賈雅琪，孔繁朋，李曉丹，王 冰

(遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

0 引言

不久的將來，低空領(lǐng)域會在國內(nèi)開放，這無疑是小型飛行器一個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇。而仿生撲翼飛行器的研究則是小型飛行器相關(guān)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)[1]。

近幾年，關(guān)于撲翼飛行器的研究和制作已經(jīng)有了長足的進(jìn)展[2]。仿生飛行器是區(qū)別于固定翼飛行器、旋轉(zhuǎn)翼飛行器的另一類飛行器，其飛行原理來源于自然界中鳥類、昆蟲的飛行方式。在過去很長一段時(shí)間內(nèi)，人們更加認(rèn)可固定翼飛行器與旋轉(zhuǎn)翼飛行器。但目前看來，仿生翼飛行器在某些場合的使用中相較于固定翼飛行器與旋轉(zhuǎn)翼飛行器具有明顯的優(yōu)勢。例如在軍用偵查使用中，固定翼飛行器、旋轉(zhuǎn)翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)是飛行速度快，但不足之處是隱蔽性差；仿生翼飛行器不僅隱蔽性好，更是同時(shí)具有懸停、推進(jìn)、舉升等功能，具有較強(qiáng)的機(jī)動性[1]。

本文將在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，利用撲翼系統(tǒng)來代替以往的噴氣式發(fā)動機(jī)、旋轉(zhuǎn)翼來為飛行器提供動力，并基于前人關(guān)于仿生飛行器的設(shè)計(jì)思路去設(shè)計(jì)一款仿生鳥，從仿生鳥的總體結(jié)構(gòu)來看，只采用了一套撲翼系統(tǒng)，目的是在保證功能的前提下盡量減輕仿生鳥的重量，使之更加靈活可控。

1 仿生鳥偵查飛行器設(shè)計(jì)

1.1 對鳥類及仿生鳥飛行的分析

大部分鳥類在飛行過程中有一個(gè)共同的特點(diǎn)：翅膀和尾翼總是周期性地協(xié)同工作，即鳥類的飛行過程是由多個(gè)周期飛行動作所組成，而每個(gè)周期中的飛行動作又可分為翅膀下?lián)?、翅膀合攏、翅膀上撲、翅膀平展4個(gè)階段[3]。其中，翅膀下?lián)渲傅氖且?、二段翼共處于一個(gè)平面，自上向下?lián)鋭?；翅膀合攏指的是一段翼保持原狀態(tài)，二段翼向下折疊；翅膀上撲指的是一段翼向上撲動，二段翼保持原狀態(tài)；翅膀平展指的是一段翼撲動至極限處，二段翼向上撲動至與一段翼共處同一平面。

由于翅膀下?lián)涫秋w行過程中產(chǎn)生升力的主要動作，因此翅膀下?lián)涫秋w行動作中的重要部分。通常情況下，一個(gè)飛行動作周期中的60%～80%時(shí)間是用于翅膀下?lián)?，而主要作用是翅膀?fù)位的上撲動作在時(shí)間上便有明顯縮短[1]。

根據(jù)對鳥類飛行動作的分析可知，仿生鳥的動力來源是空氣對飛行器的反作用力。從簡單的飛艇入手分析，飛行器能夠上升是由于空氣對其豎直向上的推力大于自身的重力。飛行器若想前進(jìn)，必須還得有一個(gè)水平的推力，這樣飛行器才能完成基本的飛行。如固定翼飛行器，一般由噴氣式發(fā)動機(jī)工作以提供水平方向上的推力，而流線型機(jī)翼在高速氣流的作用下產(chǎn)生升力；再如直升飛機(jī)，由旋轉(zhuǎn)翼高速旋轉(zhuǎn)以提供升力，旋轉(zhuǎn)翼與水平面的夾角產(chǎn)生的分力作為推力。因此，撲翼飛行器必須同時(shí)獲得足夠的空氣對其在水平和豎直方向上的反作用力，即升力和推力，才能完成簡單飛行。

1.2 仿生鳥偵查飛行器方案設(shè)計(jì)

結(jié)合鳥類飛行動作中的幾個(gè)階段以及對仿生鳥飛行過程中動力來源的分析，使用SolidWorks軟件建立了仿生鳥的三維模型并進(jìn)行了運(yùn)動仿真，設(shè)計(jì)出一款飛行靈活、善于隱蔽，能夠在多種特殊場合投放使用的仿生鳥偵查飛行器。

該仿生鳥偵查飛行器能夠通過電機(jī)帶動曲柄搖桿等機(jī)構(gòu)來模仿鳥類飛行動作以完成基本的飛行，能通過控制舵機(jī)以控制機(jī)翼與尾翼和空氣的接觸面積來完成轉(zhuǎn)向、俯仰等動作。由于偵查型仿生鳥對隱蔽性的要求高，因此，僅采用一套撲翼系統(tǒng)及相關(guān)部件完成飛行動作，4個(gè)舵機(jī)及相關(guān)部件完成轉(zhuǎn)向、俯仰等動作，大大降低了仿生鳥的重量。

