基本信息
- 項目名稱：
- 仿生撲翼救災(zāi)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(xué)原理設(shè)計制造的新型飛行器，本設(shè)計采用連續(xù)轉(zhuǎn)動的半轉(zhuǎn)機構(gòu)可以產(chǎn)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(zhuǎn)機構(gòu)）、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(shè)計采用遙控遠程控制。
- 詳細介紹：
- 產(chǎn)品設(shè)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(zāi)害、恐怖活動和各種突發(fā)性事故等，災(zāi)難頻繁發(fā)生，已威脅到人類的生命和財產(chǎn)安全。在這種緊急而危險的環(huán)境下，救災(zāi)機器人可以為救援人員提供幫助，然而常用救災(zāi)車輛、機器人往往都無法進入復(fù)雜的災(zāi)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(zāi)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(shè)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(zāi)撲翼飛行器，用于對付各種自然災(zāi)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(xué)原理設(shè)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(zhuǎn)機構(gòu)）、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(zhuǎn)機構(gòu)即撲翼系統(tǒng)是本設(shè)計的核心所在，半轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向。本設(shè)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(zhuǎn)軸 13.推進電機 14.槳 15.固臂 2.1.1撲翼系統(tǒng)（半轉(zhuǎn)機構(gòu)） 撲翼系統(tǒng)（半轉(zhuǎn)機構(gòu)）產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生圍繞葉片的速度環(huán)量，轉(zhuǎn)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(chǎn)生圍繞葉片的速度環(huán)量，從而產(chǎn)生高升力，這種特殊的振翅運動被稱為韋斯—福效應(yīng)。 撲翼系統(tǒng)（半轉(zhuǎn)機構(gòu)）是一種結(jié)構(gòu)簡單的機構(gòu)，可將發(fā)動機傳出的動力很方便地轉(zhuǎn)換為某種平面運動，轉(zhuǎn)臂運動1周，葉片運動半周。用半轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)Weis-Fogh效應(yīng)形式如圖，與普通的weis-fogh效應(yīng)相比，葉片急張時，葉片的間隙的容積都增大，導(dǎo)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(chǎn)生速度環(huán)量，從而產(chǎn)生升力或推力的效果。 圖2.3 半轉(zhuǎn)機構(gòu)撲翼原理示意圖 撲翼系統(tǒng)（半轉(zhuǎn)機構(gòu)）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(zhuǎn)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(zhuǎn)動。此時，翼片10在翼臂6的帶動下圍繞固定軸2公轉(zhuǎn)，又由于固定軸2固定不轉(zhuǎn)，則小同步帶輪8將獲得相對于翼臂6相反的轉(zhuǎn)速，從而使翼片10在公轉(zhuǎn)的同時，又以翼臂的一半相反轉(zhuǎn)速圍繞翼片軸11自轉(zhuǎn)。因此翼臂6公轉(zhuǎn)一圈時，翼片自轉(zhuǎn)半圈。 圖2.5 半轉(zhuǎn)機構(gòu)的實物圖 圖2.4 撲翼系統(tǒng)（半轉(zhuǎn)機構(gòu)）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(zāi)飛行器采用一個螺旋槳系統(tǒng)做推進裝置，用于撲翼救災(zāi)飛行器的前進及后退。螺旋槳系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(zāi)飛行器具有原地起飛的優(yōu)點，為了減輕撲翼救災(zāi)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(zāi)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(jié)構(gòu)，便于安裝。 2.2 控制系統(tǒng) 電子控制系統(tǒng)由機內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)速、尾槳轉(zhuǎn)矩以及與手動操縱裝置等對應(yīng)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(yīng)的信號處理電路，實現(xiàn)對現(xiàn)場災(zāi)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(zāi)指揮中心。無線遠程遙控和通訊裝置則對機內(nèi)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(jié)構(gòu)圖和原理圖如圖2.8、圖2.9。 圖2.8 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(diào)速電路、伺服電路等電路系統(tǒng)。 3總 結(jié) 3.1 創(chuàng)新點 1）思維創(chuàng)新 產(chǎn)品根據(jù)災(zāi)難突發(fā)性、復(fù)雜性等特點，在分析現(xiàn)有災(zāi)難救援機器等存在的缺點和不足上，結(jié)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(shè)計具有災(zāi)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(zāi)飛行器利用葉片轉(zhuǎn)動時葉片與固壁之間形成的相對封閉容積變化，產(chǎn)生比直升機或固定翼更高的升力。 3）機構(gòu)創(chuàng)新 現(xiàn)有的撲翼飛行器無一例外都采用連桿機構(gòu)或柔性翅機構(gòu)，連桿機構(gòu)大大的增加了機體的重量而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜穩(wěn)定性低；柔性翅膀機構(gòu)表面曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造設(shè)計困難且成本昂貴，而仿生撲翼救災(zāi)飛行器運用剛性翅膀，設(shè)計制造簡單、結(jié)構(gòu)簡單、能與常用發(fā)動機匹配使用等，運用半轉(zhuǎn)機構(gòu)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(zhuǎn)機構(gòu)與螺旋槳系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向。 