鸟类飞行比人造扑翼小牛有杰出的表现。考虑到羽毛是光和强大,一种新型的扑翼是设计和制造的,其骨架碳纤棒和鹅的羽毛所覆盖的皮肤。的空气动力学测试实验,可以与传统的人工拍动翅膀的碳纤维棒作为骨架和聚酯膜作为皮肤。结果表明,羽毛翅膀能产生更大的升力比相同的膜翅拍动运动学,因为羽毛翅膀羽毛在一击之间可以有槽过程中,主要是减少负升力。同时,功耗也显著减少,由于减少周期性的升程曲线的波动范围,减少电梯的抵消消费。同时,生成的手臂羽毛翅膀和膜翅彼此相似,从而增加随着扑动频率的增加。一般来说,羽毛翼的气动性能是优于膜的翅膀。
扑飞行被认为是潜在的改善时效率低
的空气动力学FMAVs几乎是由拍动翅膀,几何学图形,运动学,变形的举止。扑飞行,弹性变形对推力的一代具有重要影响。有一些网络把生成的一个刚性拍打运动;刚性翼所产生的推力是远远低于灵活的翅膀。空气动力学和弹性变形相互联系紧密;他们的关系是一个关键的设计一个高效的扑翼(
弹性变形可以分为两类。一种变形被动,像大多数FMAVs Nano蜂鸟(
昆虫的翅膀运动学完全取决于肌肉的翼根。这是类似于大多数FMAVs;翅膀拍打在根的驱动机制。所有的变形翼是被动的。大量的调查发表关于昆虫的翅膀。他们表现出明显的变形在和弦和span-wises [
鸟,翅膀可以做一些复杂的运动由于骨骼结构像人类的武器,如扭转、弯曲或折叠。也就是说,鸟类翅膀的输入运动是更复杂的比昆虫翅膀。然而,如果你看看外面的部分和后面的翅膀的一部分,称为初选和次要的
一般来说,鸟和昆虫飞部分相似的方式;的输入运动礼仪的差异。也就是说,被动变形主要决定了空气动力学。如果我们想要有一个优秀FMAV,灵活的结构设计和运动学应该小心。
鸟类的翅膀覆盖着羽毛,这必须有一个非常重要的影响效率高。鸟翼的肌肉很难模仿或使用。羽毛是相对容易获得,比如鹅或鸭的翅膀羽毛。目前,碳纤维棒和聚酯薄膜是一种常见的选择扑翼,轻质量,弹力好,强度高。碳纤维的羽毛杆比较,我们可以发现羽毛有一个完美的结构。羽毛角蛋白,弹性,光,和强大的。这是一个圆柱形管截面在他们的基地。
来研究想法:是否FMAV将有一个更好的性能时,翅膀覆盖着羽毛。因此,羽毛的翅膀和测试并与聚酯膜。
扑机制由伺服电动机、减速器、架、杆、齿轮、摇臂、连接板、和安装框架,以最大水平和垂直尺寸53毫米和62毫米,分别如图
扑机制。
作为直接输出功率组件,直接驱动电动机的性能通常是确定一套完整的拍打机制的性能。2057年代德国Faulhaber一系列选择伺服电动机作为驱动电动机。
电机采用双极的设计。使用信使,中空玻璃、倾斜绕组,转子绕组使它获得高功率、高动态性能的范围内小尺寸和轻量级。电机可以实现复杂的数字通信通过can总线和控制。内部控制模式可以控制速度和位置精确、迅速,因为闭环控制。
由于内部集成的各种传感器,电机可以返回实时位置,速度、电流、电压等参数在运行的过程中。同时,电机有一个行星齿轮减速器不回差的减速比43:1。输出速度和拍打频率是一致的;因此,不需要额外的齿轮减速器设计。
拍打机制采用四连杆的设计。马达驱动器输出板,连接杆摇杆扑在齿轮传动。有几个洞来控制拍动幅度;每个am-hole都有不同的距离输出板的中心,和不同的am-hole实际上代表一个不同的曲柄长度。
产生的气动力扑翼很小的绝对值和周期性的交变力测量的特殊要求。普通的六个组成平衡总是困难实现小范围测量和糟糕的动态响应。例如,盒式平衡有很大的规模,这将会对气动干扰性能;杠杆平衡刚度小,这可能会引起振动的周期性负载下不利于测量扑翼。
Nano17 si - 12 - 0.12力和扭矩传感器的ATI公司选为扑翼的平衡实验。这些系列传感器微枢纽轮辐设计,高强度不锈钢和钛合金应变分量,并采用灵敏度高硅应变计。适用于微型扑翼风洞实验范围相对较大,体积小,灵敏度高,响应速度快,大的刚度。平衡已经应用于多个微扑翼由几个研究小组测试。传感器的一些关键参数如表所示
Nano17传感器的参数。
| 力和扭矩传感器 | 组件 | 范围 | 决议 | 刚度 |
|---|---|---|---|---|
| Nano17 |
外汇 | 12 N | 1/320 N | 8.2×106 N / m |
| 财政年度 | 12 N | 1/320 N | 8.2×106 N / m | |
| Fz | 17 N | 1/320 N | 11×106 N / m | |
| Tx | 120年Nmm | 1/64 Nmm | 240海里/ rad | |
| 泰 | 120年Nmm | 1/64 Nmm | 240海里/ rad | |
| Tz | 120年Nmm | 1/64 Nmm | 380海里/ rad |