1.3 仿生鳥偵查飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生鳥偵查飛行器主要由機(jī)身、機(jī)翼和尾翼等組成，如圖1所示。

1—機(jī)身；2—尾翼；3—機(jī)翼。

1.3.1 撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

撲翼機(jī)構(gòu)采用平面曲柄復(fù)合雙搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

1—翼?xiàng)U；2—齒輪組；3—曲柄復(fù)合雙搖桿機(jī)構(gòu)。

撲翼動作的實(shí)現(xiàn)過程涉及的部分為電機(jī)—齒輪—曲柄搖桿機(jī)構(gòu)—撲翼，由電機(jī)產(chǎn)生動力帶動齒輪，曲柄設(shè)計(jì)為與齒輪固連以帶動搖桿及其相連的撲翼進(jìn)行運(yùn)動。曲柄滑塊或凸輪彈簧等機(jī)構(gòu)雖能產(chǎn)生仿生鳥所需的撲翼運(yùn)動，但曲柄搖桿機(jī)構(gòu)磨損較小、傳動效率高[1]。根據(jù)對鳥類飛行機(jī)構(gòu)的分析可知，驅(qū)動撲翼的傳動部分需要具有某種急回特性，因此選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)。為使飛行器在飛行過程中能夠保持穩(wěn)定，所設(shè)計(jì)的傳動部分中心軸線對稱，能夠保證飛行過程中重心處于中心軸線上。

當(dāng)仿生鳥偵查飛行器飛行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動，與電機(jī)連接的主動齒輪轉(zhuǎn)動，主齒輪帶動與之嚙合的副齒輪和一對從動齒輪，通過一系列的傳動比轉(zhuǎn)換，獲得最合適的速度與扭矩，從動齒輪上安裝有曲柄，曲柄連接曲桿，組成曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)，從而控制機(jī)翼繞主關(guān)節(jié)撲動，提供飛行過程中所需的升力及推力[4]。

1.3.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

使用舵機(jī)去控制仿生鳥的機(jī)翼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

1—主機(jī)翼；2—舵機(jī)；3—翼?xiàng)U。

尾翼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用舵機(jī)進(jìn)行控制，如圖4所示。

1—舵機(jī)；2—曲桿；3—尾梢。

在仿生鳥偵查飛行器轉(zhuǎn)向過程中，通過舵機(jī)控制曲桿長短，來調(diào)節(jié)撲動幅度，機(jī)翼末端轉(zhuǎn)向舵機(jī)與尾部轉(zhuǎn)向舵機(jī)，推動轉(zhuǎn)向桿，帶動尾翼轉(zhuǎn)動塊轉(zhuǎn)動角度，從而控制機(jī)翼、尾翼和空氣的接觸面積，達(dá)到仿鳥類轉(zhuǎn)向與俯仰。

1.4 仿生鳥偵查飛行器蒙皮工藝

依據(jù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算出的結(jié)果，對比了使用剛性蒙皮的撲翼與使用柔性膜蒙皮的撲翼在下?lián)鋭幼髦挟a(chǎn)生的升力。根據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，使用了柔性膜蒙皮的撲翼雖然在升力的產(chǎn)生方面與剛性蒙皮的撲翼區(qū)別不大，但柔性膜蒙皮的撲翼能夠增大推力，即改善了撲翼飛行器的氣動性能。

在蒙皮工藝方面，在仿生鳥偵查飛行器的主機(jī)翼與近主機(jī)翼及尾翼上貼上復(fù)合薄膜，模擬羽毛和柔性翼結(jié)構(gòu)，且重量輕，與空氣接觸面積大，使推重比增大，更容易飛行[5]。

2 仿生鳥偵查飛行器運(yùn)動仿真

使用SolidWorks的運(yùn)動仿真功能對仿生鳥偵查飛行器進(jìn)行了仿真。仿生鳥偵察飛行器的飛行過程并不復(fù)雜，本次仿真主要針對仿生鳥的飛行動作過程。運(yùn)動仿真過程中，部分重要的動作如圖5所示。

圖5 仿生鳥偵查飛行器飛運(yùn)動仿真圖

由圖5可知，仿生鳥偵查飛行器飛行時(shí)的飛行動作與鳥類的飛行動作相似，且在結(jié)構(gòu)上并無干涉，即設(shè)計(jì)方案可行。

3 結(jié)語

通過SolidWorks軟件對仿生鳥偵查飛行器的三維建模與運(yùn)動仿真，仿生鳥偵查飛行器原理可行，在運(yùn)動時(shí)，結(jié)構(gòu)上并無干涉。若應(yīng)用于軍事方面，仿生鳥偵查飛行器能夠探查敵情、目標(biāo)追蹤；若應(yīng)用于日常生活中，仿生鳥偵查飛行器能夠完成對環(huán)境或?yàn)?zāi)情的監(jiān)測、考察，有著不錯的應(yīng)用前景。