微飛行器(MAV)應用空氣動力學一直以來都是極受注目的一項技術，達到MAV飛行敏捷的程度，流固耦合、特定撓性、大規模分離流動的氣動力負載時變歷程等，皆為MAV尚待探索的分項領域，一些大學與小型研究單位，紛紛就開發計算與實驗工具，觀察自然界蜂鳥、蝙蝠等拍翼方式，製作仿真參數化模型與拍翼式飛行器原型機等。
本研究透過MEMS製程技術與表面黏貼技術結合LED，使翼膜撓動顯像，再以運動分析軟體結合影像處理，擷取其翼膜撓動的軌跡座標，以搭配結合於計算流體力學，進行三維拍翼流場的模擬分析。
以平整度較佳的parylene為基材，製作的可撓性導電翼膜經頻率13Hz-16Hz高速拍動，亦可持續顯示翼膜動態軌跡。並以煙線與翼尖軌跡移動平均線顯示，鍍膜前後的渦流尾跡與移動平均線並無太大差異。
以Kwon3D擷取翼膜撓動軌跡座標，且經KwonCC數位化比例尺，計算出誤差值為0.14cm，將軌跡移動平均線轉入LabVIEW，以可成功顯示翼膜拍翼撓動的軌跡。本研究亦先嘗試以單一標記亮點軌跡路徑為例，計算其運動軌跡方程式，將翼膜先視為剛體，沿此點所擷取到的路徑軌跡，做出實際拍翼軌跡的流場模擬。

Micro aerial vehicle (MAV) Applied Aerodynamic has always been a technique that catches people’s attention a lot. To achieve MAVs flight capabilities, fluid-structure interaction (FSI), tailored flexibility and aerodynamic-loads time-history for massively separated flows and so on are all the MAV unexplored respective fields. Some colleges and small research institutes have been developing calculators and experimental tools to observe the flapping wings way of hummingbird and bats, designing variable-fidelity models and bird- or insect- like ornithopter (flapping wing) models.
This study, through MEMS processes technology and surface mount technology (SMT) linking up with LED, makes wing span flexible display and gets the trajectory coordinates of the wing span flexible by the Motion Analysis software accompanied by image processing to match the simulated analysis of 3D flapping wing fluid while commutating fluid dynamics.
Based with the better flatness parylene, the flexible electric conduction wing span flapping with the high frequency of 13Hz-16Hz can also keep displaying the trajectory of the wing span movement. Besides, through the display of the smoke wire and the wingtip’s trajectory, the moving average shows little divergence from the vertex trajectory of the front and the rear coating.
And by getting the trajectory of the wing span movement with Kwon3D, through KwonCC digital scale having a margin of error of 0.14cm and changing trajectory moving average into LabVIEW, we find it can display the trajectory of the wing span movement successfully as well. This study takes the trajectory of one brightened-spot for example and calculates the formula of the movement trajectory, viewing the wing span as a rigid body at first, through the movement trajectory gotten along the bright spot making a practical simulated fluid of the flapping wing trajectory.

