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系統識別號 U0002-1708200916142600
中文論文名稱 翼展10公分之拍翼式微飛行器研製
英文論文名稱 Fabrication of Flapping Micro Aerial Vehicles with 10 Centimeter Wingspan
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 廖俊瑋
研究生英文姓名 Chun-Wei Liao
學號 696370039
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-09
論文頁數 102頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-苗志銘
委員-黃進光
委員-蕭富元
委員-沈永康
中文關鍵字 拍翼式微飛行器  聚對苯二甲酸乙二醇酯  尾翼 
英文關鍵字 Micro Aerial Vehicles  PET  tail 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究以10公分翼展之微飛行器為設計之目標,材料選用質量輕、強度強的鋁合金作為基座材料,並搭配本實驗室自行開發之塑膠連桿與齒輪,組成10公分翼展微飛行器之傳動機構。機翼骨架為質輕之碳纖維棒帶動聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)翼膜,鋰電池為動力之來源,構成全機重約4克之拍翼式飛行器。
本研究主要針對10公分拍翼機之翼膜,於不同攻角與不同拍撲頻率下氣動力之探討,經由風洞實驗,發現本研究之拍翼式微飛行器之升力與其全機重接近,但其淨推力值卻會出現負值。本研究亦針對尾翼之外型進行最佳化設計,利用田口直交表進行歸納,並得知尾翼裝置角、厚度、翼展與弦長之最佳值。分析結果發現,於裝置角0°、厚度1.8 mm、翼展15 cm與弦長22 mm時具有最佳之升推力值。與無尾翼時相較,推力值有著大幅提升。並且藉由風洞可視化實驗發現,加裝尾翼後可以有效引導拍翼時所產生之渦流,由此可看出加裝最佳化尾翼後為何淨推力值上升之原因。
本實驗最後將此拍翼式微飛行器進行實際飛行測試,其飛行時間約為11秒,飛行範圍約為直徑3公尺。
英文摘要 This research is to fabricate a flapping micro aerial vehicle (MAV) with 10 cm wingspan. The aluminum alloy with light weight and strong intensity is selected to manufacture the motor base, which is combined a plastic linkage and gear to form a wingspan of 10 centimeters of transmission system. The PET wing membrane is driven by the skeleton of the light carbon fiber rods and the power source is supplied by lithium battery. Finally, we make up a MAV which is only 4 grams in weight and 10 cm in width.
Additionally, the PET films are tested by a series of aerodynamic experiments. The results show that the lift forces are sufficient to the MAV. However, the net thrust force would be a negative value. The design of tail shape is also optimized in this work. The optimization is done by Taguchi orthogonal table including the tail angle, thickness, chord length and wingspan. It is found that the best value of the aerodynamic force is the device with angle 0°, 1.8 mm thickness, 15 cm wingspan and 22 mm chord length. Then compared with non-tail, the thrust force has increased dramatically. Flow visualization by wind tunnel shows that the installed tailcan effectively guide the shedding vortex, that influences the net thrust of the MAV.
