CN100333969C - 用于微型飞行器的仿生拍动方法 - Google Patents

Abstract

用于微型飞行器的仿生拍动方法，上拍阶段分为三个部分：上拍开始阶段拍动翼转动下翻，同时拍动加速至上拍攻角和上拍速度；上拍中间阶段拍动翼保持上拍攻角和上拍速度基本不变；上拍结束阶段拍动翼从上拍中间阶段的上拍攻角开始转动上翻，同时拍动减速；下拍阶段也分为三个部分：下拍开始阶段拍动翼转动上翻，同时拍动加速至下拍攻角和下拍速度；下拍中间阶段拍动翼保持下拍攻角和下拍速度基本不变；下拍结束阶段拍动翼从下拍中间阶段的下拍攻角开始转动下翻，同时拍动减速；上拍和下拍阶段交替进行，往复周期性运动。相比果蝇拍动方式，本发明的拍动翼阻力系数大大降低，升阻比增加，缓和了果蝇拍动方式不同运动模态之间的升阻力特性差异，提高了稳定性。

Description

用于微型飞行器的仿生拍动方法

技术领域

本发明涉及一种用于微型飞行器的仿生拍动方法。

背景技术

微型飞行器，简称MAVs(Micro Air Vehicles或Micro Aerial Vehicles)是近十几年来由美国DARPA(Defense Advanced Research ProjectsAgency)首先提出并快速发展的高新技术。目标是为了研制类似于蜂鸟或昆虫大小的微型飞行器。MAVs应用前景广阔。军事如侦察、目标捕获、武器投放、中继通信等。有军事理论家甚至认为，MAV可能改变未来战争的模式。民用如摄影、监测，调查，巡逻，采样等。

目前为止，许多国家都成立了专门的研究机构，并投入专项研究经费，研制和开发各种性能独特的微型飞行器。仅在美国从事该项研究的高校和研究单位就有150余家，发展非常迅速，在很短的时间内，就研制出一批性能优良的试验样机。飞行方式大致划分为：固定翼、旋翼和扑翼三类，其中最据代表性的是Aerovironment公司的“黑寡妇”、Sander公司的“微星”、麻省理工学院林肯实验室的“侦察鸟”、斯坦福大学的“Mesicopter”、加州工学院的“Microbat”和加州大学伯克利分校的“微机械昆虫”等。国内微型飞行器的研究已成为热门话题，大约十几个单位在开展这方面的研究，已先后研制出多种型号，并进行了初步的飞行试验，但距完全自主飞行和满足实用化要求的目标还有较大差距。

一个低速MAVs，以低飞行雷诺数和充分利用MEMs技术为其主要特征。这里MAVs所在的低Re范围并没有一个确定范围，一般来说Re小于10⁵，进一步微型化可能会降到10²左右。微型飞行器决不是常规飞行器的简单缩小，其气动力、结构设计、动力装置、飞行力学和导航控制皆有不同于常规飞行器的特点，不对它们进行有针对性的研究和解决，要达到实用化目标很困难。目前低雷诺数相关气动技术的不足，是制约微型飞行器发展的最大瓶颈。

对于主尺度在25cm以上的MAVs，在固定翼基础上采用前一些增稳措施，有可能解决获得足够升力和稳定性的问题。但对于尺度小于15cm的微型飞行器，可能只有采用仿生力学，扑动翼的办法才能获得足够的升阻比。随着飞行器尺寸的进一步微型化，鸟类上下扑动翼方式也将失效，从而必须模仿昆虫类型的拍动方式。

目前国内外在考虑应用于拍翼飞行器的拍动翼运动方式时，想到的都是直接向蜂鸟或昆虫学习，通过直接模仿生物拍翼运动来获得足够的升力，以加州大学正在研制的微机械苍蝇最具代表性。果蝇采取的拍动方式，在昆虫界中广泛存在，自然有其独特合理的原因，从气动力学的观点看可以获得较高的升力平衡体重并实现机动飞行。彻底弄清其基本原理还必须从生物学，生理学，解剖学和生物进化等多角度进行研究分析。但在进行拍动翼微型飞行器设计时，直接简单地模仿这种拍动方式，则会遇到如下困难：