目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機與目的 2
1-3 文獻回顧 5
1-4 研究方法與論文架構 11
第二章 微飛行器與材料特性 13
2-1拍翼式微飛行器概述 13
2-2全塑膠拍翼式MAV設計 14
2-2-1 傳動機構 15
2-2-2 翼膜設計 18
2-2-3 機身與尾翼 18
2-3 翼膜材料特性 20
2-3-1 Parylene 20
2-3-2 PET 23
第三章 可撓性導電翼膜製作 24
3-1 軟性電路板概況 24
3-2實驗儀器與設備 28
3-2-1 Parylene 鍍膜機 29
3-2-2 LED晶粒 30
3-2-3異方性導電膠 31
3-2-4 吸入式風洞測試系統 34
3-3 PET導電翼膜 35
3-4 Parylene導電翼膜 41
3-5可視化流場觀測 45
第四章 拍翼翼膜軌跡擷取實驗 51
4-1實驗儀器與設備 51
4-1-1 影像擷取攝影系統 51
4-1-2 資料處理軟體 54
4-1-3計算流體力學 58
4-2 實驗架設與流程 61
4-3 Kwon3D座標點擷取 65
第五章 拍翼翼膜軌跡三軸座標 67
5-1 LED標誌亮點XYZ軌跡座標 67
5-2 LabVIEW連續軌跡 71
5-3 拍翼計算流體力學之動態邊界產生 76
第六章 結論與未來建議 81
6-1 結論 81
6-2 未來建議 83
參考文獻 84
附錄A MAV結合MEMS IMU概念 88
A-1 三軸加速度感測器簡介 89
A-2 翼尖訊號量測系統 91
A-3 翼尖加速度實驗結果 93
附錄B MAV結合LED顯像 96
B-1 Thermal Couple連接LED 96
B-2 LED拍翼軌跡顯像 99
B-2-1 MAV結合LED 定點之翼尖軌跡 99
B-2-2 MAV結合LED 飛行中之翼尖軌跡 100
附錄C LabVIEW Block diagram 翼膜軌跡程式控制介面 103
論文作者(黃奕澄)著述目錄 105

圖目錄
圖1-1	飛行者一號(Flyer one)  2
圖1-2	自然界飛行生物翼展與重量之關係 2
圖1-3	R. Wood製作的機器蒼蠅 4
圖1-4	R. Wood，機器蒼蠅與硬幣大小比較 4
圖1-5	X0Z0平面與Y0Z0平面攝影架設視圖 6
圖1-6	架設一面鏡組並由投影觀察蝙蝠底部影像 6
圖1-7	蝙蝠的一個拍翼週期，未筆直飛行於前面攝影機與垂直側邊攝影機 6
圖1-8	氣動力與結構控制點的佈局 7
圖1-9	四種膜態形狀 7
圖1-10	(a)LED翼尖軌跡顯像 (b)不同參數下與蜂鳥翼尖軌跡比較 8
圖1-11	關節軌跡比對 (a)Plecotus auritus翼尖軌跡 (b)可折疊性機翼軌跡 9
圖1-12	左翼翼膜標記區域 9
圖1-13	蝴蝶等比例撲翼式微飛行器 10
圖1-14	閃頻觀測儀拍攝起飛姿態 10
圖1-15	翼前緣向下拍擊應力分佈 11
圖1-16	架構流程圖 12
圖2-1	Caltech的拍翼式飛行器 Micro Bat 13
圖2-2	減速齒輪傳動機構塑膠套件 (a)正視圖 (b)側視圖 14
圖2-3	傳動系統基座 15
圖2-4	全塑膠傳動系統設計圖 16
圖2-5	本研究拍翼式飛行器之翼膜形狀示意 18
圖2-6	保力龍機身 18
圖2-7	尾翼設計成垂直站立的金探子 19
圖2-8	水平尾翼工程視圖 19
圖2-9	垂直尾翼工程視圖 19
圖2-10	parylene-C 顆粒 21
圖2-11	三種商業化之parylene 21
圖2-12	paeylene沉積過程化學結構(SCS website)  22
圖2-13	PET聚對苯二甲酸乙二醇酯 23
圖3-1	軟性電路板 25
圖3-2	電鍍法 27
圖3-3	塗層法 27
圖3-4	壓合法 28
圖3-5	Parylene鍍膜機(polymer deposition system，PDS-2010)  30
圖3-6	DOMINANT半導體公司LED 2.0mm×1.25mm×1.1mm 31
