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系統識別號 U0002-2208200912560900
中文論文名稱 應用合拍機制於微飛行器之研製
英文論文名稱 Application of the Clap and Fling Mechanism to the Development of Flapping MAVs
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 房柏廷
研究生英文姓名 Bo-Ting Fang
電子信箱 696372019@s96.tku.edu.tw
學號 696372019
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-23
論文頁數 137頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-王安邦
委員-苗志銘
委員-湯文慈
委員-康尚文
中文關鍵字 微飛行器  合拍  拍撲式  風洞 
英文關鍵字 MAV  Clap and Fling  flapping  wind tunnel 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究參考昆蟲發生的合拍現象,以本實驗室拍翼式微飛行器(MAV)-金探子為研究主體,設計新式機構及改變不同拍撲角度,製作出具有相似於合拍機制之微飛行器。並利用風洞實驗量測出合拍機構飛行器之氣動力特性,並討論各機制之推進效率,逐一比較優缺點及改進之方向。
在此合拍機制飛行器主要的探討方向為:合拍的有無(金探子和CF-50)、機構差異性(CF-50和CF-51)、拍撲角度(CF-51和CF-72)。首先,利用高速攝影機,藉由慢速動作觀察拍翼的變化情形。在經由實驗結果分析各飛行器之氣動力數據。風洞實驗結果發現在傾角0°至60°範圍中,傾角40°可產生最大升力,金探子最大升力為9.8克,CF-50為9.6克,CF-51為8.1克,CF-72為5.5克,而CF-50有最快飛行速度,約2.75 m/s,但消耗功率較高;機構方面,單點拍動機構較優於雙點拍動機構;拍撲角度方面,角度72°之氣動力特性則明顯低於50°,甚至無法達到機身重量。推進效率方面,金探子在各傾角下有較高的推進效率,CF-50的推進效率不高但其升力可媲美金探子,其CF-51和CF-72則升力明顯不足。升力值由大至小依序是金探子、CF-50、CF-51、CF-72。
試飛方面則以雙對翼合拍(CF-110D)為主,總飛行時間大約為1分四十秒,並成功達成懸停的飛行姿態。
英文摘要 The research compare to the appearance of Clap and Fling in insect, an principal object mainly base on the flapping micro aerial vehicle (MAV)-Golden snitch of TamKang University research team, improve the transmission system and devise flapping angle which makes the MAV provided Clap and Fling mechanism. An experiment Measured Aerodynamic characteristic of the flapping MAV by wind tunnel and calculate propulsive efficiency which in the result.
Clap and Fling mechanism MAV discuss with whether Clap and Fling or not(Golden snitch and CF-50), transmission system(CF-50 and CF-51), stroke angle(CF-51 and CF-72). First, the research observe a wing of the MAV flapping by high speed CCD, than analyze the aerodynamic force data. The range from 0 degree to 60 degrees that produced maximum lift force in 40 degrees, golden snitch MAV`s lift force is 9.8 g, CF-50 is 9.6 g, CF-51 is 8.1 g, CF-72 is 5.5 g, and maximum flight speed in CF-50, it is 2.75 m/s, but it needed more waste power. An aspect of transmission system, flapping of single point is better than flapping of double point. An aspect of stroke angle, CF-72(72 degrees) is bad than CF-51(50 degrees), and CF-72 MAV unable to achieve vehicle weight. An aspect of propulsive efficiency the golden snitch is better than others
