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[原创]一种高效率仿蜻蜓扑翼推进飞行器

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发表于 2019-2-17 23:45:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 youshen 于 2019-9-8 22:00 编辑

一种扑翼推进飞行方式,确切的说是一种硬翼主动扭转攻角仿蜻蜓扑翼飞行器,以下力求用最简单的动图来说明原理。
需要了解交流的贴子回复联系方式,或是E-mail:huangyoushen_007@163.com

最近将结构重新调整优化了一下,觉得基本差不多了,在简单球头关节的绞接下,可实现大于90度的拍动角,翼面扭转小于30度,基本满足需求。飞行器实际滑翔过程中,翼面是不需要太大的扭转角度的,(受传统固定翼飞机舵面的影响!)因这个是全动舵面,效率比传统固定翼飞机舵面高多了,翼面大,很小的偏转角也会产生很大的偏转力。翼面扭动轴也由中部移到前缘去,翼面扭动受力更自然一点,推进效率也更高一点,以此为基础先做一个扑翼推力实验平台吧。

整个完整扑翼推力实验平台主要由8台伺服电机,机架,8个翼面组成,一个8轴运动控制器,一台PC机组成,可以适当加上一些测力装置,如电机动态扭矩传感器,测力天平,推/拉力计。
PC机将指令发给运动控制器,可控制8台伺服电机的同步运转,任意两台伺服电机的同步位置,速度,扭矩等。间接实现8个翼面的拍动频率,翼面扭转攻角,静态时翼面的位置的控制。
fei.png




关于高效扑翼飞行的说明
现有扑翼机飞行效率不高,很大程度上是扑翼过程中翼面是属于被动扭转,对空气作用力效率不够高,下面举简单的实验例子说明。
实验工具:一块手掌大小薄塑料小方形板(有一定弯曲变形能力)
实验1:快速垂直下压一块手掌大小薄塑料小方形板,下压时被小方板压缩的空气四面八方较均匀的四周流动,小方板下压移动将产生很大空气阻力。(粗箭头轮廓表示小方板运动方向,长方形框表示小方板,单箭头线表示气流方向)。
图1.png

实验2:抓住方形木板的一边时,下挥使小方板做扇形运动,此时产生气流主要流向弧度大的一方,同我们扇子扇风一样。

图2.png


实验3拿住小方板的一边,让小方板快速垂直向下压时,小方板一侧会变形弯曲,同时气流主要集中在变形较大方向的一侧;如果我们以很慢的速度垂直向下压时,小方板不变形,其结果如同实验1,压缩的气流将四面流动; 如果我们以极快的速度下压时,小方板变形更严重,成”L”形,此时压缩气流很小,往变型较大一侧气流也很小。
图3A.png 图3B.png

实验 4拿住小方板以斜45度垂直快速下压时,小方板四周的气流往小方板上翻的一侧流动。当我们慢速下压时,小方板四周的气流方向不变,气流速度减慢一点而已。
图4.png
以上小实验中,目前被动扑翼机的翼面运动原理如实验3. 当翼面运动速度小时,翼面不变形,基本不产生推力,当翼面运动速度极大时,翼面变形严重,产生作用力也很小,这是目前被动扑翼效率不高的主要原因,只有在特定的扑翼速度下配合特定的柔性变形翼才能产生较高推进效率。
实验2,原理如我们常用的离心式风扇,风机,扇翼机等,也能高效产生空气动力,但在此不作讨论。
实验4,原理就如我们常用的轴流风机,应用较广泛,小到简单风扇,大到高大上的喷气发动机压气机,涡轮,原理基本一样。翼面以一定角度(通常45度)斜切来流空气(或静态空气)产生空气流动力。

也许有人会说,扑翼飞行完全没有必要主动扭转攻角,如鸟类,蜻蜓,蝴蝶类生物翅膀都有不同程度的变形而产生扑翼推力,原理如实验3. 生物翅膀确实存在变形而产生推力,我个人认为主要是生物的血肉之躯高速扑动难免不产生变形,而且翅膀适当变形有助于提高效率,但不是主要,否则在飞行生物需要刚性翅膀的滑翔功能时,与翅膀的柔性变形能力是有冲突的。

