一款模擬昆蟲飛行方式的微小型撲翼機

，

(1.大連東軟信息學(xué)院 電子工程系，大連 116023；2.中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司)

一款模擬昆蟲飛行方式的微小型撲翼機

高照玲1，周浩尚2

(1.大連東軟信息學(xué)院 電子工程系，大連 116023；2.中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司)

設(shè)計了一款模擬昆蟲飛行方式的微小型撲翼機，仿照蜻蜓的兩翼，直升機式尾翼，以STC15F2K60S2為主控芯片，應(yīng)用主流無線模塊來完成實現(xiàn)遙控仿生撲翼機的設(shè)計與制作，經(jīng)過實際測試能夠滿足飛行要求。

STC15F2K60S2；小型仿生撲翼機；單片機；空氣動力學(xué)

引 言

本文設(shè)計了一款模擬蜻蜓飛行的微小型撲翼機，以STC15F2K60S2為主控芯片，采用2.4 GHz無線通信模塊，采用貼片8050三極管來驅(qū)動空心杯電機，直升機式尾翼采用地平線舵機來控制轉(zhuǎn)彎及平衡。撲翼機骨架用細探桿構(gòu)建，翅膀采用塑料材質(zhì),這樣既能保證機身輕盈，又可以節(jié)約成本。

所謂撲翼機就是像鳥兒、蜻蜓、蝴蝶等生物一樣能撲動翅膀飛行的一種飛行器，根據(jù)其外形可以分為仿鳥撲翼和仿昆蟲撲翼。前者的撲翼撲動頻率低，需要翅膀面積大，類似于各種鳥類的飛行；后者的撲翼撲動頻率高，撲翼面積小。另外一點區(qū)別就是一般昆蟲有兩對翅膀，鳥有一對翅膀，從飛行的角度來說，昆蟲第二翅膀的作用和鳥尾翼作用類似，除了用于飛行還可以調(diào)節(jié)方向。撲翼飛行都是上下跳動飛行，沒有絕對的靜止，懸停也是相對的。那么可以發(fā)現(xiàn)中間的幾個關(guān)鍵參數(shù)，機身結(jié)構(gòu)及重量、損耗能量、上升能量等決定了能不能起飛及持續(xù)飛行，而環(huán)境因素(如風(fēng)力風(fēng)向、氣壓、濕度等)也必須加以考慮。

1 撲翼飛行過程

一般情況下，昆蟲在一個撲動周期內(nèi)大體可分解為如下三個階段。

(1)合攏和分開

圖1 翅膀打開合攏機制

1973年，丹麥科學(xué)家Torkel Weis-Fogh通過觀察小黃蜂的飛行過程，在仔細研究了昆蟲類生物振翅飛行資料的基礎(chǔ)上，提出了Clap-Fling機理[1、4]。該機理可以通過圖1進行直觀化說明。拍動的初始階段，昆蟲兩翅的前緣在頂點處合二為一，然后旋轉(zhuǎn)兩翅并從前緣處開始分開，此時兩翅之間的夾角逐漸增大，空氣的流入使得翅膀周圍形成了兩個漩渦，在雙翅的上表面產(chǎn)生空氣環(huán)流。當(dāng)兩個翅膀張開到一定角度時，兩翅再度分開，進行各自平動，使得下拍產(chǎn)生更大的升力。

(2)延時失速

圖2 尾翼渦流結(jié)構(gòu)

1996年，劍橋大學(xué)的Ellington通過飛蛾動態(tài)模型的流體實驗研究振翅的軌跡以及翅膀周圍的氣流，發(fā)現(xiàn)在翅膀下拍過程中前緣兩端會產(chǎn)生分離的流場，稱為前緣渦(如圖2所示)。由于翅膀的快速拍動帶動渦的快速轉(zhuǎn)動，在翅膀的上表面形成了一個低壓區(qū)，從而可以產(chǎn)生較高的升力[5-6]。

隨著前緣渦逐漸增大，渦不斷向翅膀表面后緣流去，并漸漸從翅膀上流出，進入尾流，引起升力急劇減小，就會產(chǎn)生失速現(xiàn)象。但實際上，昆蟲不會像飛機一樣產(chǎn)生失速現(xiàn)象，因為前者每一個撲動周期結(jié)束時翅膀快速反轉(zhuǎn)，在上拍開始處又會形成一個新的前緣渦，進行下一個周期，從而升力得以保持。