(1)拍动翼阻力系数远大于升力系数，拍动翼平均升阻比较低，相应的用于克服阻力的机械能消耗较高，造成拍动翼相当一部分能耗用来克服阻力做功，经济性较差；

(2)拍动翼不同运动模态(超前、对称和滞后)之间的升阻力特性差异巨大，不易于控制。

(3)运动方式实现起来较为复杂，机械设计困难，拍动过程中进行大角度翻转不易实现，且机构复杂可能造成机构内部能耗增加；

科学家们对仿生学进行研究的目的是了解生物获得“特异功能”的机理，并使其造福人类。这种研究和应用决不是对生物身体构造，行为方式的完全照抄和简单模仿，因为那样做没有必要，常常无法实现，且往往难以达到预期效果。如人类模仿鸟类翱翔设计出固定翼飞机，但动力装置则和鸟类的推进方式存在本质差异；模仿肌肉工作方式研制人造肌肉，但收缩和伸长的原理却各不相同。

对昆虫拍动翼飞行方式研究的最终目的和一般仿生学研究并无不同，是为了揭示在低雷诺数条件下拍动翼飞行方式获得高升力的流体力学机制，并用这些思想指导微型飞行器(MAVs)的设计和制造。所以研究不同于传统昆虫复杂拍动方式，运动和结构实现较为简单，但叉能合理运用拍动翼非定常高气动升力机制，升阻比较高，能耗较小的新拍动方式是一件非常有意义的工作。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种拍动翼阻力系数大大降低，升阻比增加，在获得相当的升力效益条件下机械能消耗降低的用于微型飞行器的仿生拍动方法，该方法极大地缓和了果蝇拍动方式不同运动模态(超前、对称和滞后)之间的升阻力特性差异，提高了稳定性。

本发明的技术解决方案：用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特点在于包括下列步骤：

本拍动方法为绕翼根旋转轴的周期性往复拍动，称绕翼根旋转轴的运动为拍动(flapping)；绕拍动翼展向旋转轴的运动为转动(rotation)；拍动翼向前下方的拍动，称为下拍(doWnstroke)；拍动翼向后上方的拍动，称为上拍(upstoke)；上拍结束下拍开始阶段，拍动翼向上转动称为上翻(supination)；下拍结束上拍开始阶段，拍动翼向下转动称为下翻(pronation)，每拍动周期分为上拍和下拍两个阶段。

首先描述上拍阶段，上拍阶段分为三个部分：

(1)上拍开始阶段拍动翼转动下翻，同时拍动加速至上拍攻角和上拍速度；

(2)上拍中间阶段拍动翼保持上拍攻角和上拍速度基本不变；

(3)上拍结束阶段拍动翼从上拍中间阶段的上拍攻角开始转动上翻，同时拍动减速；

下拍阶段也分为三个部分：

(1)下拍开始阶段拍动翼转动上翻，同时拍动加速至下拍攻角和下拍速度；

(2)下拍中间阶段拍动翼保持下拍攻角和下拍速度基本不变；

(3)下拍结束阶段拍动翼从下拍中间阶段的下拍攻角开始转动下翻，同时拍动减速；

一次上拍和下拍构成一个周期，上拍和下拍阶段交替进行，往复周期性运动，实现本发明的拍动方法。

本发明的原理：通过对昆虫翼拍动的研究总结发现：(1)昆虫拍动翼等速等攻角拍动过程中前缘驻涡延迟失速效应，使拍动翼在大攻角条件下不失速并保持高气动升力平台，是昆虫拍动翼高气动升力最关键的决定性因素，提供最多的升力贡献，见图2；(2)拍动结束阶段快减速效应和开始阶段快加速效应虽然也是高非定常气动升力产生的因素之一，但必须配合适当的攻角变化，见图2超前模态升力系数变化。如果攻角变化不合适，则会出现负升力峰值，且影响拍动中间阶段延迟失速效应作用的发挥，见图4滞后模态升力系数曲线；(3)等速拍动过程中拍动翼攻角快速拉起效应是获得高非定常气动升力的又一重要因素(见图2和图3)，同时提供攻角变化。但分析发现这种上翻转运动同时带来的还有高阻力峰值和较低的升阻比。