高效扑翼推进飞行的3个要素:

A螺旋桨是我们目前知道产生高效空气动力的一种方式。常见的螺旋桨只能固定一个攻角,正转正攻角,正推,反转反攻角,反推,从螺旋桨的侧面看,可以看成是扑翼动作的连续往一个方向无限的扑动。如果我们把螺旋桨拆开,只能在90度的范围来回转,从侧面看就变成了上下扑翼动作,如果我们能在上下扑动时自动连续的改变攻角,就形成了一个完美的扑翼动动作。上扑正转正攻角,产生正推力,下扑反转正攻角,产生正推力,如此上下扑动都能产生正推力。
B深入了解过高效螺旋桨推进的人也许会知道,在流体中的螺旋桨出现过一种变矩高效螺旋桨,即在不同的流体速度中,通过改变螺旋桨的攻角(或螺距)来提高效率,使发动机动力输出在不同的流体速度中功率输出最大。同理扑翼也一样,如果在扑动的过程中在不同的流体速度中动态的改变攻角,哪将是有助于进一步提高扑翼推进的效率。
C我们所见的大部分扑翼飞行动物,大部分具有滑翔功能,个体越大滑翔能力越强。因此高效的扑翼飞行不能少了滑翔能力。


以下提供一种机构配合伺服电机,控制系统能有效的实现上述三个要素功能。以下机构动图能使大家加深理解机构的原理,比公式,文字直观,在理解的基础上进行进化发展。高效扑翼飞行是一个较复杂的系统,主要由飞控,伺服动力系统,机架及动力转换输出,材料结构合适的翼面,电池能源,等五大部分组成。

进化动画1[00_00_02--00_00_22].gif 进化动画2[00_00_02--00_00_22].gif 装配体3[00_00_04--00_00_24].gif 进化动画3[00_00_01--00_00_21].gif 装配体3[00_00_02--00_00_22].gif 装配体10-2[00_00_05--00_00_25].gif
推进状态
推进状态.gif
滑行中抬头
滑行中抬头[00_00_00--00_00_20].gif
滑行中低头
滑行中低头[00_00_00--00_00_20].gif
滑行中逆时针横滚
滑行中逆时钟模滚[00_00_00--00_00_20].gif
滑行中顺时针横滚
滑行中顺时钟横滚[00_00_01--00_00_21].gif
同理另一种简化低频扑翼结构形式
扑翼机.gif
扑翼机侧面动图.gif
扑翼机后视动图.gif
前飞时舵机同步.gif
扑翼机滑行舵面控制示意图.gif
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匿名  发表于 2019-3-25 22:53:01
不知道有没看懂的,先顶一个,大概原理可以实现扑动时翼面主动扭转产生推力,翼面不扑动时,可以滑行。
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 楼主| 发表于 2019-3-25 22:56:07 | 显示全部楼层
不知大家看懂没有,先顶一个。大概原理是扑动过程翼面主动扭转产生推力,不扑动时翼面可以停止作为全动翼面滑行。
[此贴子已经被作者于2019/3/25 23:05:43编辑过]
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发表于 2019-5-28 11:33:41 | 显示全部楼层
有三维图纸吗?????
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 楼主| 发表于 2019-6-13 19:27:52 | 显示全部楼层
有的,solid works档案
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发表于 2019-7-20 08:45:59 | 显示全部楼层
本帖最后由 谢玄 于 2019-9-5 08:45 编辑

正在学习扑翼相关知识,这个很厉害
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发表于 2019-7-20 08:48:29 | 显示全部楼层
本帖最后由 谢玄 于 2019-9-5 08:44 编辑
谢玄 发表于 2019-7-20 08:45
楼主能提供一份solidworks原件吗?我正在学习扑翼相关知识

这涉及到了大量的细节设计,真的不简单,赞
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