翼救災飛行器的前進及后退。螺旋槳系統(tǒng)的轉動平面與地面垂直，并用固定板固定在飛行器的中部。 圖2.6 螺旋槳系統(tǒng)實物圖 圖2.7 螺旋槳系統(tǒng)三維圖 2.1.3 支撐系統(tǒng) 撲翼救災飛行器具有原地起飛的優(yōu)點，為了減輕撲翼救災飛行器的重量及減少加工費用，直接采用六根鋁合金管作為撲翼救災飛行器的支撐系統(tǒng)。 2.1.4 機身 機身主體由工程塑料ABS制造，并通過鉚釘將固壁固定到機身主體，機架采用工字形結構，便于安裝。 2.2 控制系統(tǒng) 電子控制系統(tǒng)由機內電子控制裝置、傳感與信號處理系統(tǒng)和無線遠程遙控和通訊裝置等組成。機內電子控制裝置主要包括供電系統(tǒng)、控制器和控制線路等，主要完成對電機轉速、尾槳轉矩以及與手動操縱裝置等對應的電子操縱裝置的控制，實現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制。傳感與信號處理系統(tǒng)通過加載不同探測儀器如生命探測儀、攝像機云臺等，并輔以相應的信號處理電路，實現(xiàn)對現(xiàn)場災情信號的實時定位、監(jiān)控功能，并通過通訊傳輸裝置反饋至救災指揮中心。無線遠程遙控和通訊裝置則對機內控制裝置操縱進行遠程遙控飛行姿態(tài)，以及將現(xiàn)場采集信號傳輸至遠程指揮中心。其電控系統(tǒng)結構圖和原理圖如圖2.8、圖2.9。 圖2.8 控制系統(tǒng)結構圖 2.2.1 供電系統(tǒng) 整個系統(tǒng)都由13個11.1v的鋰電池并聯(lián)而成，組成穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。單片機控制電源由78L05降壓提供。 圖2.9 控制電路原理總圖 3.2.2檢測系統(tǒng) 本系統(tǒng)使用三軸陀螺儀提供穩(wěn)定控制，三軸陀螺可以對X/Y/Z軸分別提供鎖定式穩(wěn)定反饋信號，能夠輕松完成懸停，轉向，升降等飛行方式。 圖2.10 接受系統(tǒng)控制電路原理圖 3.2.3電控系統(tǒng) 電控系統(tǒng)包括單片機控制電路、接口電路、無線電指令電路、陀螺儀穩(wěn)定電路、無刷調速電路、伺服電路等電路系統(tǒng)。 3總 結 3.1 創(chuàng)新點 1）思維創(chuàng)新 產品根據(jù)災難突發(fā)性、復雜性等特點，在分析現(xiàn)有災難救援機器等存在的缺點和不足上，結合撲翼飛行器的高效、穩(wěn)定和機動靈活等特點，利用仿生原理設計具有災難探測、逃生和救援等功能的仿生撲翼飛行器。 2）原理創(chuàng)新 本撲翼救災飛行器利用葉片轉動時葉片與固壁之間形成的相對封閉容積變化，產生比直升機或固定翼更高的升力。 3）機構創(chuàng)新 現(xiàn)有的撲翼飛行器無一例外都采用連桿機構或柔性翅機構，連桿機構大大的增加了機體的重量而且結構復雜穩(wěn)定性低；柔性翅膀機構表面曲面結構復雜，制造設計困難且成本昂貴，而仿生撲翼救災飛行器運用剛性翅膀，設計制造簡單、結構簡單、能與常用發(fā)動機匹配使用等，運用半轉機構原理，形成仿生振翅撲翼運動。 利用了仿生振翅飛行器的優(yōu)勢，對控制各系統(tǒng)的采用獨立或配合工作方式，利用電路控制系統(tǒng)來分別控制半轉機構與螺旋槳系統(tǒng)的轉速差和轉速，從而實現(xiàn)仿生振翅飛行器的懸停、上升下降、前進后退和轉向。 4）結構創(chuàng)新 飛行器的半轉機構的結構，是將固定軸固定，通過套筒帶動轉臂轉動，使葉片圍繞固定軸公轉，同時，帶輪獲得了相對于轉臂相反的轉速，從而帶動葉片圍繞葉片軸自轉，這種設計結構簡化了半轉機構。 3.2 應用前景 本設計方案具有效率高、低噪音、飛行姿態(tài)與鳥類相似等特點，可用于地震、水災、火災災情調查救援，可迅速進入災難現(xiàn)場的無人探測救災飛行器，用于生命探測、災情調查、監(jiān)控以及為地面救援車輛提供導航功能；應對緊急災難發(fā)生的逃生救災飛行器，用于災難緊急逃生和自救；用于災區(qū)物資和傷員輸送的運輸撲翼飛行器,用于完成各種自然災難的探測及救援工作. 仿生撲翼飛行器不僅適用于低空的中低速飛行，而且還具有體積小、重量輕、效率高、低噪音、飛行姿態(tài)與鳥類相似等特點。所以仿生撲翼飛行器同時還擁有著廣泛的民事和軍事應用前景: 民用方面可用于環(huán)境監(jiān)測、航拍、航模、重要設施連續(xù)監(jiān)控，輸電線路、輸油管線巡查，區(qū)域性空－地、空－海通訊中繼，農田、林區(qū)農藥噴灑等多種用途等. 軍用則可作為撲翼無人偵察機彌補偵察衛(wèi)星和偵察飛機的空白區(qū)，秘密收集敵軍各類情報；作為通信中繼；拍攝夜間紅外照片；當作反輻射和微型攻擊武器；靠近敵人雷達天線作用區(qū)，有效地干擾敵人雷達，并用攜帶的微型炸彈破壞對方雷達和通信中樞；進入核、生、化污染區(qū)進行檢測，并迅速確定生化戰(zhàn)劑類別以便及時控制污染區(qū)；涂上強反射材料后在空中飛行作誘餌，以探測敵方的防空部署和雷達性能參數(shù)；用于邊境或海防緝私巡邏. 所以國外有專家預言，它們一旦廣泛應用或許會出現(xiàn)一個新兵種. 作品展示 仿生撲翼飛行器實物和仿真外型圖