鉴于以上情况本发明提出的拍动方法在保持延迟失速效应和快加减速效应等有利因素，获得相当的非定常气动升力的同时，用上下拍动两端快速低头的方式代替快速拉起，消除了等速拍动攻角快拉起效应所带来的不利因素，极大的降低了非定常阻力，从而大大的提高了升阻比，降低了机械能消耗，缓和了果蝇不同拍动模态间气动特性的差异；另外本发明独特的拍动方法也使得在平板拍动翼上施加弯度效应成为很有意义的事情。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明在保证获得高气动升力的同时，通过在半拍动周期两端用攻角快速减小，前后缘交替变换，上下翼面保持不变的转动方式，取代传统果蝇翼攻角快拉起，前缘不变，上下翼面交替变换的转动方式。虽然使传统果蝇翼拍动方式中等速拍动攻角快拉起升力机制消失，但却大大降低了拍动翼非定常气动阻力，非常有效的提高了拍动翼的升阻比：超前模式提高35.％，对称模式提高66.1％，滞后模式提高150.％(见表1)，从而在获得相当的平均升力系数的同时，降低用于克服拍动阻力的机械能消耗，大大提高机械效率。

(2)极大地提高了传统果蝇翼拍动方式滞后模式的气动特性，缓和了传统果蝇翼拍动方式三种运动模式间气动特性的巨大差异。

(3)对于小尺度的微型飞行器，薄平板翼更为实用，这从昆虫翅膀的形状和构造可以得到证实，而本发明的这种前后缘交替恰恰很适合应用于薄板翼，并且经过研究这种新拍动方式基础上，在薄平板拍动翼上施加弯度可以有效提高升力系数和升阻比，而对于传统果蝇拍动方式来说，这样做是画蛇添足的。

(4)从机构实现的角度来考虑，本发明也更容易在微型飞行器设计中实现，在小于45°拍动攻角条件下，本发明的攻角变化比果蝇攻角变化小。而30°-40°是效率较高的拍动翼攻角范围。

附图说明

图1为本发明的拍动翼运动示意图；

图2为果蝇拍动方式超前模态升力系数曲线；

图3为果蝇拍动方式对称模态升力系数曲线；

图4为果蝇拍动方式滞后模态升力系数曲线；

图5为本发明的拍动方式转动和拍动角速度分布；

图6为本发明的拍动方式对称模态拍动示意图；

图7为果蝇拍动方式转动和拍动角速度分布；

图8为果蝇拍动方式对称模态拍动示意图；

图9为本发明的拍动方式不同模态升力系数变化；

图10为本发明的拍动方式不同模态阻力系数变化；

图11为果蝇拍动方式不同模态升力系数变化；

图12为果蝇拍动方式不同模态阻力系数变化；

图13对称模式下新拍动方式和果蝇拍动方式距离翼根60％展长截面等涡量线。

具体实施方式

本发明的单周期内拍动阶段分：上拍、下拍、上翻、下翻；根据拍动运动和转动的相位关系，拍动方式分为超前、对称和滞后三种拍动模态。拍动翼向前下方的拍动称为下拍，拍动翼向后上方的拍动称为上拍，拍动翼向下转动称为下翻，拍动翼向上转动称为上翻；当转动运动和拍动加减速运动相位同步时称为对称模式，当转动运动相位提前于拍动加减速运动时称为超前模式，反之称为滞后模式。超前和滞后模态相位差可以任意选择。

