仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考.docx
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仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考
仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考
金晓怡1,2颜景平1
（1东南大学机械工程学院,南京2100962常州工学院机电工程学院,常州213002摘要:
在成功研制仿生扑翼飞行机器人样机的基础上,提出仿生扑翼飞行机器人研究中值得思考的若干问题。
有关低雷诺数问题,提出以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有合理性的观点;有关非定常微分方程问题,提出非定常微分方程并非解决一切问题之关键的观点;有关翅变形问题,提出采用柔性翅的模型翅膀进行研究的观点。
关键词:
仿生扑翼飞行机器人低雷诺数问题非定常微分方程问题翅变形问题
中图分类号:
TB17,TP242文献标识码:
A
ThethinkingaboutsomeproblemsontheresearchofthebionicsflappingaerocraftJinXiaoyi1,2YanJingping1
（1.CollegeofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,china;
2.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,Changzhouinstituteoftechnology,Changzhou213002,chinaAbstract:
Basedontheinvestigationofthebionicsflappingaerocraftsuccessfully,someproblemsonitsresearcharepointedout.FortheproblemoflowerReynoldsnumber,itputsforwardthattheanalysisoftheflightforcefortheinsectwingwhichisbasedonthemomentumtheoremisreasonable.Fortheproblemoftheunsteadydifferentialequation,itputsforwardthattheunsteadydifferentialequationisn’tthekeytosolvealltheproblems.Fortheproblemofthewingdistortion,itputsforwardthatthemodeloftheflexiblewingshouldbeadoptedontheresearch.Itisexpectsthatinvestigatorsworkingonthebionicsflappingaerocrafwillpayattentionstotheproblemsandviewpointsinthispaper.
Keywords:
thebionicsflappingaerocraft,theproblemoflowerReynoldsnumber,theproblemoftheunsteadydifferentialequation,theproblemofthewingdistortion
0前言
微型飞行机器人的雷诺数与自然界的昆虫相当,其最适合的飞行方式是仿昆飞行。
仿生扑翼飞行机器人既是一种新型移动方式的微型机器人,又是一种新概念的微型飞行器,在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。
仿生扑翼飞行机器人的研究方向很多,随着其研究的不断深入,研究范畴也在不断扩大。
国内、外很多科研机构都将仿生扑翼飞行机器人研究作为长期研究项目。
东南大学仿生扑翼飞行机器人关键技术研究小组对仿生扑翼飞行机器人的运动机理、驱动方式、控制方法等多方面进行了深入研究,制作了第一代仿生扑翼飞行机器人样机。
本文简述课题小组在研究过程中发现并仍将有待深入研究的一些问题,希望得到仿生扑翼飞行机器人研究人员的共同关注。
1仿生扑翼飞行机器人样机的研制
课题组自行研制了气动力测量试验平台[1~4],如图1所示,由低速小型风洞和智能热球式风速仪（手持式、高速摄像头、电机驱动的拍动装置或微小型飞行机器人试验样机、无线遥控系统、多维力传感器测量系统、频率测试仪、工控机、数据采集[5]及处理系统等组成。
利用气动力测量试验平台进行了两种飞行试验:
