鸟类飞翔能力物理模型研究

鸟类飞翔能力物理模型研究

张灿熙  ,梁馨仪  ,刘丰源

摘要：鸟类的翅膀及其飞翔能力可以被用来研发仿生飞行器。而各类仿生飞行器的整体性能取决于物理模型的设计和各组成部件的研发，为推进鸟类仿生飞行器的研发和创新，首先，对鸟类飞行及其动力进行了阐述，然后对鸟类飞行的物理模型进行了分析和设计。

关键词：鸟类；飞行器；仿生；物理模型

目前市场上的飞行器包括仿生飞行器，固定翼飞行器和旋翼飞行器。与传统的固定翼飞行器和旋翼飞行器相比，仿生扑翼飞行器的主要特点是翅翼在扑动时能同时产生升力和推力，与此同时还具有效率高、机动性能好、噪音小、不需要专门起飞着陆场地等多个特点。

1. 鸟类飞行及其动力

绝大多数鸟类能够飞行，它们主要依靠翅膀产生动力。飞行过程中，鸟类所受的力包括升力和重力、驱动力和空气阻力。当各个作用力处于平衡状态时，鸟类就会在同一高度上向前匀速飞行；当竖直方向上作用力的平衡被打破时，鸟类的飞行高度会发生改变；当水平方向上作用力的平衡被打破时，鸟类向前的飞行速度会发生改变。鸟类在飞行中，主要依靠身体上下表面的压力差来提供升力。[1]。

2. 鸟类扑翼飞行物理模型的分析
   1. 扑翼飞行方式对扑翼驱动系统的要求

仿生扑翼飞行器研究的核心内容就是采用何种方式使飞行器产生足够的升力和推力来平衡自身重力和空气阻力，以实现在空中机动的飞行。而这其中最为核心的结构即为驱动机构[3]。本文的驱动机构的设计需达两项最基本的要求：（1）可以驱动翅翼进行周期性大振幅的高频扑动来产生尽可能大的空气动力；（2）尽可能小的尺寸和尽可能轻的材料及简单的结构最终的目的是减少摩擦和能耗[4]。

2.2 仿生扑翼飞行器的驱动方式的分析与选择

大自然中，昆虫和鸟类采用的飞行方式是三维的、立体的，翅膀的运动存在着拍打、摆动和扭转这三种方式。在分析和设计驱动机构时，需对扑翼飞行的运动方式进行一定的简化，倘若设计能够实现三个自由度的驱动机构，将使得整个驱动机构变得相对复杂，也增大驱动机构的质量；另外也难实现高频的拍打运动。

3. 鸟类扑翼飞行物理模型的设计

3.1减速器的设计

扑翼飞行器扑动的频率较高，负载较大，作用力臂较长，直接采用微直流电机无法直接驱动扑翼机构。扑翼的驱动机构与电机之间需加上具有一定减速比的齿轮减速机构，通过牺牲一定的转速来增大驱动转矩。为能容易地将输入杆与减速机构联接，将输入杆的设计成旋转杆的形式，即齿轮传动。齿轮传动形式不仅易于实现，且容易与减速机构匹配。而在这其中两级展开式圆柱齿轮减速器（如图 3-3）因为结构简单、加工制作容易所以得到了广泛的应用。但是由于齿轮相对轴承的位置是不对称的，所以选择加工齿轮轴的材料应该具有较大的刚度。选择齿轮分布时，高速级齿轮应当分布在远离转矩的输入端，如此布置，齿轮轴在转矩作用下产生的扭转变形可以减弱齿轮轴在弯曲变形中所引起的载荷沿齿宽分布不均匀。通常用于载荷相对平稳的场合，传动比的选择范围为8-60。在设计展开式的两级圆柱齿轮减速器的同时，需要制造两级齿轮的配对所选择的材料要相同，齿宽系数也要相等，也需要令齿面接触强度大致相等，按如下式分配可求解传动比。

                      （3-1）

                   （3-2）

式中：和分别是高速级和低速级的齿轮传动比；是减速器的传动比。

两级展开式圆柱齿轮减速器中均由渐开线标准圆柱齿轮构成，其中压力角，优先选取模数为第一系列的标准值，为了避免啮合过程中产生了根切的情况，齿轮的齿数必须不小于17。

图3-1 二级圆柱式齿轮减速器简图

设二级齿轮减速器的中心距为：

             （3-3）

由设计要求可知是以最小值为优化的目标，在综合考虑减速器的传动功率、转速，是否可以满足短期时间内的过载，小齿轮的分度圆的尺寸不能小于直流电机的输出轴，高速级的齿轮与低速级大齿轮直径要相近，齿轮不能与电机输出轴发生干涉这一系列约束条件：

          （3-4）

上述约束条件中：分别为高速级和低速级齿轮模数；分别为高速级和低速级小齿轮的齿数。依据所设计的传动比，经过参数的优化与圆整后得到齿轮减速器设计的参数如表3-1：

表3-1 齿轮减速器设计的参数

3.2扑翼驱动机构的建模与设计

随着计算机技术的不断发展，计算机辅助设计已经越来越多地应用于多个设计领域。目前，这项设计技术已经突破了早期的二维图纸电子化的框架，转而实现了三维实体建模、动力学的模拟仿真，以及有限元分析为主的虚拟样机设计。通过虚拟样机设计技术，可以在设计阶段就能预测出产品的性能，从而优化产品的设计过程，缩短产品的设计周期，进而可以达到节约研发费用的目的。

总结

基于鸟类独特的飞翔能力，设计了鸟类扑翼飞行的物理模型，该模型能够对鸟类的飞翔能力进行仿生模拟，通过选择合适的驱动方式，科学的设计扑翼飞行器的各部件，可以实现扑翼驱动机构的建模和装配，为其他仿生扑翼飞行器的设计提供参考。

参考文献：

[1]李佩. 仿生扑翼飞行器气动特性研究及结构设计[D].沈阳工业大学,2021.

[2]陈默. 仿生扑翼飞行器系统设计及运动学研究[D].吉林大学,2021.

[3]郭梦辉. 仿生扑翼飞行器结构设计及气动特性研究[D].沈阳理工大学,2020.

[4]朱霖霖. 仿生鸟自主飞行的数值模拟与控制[D].大连理工大学,2016.