下面结合图5和图6对本发明拍动方式加以详细描述。图5中横坐标为单周期内时间，本实例中取无量纲周期为8.4，纵坐标为拍动角速度和转动角速度。图6为拍动示意图。

 本发明单拍动周期分为上拍阶段和下拍阶段，上拍阶段分为三个部分：

(1)上拍开始阶段拍动翼转动下翻，同时拍动加速至上拍攻角和上拍速度；

(2)上拍中间阶段拍动翼保持上拍攻角和上拍速度基本不变；

(3)上拍结束阶段拍动翼从上拍中间阶段的上拍攻角开始转动上翻，同时拍动减速；

下拍阶段也分为三个部分：

(1)下拍开始阶段拍动翼转动上翻，同时拍动加速至下拍攻角和下拍速度；

(2)下拍中间阶段拍动翼保持下拍攻角和下拍速度基本不变；

(3)下拍结束阶段拍动翼从下拍中间阶段的下拍攻角开始转动下翻，同时拍动减速；

一次上拍和下拍成为一个周期，上拍和下拍阶段交替进行，往复周期性运动，实现本发明的拍动方法。

本发明中的拍动翼可以为平板翼，也可以为带弯度的翼；拍动翼可以为刚性翼，也可以为柔性翼。

上拍攻角和下拍攻角在不同周期可以相同，也可以不同；拍动翼相对于拍动前进方向的上拍攻角和下拍攻角小于90°。

上拍阶段中的拍动加速是从0至上拍中间阶段的上拍速度的过程；所述上拍阶段的拍动减速从上拍中间阶段的上拍速度减至0的过程；所述的下拍阶段的拍动加速为从0至下拍中间阶段的下拍速度的过程；所述下拍结束阶段的拍动减速为从下拍中间阶段的下拍速度至0的过程。

上、下拍动开始阶段拍动加速所耗时间和结束阶段减速所耗时间均大于0小于等于四分之一周期；上下拍动两端，拍动翼转动所需时间大于0小于一个拍动周期的一半。

上下拍动开始阶段和结束阶段，拍动加速和减速符合的运动规律可以是满足加速结束时刻和减速开始时刻拍动角速度时间导数为0的任意函数，如三角函数或代数函数等。

拍动翼翻转所符合的规律可以是满足翻转开始和结束时刻转动角速度时间倒数为0的任意函数，如三角函数或代数函数等。

本发明的拍动方式和现有的果蝇翼拍动不同如下：

图7和图8为现有果蝇翼拍动单周期中拍动和转动角速度变化规律，和拍动示意图。

现有的果蝇翼拍动特点为：上下拍交替运动中拍动翼前后缘保持不变，拍动翼迎风和背风面交替变化，上下拍动两端攻角变化方式为快速拉起，见图8中黑圆点表示拍动翼前缘，另一端为后缘。

本发明的方法与现有的果蝇翼拍动方式相比不同点在于：(1)上下拍动开始和结束两端，拍动翼旋转运动通过快速低头方式获得下一阶段的拍动攻角；(2)上下拍交替运动中拍动翼前后缘交替改变；(3)拍动翼迎风和背风面保持不变。拍动过程其它部分完全相同。图6中翼型两端都用黑圆点标出，表示两端都可能成为前缘，前后缘交替变化。

下面通过对具体实例的数值仿真实验对本发明加以验证。

如图1所示为拍动翼运动示意图给出了三套坐标，XYZ为固定于微型飞行器机体上的惯性系；xyz为固定在拍动翼上的随体系；x′y′z′为y′轴同Y轴重合，随拍动翼绕Y轴拍动的动坐标系，其中Y轴和y′轴重合，z轴和z′轴重合。拍动翼绕Y轴转动称为“拍动”或“挥动”，拍动角记为φ，绕z轴的翻转称为“转动”，转动角记为α，又称攻角，绕Y轴惯性半径r₀处的线速度称为拍动速度记为u_t，拍动角速度φ_t＝u_t/r₀。

取悬停飞拍动面为一水平面，拍动中间阶段攻角α和拍动速度u_t不变；开始和结束阶段快加速和快减速，伴随旋转。加速和减速的可以采用任意方式，本发明实施例采用如下的加速减速方式，拍动中间阶段拍动速度取常数U_t，拍动公式描述如下：

开始加速阶段： $u_t^{+}=U_t^{+}\sin (\mathrm{\π}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_1)/\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_t)$ τ₁≤τ≤τ₁+Δτ_t/2    (1)

结束减速阶段： $u_t^{+}=U_t^{+}\sin \left(\mathrm{\π}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_1/2)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_1\right)$ τ₂≤τ≤τ₂+Δτ_t/2    (2)

其中： $u_t^{+}=u_t/U;$ u_t为拍动线速度，U为参考速度取单周期平均拍动速度

$U_t^{+}=U_t/U;$ τ＝tU/c，τ₁加速开始时间，τ₁+Δτ₁/2加速结束时间，τ₂减速开始时间，τ₂+Δτ_t/2减速结束时间，拍动速度变化规律由τ₁、τ₂、Δτ_t、U和τ_c决定，τ₁加速开始时间，τ₂减速开始时间和Δτ_t时间长度可以任意选择。