(3)旋轉(zhuǎn)環(huán)流和尾流捕獲

昆蟲是靠翅膀的拍動來飛行的，翅膀近似在一個平面內(nèi)拍動，稱之為拍動平面，并在該平面內(nèi)作往復(fù)式旋轉(zhuǎn)，其拍動范圍(即拍動角)大約為120°。當(dāng)昆蟲飛行時懸停，該拍動平面幾乎是水平的。每當(dāng)翅膀由后向前拍動時，翼弦與拍動平面有一定的夾角(即攻角，也稱迎角)，從而產(chǎn)生升力；而當(dāng)翅膀由前向后拍動時，翅膀翻轉(zhuǎn)過來，由向前拍動時的下翼面轉(zhuǎn)換成了向后拍動時的上翼面，同樣具備一定的攻角并產(chǎn)生升力。在這樣一個拍動周期中產(chǎn)生的平均氣動力是垂直向上的。當(dāng)向前飛或向后飛時，昆蟲的拍動平面是向前或向后傾斜的。

昆蟲懸停飛行時，其拍動平面保持水平，此時平均氣動力垂直于拍動平面向上，向前飛行時該拍動平面則向前傾斜。由于這個原因，昆蟲飛行時由懸停狀態(tài)翅膀的向前拍動轉(zhuǎn)換成了其機體向前飛狀態(tài)時翅膀的向前下方拍動，由懸停狀態(tài)時翅膀的向后拍動轉(zhuǎn)換成了其機體前飛行狀態(tài)時翅膀的向后上方拍動。通常情況下，下拍為各種飛行姿態(tài)的向前拍動，上拍為向后拍動，也稱為上揮；平動為拍動平面內(nèi)的運動，轉(zhuǎn)動為前后拍之間的翻轉(zhuǎn)。

1999年，美國加州大學(xué)伯克利分校的Dickinson等人發(fā)現(xiàn)在翅膀上拍和下拍的結(jié)束階段會各自產(chǎn)生一個升力峰，是由昆蟲旋轉(zhuǎn)撲翼引起的，成為旋轉(zhuǎn)環(huán)流。拍動開始階段的升力峰是由昆蟲翅膀利用上一次的尾跡產(chǎn)生的“附加風(fēng)速”形成，稱為尾流捕獲[3、7]；拍動結(jié)束階段的升力峰可用棒球的馬格納斯效應(yīng)來解釋。

用馬格納斯效應(yīng)來解釋旋轉(zhuǎn)環(huán)流產(chǎn)生升力的機制：昆蟲翅膀的拍動過程在流體中將產(chǎn)生類似于棒球旋轉(zhuǎn)的作用，如圖3所示，平動和轉(zhuǎn)動時空氣沿平動方向相反的方向流過，其中翅膀上表面的流速大于下表面的，使得上部單位面積空氣壓力小于下部同等面積空氣壓力，從而借助壓力差產(chǎn)生向上的升力。

圖3 空氣動力示意圖

這樣，可將昆蟲翅膀的拍動周期分為4個部分，其中平動和轉(zhuǎn)動各兩個，并可以認為昆蟲的高升力是延時失速、旋轉(zhuǎn)環(huán)流和尾流捕獲三個機理相互作用的結(jié)果。其中，延遲失速是平動時產(chǎn)生的升力，旋轉(zhuǎn)環(huán)流和尾流捕獲則是在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的升力。

2 撲翼機組成

2.1 主控單元

主控單元采用STC15系列芯片，它屬于8051系列的加強版，在8051的基礎(chǔ)上集成了上電復(fù)位電路和高精度的RC振蕩電路，并且加大了FLASH以及EEPROM，集成了ADC、PWM、SPI等高功能接口部件。同時簡化了單片機系統(tǒng)的外圍電路，使單片機系統(tǒng)的設(shè)計更加簡潔，性能也更加高效。

STC15系列中STC15F2K60S2單片機的使用頻率最高，提供了60 KB的FLASH空間，足以滿足用戶的編程需求，同時ADC、PWM等一系列的高功能接口部件也更加穩(wěn)定。

2.2 翅 膀

昆蟲個體小，重量輕，翅膀由不透氣的薄膜組成并且昆蟲的翅膀是自然界中最輕的材料之一，沒有骨骼和肌肉。昆蟲的翅膀一般是三角狀，前面的邊緣叫前緣，后面的邊緣叫后緣或內(nèi)緣，在前緣和后緣之間的邊緣叫外緣。前緣與外緣之間的角度叫頂角，在翅基部的角叫肩角，外緣與內(nèi)緣的角度叫臀角，如圖4所示。

圖4 翅膀結(jié)構(gòu)

