飞鱼课题说明书

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1、飞鱼课题说明书负责人：孟利强指导老师：邱克2009 年 4 月 3 号设计课题名称：飞鱼设计课题内容：扑翼式浮空飞行器。设计原理：应用仿生学原理，将浮空飞行器与鱼在水中的游动方式相结合，取消常见飞艇用于推进的螺旋桨，在浮空式艇身的两侧加装类似于鳍的推动设备，靠电动机提供动力，依靠单片机与步进电机相结合的方式调整鳍的运动，从而实现艇体在空中的各种运动。而艇身的整体控制通过地面人员的遥控实现。设计点：众所周之，鱼类在水中的灵活性不容置疑。而实现鱼类灵活运动的生理结构就是鱼的鳍。而自然界中几乎所有的靠流体力运动的生物都是采用扑翼式推动（如水中的鱼，空中的鸟，飞行的昆虫等），螺旋桨是推动完全是人类特有

2、的依靠流体运 动的推动方式，我们不禁要问，为什么自然选择没能够挑选出考螺旋推动的大型 生物呢？原理就在于靠扑翼式推动是唯一一种能够在短时间内对力矩及受力情 况做较大的变动的方式， 从而使其具有较高的机动性， 才能在自然选择中得以生 存。由此可见，扑翼式结构具有与生俱来的优势。但受限于复杂的机械传动结构，较高的材料要求和较低的稳定性，扑翼飞行器一直未能成品化。本设计利用仿生学原理，抛弃扑翼设计中最难解决的依靠扑翼提供升力地方法，而是采用传统的浮空式原理提供升力（其设计点来自鱼靠自身浮力提供在水中的升力），扑翼结构只为设备提供向前的推力和转向的力矩（类似于鱼的尾鳍和边鳍）从而大大简化了材料要求和机

3、械机构的复杂性，同时实现了飞行器在较低的速度下可以实现较大的转弯的性能。设计目的及市场价值： 本设计为验证性设计，目的在于验证新的推动方式的空气动力原理及 效果。为以后的设计做技术铺垫。 本设计以其较为独特的外形设计，可用于庆典及大型活动的表演。同时依靠其优于传统飞机的长留空性和优于传统飞艇的高机 动性，可作为未来介于飞艇及飞机之间的中间飞行器的技术验证。设计说明一，艇体部分的设计1,艇体尺寸的选择及外形的确定。（1）,材料：根据设计初衷，艇体两侧应加装鳍，所以对艇体的材料强度有一定的要求，同时受质量限制，艇体质量又不能过大，所以初步选择0.2mmPVC材料作为艇身的设计。（2）,外形尺寸：预

4、计安装的设备重量和艇体重量估算值M= 7KG初步设计艇体浮空体积V=6m 3左右，为保证设备失控时的回收，F浮 6m3,根据实际计算，V艇=6.12m3受浮空需要，艇体的外形应遵守飞艇设计流线型公式,艇体前半部分应遵守公式X2 Y2+=13.61 0.64X2+=13.61* 2 0.64艇体后半部分遵循公式根据体积要求计算的L= 4.568 m R= 0.8m艇体外形曲线遵循上面两公式2,艇体实际浮空体积的矫正。根据上式，艇体的实际体积V=6.12m3 实际产生浮力F=1.1404*6.12=6.98kg （所充气体为氢气）或 1.0563*6.12=6.46kg （所充气体为氨气），艇体的

5、长径比k=2.85 ,重心点位置距艇最前端的距离为1.9m最大截面积s=8.0424m3,艇体风阻的计算：假设为微风条件，即风速小于2米每秒，艇体迎风面近似认为为圆面，或略气体粘滞性，艇体阻力F阻=艇体的外形及尺寸如图,鳍传动结构的设计。（一）原始方案，（即模型验证方案）1,鳍整体结构的设计：为实现推动艇体运动的力，鳍结构设计如图图一鳍结构三维图鳍结构实体图2,鳍的推理产生的设计：为了实现其摆动时能够推动艇体前进，鳍向前摆动和向后摆动 时必须存在空气压力差，以便能够推动艇体前进。根据上式，艇体在无风情况下受到的阻力F=,初步设计鳍外探部分的长度 L=1000mm ,张开摆动时，张开角“ =60