转动快慢可以选择任意方式，本发明实施例采用如下的转动方式，上下拍动两端公式如下：

${\mathrm{\α}}_t^{+}=0.5{\mathrm{\α}}_{t0}^{+}[1-\cos (2\mathrm{\π}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_r)/\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_r)]$ τ_r≤τ≤τ_r+Δτ_r    (3)

其中 ${\mathrm{\α}}_t^{+}={\mathrm{\α}}_{t}c/U,$ α_t0 ⁺为常数；τ_r开始转动时刻，Δτ_r是转动时间。确定上下拍攻角α_up，α_down和转动时间Δτ_r就可以确定α_t0 ⁺。τ_r开始转动时刻和Δτ_r转动时间长度可以任意选择。上下拍动攻角大小可以任意选择。

本实例选择参数如下：τ_c＝8.42，Δτ_t＝0.1τ_c，Δτ_r＝0.32τ_c，拍动幅角Φ＝160°，α_up＝α_down＝40°，τ_c为拍动周期。

对本发明拍动方式三种运动模态：超前、对称和滞后，进行数值模拟，并对其产生高气动升力的机理进行分析研究。图9和图10为本发明拍动方式三种模态数值模拟升力系数和阻力系数变化规律。对照图5运动规律对计算结果进行分析。

对称模态，升力系数和阻力系数变化较为平缓，除了拍动中间阶段气动力系数平台外，在上下拍动开始阶段存在一个较高升力峰值和较小阻力峰值，结束阶段升阻力系数都开始下降。对照图5中对称模态拍动和转动角速度变化曲线，拍动开始阶段快加速运动，同时攻角从0°变到40°保持锐攻角增加。在快加速效应配合锐攻角快拉起作用下，升阻力系数出现峰值；结束阶段拍动翼快减速效应配合锐攻角减小从40°到0°，造成气动力系数迅速下降；拍动中间阶段翼保持等速等攻角拍动，该阶段翼前缘涡形成、发展直至形成稳定的前缘驻涡。由于延迟失速机制的作用出现稳定升力系数平台，产生最为重要的气动力贡献。总结对称模态高升力机理为：等速等攻角拍动延迟失速效应对拍动翼高气动效益产生最关键和主要的贡献。拍动开始快加速效应配合锐攻角增加产生升阻力峰值。另外拍动结束阶段减速效应配合锐攻角减小，在气体惯性效应作用下，造成升阻力系数下降。

和对称模态比较，超前模态保持拍动中间阶段等速等攻角拍动延迟失速效应形成的气动力系数平台。但由于转动相位提前于拍动8％，造成气动力系数平台提前结束开始下降。升力系数出现较大负升力峰值，阻力系数波动下降，并出现和拍动翼拍动方向相同的正推力。这是因为等速拍动过程中攻角向下转动，当攻角为锐角从40°变为0°时，会造成升力系数和阻力系数同时减小。攻角进一步减小为负，从0°变为-15°，升力系数进一步下降，而阻力系数则会随负攻角增加而增加。随后攻角继续从-15°变为-29°阶段，拍动减速并配合负锐攻角，拍动翼在周围气体惯性力作用下，下翼面压力增加，上翼面压力减小，升力系数迅速增加。此时气体惯性力开始对减速翼产生指向运动方向的推力，造成阻力系数迅速下降，并在τ/τ_c＝0.474～0.5范围出现和翼拍动方向相同的正推力。接下来拍动进入反向加速阶段，攻角变为正并继续从29°增加到40°。起始攻角远大于对称模态时的0°，从而这一阶段出现远比对称模态高很多的升阻力系数峰值。但相对对称模态，超前模态平均升力系数下降，见表1。