前飞和驻飞。
当风洞有一定风速时,根据运动相似性原理,风速相当于飞行机器人的前飞速度,在这种稳定气流条件下,研究飞行机器人前飞时各项性能指标;当风洞风速为零时,研究飞行机器人驻飞时的气动力性能。
收稿日期:
2007-3-10
基金项目:
211工程振兴行动计划资助项目（3008002102
作者简介:
金晓怡（1966-,女（汉族,江苏常州人,常州工学院副教授,东南大学博士生,从事仿生扑翼飞行机器人的研究。
图1气动力测量试验平台工作图
仿生扑翼飞行机器人的试验,采用了室内风洞试验法和室外放飞试验法。
课题组立足现有试验条件,通过风洞试验,成功测试了各种翅型在给定气流条件下的受力情况,确定了本课题小组研制的仿生扑翼飞行机器人的适用翅型,制作了第一台柔性翅扑翼飞行机器人样机,成功进行了多次室外放飞（图2。
图2柔性翅扑翼飞行机器人样机室外放飞实况图
2仿生扑翼飞行机器人研究中值得思考的几个问题
2.1低雷诺数问题
雷诺数是表征流体运动中惯性力与粘滞阻力之比的一个参数。
在空气动力学理论中,用雷诺数来表征空气惯性力和粘滞阻力之比。
与常规飞行器相比,微型飞行器的空气动力学特性有很大的不同[6]。
常规飞行器的雷诺数约在8610~10之间,而微型飞行器的雷诺数大约在5
10~10之间[7]。
常规飞行器由于雷诺数大,所受的空气粘滞力相对很小,其作用可以忽略。
而微型飞行器雷诺数小,空气的粘滞阻力不可忽略。
进一步研究发现,虽然生物飞行速度低、雷诺数很低,但生物飞行的雷诺数尚未低到小于1的程度,如果忽略空气粘滞力,将不会引起太大的误差,故用分子动量转化为冲量的理论来分析仿生飞行,有可行之处。
例如:
对雷诺数等于10的飞行状态而言,分析误差在10%左右,在分析生物飞行时,考虑粘滞阻力仅能提高10%左右的分析精度。
一些文章中提到“昆虫飞行的雷诺数甚低,所以昆虫翅膀在空气中拍动就好比人在蜜糖中游泳一般”,以此来强调粘滞阻力的主导作用,并以此为基础解释生物飞行高升力机理。
这一提法十分含糊,也不符合雷诺数的定义。
因此,在分析生物飞行时,不合适以考虑粘滞阻力为基础来解释生物飞行高升力机理,更不能因此否定以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有的合理性。
低速小型风洞飞行机器人试验样机多维力传感器测量系统
飞行中的试验样机
东南大学仿生扑翼飞行机器人关键技术研究小组在探寻生物飞行高升力机理时,以动量定理为理论基础,用“柔性楔形效应”对昆虫飞行高升力机理进行了合理解释[8],指出昆虫在前飞过程中获得很大升力的主要原因是“柔性楔形效应”。
虽然昆虫翅翼运动既有主观转动也有翅翼的自然柔性作用,但因为“柔性楔形效应”是昆虫飞行高升力的主要因素,在仿生扑翼机器人的研制时,翅翼运动的模拟方式将有可能只需采取简单的节律运动。
该研究结论将对仿生扑翼飞行机器人的研制产生重要影响。
事实上,当扑翼飞行器达到昆虫量级的时候,任何复杂的运动系统都将面临难以实现的问题,翅翼的驱动方式也将面临新的挑战[9]。
从昆虫的实际飞行来看,其最主要的运动方式也应该是采取简单的节律运动。
节律运动不是大脑直接控制的刻意行为,是动物界最常见的运动方式。
从前面分析可知,昆翅具有柔性,在实际飞行中,昆翅受到空气给予翅的作用力,昆翅在空气动力的作用下产生变形,同时,其翅的主边（leadingedge也会被动地扭转而使似在迎角和排流角发生改变,所以,昆虫飞行时,昆翅是在相对气流的作用下发生随动,也就是说,昆翅的搧翅运动主要是一种节律运动。
仿生运动的模拟越简单越容易稳定地实现,压电驱动、电致伸缩器[10,11]等各种人造筋驱动（如图3所示等不需要运动变换的直接驱动方式将成为研究的热点。
这类方案将比较容易解决扑翼机构的高频和摩擦问题,与自激拍动的扑翼控制系统相结合,将能比较方便地实现扑翼节律运动,并能有效解决仿生扑翼飞行机器人研制过程中困扰已久的重量大和能耗大的难题。
（a物理模型（b数学模型
图3人造筋驱动的物理模型和数学模型
2.2非定常微分方程问题
很多文献中指出:
按定常微分方程对生物飞行问题求解,往往会得出错误结论,例如分析出黄蜂的飞行升力不足以维持身体自重的一半。
因此提出只有用非定常微分方程才能得到可信的结果,但并没有说明用非定常微分方程中的哪一项或哪几项,使得昆虫飞行力的计算公式能算出两倍于定常微分方程计算的结果。
其实非定常微分方程和定常微分方程的不同之处,在于前者中加入了时变参量t,t在分子动力学中描述分子运动时自身的惯性力以及温度、压强随时间变化而引起的粘滞阻力的变化,例如:
流
动剪切应力
dy
dv
η
τ=中系数η的变化等等。
一般而言,生物飞行中,时变问题并不显著,如果不能弄清生物飞行中的根本原理,即使采用了非定常微分方程也未必能得出正确结论。
2.3翅变形问题
