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仿麻雀飞行器扑翼轨迹规划及运动特性研究王智森,李 勋,邱旺龙(景德镇学院 机械电子工程学院,江西 景德镇 3 3 3 4 0 0)摘 要:通过观察麻雀高机动性、灵活性和稳定性的飞行姿态,模仿设计了一种基于曲柄摇杆机构的仿麻雀飞行器扑翼结构,提出了仿麻雀飞行器扑翼的参数确定、机构求解、结构设计、轨迹规划、运动特性研究及样机实验验证的一体化分析方法。结果表明:扑翼翼尖的运动轨迹为近似“8”字形,与麻雀扑翼翼尖运动轨迹相吻合,扑翼扑动、扭转运动具有稳定的耦合特性关联。该方法对同类型仿生飞行器的开发设计有可供参考的实用价值。关键词:仿麻雀飞行器;扑翼机构;轨迹规划;运动特性中图分类号:T H 1 2 2;T P 2 4 2.3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1 3 8 0 X(2 0 2 3)0 6 0 0 5 0 0 5R e s e a r c h o n F l a p p i n g W i n g T r a j e c t o r y P l a n n i n g a n d M o t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f S p a r r o w L i k e A i r c r a f tW A N G Z h i s e n,L I X u n,Q I U W a n g l o n g(S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,J i n g d e z h e n U n i v e r s i t y,J i n g d e z h e n 3 3 3 4 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:B y o b s e r v i n g t h e h i g h m a n e u v e r a b i l i t y,f l e x i b i l i t y a n d s t a b i l i t y o f t h e s p a r r o w f l i g h t a t t i t u d e,a f l a p p i n g w i n g s t r u c t u r e o f s p a r r o w l i k e a i r c r a f t b a s e d o n c r a n k r o c k e r m e c h a n i s m i s s i m u l a t e d a n d d e s i g n e d,a n d a n i n t e g r a t e d a n a l y s i s m e t h o d o f p a r a m e t e r d e t e r m i n a t i o n,m e c h a n i s m s o l u t i o n,s t r u c t u r a l d e s i g n,t r a j e c t o r y p l a n n i n g,m o t i o n c h a r a c t e r i s t i c s r e s e a r c h a n d p r o t o t y p e e x p e r i m e n t v e r i f i c a t i o n o f t h e f l a p p i n g w i n g o f s p a r r o w l i k e a i r c r a f t i s p r o-p o s e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e m o v e m e n t t r a c k o f f l a p p i n g w i n g t i p i s a p p r o x i m a t e l y“8”s h a p e,w h i c h i s c o n-s i s t e n t w i t h t h e m o v e m e n t t r a c k o f s p a r r o w f l a p p i n g w i n g t i p,a n d t h e f l a p p i n g w i n g a n d t w i s t