滞后模态气动力系数变化规律中占据主要和关键因素的部分仍然是上下拍动的中间阶段等速等攻角拍动延迟失速机制形成的高气动力系数平台。与超前模态原因相反，该气动力平台迅速下降的时间大约落后于对称模态8％周期。与对称和超前模态不同，由于旋转运动滞后，拍动开始快加速运动时，翼攻角为负锐角，所以会产生一个高负升力峰值和阻力峰值。随着负攻角迅速减小到0°，负升力系数峰值和阻力系数峰值迅速下降。接下来拍动翼进入等速拍动阶段，攻角从0°增加到40°做拉起运动，由于起始攻角小，且转动加速时间较长，仅产生很小升阻力峰值，并平稳过渡到等速等攻角拍动延迟失速状态。

本发明拍动方式与果蝇拍动方式气动特性比较。

图11和图12为果蝇拍动方式非定常气动力系数变化曲线，结合表1，比较本发明的拍动方式和现有的果蝇翼拍动方式气动特性差异：

升力系数曲线：1、半拍动中间阶段，等速等攻角拍动延迟失速效应产生的高非定常气动升力平台依然保持，且更平稳光滑。尤其在滞后模态大为改善，受拍动两端加速和减速效应影响减弱；2、第一气动升力峰值有所增加；3、拍动结束阶段由于采取的转动方式不同，第二气动升力峰值消失。综合3者因素，与果蝇拍动模式相比，新拍动平均升力系数变化为：超前模式下降-20.8％，对称模式增加5.3％，滞后模式增加45.3％，极大提高了滞后模态的升力系数，不同模式间平均升力系数差距显著缩小。

阻力系数曲线：1、阻力系数峰值显著下降，最大值降为果蝇拍动方式最大值一半以下；2、第二阻力系数峰值由于转动方式的改变而消失；3、阻力系数平台除了在对称模式下依然保持较长外，超前和滞后模式下都大为缩短。超前模式和滞后模式分别在拍动后部和前部由于攻角的减小出现低阻力系数区；4、从超前模式到滞后模式平均阻力系数略微下降，变化不大。新拍动方式同果蝇翼拍动方式比较最显著的变化是平均阻力系数大大降低：超前模式平均阻力系数下降-41.37％，对称模式下降-36.6％，滞后模式下降-419％。

表1现有果蝇拍动方式和本发明拍动方式，不同拍动模态平均升阻力系数和升阻比

拍动模式	超前	对称	滞后
				果蝇拍动CL(average)	1.959566	1.787183	0.77392
本发明拍CL(average)	1.551128	1.881962	1.12484
				果蝇拍动CD(average)	2.997	2.745	2.923
本发明拍CD(average)	1.757	1.740	1.697
				果蝇拍动CL/CD	0.6538	0.6511	0.2648
本发明拍动CL/CD	0.8828	1.0816	0.6628

注：阻力系数采用绝对值积分平均。

这些差异是由于本发明的拍动方式中，果蝇翼上下拍动两端攻角的快速拉起运动被反方向的快速旋转取代。虽然损失了果蝇翼拍动方式第二非定常升力系数峰值，但同时也减弱了突然上翻运动对等速拍动中间阶段可能造成的不利影响，使流场非定常气动力系数随时间变化更为平稳，还使第一升力峰值有所增加。特别使滞后模态平均升力系数大为增加。

最为重要的是新拍动方式，在充分利用昆虫拍动翼非定常高升力机制保持高气动升力基础上，由于去掉了拍动两端攻角快拉起运动对流场结构造成的巨大扰动，可以大大降低平均阻力系数，提高平均升阻比：超前模式提高35.％，对称模式提高66.1％，滞后模式提高150.％。从而在获得相当平均气动升力系数的同时，降低用于克服拍动阻力消耗的机械能，提高机械效率。

对称模式下，对比本发明的拍动方式和果蝇拍动方式拍动翼沿展向距翼根60％展长截面等涡量线，见图13。图中给出三个时刻τ/τ_c＝-0.057，0.014和0.394，分别位于拍动结束减速，开始加速和中间等速拍动阶段。会发现有趣的现象，在每一个时刻，两种拍动方式从拍动翼上脱落下来的尾涡与拍动翼的相对距离变化并不显著，两者相对位置的变化很明显是由于拍动翼的姿态不同造成的，见τ/τc＝-0.057和0.014时。当拍动翼的姿态完全相同时，τ/τc＝0.394，流场的涡结构也非常相似。结合前面对非定常气动力和平均气动力的分析，表明正是拍动两端转动方向的变化造成拍动翼姿态变化，从而造成两种拍动方式气动特性上的显著差异。