昆蟲的翅膀在飛行的過程中伴隨著快速且變化多樣的拍動，會產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部氣流。根據(jù)實際的研究情況，具體考慮翅膀的形狀和大小，模仿昆蟲采用堅韌富有彈性的翅膜材料，在翅膀的前邊緣和中心的翅脈位置加入空心的堅硬材料保證翅膀不會產(chǎn)生形變，同時減少了翅膀的重量，翅膀的后部不做固定，使其在扇動過程產(chǎn)生一定角度以便將空氣向后排出，產(chǎn)生向前的推力(動力)。

2.3 尾 翼

尾翼采用HorizonHobby地平線直線舵機，重量僅為2.1 g，不會對撲翼機造成過多的重量負擔(dān)，可以精確控制擺動幅度。當(dāng)舵機轉(zhuǎn)動時帶動尾翼轉(zhuǎn)動，用在尾翼上的力可以分解為阻力和升力，其中阻力是沿著流體流動的方向(也就是撲翼機航行方向)，升力垂直于流體流向。升力相對于機身會產(chǎn)生轉(zhuǎn)舵力矩，使得撲翼機轉(zhuǎn)向。

2.4 電 源

電源采用3.7 V小型航模鋰電池，重量輕，滿電電壓為4.2 V，可以150 mA的電流大小持續(xù)供電一個小時，滿足撲翼機需要。鋰離子電池的壽命一般均可達到500次以上，甚至1000次以上，并且無公害，沒有記憶性，使用不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素。

2.5 通 信

通信上采用2.4 GHz通信模塊nRF2401，其支持6路通信的數(shù)據(jù)接收，支持2.4～2.5 GHz ISM頻段；對電壓的要求低，僅為1.9～3.6 V，使得功耗小，增加了撲翼機的續(xù)航時間；通信速度可以達到2 Mbps，減少了無線信號的碰撞現(xiàn)象；內(nèi)置天線可盡量減少撲翼機的體積。該款芯片內(nèi)置功率放大器、晶體振蕩器、頻率合成器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗低，以-5 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA，擁有多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更加方便。借助DuoCeiverTM技術(shù)，nRF2401可以使用同一天線同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。使用標(biāo)準插針Dip2.54 mm間距接口，便于嵌入式應(yīng)用。

2.6 驅(qū)動電機

主控制電機采用7 mm空心杯電機，能量轉(zhuǎn)換效率高，其效率一般在70%以上，部分產(chǎn)品可達到90%以上(鐵芯電動機一般在70%)。同時啟動、制動迅速，響應(yīng)極快，機械時間常數(shù)小于28 ms(鐵芯電動機一般在100 ms以上)，可以方便地對轉(zhuǎn)速進行靈敏的調(diào)節(jié)，運行穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)速波動小，作為微型電動機其轉(zhuǎn)速波動容易控制在2%以內(nèi)。另外，空心杯電動機的能量密度大幅度提高，與同等功率的鐵芯電動機相比，其重量、體積減輕了1/3～1/2。銅板線圈方式為無有槽硅鋼片，這就消除了槽與磁石相互作用的齒槽效應(yīng)，線圈沒有鐵心，所有的鋼鐵部件要么一起轉(zhuǎn)動(比如無刷馬達)，要么全部靜止不動(比如有刷馬達)，齒槽效應(yīng)和轉(zhuǎn)矩滯后現(xiàn)象明顯不存在。由于沒有靜止的硅鋼片，所以不存在轉(zhuǎn)子與定子間的徑向磁力。在關(guān)鍵應(yīng)用場合中，這一點尤其重要，因為轉(zhuǎn)子與定子間的徑向力會造成轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定。減少徑向力將改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。沒有槽的硅鋼片，減小了轉(zhuǎn)矩和電壓的諧波。

同時，由于馬達內(nèi)不存在AC場，所以也沒有AC產(chǎn)生的噪音，僅有軸承和氣流產(chǎn)生的噪音和非正弦波電流造成的振動。由于線圈位置精確，馬達的電壓諧波較低，并且由于銅板線圈在氣隙中的這種結(jié)構(gòu)使產(chǎn)生的誘起電壓波形平滑。正弦波驅(qū)動和控制器可以使馬達產(chǎn)生平滑的轉(zhuǎn)矩，這種特性在慢速運轉(zhuǎn)的物件(例如顯微鏡、光學(xué)掃描儀和機器人)和精確位置控制上特別有用，平穩(wěn)運轉(zhuǎn)控制是關(guān)鍵。 銅板線圈內(nèi)外表面都有空氣流動，這比有槽轉(zhuǎn)子線圈的散熱好。傳統(tǒng)的漆包線嵌在硅鋼片的槽里，線圈表面氣流少，散熱情況不良，溫升較大。同等的輸出功率，銅板線圈方式的馬達溫升較小。

