撲翼
關注創建者：laplacianFoam 創建時間：2020-07-04
撲翼的實例教程
作者：劉錦波，特立書院
背景知識
撲翼飛行器背景介紹
撲翼飛行器，是指像鳥—樣通過機翼主動運動產生升力和前行力的飛行器，又稱振翼機。人們的飛天夢想就是從模仿鳥類的撲翼機開始的。撲翼機以它無需跑道、機械效率高等優點吸引了人們的注意，但由于目前對撲翼空氣動力學研究不足、材料和結構研究較少等，發展尚不成熟。但正因為不夠成熟，出現了政府、民間、專業、業余呈百家爭鳴的局面。只要完成對幾大難點的破解工作，撲翼飛行器的上天便指日可待了。
撲翼飛行器早期歷史研究
人類對撲翼飛行器最早的創意可以追溯到古希臘工匠代達羅斯和他的兒子伊卡洛斯，而最早文字記載的撲翼飛行器出自《漢書·王莽傳》。而最早符合現代工程學的撲翼飛行器設計圖的出現則直到文藝復興時期，由意大利畫家達·芬奇模仿鳥類飛行而繪制的。1874年，法國科學家馬雷以連續拍照的方式記錄下了鳥類在撲翼時的復雜動作，以當時的技術水平是不可能完成的。
1878年倫敦博覽會上，兩架撲翼機首次獲得展示。當時考夫曼設計的帶有蒸汽機的撲翼機方案引起了人們的極大興趣；英國人哈爾格萊夫制成了一架帶有發動機的撲翼機實用模型；德國人李林塔爾研制的撲翼機上裝了一臺小型發動機，為人力提供輔助力量；他們的理論和實踐成為撲翼機發展史上重要的里程碑。
早期人類對撲翼機的探索可謂不遺余力，但由于空氣動力學、控制裝置的研究尚不成熟，制作撲翼機的材料也比較單一，撲翼機的研究進展并不順利。隨著現代電子計算機、新型復合材料、控制技術等高科技領域的迅速發展，研制撲翼機也有了新的動力。
人類對撲翼飛行器最早的創意可以追溯到古希臘工匠代達羅斯和他的兒子伊卡洛斯，而最早文字記載的撲翼飛行器出自《漢書·王莽傳》。
展開 根據翼展和機身質量，所有常見的FWAVs通常可分為微型級飛行器（Micro Air Vehicle，MAV，翼展<1 m，質量<2 kg）、納級飛行器（Nano Air Vehicle，NAV，翼展<75 mm，質量<10 g）和皮級飛行器（Pico Air Vehicle，PAV，翼展<50 mm，質量<500 mg）［8］。MAV尺度撲翼飛行器可定點盤旋，部分能實現懸停及豎直飛行；NAV尺度基本以小型鳥類和大型昆蟲作為研究對象，能實現懸停和垂直起降；PAV尺度以昆蟲作為研究對象，目前可實現克服重力起飛，但距離完全自主飛行仍有較大差距。本文將根據不同尺度類別對世界上著名研究機構的撲翼飛行器進行介紹。
2.1 MAV尺度下的懸停撲翼飛行器
MAV尺度下的懸停飛行器根據翅膀布局分為八翅撲翼、四翅撲翼和雙翅撲翼。多翅撲翼載荷更大，飛行時間更長，具備靈活飛行的潛力，在世界范圍引起廣泛關注。荷蘭代爾夫特大學在2018 年模仿果蠅的飛行特點制作了一種連桿驅動四翅撲翼飛行器［9］。盡管最終的樣機尺寸是果蠅的55倍，但該款飛行器可以成功模仿果蠅靈活的飛行機制。該樣機質量為28 g，翼展為33 cm，翅膀長度14 cm，懸停時撲翼頻率約為17 Hz，能實現7 m/s的最大速度和4 m/s的側向飛行。如圖1所示，樣機由左右兩套撲翼機構組成，每套撲翼機構由一個電機驅動，電機通過減速齒輪將動力輸出至兩個曲柄上，通過曲柄搖桿機構實現每套撲翼機構上的兩個翅膀的往復運動。
展開 撲翼控制方法
撲翼飛行器的自主飛行離不開姿態控制及位置控制。
與傳統的固定翼和旋轉翼飛機不同，撲翼飛行器姿態的控制主要依靠撲翼運動方式的改變，并配合尾翼的輔助調節。撲翼控制方法可以分為主動或被動兩類，能控制機翼滾轉、俯仰和偏航運動。