i n g m o v e m e n t h a v e s t a b l e c o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c s.T h i s m e t h o d h a s p r a c t i c a l v a l u e f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d d e s i g n o f t h e s a m e t y p e o f b i o n i c a i r c r a f t.K e y w o r d s:s p a r r o w l i k e a i r c r a f t;f l a p p i n g w i n g m e c h a n i s m;t r a j e c t o r y p l a n n i n g;m o t i o n c h a r a c t e r i s t i c s 近年来扑翼飞行器成为新型仿生飞行器应用领域最为热门的研究方向,自然界种类繁多的鸟类生物羽翼结构、飞行姿态及气动外形等优势不断激发研究人员设计新型扑翼飞行器的灵感。同旋翼和固定翼等其他类型飞行器相比较,扑翼飞行器兼备隐秘性强、机动性快及噪音性低等优点,在军事和民用领域均得到非常广泛的应用,能够完成其他飞行器无法执行的特定任务,如灾后搜寻、低空侦察及生化探测等。1扑翼飞行器作为一种新型无人机,在国内外已然掀起一番研究热潮。制约扑翼飞行器升力、推力及转弯等性能机制的核心因素之一是驱动机构,其中研究扭转角度和扑动幅度等运动参数的耦合特性至关重要。2目前研究学者主要通过观察具体的自然界生物如昆虫和鸟类,根据抽样调查、数据建模、仿真分析及模型试验等方法对新型的仿生扑翼飞行器进行改进优化与样机实验。3冷烨等4提出了仿蝴蝶扑翼飞行器的设计制造方案,并通过实验平台测试飞行姿态验证合理性;张瑞坤等5通过对新型的凸轮摇杆扑翼机构进行模型求解及运动特性分析,证明凸轮摇杆扑翼气动性能更好;王仲文等6完成仿蜻蜓扑翼飞行器的三维建模及运动仿真,利用有限元法分析力学性能,对后续研究具有重要意义;谢鹏等7设计了曲柄连杆扑动的折展翼仿鸟飞行器,分析得到折展翼相比直扑翼在非对称扑动规律下升力更大;熊陈志等8提出了一05第4 5卷 第6期2 0 2 3年6月 宜春学院学报J o u r n a l o f Y i c h u n U n i v e r s i t y V o l.4 5,N o.6J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3 0 6 0 1基金项目:江西省教育厅科技项目(编号:G J J 2 2 0 2 4 0 9);江西省教育厅教学改革研究项目(编号:J X J G 2 2 2 1 1 2)。作者简介:王智森(1 9 9 2),男,江西婺源人,讲师,硕士,研究方向为机械设计及结构优化、计算机辅助设计及仿真分析。种单曲柄轴的仿蜻蜓空间扑翼飞行器,运用运动学仿真软件模拟飞行过程,解决扑翼相位差问题并提供可行性设计方案;吉爱红等9通过测试昆虫各项飞行参数研究昆虫翅翼在不同扑动模式下的升力特性;姜森等1 0基于空间机构理论设计双自由度扑翼运动的仿鸟飞行器,通过改变扭转角成功实现预定的翼尖空间运动轨迹。本文通过观察麻雀高机动性、灵活性和稳定性的飞行姿态,模仿设计了一种基于曲柄摇杆机构的扑翼结构,研究仿麻雀飞行器扑翼运动轨迹及特性,并进行实验验证扑翼结构合理及可行性。1 仿麻雀飞行器扑翼轨迹规划1.1 扑翼参数确定扑翼飞行器飞行所需的升力和推力是依靠复杂的扑翼飞行来实现的,因此设计巧妙的扑翼机构是研究扑翼飞行器的关键所在。麻雀飞行的动力源主要来自麻雀飞行时空气对其本身产生升力和推力所表现的反作用力,其中升力是麻雀拍动扑翼的过程中由竖直方向的压力差生成。麻雀扑翼所承受的压强、阻力、扑动速度及翼面积等因素均能够影响飞行升力的大小。麻雀扑动翼展时具有一定的迎角导致前后翼面的气压差,产生绕流现象,气流通过扑翼边缘从气压高的部分向气压低的部分流动,形成反冲力推动身体向前飞行。通过查阅现有麻雀的飞行姿态参数及关键部位的特征参数,在可行性设计基础上参照放大一定尺寸比,分析并初步确定仿麻雀飞行器扑翼的设计参数如表1所示。表1 仿麻雀飞行器扑翼参数扑扑翼翼特特征征参参数数值值单翼展/m0.1 8 3单翼面积/m20.0 1 0 4展弦比3.2 2扑动频率/H z1 0扑动幅度/6 01.2 扑翼机构求解图1 曲柄摇杆机构简图扑动布局设计是扑翼机构的核心部分,实现仿生机构模拟麻雀扑翼相似的往复扑动运动,所设计的机械效率、仿生效果、运动输出能力决定着仿麻雀飞行器扑翼结构的合理性。