3 撲翼機的設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

原理設(shè)計如圖5所示，因為其是飛控核心板，所以要小巧簡練和穩(wěn)定，故電源處應(yīng)加0.1 μF濾波電容，還因空心杯啟動時會有800 mA的瞬時耗電，故又加了一個10 μF電容。電機驅(qū)動部分應(yīng)用三極管放大電流原理。因為空心杯瞬時耗電只需800 mA，所以選用8050三極管(實測8050三極管會發(fā)熱，所以采用并聯(lián)一個三極管的方法來提高放大電流)。

圖5 飛控板原理圖

3.2 軟件設(shè)計

下位機部分用到了STC15F2K60S2的兩路PWM。軟件模擬的SPI協(xié)議驅(qū)動nRF2401無線模塊。代碼執(zhí)行流程為先進行相應(yīng)的初始化，然后循環(huán)接收數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)判斷，執(zhí)行相應(yīng)的動作，程序流程如圖6所示。

上位機部分用到了STC15F2K60S2的兩路ADC采集。軟件模擬的SPI協(xié)議分別驅(qū)動了0.96寸OLED及nRF2401無線模塊。代碼執(zhí)行流程是先進行各個模塊的初始化，然后進行數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，程序流程如圖7所示。

3.3 調(diào)試總結(jié)

飛控核心板的設(shè)計要考慮到大小、穩(wěn)定、重量等問題，如果太小就會涉及到干擾，因為2.4 GHz的頻率和單片機之間的相互干擾還是很大的，不過可以在以后的PCB設(shè)計中把信號線遠離電源及其他信號線，比如把分離出的信號線放在撲翼機尾部。經(jīng)過測試，單片機輸出的PWM為50 Hz的時候，會和無線模塊造成串?dāng)_，后來增大到100 Hz，干擾減少，基本可以保持穩(wěn)定飛行。實物如圖8、圖9所示。

圖6 飛控板程序

圖7 遙控器程序框

無線傳輸部分可以從傳輸距離、傳輸速度以及傳輸質(zhì)量三個方面加以改進。如需加進圖像傳輸，需要把無線模塊換成WiFi模塊；電機方面可以加大電機轉(zhuǎn)速，使用性能更加優(yōu)秀的電機；電源部分需增加其穩(wěn)定性，以及減小功耗，降低重量，增加其容量及瞬時功耗等一系列電池參數(shù)；撲翼機骨架可以使用更加輕便的材料，從而減少撲翼機的質(zhì)量；主控板需要更加輕薄以增加續(xù)航時間。

圖8 撲翼機實物圖

圖9 尾部放大圖

該撲翼機僅用了3個通道、兩個維度。如需改進其飛行效果，還需增加控制通道，達到側(cè)飛、懸停等效果。本項目主要困難在于撲翼機機型設(shè)計及飛行控制，模電的穩(wěn)壓及空心杯驅(qū)動電路設(shè)計更改的空間較大。

結(jié) 語

本文描述了一款模擬昆蟲飛行方式的微小型撲翼機的設(shè)計實現(xiàn)，通過2.4 GHz無線模塊進行控制通信，為減輕重量，采用貼片8050三極管來驅(qū)動空心杯電機，尾翼采用航模的地平線舵機，實現(xiàn)飛行控制。飛行方式采用蜻蜓的飛行方式，但由于無法達到對單個翅膀操作的機械結(jié)構(gòu)，所以尾翼采用直升機式尾翼，以此來控制轉(zhuǎn)彎及平衡。撲翼機骨架用細探桿構(gòu)建，翅膀采用塑料材質(zhì)，

Small Bionic Ornithopter Simulating Insect Flight Mode

GaoZhaoling1,ZhouHaoshang2

(1.Department of Electronic Engineering,Dalian Neusoft University of Information,Dalian 116023,China;2.CRRC Dalian R&D Co.,Ltd)

In this paper,a miniature ornithopter simulation of insect flight mode is designed,which modeled on the wings of the dragonfly and helicopter tail.The remote control design and fabrication of bionic flapping machine are realized taking STC15F2K60S2 as the main control chip and using the mainstream wireless module.The actual test results show that it can satisfy the requirements of flight.

STC15F2K60S2;small bionic ornithopter;single chip;aerodynamics

TP368.2

: A