（1）機翼旋轉調制（被動）：空氣動力產生機翼推動，使其與氣流對齊。機翼在空氣動力和慣性載荷下的無限運動受到兩個可調節止動器的限制。撲翼飛行器的攻角由機翼旋轉角的變化控制，從而影響升力和阻力參數。但存在機翼效率降低、噪聲和控制精度問題。
（2）機翼扭轉調制（主動）：基于扭轉對升力和阻力參數的影響原理，通過控制俯仰實現。柔性翼膜是被動變形的，但扭轉分布是通過擰緊/松動膜來控制的。翼膜附著在一個剛性的前緣上，翼尖的角度被調節以收緊或松開翼膜，以改變在中間沖程附近的膜的松弛度。從而產生扭轉、俯仰和偏航力矩。主要優點是使用較小的控制輸入，即可產生有效力矩。
撲翼控制方法示意（Nano Humming Bird頂視圖）
（a)機翼旋轉調制；（b）機翼扭轉調制。
左翼的攻角比右翼高于右翼，飛行器向右旋轉。
兩翼在行進方向前部增加攻角，飛行器俯仰。
展開 Johansson 表示，他們制作了兩種機械翼，一種是輕木制成的直角三角翼，另一種是乳膠薄膜翼，通過伺服發動機和 Arduino? 板控制。機械翼側面裝有鉸鏈，使其能夠旋轉和合攏。
柔性薄膜可以在合攏過程中形成杯形，而不易彎曲的輕木則不會，如此一來就可以對比性能，單獨研究杯形的作用。
Johansson 說，通過生物學家的風洞試驗和實驗室的機械翼試驗，他們對蝴蝶飛行動力學的認知取得了關鍵進展，并了解到如何加以重現。
他表示，他們發現，與輕木翼相比，柔性薄膜翼在撲翼過程中的推力和效率要高出 25%。他們還發現，蝶翼的上撲和下撲在飛行中各自發揮著不同作用。
“下撲可以產生垂向力，上撲及合攏則可以產生推力，”Johansson 說，“和大多數飛行一樣，垂向力占主導。在蝴蝶的飛行中，垂向力是推力的 9.4 倍。”
柔性翼可以提高撲翼推力和效率。（圖片所有權：L. C. Johansson 和 P. Henningsson）
該團隊的完整研究成果發表于英國皇家學會期刊《界面》（https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2020.0854）。
Johansson 和 Henningsson 都沒有正式學習過 MATLAB，因此，Johansson 表示，軟件的便捷性、靈活性和易用性都對他們的研究工作起到了很大幫助。
“到目前為止，MATLAB 是對我們這個項目最有用的工具。”Johansson 說。
飛越蝴蝶
成功揭秘蝴蝶飛行后，Johansson 想要嘗試將這一方法更廣泛地運用于其他生物的飛行建模，包括鳥類、蝙蝠以及微生物。
早在人類之前，大自然就一直致力于讓飛行臻于完美。
展開 1 UDF說明
在本研究中采用重疊網格模型對撲翼機撲翼運動進行模擬。本案例選擇DEFINE_CG_MOTION進行定義，omega[0]代表z軸旋轉方向，本案例設計翼型上下擺動18°，相關的UDF代碼如下：
C
#include "udf.h"
#include "mem.h"
#include "dynamesh_tools.h"
DEFINE_CG_MOTION(pyj, dt, vel, omega, time, dtime)
{
NV_S(vel, =, 0.0);
NV_S(omega, =, 0.0);
omega[0]=0.314*cos(2*3.14*time);
}
2 workbench 設置
本案例需要設置如下三個模塊的計算，其中包括背景網格區域、前景網格區域與fluent計算三個部分，具體設置如下圖 ：
3 SCDM 設置
3.1 導入幾何
整體幾何結構如下圖:撲翼機翼型采用NACA0012，具體的幾何結構如下圖，x軸正向為壓力出口，負軸位速度入口，撲翼機表面為壁面，其余面位對稱面。重疊網格區域為內部圓柱區域。
撲翼機運動翼型命名為naca，靜止區域命名為bird。