为了保证仿麻雀飞行器扑翼结构设计的稳定性及可行性,基于简单成熟的曲柄摇杆机构利用解析法求解扑翼简化模型的各部分尺寸参数如图1所示。建立X O Y直角坐标系,使x轴与机架重合,将各构件长度以矢量形式表示,各矢量形成一封闭多边形,其矢量方程为l1+l2=l3+l4(1)其中构件曲柄L1、连杆L2、摇杆L3与x轴的夹角分别为1、2、3,角位移取逆时针方向为正,将矢量方程式(1)分别向x、y轴投影,则有l1c o s1+l2c o s2=l4+l3c o s3l1s i n1+l2s i n2=l3s i n3(2)对式(2)整理后得l2c o s2=(l4-l1c o s1)+l3c o s3l2s i n2=(-l1s i n1)+l3c o s3(3)将式(3)等式两边分别平方后相加并消去2,最终得到只含3的一阶三角方程。为了简化计算,做等效变换如下A=l4-l1c o s1B=-l1s i n1C=A2+B2+l23-l222l3 (4)将式(4)代入式(3)整理求得3=2 a r c t a nBA2+B2-C2A-C(5)在满足扑翼机构预定运动规律的前提下,设计曲柄摇杆机构时需考虑曲柄存在的条件、满足最小传动角的要求及尽可能保证较高的运动效率。将初始设计条件:曲柄L1=2 0 mm、机架L4=5 0 mm、摆角=6 0 代入式(5)求解得到连杆近似尺寸L2=5 2 mm、摇杆近似尺寸L3=3 2 mm,整理得到曲柄摇杆机构各构件尺寸参数如表2所示。表2 扑翼机构各构件尺寸参数扑扑翼翼机机构构尺尺寸寸参参数数/mmmm曲柄L12 0连杆L25 2摇杆L33 2机架L45 0 通过对求解得到各构件尺寸参数的曲柄摇杆机构形式进行等效演化如图2所示,各构件结构采用仿形15第6期 王智森,李 勋,邱旺龙:仿麻雀飞行器扑翼轨迹规划及运动特性研究 第4 5卷设计方法,其中包括将曲柄演化为齿轮与凸轮粘接在一起形成整体组件的形式,曲柄和连杆的连接点在齿轮上;将连杆的形状演化使连杆中间可以固定鱼眼轴承的结构。图2 等效演化的扑翼机构1.3 扑翼结构设计麻雀扑翼作为主要的飞行器官为了适应数千年环境的变化经历了漫长的进化,形成了流线型的扑翼轮廓构造,在维持身体平衡性的同时兼具飞行获得大升阻比的优点。麻雀扑翼飞行时气流快速通过飞羽之间随扬翅而出现的裂隙,从而使麻雀可以获得较大的飞行动能。鸟类扑翼的结构形式主要包括高速型、椭圆型、大升力型及大展弦比型等形式,其中麻雀扑翼的翅型为高速型。通过查阅麻雀飞行姿态的资料及观察麻雀的扑翼结构,在模仿麻雀扑翼的主要特征及扑动规律的基础上,仿形设计了扑翼结构如图3所示。计算仿麻雀飞行器扑翼的展弦比即扑翼翼展和平均几何弦之比,其中l为单翼展长,b为几何弦长,S为单翼面积,结果核验符合麻雀扑翼初定的展弦比设计参数要求,说明扑翼翼型结构设计合理。=lb=l2S=0.1 8 320.0 1 0 4=3.2 2(6)图3 扑翼翼型结构为了使仿麻雀飞行器扑翼的运动达到平衡,扑翼整体结构的设计要实现对称扑动,保证扑翼飞行姿态的稳定性。仿麻雀飞行器扑翼的运动传递路径如图4所示,在此基础上首先设计给扑翼起支撑作用的对称布置基座,其余各部分的结构如图5所示,左侧的结构设计组成为齿轮与凸轮的组合体、曲柄、摇杆、万向节、转向块及扑翼翼型,右侧的结构设计组成为双重齿轮、曲柄、摇杆、万向节、转向块及扑翼翼型。图4 仿麻雀飞行器扑翼运动传递路径(a)左侧 (b)右侧图5 仿麻雀飞行器扑翼1.4 扑翼运动轨迹借助U G软件对仿麻雀飞行器扑翼机构进行运动学仿真分析,由于扑翼机构左右两侧呈对称性,因此简化仿真处理,选取单翼进行模拟。完成基座、曲柄摇杆、万向节、转向块及单翼等各部件三维建模并装配后在运动学仿真模块界面进行操作,添加运动副、运动连杆、施加驱动力等约束。通过调整曲柄回转速度来控制扑翼机构的扑翼频率,同时运用运动学仿真模块的追踪命令对扑翼机构的单翼翼尖关键点进行运动轨迹的分析如图6所示。仿真分析结果表明:扑翼在一个工作周期内完成扑动、扭转动作,且曲柄回转速度越大,扑翼扑动频率随之越快,扑翼翼尖的运动轨迹为近似“8”字形,符合麻雀扑翼翼尖运动轨迹。25第6期 宜春学院学报 第4 5卷图6 扑翼机构关键点运动轨迹2 仿麻雀飞行器扑翼运动特性分析及实验验证2.1 扑动、扭转角度分析通过U G软件对仿麻雀飞行器扑翼进行运动特性分析,给定扑翼机构中曲柄1 0 r a d/s的角速度,即曲柄转一圈需要0.1秒,其中扑翼扑动频率设置为1 0 H z,即每秒运动1 0个运动周期。