4）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 飛行器的半轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，是將固定軸固定，通過套筒帶動轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，使葉片圍繞固定軸公轉(zhuǎn)，同時，帶輪獲得了相對于轉(zhuǎn)臂相反的轉(zhuǎn)速，從而帶動葉片圍繞葉片軸自轉(zhuǎn)，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡化了半轉(zhuǎn)機構(gòu)。 3.2 應(yīng)用前景 本設(shè)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(zāi)、火災(zāi)災(zāi)情調(diào)查救援，可迅速進入災(zāi)難現(xiàn)場的無人探測救災(zāi)飛行器，用于生命探測、災(zāi)情調(diào)查、監(jiān)控以及為地面救援車輛提供導(dǎo)航功能；應(yīng)對緊急災(zāi)難發(fā)生的逃生救災(zāi)飛行器，用于災(zāi)難緊急逃生和自救；用于災(zāi)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(zāi)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(yīng)用前景: 民用方面可用于環(huán)境監(jiān)測、航拍、航模、重要設(shè)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(nóng)田、林區(qū)農(nóng)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(yù)言，它們一旦廣泛應(yīng)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(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 在世界各地，由于自然災(zāi)害、恐怖活動和各種突發(fā)性事故等，災(zāi)難頻繁發(fā)生，已威脅到人類的生命和財產(chǎn)安全。在這種緊急而危險的環(huán)境下，救災(zāi)機器人可以為救援人員提供幫助，然而常用救災(zāi)車輛、機器人往往都無法進入復(fù)雜的災(zāi)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(zāi)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(xué)原理設(shè)計制造的新型飛行器，本設(shè)計采用連續(xù)轉(zhuǎn)動的半轉(zhuǎn)機構(gòu)可以產(chǎn)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(gòu)或柔性翅膀機構(gòu)，然而，連桿機構(gòu)大大的增加了機體的重量而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性低，柔性翅膀機構(gòu)表面的曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造設(shè)計困難且成本昂貴。半轉(zhuǎn)機構(gòu)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(gòu)的運動是轉(zhuǎn)動，可直接與常用轉(zhuǎn)動發(fā)動機連接，不再需要將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為擺動的復(fù)雜機構(gòu)，簡化了撲翼飛行器的制造。 設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵： 1：翼臂轉(zhuǎn)動的角速度是翼片轉(zhuǎn)動的角速度的兩倍，翼片的旋轉(zhuǎn)方向與翼臂的旋轉(zhuǎn)方向相反，從而使翼片產(chǎn)生左右不對稱的轉(zhuǎn)動，與周圍空氣產(chǎn)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(xué)性、先進性
- 本設(shè)計采用的撲翼系統(tǒng)（半轉(zhuǎn)機構(gòu)）可以產(chǎn)生類似Weis-Fogh機構(gòu)運動的效果：現(xiàn)有的撲翼飛行器大多采用連桿機構(gòu)或柔性翅膀機構(gòu)，連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性低，柔性翅膀機構(gòu)曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造設(shè)計困難且成本昂貴；本設(shè)計采用連續(xù)轉(zhuǎn)動的半轉(zhuǎn)機構(gòu)可以產(chǎn)生類似的昆蟲撲翼飛行的效果。半轉(zhuǎn)機構(gòu)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(jié)果
- （1）作品在湖南省第四屆大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物，圖紙，圖片，錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本設(shè)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(zāi)、火災(zāi)災(zāi)情調(diào)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(yīng)用前景: 民用方面可用于環(huán)境監(jiān)測、航拍、航模、重要設(shè)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(nóng)田、林區(qū)農(nóng)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(yù)言，它們一旦廣泛應(yīng)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(nèi)研究起步相對較晚，但國內(nèi)科學(xué)家們始終關(guān)注著其發(fā)展動態(tài)，并也開始這方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作。南京航空航天大學(xué)在2004年4月也研制成功了國內(nèi)第一架能在空中懸浮飛行的撲翼飛行器。東南大學(xué)和揚州大學(xué)目前也已就仿生撲翼飛行機構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造設(shè)計困難、成本昂貴的缺點。根據(jù)國內(nèi)外飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的不足，設(shè)計了這款利用半轉(zhuǎn)機構(gòu)飛行的撲翼飛行器，簡化了撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)，提高了它的穩(wěn)定性，降低了制造費用。