4 Fluent Meshing 設置
4.1 網格設置
采用 SCDM 進行網格劃分，背景網格與前景網格皆采用六面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。背景網格如下圖所示：
前景網格如下圖所示：
5 FLUENT 設置
5.1 General設置與網格導入
首先導入背景網格，其次通過下圖所示的方法將前景導入。
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撲翼的最新內容
1 UDF說明
在本研究中采用重疊網格模型對撲翼機撲翼運動進行模擬。
最終設計撲翼機構的質量約為8.3 g，撲翼幅值為160°，撲翼頻率為23 Hz，測試得到14 gf的垂直升力，如圖7（c）所示，實現了撲翼機構克服重力起飛。
撲翼控制方法
撲翼飛行器的自主飛行離不開姿態控制及位置控制。
與傳統的固定翼和旋轉翼飛機不同，撲翼飛行器姿態的控制主要依靠撲翼運動方式的改變，并配合尾翼的輔助調節。
撲翼運動時受到的空氣阻力是時刻變化的，這也對撲翼機的動力系統提出了更高的要求。
其四是撲翼飛行器的控制策略和控制系統。目前撲翼機還沒有一種可以明顯服眾的控制系統設計。是僅靠撲翼完成變向和推進還是靠尾翼輔助調節，是一對撲翼還是多對撲翼，是整翼撲動還是部分翼撲動都還存在爭議（最后一項目前已經基本統一意見了，部分翼撲動明顯優于整翼撲動）。
他表示，他們發現，與輕木翼相比，柔性薄膜翼在撲翼過程中的推力和效率要高出 25%。他們還發現，蝶翼的上撲和下撲在飛行中各自發揮著不同作用。
“下撲可以產生垂向力，上撲及合攏則可以產生推力，”Johansson 說，“和大多數飛行一樣，垂向力占主導。在蝴蝶的飛行中，垂向力是推力的 9.4 倍。”
柔性翼可以提高撲翼推力和效率。（圖片所有權：L. C.
圖1 輕小型無人機測繪遙感系統組成
Fig.1 The composition of light-weighted and small UAV photogrammetry and remote sensing system
2.1 無人機測繪遙感系統
無人機飛行平臺按照翼形結構劃分包括固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機、傘翼無人機、撲翼無人機、無人飛船等（Gupta 等，2013）。
接近自然的仿真翅膀使BionicSwift的飛行軌跡要優于從前的撲翼驅動裝置，進一步節省驅動力和電池電量。
身材小巧，但功能卻一點不少。BionicSwift擁有用于羽翼拍打的緊湊結構和通訊技術，以及羽翼拍打、水平翼與尾翼所需的控制組件。
（二 ）推進無人機標準化
無人機行業內按照技術特征可分為固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機、復合翼無人機、傘翼無人機、撲翼（仿生）無人機、無人飛艇等。依據應用領域將無人機分為消費級無人機和工業級無人機，這兩者均屬于民用范疇。消費級無人機是直接面向于消費者的服務、娛樂用產品，主要功能是航拍。
（二 ）推進無人機標準化
無人機行業內按照技術特征可分為固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機、復合翼無人機、傘翼無人機、撲翼（仿生）無人機、無人飛艇等。依據應用領域將無人機分為消費級無人機和工業級無人機，這兩者均屬于民用范疇。消費級無人機是直接面向于消費者的服務、娛樂用產品，主要功能是航拍。
1/2撲翼重疊網格動網格仿真，帶全套操作視頻教程+全部網格文件+fluent計算文件