我们测试两种拍动翅膀。一个是由碳纤维和聚酯膜,如图
膜翅(左)和羽毛翅膀(右)。
空气动力性能和相应的两种拍动翅膀的力量测试在不同频率没有风。这个状态对应于实际情况,可以认为是一个盘旋飞行状态,属于一种特殊的扑翼飞行包线的状态。这个实验的目的是为了测试他们的基本性能比较。每个实验三次,记录和分析了三个数据的平均值。拍动幅度为61.0度从上到下。
的平均升力、推力和消耗功率随的两个翅膀拍动频率图所示
平均力量和力量对比的羽毛翅膀和膜翅。
电梯和推力测量部队的两个组件。模型安装水平。根据传统的定义,在垂直方向的力叫做电梯,并在水平方向上的力称为推力。事实上,两者的合力是向量扑翼产生的力量。在这无风的情况下,没有流引起的气动升力,因此,测量产生的力量完全拍动翅膀。一个飞行器可以合力大于重力时徘徊。
实验中使用的电源是电力,这是由电流乘以电压。的权力实际上是被整个系统,包括机制和马达。考虑到能耗相关的机制和电动机也是翼载荷和机制和电机试验系统的一部分,也用于分析最后总功率。
由于chord-wise曲面的两个翅膀,拍打翅膀产生纯正面提升对于对称拍打运动。然而,羽毛翅膀比膜产生更大的升力翼尤其是拍动频率大于4赫兹如图
周期性曲线的升力、推力和消耗功率在拍动周期在7赫兹频率如图
期刊力量和力量对比羽毛翅膀和膜翅。
升程曲线的周期,羽毛的升力翼小于膜翼向下的过程中,但在一击过程相反。在整个扑期间,增加的数量大于下降的,所以总升力增加的羽毛翅膀。羽毛翅膀的波动范围很小,膜的翅膀。
推力曲线,羽毛翅膀的推力小于膜翼向下的过程中,但在一击过程相反。然而,在整个期间,增加和减少的数量几乎是相同的。
消耗功率曲线,羽毛翅膀的力量小于膜翅的在整个拍动周期;这主要是因为电梯羽毛翅膀的波动范围小,以降低功耗。
整个过程用高速摄像机拍摄。两个翅膀,可以观察到明显的变形在整个扑的过程。的最大变形和发生同样的时间。两翼之间的主要区别是发生在一击;之间存在着明显的差距发生相邻的羽毛,羽毛翅膀如图
弹性变形的羽毛翅膀拍动周期。
照片,后缘变形的羽毛翅膀有点大于膜的翅膀,因为羽毛非常薄的后缘及其刚度连续变化。这个特性使得升降波动的范围少,这是一个人造材料不能做的事情。这是电梯下降幅度导致减少消耗功率。
考虑惯性力的影响,测量机翼骨架的功耗。我们做了以上两个拍动翅膀的翼骷髅测试。羽毛翅膀的框架是通过削减双方的羽毛,只保留中间的轴的每一根羽毛。
纯气动力的骨架非常小,可以忽略。能源消耗的骨架扑被认为是能源消耗的惯性力。机翼骨架的能耗不同频率图所示
翼骷髅的功耗,视为惯性力的功耗。
由于翅膀的一个布局研究的局限性,我们还设计和生产不同的扑翼的布局比较,如图
验证的另一个扑翼的布局。
在相同的实验参数,测试结果的新布局如图
力量和力量对比的羽毛翅膀的翼膜其他布局:(a)期刊平均结果和(b)的结果。
这项研究的结果是按照“软百叶帘效应”(
因为我们没有获得最优气动布局的两种类型的拍打翅膀,本文并不研究最佳的羽毛翅膀和最优膜翅。因为两种之间的不同机制拍打翅膀,也许,最优羽毛翼布局不符合最优膜翼布局。然而,通过本文的研究,在某种程度上,它可以解释说,在同样的布局,羽毛翅膀有更好的空气动力学性能和动力特性的膜。
扑翼的空气动力学被羽毛覆盖设计和实验测试。在扑翼的羽毛就像鸟儿的翅膀的安排。在两个相邻的羽毛,翼尖附近的一个是下面的,上面的一翼根附近。因为羽毛是相互独立的,会有差距的两个相邻羽毛当气动压力达到一定程度。
的翅膀拍打在翼根附近地区的翼尖已经大范围运动和相应的气动压力比翼根附近的区域,导致更大的翼尖附近的变形。
向下的过程中,安排的方式使得整个机翼表面。然而,在上行过程中,出现羽毛之间会有差距,让空气通过和相应减少一击期间产生的负升力,从而导致整个平均升力增加拍动周期。同时,升程曲线在一个周期的波动范围减少,也降低了消耗功率。
根据实验的结果,生成的手臂有羽毛的翅膀和膜翅几乎是相同的。他们会随着扑动频率的增加而增大。这一现象表明,推力主要拍动频率有关。
相反的情况相同的推力,羽毛翅膀可以产生更大的升力和消耗更少的能量;这意味着羽毛翅膀能飞的飞机更容易,长耐力。由于更大的升力,攻角可以减少在巡航阶段,并相应减少了阻力;的能耗进一步降低。
羽毛翅膀也有一个缺点。因为一双翅膀的羽毛并不相同的鹅,但从市场买的,他们有可怜的对称。一对翅膀,它需要仔细挑选,有几乎同样的两个羽毛。同时,手工生产的过程也带来了一定的误差。
本文的结果表明,天然羽毛优于人工膜。禽类的羽毛是容易获得和廉价使用改善FMAV的性能。它还提高FMAV的外观和看起来更像一只鸟在空中飞。
作者宣称没有利益冲突。
这项研究得到了国家自然科学基金(拨款11402208和U1613227)。