在运动学仿真模块界面中设置运动仿真时间为1秒,进行交互式运动特性分析,输出数据整理得到关键点扑翼翼尖的扑动、扭转角度特性曲线如图7所示。图7 扑动角度和扭转角度的变化曲线图由图7可知:仿麻雀飞行器扑翼运动呈对称性分布,运动周期为0.1 s,扑动角度工作范围为6 0,扭转角度工作范围为 4 0,与初始设计参数相吻合,说明设计过程合理。2.2 扑动、扭转角速度分析用上述方法,通过运动学仿真模块功能输出得到关键点扑翼翼尖的扑动、扭转角速度随时间变化的特性曲线如图8所示。图8 扑动角速度和扭转角速度变化曲线图由图8可知:仿麻雀飞行器扑翼扑动、扭转角速度的变化周期均为0.1 s,且同一个周期内扑动、扭转角速度均呈对称性变化,扑动、扭转运动具有一定关联的耦合特性。当t=0 s时,扑翼扑动、扭转角速度均为0;当t1=0.0 1 8 s时,扑动角速度达到最大值w1=5 2 2 5/s;当t2=0.0 2 5 s时,扭转角速度达到最大值w2=2 5 5 6/s,后半个周期与前半个周期对称分布,运动特性相同。仿真结果表明:扑翼扭转角速度在一个工作周期内变化的幅度及速率相比较扑动角速度变化的小,且满足耦合关系。2.3 扑动、扭转角加速度分析同理上述分析流程,通过运动学仿真模块功能输出得到关键点扑翼翼尖的扑动、扭转角加速度随时间变化的特性曲线如图9所示。图9 扑动角加速度和扭转角加速度曲线图由图9可知:仿麻雀飞行器扑翼扑动、扭转角加速度的变化周期均为0.1 s,后半个周期与前半个周期扑动、扭转角速度变化均呈对称性分布,且扑翼上扑过程扑动变化率显著减小。当t=0 s时,扑翼在最高点位置,扑动角加速度为a1=8 5 1 3 4 3/s2,逐渐减小至0并增大至a2=3 7 2 8 5 9/s2;扭转角加速度为a3=1 6 7 8 5 2/s2,逐渐减小至0并增大至a4=1 8 5 9 3 6/s2。仿真结果表明:扑翼扑动、扭转运动具有耦合特性,扑翼从最高点向下扑动的同时开始扭转,前期扭转变化率小于扑动变化率,此时扑翼具有一定的迎角,可以产生升力和向前推力。扑翼在向上扑动的过程中具有较大的扭转角,能够减小空气阻力,节省能量损耗,保证飞行姿态的稳定性。2.4 仿麻雀飞行器扑翼实验验证麻雀无论本身尺寸还是飞行姿态都兼备轻巧及机动的特点,为了尽可能接近仿生模拟效果,采用椴木板、树脂等轻型材料通过激光切割、3 D打印等途径进行仿麻雀飞行器扑翼等主要零部件的加工及样机组装,并进行扑翼扑动、扭转实验如图1 0所示。通过实验测试扑翼扑动、扭转的运动状态,对比验证与运动特性仿真分析的结果相吻合,说明设计过程的可行性。在一个工作周期内,扑翼翼尖的运动轨迹近似为“8”字形,符合麻雀扑翼翼尖运动轨迹,且与运动轨35第6期 王智森,李 勋,邱旺龙:仿麻雀飞行器扑翼轨迹规划及运动特性研究 第4 5卷迹规划的仿真分析结果相吻合。(a)扑翼左侧(b)扑翼右侧(c)扑翼闭合(d)扑翼张开图1 0 仿麻雀飞行器扑翼扑动、扭转实验3 结论(1)本文通过观察分析麻雀羽翼的关键部位,完成了仿麻雀飞行器扑翼的参数确定、机构求解、结构设计、轨迹规划、运动特性研究及样机实验验证的一体化分析流程。(2)借助U G软件完成仿麻雀飞行器扑翼机构建模及装配,通过运动学仿真模块的追踪命令对关键点扑翼翼尖进行运动轨迹的分析。仿真结果表明:扑翼翼尖的运动轨迹为近似“8”字形,符合麻雀扑翼翼尖运动轨迹。(3)针对仿麻雀飞行器扑翼扑动、扭转进行运动特性研究及实验验证,分析得到:当扑翼扑动频率设置为1 0 H z时,扑动、扭转运动周期均为0.1 s,扑动幅度为 6 0,扭转幅度为 4 0。通过进一步对扑翼扑动、扭转运动的角速度和角加速度进行分析,结果表明:扑翼扑动、扭转运动具有稳定的耦合特性关联。通过实验测试扑翼扑动、扭转的运动状态,对比验证与运动特性仿真分析的结果相吻合,说明仿生设计过程的合理可行性,为后续仿麻雀飞行器的深入研究及二次开发提供了参考的理论基础和实验数据。参考文献:1周林,张忠海,王建辉,等.扑翼飞行器的研究现状与发展J.兵器装备工程学报,2 0 2 2,4 3(8):4 4 5 4.2张弘志,宋笔锋,孙中超,等.扑翼飞行器驱动机构回顾与展望J.航空学报,2 0 2 1,4 2(2):8 0 1 0 1.3傅雅宁,赵世恒.仿生蜻蜓扑翼飞行器模型设计与气动特性分析J.机械设计,2 0 2 1,3 8(1 0):7 9 8 7.4冷烨,张卫平,周岁,等.仿生蝴蝶飞行器设计分析J.机械设计与研究,2 0 1 9,3 5(4):3 2 3 5+4 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