仿生扑翼飞行器:绪论与研究方向

    无人飞行器可分为:固定飞行器、旋翼飞行器以及扑翼飞行器。而扑翼飞行器具备了仿生的特点,因此也叫做仿生扑翼飞行器。

    仿生扑翼飞行器是一种以自然界中具有高超飞行能力的鸟类作为模仿对象的飞行器,其通过模仿鸟类翅膀的动作产生升力和推力。其结构简单、噪音低、机动灵活,广泛应用在广泛应用于军事领域和民用领域。

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    自然界中生物的运动方式大致分为三种,以鱼类为代表的游动、以四足动物为代表的跑动和以鸟类和昆虫为代表的飞行。鸟类和昆虫在自然界残酷的竞争之下,选择了扑翼的飞行方式,并且进化出了流线形的外形和高超的飞行本领。鸟类的骨骼结构复杂,翅膀自由度高,运动也比较灵活,同时鸟类的翅膀展开的翼面积比较大,再加上表层羽毛的帮助,能够获得较大的升力,因此鸟类只需要低频的拍动翅膀,鸟类就能够获得足够的升力进行飞行。而相比较昆虫,其翅膀面积小,为了克服重力,往往需要较高频率的翅膀拍动(蝴蝶除外)。

    受到飞行生物的诱惑,人类一直对飞行保持着热爱和渴望,风筝、竹蜻蜓、孔明灯、热气球、滑翔伞、飞机、飞行器等等都是人类对飞行进行不断尝试的结果。中国在战国时代发明的风筝、晋代又发明了竹蜻蜓、三国时代发明的孔明灯,其中竹蜻蜓成为了现代直升机的设计原型,而孔明灯则是热气球的设计原型。

    在文艺复兴时期,达芬奇也设计过由人力驱动的扑翼机模型,这是人类迄今为止最早的扑翼机图纸。

达芬奇设计的扑翼飞行器

    大家常见的以橡皮筋作为动力的扑翼飞行器的原型其实是法国人 Alphonse penaud在1874年设计的,这款飞行器模型结构简单、易于实现,也成为了人们经常简易制作的模型。

Alphonse penaud设计的扑翼机原型

    在1996年美国国防高级计划研究署(DARPA)启动了一项为期四年、总投资3500万美元的微型飞行器研制计划。该计划研制初期主要研制传统的固定翼飞行方式,随着研究的深入科研人员发现固定翼飞行器在低雷诺数下的气动效果很差,产品远远不能达到项目的要求,进而将研究方向转向了扑翼飞行,以期待实现微型飞行器所要求的足够的升阻比及抗干扰技术。此计划之后,德法意日韩等国也投入到了扑翼飞行器的研制工作,由此一股仿生扑翼飞行器的研究热潮开启了

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近代扑翼飞行器研究现状:

    国外相对更加注重基础科学的研究,研究经费也比较充裕,国外的很多研究机构都取得了大量的科研成果,对仿生扑翼飞行器的设计制作有着大量丰富的经验。

    美国就分别研究了“Microbat”扑翼飞行器(采用机械连杆方式)、“Mentor”扑翼飞行器(人工肌肉提供动力)、“Entomopter”扑翼飞行器(采用往复式化学肌肉RCM)等等

Microbat    Mentor    Entomopter

    除美国外荷兰也有“Delfly”、“Roboswift”两款扑翼飞行器,加拿大有“Flapper”、“Snowbird”,德国也研发了“Smart bird”、“BionicFlyingFox”、“eMotionButterflies”等等。

Smartbird    BionicFlyingFox

    国内对仿生扑翼飞行器的研究也有很多,西北工业大学在19998年开始研制扑翼飞行器,研究出了相对成熟的“ASN-211”,是国内相对成熟的一款飞行器。哈尔滨工业大学研究生院在2004年开始研究扑翼飞行器,组建了计算机数值模拟实验室。北京航空航天大学运用了Navier-Stokes方程数值解和涡动力方程,在动力学研究方面取得了一定的研究成果。南京航空航天大学则实现了定位导航飞行的功能......

国内部分研究成果

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    总的来看,受限于国内学术氛围以及工业水平的发展,国内的扑翼飞行器的研究相比较国外,相关理论和功能上相对国外都还有不小的距离,而且国内发展进程缓慢......但得益于开源的环境和氛围,扑翼机器人门槛的降低再加上短视频互联网的发展,希望能有更多人能看到并且参与到扑翼机器人的研究与制作中来。愿当代的青年们能有这种责任和担当,摆脱社会的冷气,保持着开源精神,不断分享和迭代。让我们一起努力......

    最后,我还是希望大家能够点赞评论和收藏,这是对开源精神的最大鼓励和支持,谢谢大家。

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