Finally, an aspect of flight, the flight duration more than 100 seconds and complete hovering in double wings MAV (CF-110D)
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 Ⅱ
英文摘要 Ⅳ
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究目的 2
1-3 文獻回顧 4
1-4 拍翼式微飛行器研究進展 13
1-5 論文架構 16
第二章 拍翼原理及飛行效率 17
2-1 鳥類和昆蟲之拍翼原理 17
2-1-1 飛行器拍翼原理 18
2-2 尺度律及拍翼機制 19
2-3 鳥類的飛行效率 23
2-3-1 飛行動物的飛行功率 24
2-3-2 飛行器效率分析 25
2-4 穩定與控制 26
第三章 機構設計及實驗架設與規劃 30
3-1 金探子拍翼微飛行器 30
3-2 合拍機構設計飛行器 31
3-2-1 合拍單對翼機構設計(CF-50) 31
3-2-2 合拍單對翼機構設計(CF-51、CF-72) 33
3-2-3 合拍雙對翼機構設計(CF-110D) 36
3-3 高速攝影拍撲狀況 41
3-4 風洞實驗架構 47
3-4-1 風洞實驗架設流程 48
3-5 馬達特性實驗 51
第四章 微飛行器之氣動力分析與飛行效率 54
4-1 實驗機構與參數設定 54
4-2 風洞測試結果與討論 55
4-2-1 金探子 56
4-2-2 Clap and Fling single wing (CF-50) 69
4-2-3 Clap and Fling single wing(CF-51) 77
4-2-4 Clap and Fling single wing(CF-72) 88
4-2-5 微飛行器之氣動力特性比較 98
4-3 飛行效率之探討 103
4-3-1 飛行效率分析 103
4-3-2 各機制微飛行器之推進效率 106
第五章 微飛行器相關研究及實際試飛 111
5-1 微飛行器之飛行試驗 111
5-2 微飛行器之相關研究 115
第六章 結果與討論 116
6-1 結論 116
6-2 未來建議 118
參考文獻 121
附錄A 結合太陽能薄膜之飛行改善 124
A-1 電力選用與規劃 124
A-2 太陽能電池 124
A-3 太陽能薄膜之選用 126
A-4 薄膜式太陽能元件結合MAV之飛行實驗 127
A-5 薄膜電池翼之規劃 128
附錄B 三對翼機構原理及設計 129
B-1 三對翼機構原理 129
B-2 三對翼機構設計 130
B-3 組裝試飛 131
B-4 組裝後所遭遇之問題 133
附錄C 球型機殼設計 134
附錄D 懸停式拍撲微飛行器 136
圖目錄
圖1.1 各飛行者省油速度與重量關係圖 4
圖1.2 Weis-Fogh提出的合拍機制示意圖 5
圖1.3 加裝LED於翼前 6
圖1.4 翼翅結合PVDF 6
圖1.5 飛行速度與重量的關係圖 8
圖1.6 (a)為雙軸撲翼機結構圖意圖;(b)為力矩量測示意圖 9
圖1.7 (a)昆蟲的Clap and Fling機制(b)升推力係數的差異 9
圖1.8 (a)NPS flapping-wing MAV(b)各角度之推進效率及功率係數之關係圖 10
圖1.9 蒼蠅拍撲變化圖 11
圖1.10 (a)SF-3示意圖(b)為SF-3組裝完成實際圖 12
圖1.11 SF-3機構圖 12
圖1.12 Delfly微飛行器 13
圖1.13 第一代拍翼式微飛行器 15
圖1.14 (a)傳動齒輪機構圖(b)第二代微飛行器 15
圖1.15 (a)微飛行器示意圖(b)微飛行器金探子商品圖 15
圖2.1 飛行器力量分佈示意圖 19
圖2.2 翼展與重量關係圖 20
圖2.3 幾種飛行動物翼負載對身體質量關係 21
圖2.4 拍翼功率流程圖 26
圖2.5 飛行器重心位置示意圖 27
圖2.6 (a)距離參數示意圖(b)“金探子”之質量中心 28
圖2.7 拍翼式與定翼式重心比較圖 29
圖2.8 金探子質量中心示意圖 29
圖3.1 (a)平板機身金探子(b)燕子機殼金探子 30
圖3.2 CF-50桿件參數設計圖 31
圖3.3 背部黏貼實體圖. 32
圖3.4 CF-50機構拍撲實體圖置 32
圖3.5 組裝完成實體圖 33
圖3.6 利用Auto CAD繪製各桿件參數及拍撲角度設計圖 34
圖3.7 CF-51飛行器之拍翼位置實體圖 34
圖3.8 CF-51組裝完成圖(a)機構區(b)整架飛行器實體圖 35