6、度,闭合摆动时，张开角3 =20度，则张开和闭合过程中翼型的面积差A s=1/8*兀r2 =390000mm 2 ,两个鳍的种面积差 A S=2*390000=780000mm 2 ,根据设计要求，鳍的摆动过程应连续可调，其最低摆动速度为0,最高摆动速度为 2次/秒，即摆动频率为2HZ,则在最快情况下，其能够产生的推力F推=,而艇体在静风（即风速小于2m/s时）的阻力5阻= F推F阻，即飞艇的扑翼结构满足推动艇体前进的最小要 求，3,鳍开和结构的设计：为实现鳍向前摆动和向后摆动时的阻力差，其必须设计成开和 结构（原理及运算情况如上），为实现鳍的可控开合，其采用平行四边形连杆机构，靠 步进电机控

7、制器开合平行四杆机构的结构如图平行四边形杆件的边长 Ls= 50mm 完全张开时牵引端距转轴 的距离Lk= 86.5mm完全闭合式牵引端距转轴的距离 Lb=98.4mm 两端的距离差 A L= 11.9mm ，即牵引端的移动距离为11.9mm鳍的牵引采用步进电机程序控制步进电机选用五线电机，采用单片机控制，其线路图和程序参见附录一，二4鳍摆动的控制：为了使鳍能够产生相应的推力推动艇体前进，鳍在X-Y平面内做绕Z轴的转动，通过转动煽动气流，来推动艇体向前的运动，其工作原理见图如下结构的牵引方案在设计中有两种设计，模型中应用的为四杆机构牵引靠无刷电机提工动力，电子调速器控制速度，被设计的优点是电子

8、结构简单，成品件多，组装调试简单，缺点是机械传动结构复杂，且两个鳍之间的距离受限于牵引结构，不能随意调节。改进方案中应用的是步进电机取代拉杆机构实现鳍的摆动，该设计方案的优点是机械结构简单，便于制造，且稳定性高，但缺点是步进电机要用单片机控制，从而使电控设备变得复杂。现分别将两种结构说明如下(1 )四杆机构牵引的设计方案(即模型方案)：设计情况如图，两个鳍通过一个 V型杆连接，连接点距转轴的距离 L= 146mm V型杆同时牵引两个鳍的相同部位，从而使其产生相同的运动情况。V型杆的另一端与一个滑块相连，滑块在导轨上作直线运动，从而保证了改种蚊,滑块的另一端与转轮结构相连从而斗缰 轮电机的转动转

9、化为鳍的摆动，具体情力嘘如鳍摆出鳍拉回(2),单片机方案，单片机设计方案中，取消了复杂的传动机构，改用单片机控制步进电机转动，步进电机选用五线步进电机，步进电机的主轴直接与鳍的转轴相连，从而实现其直接转动，简化了机械结构，控制步进电机的单片机结构图及相应的程序在附录中 给出(附录一和附录二)5,鳍结构材料强度的校核因为该设计为浮空类飞行器，所以其重量要求和强度要求并重，初步设计采用。8直径的模型用碳纤维材料，其强度和重量要求的可以满足，经计算的碳纤维材料的强度和抗弯能力都符合5动力电机的选择根据设计，飞艇在无风条件下飞行，迎面风速为2m/s,所受到的阻力在上式中计算得，F= kv，假设飞艇飞行

10、的最大速度为5m/s,则实际所受的风阻 F1=kv 0 ，因为驱动艇体前进的动力为鳍的滑动，效率较螺旋桨推动稍低，经计算的，传动效率8=75%,则计算可得，动力电机的功率 Q=,给据功率，电动机选用模型用无刷电机，飞速达2833, KV值1250,功率200W ,远远满足设计需要，电池选用11.1V锂电池，空载电机转速12500转，负载后电机转速 9800,故需要较大的减速比减速箱，6减速箱的选择，根据设计需要，鳍的摆动频率为2HZ,所以减速比为 1: 100,根据设计需要，选用成品 1 “100减速箱，初步选定采用 GSM公司的模型减速箱，减速比 为1 : 100 ,齿轮为行星齿轮即能保证较