圖3-7	LED三視工程圖 31
圖3-8	異方性導電膠與硬化劑 32
圖3-9	異方性導電示意圖 32
圖3-10	電阻與線路長度關係圖 (a) 85°C x 3 min (b) 25°C x 2 hr 34
圖3-11	風洞測試系統 35
圖3-12	PET可撓性導電膜製程圖 37
圖3-13	電源輸入端 38
圖3-14	LED通電測試 38
圖3-15	可撓性金屬導電薄膜MAV組裝與拍翼情形 39
圖3-16	α-step量測PET表面平整度 40
圖3-17	OM拍攝PET表面情形 40
圖3-18	α-step量測parylene表面粗糙 (a)光滑面 (b)粗操面 41
圖3-19	OM拍攝parylene表面情形 (a)50X (b)100X 41
圖3-20	導電金屬線光罩 42
圖3-21	Parylene可撓性導電膜製程圖 44
圖3-22	三種不同角度導電翼膜(0°、30°、60°)  44
圖3-23	翼尖拍翼軌跡 46
圖3-24	四種翼膜升推力值差異 (a)升力值 (b)推力值 46
圖3-25	未鍍金屬翼膜渦流尾跡 47
圖3-26	deg0可撓金屬導電翼膜渦流尾跡 48
圖3-27	deg30可撓金屬導電翼膜渦流尾跡 49
圖3-28	deg60可撓金屬導電翼膜渦流尾跡 50
圖4-1	本實驗所用之高速CCD Phantom V4.2 52
圖4-2	本實驗所用之高速CCD TroubleShootting HR 52
圖4-3	電源供應器PR8363 53
圖4-4	Kwon3D與拍攝系統 54
圖4-5	雙高速攝影與Kwon3D軟體軌跡抓取 55
圖4-6	Kwon3D軟體作業系統 56
圖4-7	LabVIEW主要控制面板(a)Front Panel(b)Block diagram 57
圖4-8	程式撰寫功能：Functions、Controls、Tools 57
圖4-9	非穩態拍翼流場模擬 59
圖4-10	苗志銘教授等瓦楞狀類蜻蜓翼網格建立 60
圖4-11	苗志銘教授等瓦楞狀類蜻蜓翼流場 61
圖4-10	拍攝系統圖 62
圖4-11	微飛行器實體 63
圖4-12	LED標誌亮點位置示意 64
圖4-13	三張翼膜(0°、30°、60°)標誌亮點整合示意 64
圖4-14	定義一週期起始位置示意 64
圖4-15	高速CCD拍攝比例尺 65
圖4-16	KwonCC影片空間座標化誤差值0.14cm 65
圖4-17	補光下高速CCD拍攝 66
圖4-18	關燈下高速CCD拍攝 66
圖5-1	3.7V馬達工作電壓下a1 Y軸對Z軸軌跡 68
圖5-2	3.7V馬達工作電壓下a2 Y軸對Z軸軌跡 68
圖5-3	3.7V馬達工作電壓下a3 Y軸對Z軸軌跡 68
圖5-4	3.7V馬達工作電壓下b1 Y軸對Z軸軌跡 68
圖5-5	3.7V馬達工作電壓下b2 Y軸對Z軸軌跡 69
圖5-6	3.7V馬達工作電壓下b3 Y軸對Z軸軌跡 69
圖5-7	3.7V馬達工作電壓下c1 Y軸對Z軸軌跡 69
圖5-8	3.7V馬達工作電壓下c2 Y軸對Z軸軌跡 69
圖5-9	3.7V馬達工作電壓下c3 Y軸對Z軸軌跡 70
圖5-10	0.3V馬達工作電壓下9顆LED標誌亮點移動軌跡 70
圖5-11	3.7V馬達工作電壓下9顆LED標誌亮點移動軌跡 70
圖5-12	MAV視角與0°LED亮點示意 73
圖5-13	馬達操作電壓0.3Ｖ0°LED軌跡 73
圖5-14	馬達操作電壓3.7Ｖ0°LED軌跡 73
圖5-15	MAV視角與30°LED亮點示意 73
圖5-16	馬達操作電壓0.3Ｖ30°LED軌跡 74
圖5-17	馬達操作電壓3.7Ｖ30°LED軌跡 74
圖5-18	MAV視角與60°LED亮點示意 74
圖5-19	馬達操作電壓0.3Ｖ60°LED軌跡 74
圖5-20	馬達操作電壓3.7Ｖ60°LED軌跡 75
圖5-21	9顆LED標記亮點軌跡 75
圖5-22	Wang, Z. J.等蜻蜓翼之二維拍撲路徑 76
圖5-23	苗志銘等瓦楞狀類蜻蜓翼 77