通过上面分析，得到如下结论：

(1)和现有果蝇翼拍动方式相比，本发明拍动方式充分合理地利用了果蝇翼拍动高升力机制：延迟失速机制和快加速快减速机制。

(2)在保证获得高气动升力的同时，大大降低了拍动翼非定常气动阻力，非常有效的提高了拍动翼的升阻比：超前模式提高35.％，对称模式提高66.1％，滞后模式提高150.％。从而在获得相当的平均升力系数的同时，降低用于克服拍动阻力的机械能消耗，提高机械效率。

(3)本发明拍动方式极大地提高了传统果蝇翼拍动方式滞后模式的气动特性，缓和了传统果蝇翼拍动方式三种运动模式间气动特性的巨大差异。

(4)对于小尺度的微型飞行器，薄平板翼更为实用。本发明的这种前后缘交替的新拍动方式恰恰很适合应用于薄板翼。并且这种拍动方式使得在薄平板拍动翼上施加弯度以提高升阻比，成为有意义的事情，而对于传统果蝇拍动方式来说，这样做是画蛇添足的。

(5)另一方面，从机构实现的角度来考虑，新拍动方式也更容易在微型飞行器设计中实现。

最后，在以上数值仿真和研究分析的基础上，自然会提出疑问：既然新拍动方式有这么大的优点和好处，昆虫和鸟类为什么不采用本节所描述的新拍动方式呢？这是一个复杂的问题，必须要从生物学，生理学，解剖学和生物进化等多角度加以解释。一种比较直观的解释是，大多数采用果蝇翼飞行方式的昆虫或鸟类的翼的构造，翼薄膜或羽毛，翼脉或骨骼，决定了它们无法采取本文介绍的飞行方式。但对于微型飞行器的结构设计倒是可以不局限于这些问题。

Claims (10)

1、用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于包括：分为上拍阶段和下拍阶段，上拍阶段分为三个部分：

(1)上拍开始阶段拍动翼转动下翻，同时拍动加速至上拍攻角和上拍速度；

(2)上拍中间阶段拍动翼保持上拍攻角和上拍速度不变；

(3)上拍结束阶段拍动翼从上拍中间阶段的上拍攻角开始转动上翻，同时拍动减速；

下拍阶段也分为三个部分：

(1)下拍开始阶段拍动翼转动上翻，同时拍动加速至下拍攻角和下拍速度；

(2)下拍中间阶段拍动翼保持下拍攻角和下拍速度不变；

(3)下拍结束阶段拍动翼从下拍中间阶段的下拍攻角开始转动下翻，同时拍动减速；

一次上拍和下拍成为一个周期，上拍和下拍阶段交替进行，往复周期性运动，实现本发明的拍动方法。

2、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述的拍动翼为平板翼，或带弯度的翼。

3、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述的拍动翼为刚性翼，或柔性翼。

4、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述的上拍攻角和下拍攻角在不同周期可以相同，也可以不同。

5、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述的拍动翼相对于拍动前进方向的上拍攻角和下拍攻角小于90°。

6、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述上拍阶段中的拍动加速是从0至上拍中间阶段的上拍速度的过程；所述上拍阶段的拍动减速从上拍中间阶段的上拍速度减至0的过程；所述的下拍阶段的拍动加速为从0至下拍中间阶段的下拍速度的过程；所述下拍结束阶段的拍动减速为从下拍中间阶段的下拍速度至0的过程。

7、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述的上、下拍动开始阶段拍动加速所耗时间和结束阶段减速所耗时间均大于0小于等于四分之一周期。

8、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述的上下拍动两端，拍动翼转动所需时间大于0小于一个拍动周期的一半。

9、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述的上下拍动开始阶段和结束阶段，拍动加速和减速符合的运动规律可以是满足加速结束时刻和减速开始时刻拍动角速度时间导数为0的任意函数。

10、根据权利要求1所述的用于微型飞行器的仿生拍动方法，其特征在于：所述的拍动翼翻转所符合的规律可以是满足翻转开始和结束时刻转动角速度时间倒数为0的任意函数。

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