Finally, we have some flying tests. The endurance of the MAV is about 11 seconds, and the flight range of about 3 meters in diameter.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 III
英文摘要 IV
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 8
1-3 研究目的與架構 13
第二章 飛行理論與材料特性 15
2-1 拍翼式飛行方式概述 15
2-2 拍翼式飛行器設計參數 24
第三章 仿鳥類微飛行器設計 28
3-1 拍翼式微飛行器製作架構 28
3-2 四連桿機構 28
3-2-1雙平行曲柄四連桿機構 29
3-2-2非平行等長曲柄連桿機構 30
3-2-3直拉桿機構 31
3-2-4曲柄搖桿機構 32
3-2-5角度問題 33
3-3傳動機構設計與製作 35
3-3-1機構設計 35
3-3-2機構製作 37
3-4 材料特性 41
3-4-1基座 41
3-4-2翼膜 41
第四章 實驗規劃與實驗架設 45
4-1 實驗設備 45
4-1-1風洞 45
4-1-2數據擷取卡 46
4-1-3六軸力規 48
4-1-4擷取軟體LabVIEW 49
4-1-5電源供應器 50
4-2 實驗架設 51
4-3 實驗規劃 53
4-3-1實驗一:PET翼膜之氣動力量測 54
4-3-2實驗二:尾翼設計之最佳化 55
4-4實驗參數 57
第五章 實驗結果與討論 59
5-1 實驗一結果與討論 59
5-2 實驗二結果與討論 65
5-3 可視化流場分析 75
5-4實際試飛結果 77
第六章 結論與未來建議 79
6-1 結論 79
6-2 未來建議 81
參考文獻 84
論文著述目錄 88
附錄A 壓力感測塗料 89
A-1壓力感測塗料 89
A-2 理論基礎 90
A-3實驗方法 96
圖目錄
圖 1-1 Caltech的拍翼式飛行器Micro Bat 4
圖 1-2 淡江大學微機電研究群第二代拍翼式飛行器Eagle II 4
圖 1-3 淡江大學微機電研究群第三代拍翼式飛行器-金探子 4
圖 1-4 減速齒輪傳動機構之正視圖 5
圖 1-5 飛行生物翼展與重量關係圖 8
圖 1-6 Weis-Fogh clap and fling mechanism 8
圖 1-7 Żbikowski 製作的拍翼機構 11
圖 1-8 Agrawal 所製作的拍翼機構 11
圖 1-9 Wood製作的機器蒼蠅 12
圖 1-10 機器蒼蠅與硬幣大小比較 13
圖 1-11 本研究團隊飛行器重量與拍撲頻率發展圖 14
圖 2-1 鳥類滑翔模態示意圖 16
圖 2-2 鳥類振翅模態分解示意圖 16
圖 2-3 下撲時翼截面受力圖 17
圖 2-4 昆蟲振翅飛行示意圖 17
圖 2-5 鳥類身體質量與拍撲頻率關係圖 18
圖 2-6 MAV之重量與翼展之關係圖 19
圖 2-7 自然界飛行體之飛行速度與其質量關係圖 19
圖 2-8 MAV 之飛行境域示意圖 21
圖 2-9 a) Bat wings,span=15cm,升力特性 21
圖 2-9 b) Cicada wings,span=15cm,升力特性 22
圖 3-1 拍翼式微飛行器之製作架構 28
圖 3-2 四連桿機構 29
圖 3-3雙平行曲柄四連桿機構 30
圖 3-4非平行等長曲柄連桿機構 30
圖 3-5直拉桿機構 31
圖 3-6曲柄搖桿機構 33
圖 3-7 四連桿機構角度圖 35
圖 3-8 a) Ornithopter zone網站所提供的JAVA分析軟體 36
圖 3-9 a) Solid Works 軟體繪製機身與尾翼組合圖;b) 翼膜圖形 38
圖 3-10 減速齒輪機座 39
圖 3-11 減速齒輪與四連桿機構 39
圖 3-12 Solid Works 軟體繪製之機構設計為6 mm傳動機構 39
圖 3-13 Solid Works 軟體分析之四連桿機構行程角 40
圖 3-14 MATLAB 軟體分析本研究之四連桿機構行程角 40
圖 3-15 MATLAB 軟體分析本研究之四連桿機構相位差 41
圖 3-16 PET聚乙烯對苯二甲酸酯 44
圖 4-1 本實驗所用之低速風洞 46
圖 4-2 熱線測速儀之感測端點 46
圖 4-3 NI公司所生產之數據擷取卡 48
圖 4-4 六軸力規 49
圖 4-5 電源供應器 51
圖 4-6 各軸軸向的定義 52
圖 4-7 LabVIEW人機介面 52
圖 4-8 風洞實驗示意圖 53
圖 4-9 翼膜示意圖 54
圖 4-10 尾翼參數示意圖 55
圖 4-11 尾翼於機身的裝置角示意圖 56
圖 5-1 攻角10°之升力值 61
圖 5-2 攻角20°之升力值 61
圖 5-3 攻角30°之升力值 62
圖 5-4 攻角10°之推力值 63
圖 5-5 攻角20°之推力值 63
圖 5-6 攻角30°之推力值 64
圖 5-7 不同尾翼於風洞實驗量測所得之升力 66
圖 5-8 田口直交表分析後所得之升力值 66
圖 5-9 純拍翼與增加最佳化尾翼後的升力 68
