微型扑翼机器人的结构仿生优化与系统一体化设计

The flapping wing micro robot has been paid highly attention in recent years because it has several advantages such as highly mobility, flexibility and good concealing. However, at present this kind of robot in the energy supply cannot meet the needs of long time flight and simple bionic design of the flapping wing micro robot also has been unable to meet the practical needs..Therefore, this project intends to investigate the energy supply, structure integration design and bionic structure optimization research for the flapping wing micro robot. First, by establishing the digital modeling of insect flapping flight, we proposed the bionic design methods and evaluation standards of insect imitation the flapping wing micro robot; Then, research high energy density fuel cell power system to achieve internal fuel cell power system miniaturization and integration; Finally,designreference mathematical model of insect, exploring the configuration of the robot body and the wings structure of bionic optimization design . Experiments will also be put forward in order to verify the theoretical methods..The results of the project are significant for providing the theory instruction in the current research of the flapping wing micro robot, which can improve the flapping wing micro robot flight ability and practical application, break through the key issue of long time flying of flapping wing micro robot without AC power. The project is also beneficial to enriching the research theories of the flapping wing micro robot and promoting the miniaturization of the flapping wing micro robot

微小型扑翼飞行机器人具有高度机动性、灵活性和隐蔽性好的优点，但目前此类机器人在能源供给方面无法满足长时间的飞行需求，并且单纯对微型扑翼式飞行机器人进行仿生设计，也已经无法有效地提高微小型扑翼飞行机器人的整体性能。.为此，本项目拟针对微型扑翼飞行机器人在能量供给、结构一体化设计、仿生结构优化等方面的问题展开研究。通过建立昆虫振翅飞行的数字化建模，提出仿昆虫微型扑翼机器人的仿生设计方法与评价准则；研究具有高能量密度的燃料电池能源系统，实现燃料电池能源系统内部的小型化设计；探索基于仿生的微小型机器人整体结构的一体化设计与再优化方法；进而研制微小型扑翼机器人原理样机系统，验证上述设计理论与方法的正确性。.预期成果将为微小型扑翼飞行机器人的一体化设计提供理论指导，突破微小型扑翼机器人“无尾”长距离飞行的瓶颈，具有重要的理论研究价值与实际意义。

目前反恐侦察等特殊领域对机器人多区域多障碍环境下侦察探测的应用需求在日益增加，尤其是对复杂未知狭小空间侦察探测作业能力的强烈需求，亟需在复杂环境下隐蔽性强、机动性能好、操作灵活及高效率能源供给系统的微型飞行器。 .目前具备侦察探测能力的飞行器一般分为固定翼、旋翼以及扑翼飞行器三种。固定翼飞行器难以实现小型化，灵活性较差，并且不能实现悬停飞行定点侦察，因此很难实现复杂狭小空间环境作业；旋翼飞行器具备空中悬停能力，但是其能量利用率低，巨大的噪音与机体构造导致了其隐蔽性较差，难以执行隐蔽性高的侦察探测任务；而微型扑翼飞行器具有隐蔽性强、能量利用率高、机动性好、可定点悬停的优点，可执行复杂狭小未知环境下的侦察探测任务。.本项目设计了一种微型仿生扑翼飞行器，以昆虫的Clap-Fling高升力产生机制作为仿生机理，以独角仙作为仿生对象。利用高速摄像机平台对独角仙的飞行过程进行了实验观测，并分析了其在飞行过程中的运动形式，确定了飞行器总体设计方案，完成了扑动机构的仿生设计，建立了其运动学模型并进行了仿真分析，对昆虫的飞行姿态变换进行了分解并确定了本文扑翼飞行器的姿态控制方案，完成了驱动系统的选型与计算，通过实验分析确定了最优翼形布局，搭建了飞行器整机动力学模型，最终完成了微型扑翼飞行器样机的研制，并开展了实验研究，验证了系统设计的有效性。以轻量化小型化为目的优化了现有燃料电池组的结构，设计了基于氢化锂与水反应产氢的燃料生成与反馈系统。本文所设计的微型扑翼飞行器样机体型微小，结构简单，可以实现升降、滚转、俯仰以及偏航4个飞行动作的控制，机动灵活性较高。相关的仿生设计方法及理论研究成果为微型扑翼飞行器的样机研制及长航时飞行任务需求奠定了理论基础，对微型扑翼飞行机器人的设计发展和应用有着重要指导意义。