圖5-24	剛體機翼沿a2軌跡拍翼示意 77
圖5-25	(a)a2位置示意圖 (b)a2原始拍翼軌跡 78
圖5-26	a2原始軌跡curve fitting 78
圖5-27	a2原始軌跡上行程curve fitting 79
圖5-28	a2原始軌跡下行程curve fitting 79
圖5-29	a2原始軌跡時間對Y軸座標curve fitting 80
圖5-30	a2原始軌跡時間對Z軸座標curve fitting 80
圖5-31	(a) a2原始軌跡(b)時間對Y、Z軸軌跡方程式驗證軌跡 80
圖6-1	類可撓機翼沿拍翼示意 83
圖A-1	ADXL 330三軸熱對流式加速度計 88
圖A-2 	ADXRS陀螺儀，7厘米見方，3厘米厚，5 V電源下耗電5 mA  89
圖A-3	傳輸系統 89
圖A-4	UAV飛行軌跡 89
圖A-5	三軸加速度感測方向 90
圖A-6 	三軸加速度重力方向變化 91
圖A-8	拍翼式MAV架設於風洞 92
圖A-9	定義三軸方向 92
圖A-10	RF無限收發模組 93
圖A-11	實驗架設情形 93
圖A-12	慣性座標系統與定義尤拉角 93
圖A-13	三軸加速度計ADXL330翼尖加速度值 94
圖A-14	MAV機翼與IMU整合製程圖 95
圖B-1	(a)飛行拍攝示意圖(b)實際飛行拍攝(合成)  96
圖B-2	DOMINANT半導體公司LED 2.0mm×1.25mm×1.1mm 97
圖B-3	安裝LED於parylene拍翼機翼上之 (上視圖) 示意 97
圖B-4	鋰電池通過熱電偶電線與LED和馬達連接在一起 98
圖B-5	LED於MAV翼尖 98
圖B-6	兩組LED和MAV拍翼同步的運作 98
圖B-7	MAV結合LED拍翼軌跡 99
圖B-8	固定MAV的拍翼軌跡顯像 100
圖B-9	實際拍翼翼尖軌跡(拍翼頻率由左至右遞增)  100
圖B-10	三種翼尖軌跡之比較 100
圖B-11	DV拍攝飛行姿態架構圖 101
圖B-12	DV拍攝之水平飛行姿態合成圖 101
圖B-13	翼尖飛行軌跡連接合成 102
圖B-14	實際飛行翼尖軌跡 102
圖C-1 翼膜軌跡程式控制介面(未含移位暫存器)  103
圖C-2 翼膜軌跡程式控制介面(含移位暫存器)  103

表目錄
表2-1	本研究團隊開發之拍翼式微飛行器演進 14
表2-2	傳動系統重量表 17
表2-3	parylene的物理性質與機械性質(SCS website) .22
表2-4	parylene的熱性質(SCS website) 22
表2-5	parylene-C 與 PET 之物理性質 23
表3-1	PI與PET性質比較 26
表3-2	LED特性表 31
表3-3	ACA異方性導電膠規格表 34
表4-1	Phantom V4.2規格表 52
表4-2	TroubleShootting HR詳細規格表 53
表A-1	加速度計規格表 90
表A-1	X、Y、X三軸線性方程式計算 91

[1]	飛行者一號(Flyer one)：
1903http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2004_38/06-13.pdf
[2]	U. M. Norberg, Vertebrate Flight: Mechanics, Physiology, Morphology, Ecology and Evolution, Springer, New York, USA, 1990.
[3]	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.
[4]	G. Dale, P, Vijgen, “Applied aerodynamics,” Aerospace America December, 2008.
[5]	R. Wood, “Fly, Robot Fly,” IEEE Spectrum, pp. 25-29, March, 2008.