圖 5-10 純拍翼與增加最佳化尾翼後的推力 68
圖 5-11 鏤空之尾翼設計圖 69
圖 5-12 PET薄膜貼於尾翼上表面與下表面之升力 70
圖 5-13 PET薄膜貼於尾翼上表面與下表面之推力 70
圖 5-14 無翼後緣尾翼之設計圖 72
圖 5-15 無翼後緣尾翼與有翼後緣尾翼之升力 72
圖 5-16 為無翼後緣尾翼與有翼後緣尾翼之推力 73
圖 5-17 未加裝最佳化尾翼之可視化流場分析 75
圖 5-18 加裝最佳化尾翼後之可視化流場分析 76
圖 5-19 組裝完成之10公分微飛行器 77
圖 5-20 實際飛行之飛行路徑圖 78
圖 6-1 Rudpp塗佈於翼膜上之發光情形 83
圖 A-1 Jablonski 能位示意圖 92
圖 A-2 壓力感測塗料原理示意圖 93
圖 A-3 PSP運用於定翼機壓力場分布量測 94
圖 A-4 PSP方法運用於汽車之壓力分布 94
圖 A-5 Ru錯位化合物分子結構 96
圖 A-6 使用旋轉塗佈後螢光染劑之分布 98
圖 A-7 使用毛筆將溶有Rudpp之酒精溶液塗佈於翼膜之分布 98
圖 A-8 改質後之翼膜塗佈 99
圖 A-9 翼膜照光測試 100
圖 A-10 改良塗佈方式後之翼膜 101
圖 A-11 改良後之翼膜照光試驗 101
圖 A-12 翼膜照光並吹氮氣試驗 102
圖 A-13 吹氣前後之差異 102
表目錄
表 1-1本研究團隊開發之拍翼式微飛行器演進 5
表 3-1 鋁合金7075成分及機械性質表 43
表 3-2 PET 之物理性質 44
表 4-1 淡江大學DAQ卡規格表 47
表 4-2 淡江大學六軸力規規格表 48
表 4-3 本次實驗 直交表 56
表 4-4 本研究實際飛行之拍翼式飛行器各項參數 58
表 5-1 實驗參數 59
表 5-2 不同電壓下、攻角、風速之拍撲頻率 60
表 5-3尾翼最佳化實驗參數 65
表 5-4 各因數的升力數值 67
表 5-5 純拍翼與增加最佳化尾翼後升、推力值 69
表 5-6 PET薄膜貼於尾翼上表面與下表面之各點升力、推力值 71
表 5-7 無翼後緣尾翼與有翼後緣尾翼之升力、推力值 73
表 A-1 不同螢光染劑之各項特性 96
參考文獻 [1] 何仁揚,「拍撲式微飛行器之製作及其現地升力之量測研究」,碩士論文,機械與機電工程學系,淡江大學,2005年。
[2] T. N. Pornsin-Sirirak, Parylene MEMS Technology for Adaptive Flow Control of Flapping Flight, Ph. D Dissertation, California Institute of Technology, January 7, 2002.
[3] 徐振貴,「拍翼式微飛行器之設計、製造與測試整合」,博士論文,機械與機電工程學系,淡江大學,2008年。
[4] S. Ashley, “Palm-size spy plane,” The American Society of Mechanical Engineers, pp. 74 -78, 1998.
[5] Y. C. Tai, and C. M. Ho, “MEMS wing technology for a battery-powered ornithopter,” The 13th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp.799-804, 2000.
[6] W. Shyy, M. Berg, and D. Ljungqvist, “Flapping and flexible wings for biological and micro air vehicles,” Progress in Aerospace Sciences, Vol. 35, pp. 455-505, 1999.
[7] U. M. Norberg, Vertebrate Flight: Mechanics, Physiology, Morphology, Ecology and Evolution, New York: Springer, 1990.
[8] C. P. Ellington, “The novel aerodynamics of insect flight: Applications to micro-air vehicles,” Biol, Vol. 202, pp. 3439-3448, 1999.
[9] Z. J. Wang, “Vortex shedding and frequency selection in flapping flight,” Journal of Fluid Mech. Vol. 410, pp. 323-341, 2000.
[10] S. P. Sane and M. H. Dickinson, ” The control of flight force by a flapping wing: lift and drag production,” Journal of Experimental Biology, Vol. 204, pp. 2607-2626, 2001.