圖3.9 利用AutoCAD繪製各桿件參數及拍撲角度設計圖 36
圖3.10 CF-72飛行器之拍翼位置實體圖 36
圖3.11 CF-72組裝完成圖(a)機構區(b)整架飛行器實體圖 36
圖3.12 相位差的問題 37
圖3.13 Delfly於空中飛行之實體圖 38
圖3.14 CF-110D各項零件參數 39
圖3.15 二、三桿之間直角針頭實體圖 39
圖3.16 (a)傳動機構區側視圖(b)完整實體圖(c)正視圖(d)上視圖 40
圖3.17 高速攝影機 42
圖3.18 單點拍動與雙點拍動之機構示意圖 42
圖3.19 CF-50電壓3.7 V拍撲示意圖(a)正視;(b)後視 43
圖3.20 CF-51電壓3.7 V拍撲示意圖(a)正視;(b)後視 44
圖3.21 CF-72電壓3.7 V拍撲示意圖(a)正視;(b)後視 45
圖3.22 CF-110D電壓3.7 V拍撲示意圖(a)正視;(b)後視 47
圖3.23 (a)風洞立體圖(b)六軸力規 48
圖3.24 風洞實驗架設圖 50
圖3.25 微飛行器架設圖 50
圖3.26 程式圖形化界面 50
圖3.27 馬達電壓與功率關係圖 52
圖3.28 馬達轉速與力矩關係圖 52
圖3.29 Mario馬達與Didel馬達之電壓與拍撲頻率關係圖 53
圖4.1 金探子飛行器不同傾角下,電壓與升力之關係圖 58
圖4.2 金探子飛行器不同傾角下,電壓與推力之關係圖 59
圖4.3 金探子飛行器不同傾角下,頻率與升力之關係圖 61
圖4.4 金探子飛行器不同傾角下,頻率與推力之關係圖 62
圖4.5 金探子飛行器不同傾角下,風速與升力之關係圖 66
圖4.6 金探子飛行器不同傾角下,風速與推力之關係圖 67
圖4.7 金探子不同風速下,傾角與升力推力、升推比之關係圖 68
圖4.8 為CF-50在不同傾角下,電壓與升力的關係圖 71
圖4.9 為CF-50在不同傾角下,電壓與推力的關係圖 72
圖4.10 表示CF-50在不同傾角下風速與升力之關係圖 75
圖4.11 表示CF-50在不同傾角下風速與推力之關係圖 76
圖4.12 CF-51不同傾角時,電壓與升力的關係圖 79
圖4.13 CF-51不同傾角時,電壓與推力的關係圖 80
圖4.14 CF-51不同傾角時,拍撲頻率與升力的關係圖 83
圖4.15 CF-51不同傾角時,拍撲頻率與推力的關係圖 84
圖4.16 CF-51不同傾角時,風速與升力的關係圖 86
圖4.17 CF-51不同傾角時,風速與推力的關係圖 .87
圖4.18 (CF-72)不同傾角時,電壓與升力的關係圖 90
圖4.19 (CF-72)不同傾角時,電壓與推力的關係圖 91
圖4.20 CF-72不同傾角時,頻率與升力的關係圖 93
圖4.21 CF-72不同傾角時,頻率與推力的關係圖 94
圖4.22 CF-72不同傾角時,風速與升力的關係圖 96
圖4.23 CF-72不同傾角時,風速與推力的關係圖 97
圖4.24 不同傾角下J與CT值的關係圖 101
圖4.25 不同傾角下J與CL值的關係圖 102
圖4.26 馬達轉速量測圖 105
圖4.27 電壓與功率關係圖 106
圖4.28 各機制之飛行器在不同傾角下的推進效率比較圖 110
圖4.29 各機制之飛行器在不同傾角下的最大升力比較圖 110
圖5.1 合拍雙對翼飛行示意圖 112
圖5.2 懸停式對稱雙對翼飛行器飛行示意圖 113
圖5.3 金探子飛行器飛行示意圖 114
圖A.1 30 mAh鋰電池 126
圖A.2 太陽能電池之I-V特性 126
圖A.3 (a)太陽能電池的示意圖圖(b)太陽能軟式薄膜元件規格圖 127
圖A.4 太陽能供電系統架構方塊圖 128
圖A.5 (a)雙片組裝實體圖(b)單片組裝實體圖 128
圖B.1 (a)單對翼(b)雙對翼(c)三對翼拍翼角度示意圖 129
圖B.2 腳踏車機構之單對翼設計 131
圖B.3 腳踏車機構之三對翼設計 131
圖B.4 桿件設計圖 131
圖B.5 鋁合金基座完成圖 132
圖B.6 (a)塑膠基座完成圖(b)尾翼實際圖 132
圖C.1 機殼(a)為前視圖(b)為上視圖 134
圖C.2 (a)為前視圖(b)為側視圖 135
圖C.3 (a)浸泡於丙酮溶解(b)parylene外殼實體圖 135
圖C.4 Parylene機殼微飛行器實際圖 135
圖D.1 (a)AutoCAD軟體設計之參數(b)飛行器組裝完成圖 137
表目錄
表1.1 八種昆蟲在懸停狀態下的升力及功率表 6
表2.1 本研究拍翼式飛行器之雷諾數 22
表3.1 各飛行器的拍撲角度、相位差、拍撲方式 42
表4.1 風洞實驗之系統設計參數及特性 55
表4.2 金探子各零件參數表 104
表4.3 金探子不同傾角之推進效率 107
表4.4 CF-50不同傾角之推進效率 108
表4.5 CF-51不同傾角之推進效率 108
表4.6 CF-72不同傾角之推進效率 109
表D.1 懸停式機構設計參數 137
參考文獻 參考文獻
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