[6]	廖俊偉，「翼展10公分之拍翼式微飛行器研製」，碩士論文，機械與機電工程學系，淡江大學，台北，2009。
[7]	R. B. Srygley, A. L. R. Thomas, “Unconventional lift-generating mechanisms in free-flying butterflies,” Nature, Vol. 420, pp. 660-664, 2002.
[8]	M. H. Dickinson, F. Lehmann, and S. P. Sane, “Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight,” Science, Vol. 284, pp. 1954–1960. June, 1999.
[9]	A. R. Ennos, “The Inertial Cause of Wing Rotation in Diptera,” Journal of Experimental Biology, Vol. 140, pp. 161–169. May, 1988.
[10]	蕭飛賓、王地寶、劉益仲，“何以飛的”，科學人電子雜誌，第22期12月號，pp. 40-41，2003。
[11]	H. Tanaka, K. Hoshino, K. Matsumoto, and I. Shimoyama, “Flight Dynamics of a Butterfly-Type Ornithopter,” Intelligent Robots and Systems, (IROS) IEEE/RSJ International conference, pp.310~315, 02-06, Aug, 2005.
[12]	D. Viieru, J. Tang, Y. Lian, H. Liu, and W. Shyy, “Flapping and Flexible Wing Aerodynamics of Low Reynolds Number Flight Vehicles,” 44th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Paper No. 2006-0503, 2006.
[13]	R. Żbikowski, “Fly Like a Fly,” IEEE Spectrum, pp. 46-51, November, 2005.
[14]	J. A. Walker and M. W. Westneat, “Labriform Propulsion in Fishes: Kinematics of Flapping Aquatic Flight in the Bird Wrasse Gomphosus Varius (Labridae),” Journal of Experimental Biology, Vol. 200, pp. 1549-1569, 1997.
[15]	U. M. Norberg, “Bat Wing Structures Important for Aerodynamics and Rigidity (Mamalia, Chiroptera),” Z. Morph. Tierre 73, pp. 45-61, 1972.
[16]	U. M. Norberg, “Aerodynamics, Kinematics, and Energetics of Horizontal Flapping Flight in the Long-Eared Bat Plecotus Auritus,” J. exp. Biol., 65, 179-212, 1976.
[17]	M. J. C. Smith, “Simulating Moth Wing Aerodynamics: Towards the Development of Flapping-Wing Technology,” AIAA Journal, Vol. 34, No. 7, pp. 1348–1355, 1996.
[18]	D. L. Raney and E. C. Slominsky, “Mechanization and Control Concepts for Biologically Inspired Micro Aerial Vehicles,” AIAA Guidance, Navigation & Control Conference, Austin, Texas, August 11-14, 2003.
[19]	C. H. Greenwalt, Hummingbirds, Doubleday, Garden City, NY, 1960.
[20]	G. Bunget, BATMAV: A Biologically-Inspired Micro-Air Vehicle for Flapping Flight - Kinematic Modeling, Master's Thesis, 2007.
[21]	R. M. Waldman, A. J. Song, D. K. Riskin, S. M. Swartz, and K. S. Breuer, “Aerodynamic Behavior of Compliant Membranes as Related to Bat Flight,” Proceedings, AIAA Fluid Dynamics Conference, Seattle WA. June 2008.
[22]	T. Fujikawa, K. Hirakawa, T. Udagawa, S. Okuma and K. Kikuchi, “Development of a Small Flapping Robot -Motion Analysis during Takeoff by Numerical Simulation and Experiment.” 2nd International Conference, Mechatronic Systems and Materials: MSM2006, pp.21-23, Cracow, POLAND, August, 2006.
[23]	T. N. Pornsin Sirirak, Parylene MEMS Technology for Adaptive Flow control of Flapping Flight, Ph. D. Dissertation, California Institute of Technology, 2002.
[24]	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，台北，2005。
[25]	施宏明，「結合PVDF 現地量測之拍撲式微飛行器製作」，碩士論文，機械與機電工程學系，淡江大學，台北，2007。
[26]	L. J. Yang, C. K. Hsu, J. Y. Ho and C. K. Feng, “Flapping Wings with PVDF Sensors to Modify the Aerodynamics Forces of a Micro Aerical Vehicle.” Sensors and Actuators A, 139, pp. 95-103, 2007.