目前关于仿昆飞行中产生高升力的实验和数值模拟研究,采用的模型翅膀大多为刚性翅,国外研究中比较成熟的昆虫飞行高升力机制有:
拍合飞行“Clap-Fling”[12]、延时失速（DelayedStall[13][14][15]、旋转环流（RotationalCirculation[15]、尾流捕捉（WakeCapture[15]。
国内很多学者在研究昆翅飞行力方面也取得了很大的成果[16,17]。
基于刚性翅的观点,研究者们大多认为,模拟大部分昆虫的翅翼运动,在一个拍动周期内可以分为四个阶段（如图4所示:
①翅翼以一定迎角向下拍动。
②下拍至最低点时翅翼沿其轴向扭转,改变迎角并开始上挥。
③翅翼以一定迎角上挥。
④上挥至最高点时翅翼沿其轴向扭转,改变迎角并开
始下拍。
如此周而复始。
图4刚性翅运动示意图
研究昆虫飞行力时,将昆虫翅膀看成一刚性薄板,进行理论分析或实验研究,这样的做法有值得商榷之处。
极薄的昆虫翅膀在气体压力作用下,必然产生变形。
无论是对昆翅显微结构进行静态观察,还是在昆翅运动中对翅变形进行测量[18],其研究结果都表明,翅是变刚度的柔性体。
利用现代光学测量技术,可以进行昆虫运动参数、包括运动中翅变形的测定。
清华大学曾理江教授在这方面进行了大量研究。
从综合测量昆虫运动参数入手,利用非线性理论和方法,通过测量→建模→仿真→验证的道路研究昆虫运动机理。
但很多研究者们虽然承认这个事实,却认为少量变形对其有效面积影响不大,可以忽略。
公式推理[8]表明:
翅变形所引起的问题不仅是有效面积的改变,还影响了升阻比的大小。
在仿生飞行的仿生翅研究中,采用柔性翅模型将更显合理。
有关翅变形问题,一方面,关于仿生飞行中产生高升力的实验和数值模拟研究,在采用刚性翅的模型翅膀已取得一系列成果的同时,应进一步考虑采用柔性翅的模型翅膀进行研究;另一方面,翅翼的材料、结构和变形将成为仿生扑翼飞行机器人的研究重点之一。
3结束语
微型化是仿生扑翼飞行机器人研究的最终目标。
对于仿生扑翼飞行机器人来说,目前理论研究相对比较少,样机研制比较多。
从公开的资料来看,大多数功能比较简单,能实现飞行,但存在飞行时间短、飞行距离有限、只能遥控飞行而不能自主飞行且不能完成比较复杂的任务等问题,与到达实用化阶段还存在很大的距离。
仿生扑翼飞行机器人的仿生原型是飞行生物,要设计出空气动力学性能优良的仿生扑翼飞行机器人,必须不断完善生物飞行机理的研究,必须正确理解低雷诺数下产生高升力的空气动力学问题,必须解决在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、驱动方式等方面很多由于结构微型化而导致的特殊问题。
因此,仿生扑翼飞行机器人的成功研制,需要生物学家、空气动力学专家和机器人专家的共同努力和合作。
本文作者的创新点是:
有关低雷诺数问题,提出以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有合理性的观点;有关非定常微分方程问题,提出非定常微分方程并非解决一切问题之关键的观点;有关翅变形问题,提出采用柔性翅的模型翅膀进行研究的观点。
本文所提出的上述问题及观点,希望得到仿生扑翼飞行机器人研究人员的共同关注。
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东南大学机械系,2004
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作者简介:
金晓怡（1966-,女（汉族,江苏常州人,常州工学院副教授,东南大学博士生,从事仿生扑翼飞行机器人的研究。
导师:
颜景平（1932-,男（汉族,东南大学机械工程学院教授。
Biography:
JinXiaoyi（1966-,female,Changzhou,Workingcompany（Changzhouinstituteoftechnology,associateprofessor,Researcharea（thebionicsflappingaerocraft.SupervisedbyprofessorYanJingping（1932-,male,Nangjing,Workingcompany（SoutheastUniversity.
E-mail:
:
邮编:
213017
通讯地址:
江苏省常州市红梅新村89栋丙单元101室金晓怡收
第一作者:
金晓怡、女、1966年出生、常州工学院机电工程学院副教授、东南大学在读博士研究生。
研究方向:
仿生机器人、机构学、机械设计。
主要成果:
教材2部、专利1项、主持省级和校级科研项目6项、第一作者论文14篇。
其余作者:
颜景平、男、1932年出生、东南大学机械工程学院教授、博士生导师。
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