11、高的传动效率，又能满足强度要求和重量要求，且转动轴心不变。7,电动机电子调速器的选择。动力电池的电流较大功率较高，故应选用较大允许电流的电子调速器，初步选定为高安模型的20A电子调速器。用以控制电机转速由；零向9800转无极变化。8,电池的选择：动力电池的单位时间电流量为20A,飞艇的飞行时间预计在十分钟左右，故电池的电量 Q=20*1/6=10/3A/h ,选用4000ma理电池。四,，飞艇的接收一一发射机电路连接控制图及说明线路图该图为原始设计方案中的接收机布线图，其中艇体的前进和俯仰靠两个无刷电机控制，舵机一控制鳍开合部分的单片机的A_D转换，其与控制动力电机的电子调速器相连，从而保证鳍

12、的开合运动与摆动相一直，且同步调节。舵机 2控制尾翼，以保证艇体的转向（动力电机用电池与俯仰电机用电池为同一电池）接收机实物图遥控设备图、艇体转向设计：为使艇体在飞行过程中能够灵活变向或达到某一指定位置，所以需在艇体上安装转向 机构。原方案：在艇尾安装一个类似“鱼尾”的装置，即尾翼。通过拉杆控制，使尾翼在两侧均有一 定的摆动空间，这样在飞行过程中，当尾翼摆动到某一侧时，该侧所受到的空气阻力将会变 大，从而使艇体的飞行方向发生改变，实现对飞艇在飞行过程中的方向控制。如下图所示：新方案：通过控制舵机的运动，使两扇形侧翼不再同步运动，即使一扇形侧翼张开角度达到最 小，而另一侧运动状态不变。这样，两侧

13、所受阻力便会发生变化，从而实现方向的改变。如 下图所示：原运动：转向运动如下图:两种方案的比较：以上两种方案均可实现飞艇在飞行过程中的转向运动。但是，新设计方案比原设计方案更加简便易行。相对于原方案，新方案不仅省去一套牵引机构，而且转向也更加灵活。因为受于材料和技术所限， 飞艇不能如鱼类那般摆动整个尾部却不影响自身的平衡，因此在设计时尾翼不宜过大。这样，其转向速度相对新方案较慢，而且不能实现原地转向。虽然新方案对舵机的控制要求相对较高，但还是可以轻松实现。所以采用新方案较合 适。二、艇体俯仰的设计1、俯仰控制原理在原来的设计图中，“飞鱼”悬舱底部设计密封风道，中央安装风扇，通过控制风扇的转速，

14、调整进气量，从而调整飞鱼的升力大小，进而控制飞鱼的上升和下降。结构如下：qq=12000mm=0.012Lv= u注：此计算未考虑气体的粘性和风扇工作时的状态，因为此为最小进气量。 在整个飞鱼结构中，风扇的位置如下图：注：浮升关系，推力线较重力线和浮力线考前。飞鱼仰头时，F浮+F推F重，艇体产生仰头的力矩AU dA设平均风速为v=2m/s,（无风天气），则单位时间内流入进气道的气体3q=vA=2*6000=12000mm飞鱼悬浮时，F浮+5推=5重，F推*L3=G*L2,力矩平衡。如图:下降时，F浮+F推F重，且F推* L3G*L2 ,艇体产生低头的力矩。如图:我们根据传动结构验证模型的动作演

15、示，两个鱼鳍的开合和前后摆动完全可以独立控制, 同时也可以同步控制。 由此为我们的俯仰控制和转向控制提供力更多的设计空间， 可以通过控制鱼鳍的角度和开合来实现飞鱼的俯仰和转向动作，鱼鳍的结构简图如下步进电机通过单片机来控制，单片机程序已经编好，现在正在制作单片机硬件。由 于时间问题，单片机结构没有运用在验证模型上。步进电机3的转动可以使鱼鳍产生倾角，从而可以控制整个飞鱼的俯仰。步进电机1控制鱼鳍的前后摆动， 电机2控制鱼鳍的开合，整个过程的协调一致有单片机控制。2、风扇电机和桨叶的选择1、电机运用飞速达 2830, KV值为1290的无刷电机，重量为4550g,外形尺寸为28*30, 桨叶选用