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 在世界各地，由于自然災害、恐怖活動和各種突發(fā)性事故等，災難頻繁發(fā)生，已威脅到人類的生命和財產安全。在這種緊急而危險的環(huán)境下，救災機器人可以為救援人員提供幫助，然而常用救災車輛、機器人往往都無法進入復雜的災難現(xiàn)場，給救援人員帶來了很大困難。因此，研究智能的救災機器人具有極大的挑戰(zhàn)性和現(xiàn)實意義。 仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類和昆蟲飛行，基于仿生學原理設計制造的新型飛行器，本設計采用連續(xù)轉動的半轉機構可以產生類似的昆蟲撲翼飛行的效果。 現(xiàn)有的撲翼飛行器大多采用連桿機構或柔性翅膀機構，然而，連桿機構大大的增加了機體的重量而且結構復雜、穩(wěn)定性低，柔性翅膀機構表面的曲面結構復雜，制造設計困難且成本昂貴。半轉機構由兩塊互成90°分布的翼片和一塊翼臂組成，能夠保證總有一塊翼片處在急張或相拍階段，使它始終都能保持有高升力。此機構的運動是轉動，可直接與常用轉動發(fā)動機連接，不再需要將轉動轉化為擺動的復雜機構，簡化了撲翼飛行器的制造。 設計的技術關鍵： 1：翼臂轉動的角速度是翼片轉動的角速度的兩倍，翼片的旋轉方向與翼臂的旋轉方向相反，從而使翼片產生左右不對稱的轉動，與周圍空氣產生上下不同作用力。 2：翼片要相互垂直的安裝在翼臂兩端的翼軸上，且翼片的長度小于翼臂的1.5倍。從而使兩翼片工作時相互不受干擾。
科學性、先進性
- 本設計采用的撲翼系統(tǒng)（半轉機構）可以產生類似Weis-Fogh機構運動的效果：現(xiàn)有的撲翼飛行器大多采用連桿機構或柔性翅膀機構，連桿機構結構復雜、穩(wěn)定性低，柔性翅膀機構曲面結構復雜，制造設計困難且成本昂貴；本設計采用連續(xù)轉動的半轉機構可以產生類似的昆蟲撲翼飛行的效果。半轉機構由兩塊互成90°，能夠保證總有一塊翼片處在急張或相拍階段，使它始終都能保持有高升力。
獲獎情況及鑒定結果
- （1）作品在湖南省第四屆大學生機械創(chuàng)新設計大賽中獲三等獎 （2）作品論文于2010年10月在《機械》雜志第10期發(fā)表
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 專利轉讓
作品可展示的形式
- 實物，圖紙，圖片，錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 本設計方案具有體積小、重量輕、效率高、低噪音、飛行姿態(tài)與鳥類相似等特點，可用于地震、水災、火災災情調查救援。 仿生撲翼飛行器不僅適用于低空的中低速飛行，而且還具有體積小、重量輕、效率高、低噪音、飛行姿態(tài)與鳥類相似等特點。所以仿生撲翼飛行器同時還擁有著廣泛的民事和軍事應用前景: 民用方面可用于環(huán)境監(jiān)測、航拍、航模、重要設施連續(xù)監(jiān)控，輸電線路、輸油管線巡查，區(qū)域性空－地、空－海通訊中繼，農田、林區(qū)農藥噴灑等多種用途等. 軍用則可作為撲翼無人偵察機彌補偵察衛(wèi)星和偵察飛機的空白區(qū)，秘密收集敵軍各類情報；作為通信中繼；拍攝夜間紅外照片；進入核、生、化污染區(qū)進行檢測，并迅速確定生化戰(zhàn)劑類別以便及時控制污染區(qū)；涂上強反射材料后在空中飛行作誘餌，以探測敵方的防空部署和雷達性能參數(shù)；用于邊境或海防緝私巡邏. 所以國外有專家預言，它們一旦廣泛應用或許會出現(xiàn)一個新兵種.
同類課題研究水平概述
- 國外的工程師對撲翼飛行器研究較早，在1996年，加拿大人詹姆斯.德拉瑞爾研制了“大撲翼”，美國斯坦福研究中心也在研究一種撲翼飛行器 “Mentor” 。 國內研究起步相對較晚，但國內科學家們始終關注著其發(fā)展動態(tài)，并也開始這方面的基礎和應用研究工作。南京航空航天大學在2004年4月也研制成功了國內第一架能在空中懸浮飛行的撲翼飛行器。東南大學和揚州大學目前也已就仿生撲翼飛行機構的機理分析、撲翼飛行實驗測試平臺的建立等方面進行了聯(lián)合攻關和探討，并取得初步成效。 但是這些撲翼飛行器有著機體笨重、結構復雜、制造設計困難、成本昂貴的缺點。根據(jù)國內外飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的不足，設計了這款利用半轉機構飛行的撲翼飛行器，簡化了撲翼飛行器的結構，提高了它的穩(wěn)定性，降低了制造費用。