[11] S. Sunada and C.P. Ellington, “A new method for explaining the generation of aerodynamic forces in flapping fight,” Math. Methods Applied Sciences Vol. 24, pp.1377–1386, 2001.
[12] M. Liger, T. N. Pornsin- Sirirak, and Y. C. Tai, “Large-area electrostatic valved skins for adaptive flow control on ornithopter wings,” Proc. of Solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop Hilton Head Island, South Carolina, June 2-6, 2002.
[13] R. B. Srygley and A. L. R. Thomas, “Unconventional lift-generating mechanisms in free-flying butterflies,” Nature, Vol. 420, pp. 660-664, 2002.
[14] Z. J. Wang, “The role of drag in insect hovering,” Journal of Experimental Biology, Vol. 207, pp. 4147-4155, 2004.
[15] A. Hedenström, “A general law for animal locomotion,” Trends in Ecology and Evolution, Vol. 19, No. 5, pp. 217-219, 2004.
[16] N. Vandenberghe, J. Zhang, and S. Childress, “Symmetry breaking leads to forward flapping flight,” Journal of Fluid Mech, Vol. 506, pp. 147-155, 2004.
[17] R. Żbikowski, C. Galiński, and C. B. Pedersen, “Four-bar linkage mechanism for insectlike flapping wings in hover: concept and an outline of its realization,” Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME, Vol. 127, No. 4, pp. 817-824, 2005.
[18] S. K. Banala and S. K. Agrawal, “Design and optimization of a mechanism for out-of-plane insect winglike motion with twist,” Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME, Vol. 127, No.4, pp. 841-844, 2005.
[19] H. Tanaka, K. Hoshino, K. Matsumoto, and I. Shimoyama, “Flight dynamics of a butterfly-type ornithopter,” Proc. of Intelligent Robots and Systems, (IROS) IEEE/RSJ International Conference, pp. 310-315, 02-06, Aug, 2005.
[20] S. Alben, M. Shelley, “Coherent locomotion as an attracting state for a free flapping body,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the U.S.A., Vol. 102, No. 32, pp. 11163-11166, 2005
[21] C. S. Lin, C. Hwu, and W. B. Young, “The thrust and lift of an ornithopter’s membrane wings with simple flapping motion,” Aerospace Science and Technology, Vol. 10, No. 2, pp. 111-119, 2006.
[22] S. H. McIntosh, S. K. Agrawal, and Z. Khan, “Design of a mechanism for biaxial rotation of a wing for a hovering vehicle,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 11, No. 2, pp. 145-153, 2006.
[23] Z. Jane Wang and D. Russell, “Effect of forewing and hindwing interactions on aerodynamic forces and power in hovering dragonfly flight,” Phys. Rev. Lett., Vol. 99, No. 14, no. 148101, 2007.
[24] R. Wood, “Fly, robot fly,” IEEE Spectrum, pp. 25-29, 2008.
[25] http://www.ornithopter.org/flapflight/home.html
[26] 黃邦豪,“引擎動力遙控拍翼機之開發”,碩士論文,機械工程學系,大同大學,2006年。
[27] S. P. Sane, “The aerodynamics of insect flight.” Journal of Experimental biology,.Vol. 206, pp. 4191-4208, 2003.
[28] H. Tennekes, The Simple Science of Fight (from Insects to Jumbo Jets), Boston, MA: MIT Press, 1996.C. H. Greenewalt, “Dimensional relationships for flying animals.” Smithson Misc Collect, Vol. 144, pp. 1-46, 1962.
[29] http://www.ornithopter.org/flapdesign1.shtml
[30] http://www.great-sunshine.com.tw/aluminiumally.htm
[31] http://www.matweb.com/reference/tensilestrength.aspx
[32] http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate
[33] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zht/nid/14132
[34] 高敏維,“微拍翼機可撓翼之氣動特性實驗”,碩士論文,機械與機電工程學系,淡江大學,2008年。
[35] M. E. Kose, Muliti-Luminophore Coatings For Pressure Sensitive Applicationspaint, Ph. D. Dissertation, University of Florida,2005.
[36] T. Liu and J. Sullivan, Pressure and Temperature Sensitive Paint, Springer-Verlag, 2004.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2009-08-20公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2009-12-31起公開。


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