16、9*5的马刀桨，负载后转速为9600z/min。最大推力为5001000g。2、电机的安装3、控制风扇的电机电机转速的电子调速器的选择电池选用和鱼鳍相同的 11.1V锂电池驱动，以使整个系统能协调一致，同时在型号的电池也能满足风扇的要求。转速的控制选用 20A 的无刷电阻调速器。六，改进方案改进点一， 在鳍的摆动位置所做的改进， 鳍的摆动由原始的牵引杆机构联动控制改为分别依靠步进电机控制具体改进在鳍摆动的的控制的方案二中进行了说明， 五线步进电机的电路图和程序参见附录改进点二取消原有的关于俯仰控制的电机及风扇， 改用鳍沿水平轴转动一个角度的方法俩控制俯仰， 即通过鳍在水平方向上的转动时本来产生

17、的水平方向推动艇体前进的力改为斜向的力，从而使艇体产生俯仰力矩，改进点三， 取消原有的转向尾翼， 其转向通过分别控制两个鳍摆动频率的不同来产生不同的转向力矩， 以控制艇体的转向， 较尾翼方案的优点市机动性更高， 转向更灵敏，转动半径更小七，模型的说明。受经费和时间的限制， 本次上交的为未进行改进的鳍的运动情况验证模型， 该模型旨在验证鳍的开合和转动方案的可行性。模型的制作目的旨在验证鳍最主要的传动结构的运动可行性，忽略实际设备过程中的强度问题，其比例为一比一(鳍的外伸部分受空间限制，模型制作了实际长度的1/3，其余部分都为一比一的比例)因为不需要实际推动艇身，该模型只采用 20W 的有刷电机和

18、电子调速器，采用 1;16 的减速箱进行减速，其他部位与设计方案一相同，采用无线遥控设备控制，鳍的摆动速度可以由 0 到最大转速间进行无级调速，鳍通过单片机控制，可与鳍的摆动同频率开合， 也可独立开合(见相关文件夹中的图片) 在模型的制作过程中， 我们对传动中实际面临的问题进行了分析研究， 得出了改进的传动方案和控制方案(详情见上面的改进方案说明)八， 关于模型实体化的申情， 限于设计中较难的单片机问题和制作过程中较高的经费问题，我小组再现阶段只能进行传动模型的验证，未能够进再将模型实体化，先做申请如下：1， 请学校对相关模型所验证的传动结构和改进方案进行可行性评价和修改意见，以便我组在实体的

19、制作过程中进行改进， 同时希望校方给与技术和设备上的支持2，鉴于实体搭建过程中的费用较高，以无法由个人承担，希望校方能在资金上给与一定的支持，以便模型能够尽快实体化。课题说明附录：#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delay1ms(uint k);/ 延时间extern duyali();/ 读 0808 uchar aa;main()char a,b; while(1) puyi();b=aa;for(a=0;a1;if(P1=0x08)P1=0x88;delay1ms(1);for(a=0;a5

20、00;a+)P1=0x11;P1=P11;if(P1=0x10)P1=0x11;delay1ms(1);while(b-)delay1ms(234);void delay1ms(uint k)/ 延时间k=k*125;while(-k);*EXTRN DATA(aa)NAME DUYALIDUYALI_CODE SEGMENT CODEPUBLIC DuyaliRSEG DUY ALI_CODEDUYALI:USING 0LCALL CHUSHIHUALCALL TESTRETCHUSHIHUA:CLR AMOV P3,#0FHMOV 0A0H,#00HMOV A,#0FFHMOV P0,ARETTEST:CLR AMOV P3,#0FHLCALL TESTARTmov R0,#70HLOO:DJNZ R0,LOOAJMP MOVDTESTART:SETB P3.4NOPNOPCLR P3.4SETB P3.5NOPNOPCLR P3.5NOPNOPNOPNOPRETMOVD:SETB P3.6MOV aa,P0CLR P3.6CLR AMOV P3,#0FHRETENDU1RV1U5仆cTEKT峥RERcTEXTiizIMPCICCY -gP3.7/RDP1.7于P3JSVURP1j61P35T1P1S6P3.mP1飞鱼课题组09 年 3 月