[27]	L. J. Yang, C. K. Feng, C. K. Hsu, J. Y. Ho, G. H. Feng, H. M. Shih and Y. K. Sheng, “A flapping MAV Micro Aerial Vehicle with PVDF-parylene Composite skin,” Journal of Aeronautics, Astronautics and Aviation, Series A, 39, 195-202, 2007.
[28]	「金探子」Golden Snitch之飛行姿態：
http://tw.youtube.com/watch?v=YkEoxyWGl_k
[29]	高崇瑜、楊龍杰、李建邦、沈永康，“利用精密射出成型於微飛行器塑膠零件的設計與製作”，第二屆塑膠材料應用及加工技術論文競賽，2008。
[30]	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。
[31]	W. B. Young, “The Thrust and Lift of an Ornithopter’s Membrane Wings with Simple Flapping Motion,” Aerospace Science and Technology. 10, pp. 111-119, 2006.
[32]	T. N. Pornsin-sirirak, et al., “Flexible Parylene-Valved Skin for Adaptive Flow Control Proceeding of the IEEE MEMS Conference,” pp. 101-104, 2004.
[33]	高崇瑜，「應用精密模造技術於微飛行器套件組之設計與製造」碩士論文，機械與機電工程學系，淡江大學，台北，2009。
[34]	許政慶，「拍翼式微飛行器之拍翼行程角對氣動力影響」碩士論文，機械與機電工程學系，淡江大學，台北，2009。
[35]	T. N. Pornsin Sirirak, Y. C. Tai, H. Nassef and C. M. Ho, “Flexible Parylene Actuator for Micro Adaptive Flow Control,” Proceedings of the IEEE MEMS conferance, pp. 511-514, 2000.
[36]	V&P SCIENTIFIC, INC.
http://www.vp-scientific.com/parylene_properties.htm
[37]	MatWeb.
http://www.matweb.com/reference/tensilestrength.aspx
[38]	Wikipedia: PET
http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate
[39]	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，台北，2008。
[40]	JSA財團法人日本規格協會
http://www.webstore.jsa.or.jp/webstore/Com/FlowControl.jsp?lang=jp&bunsyoId=JIS+C+5017%3A1994&dantaiCd=JIS&status=1&pageNo=0
[41]	軟性電路板：
http://img338.imageshack.us/i/97417794.png/
[42]	林振華，林振富，高密度軟性電路板入門，全華科技圖書股份有限公司, pp.1-1~3-32, 2000
[43]	Rao R.Tummala, “Tummala：Fundamentals of Microsystems Packaging＂, 美商麥格羅‧希爾國際股份有限公司, pp.425-471, 2002.
[44]	0805 Package Chip LED Technical Data Sheet.
http://www.everlight.com/upload/product_pdf/17-21-BHC-AN1P2-3T_1079.pdf
[45]	Anisotropic Conductive Adhesive, ACA. Data Sheet. 
http://www.teamchem.bysources.com.tw/
[46]	Digital High Speed Image Capturing System, TroubleShootting HR.
http://www.highspeedimaging.com/pdf/TroubleShooter%20Datasheet.pdf
[47]	Accuratus:
http://www.accuratus.com.tw/new/view.php?prodid=832
[48]	You-Shang Techenical CORP:
http://www.you-shang.com.tw/edu/index.htm
[49]	苗志銘、孫維新、莊恕維，“類蜻蜓翼翅之低雷諾數非定常氣動力特性”，第50屆航空太空工程學會全國學術研討會，2008。
[50]	Z. J. Wang, “Two Dimensional Mechanism for Insect Hovering,” Physical Review Letters, Vol. 85, No.10, pp. 2216-2219, 2000.
[51]	The TAIWAN nanotechnology newsletter, Vol. 1, No. 2, 11/1/2002.
http://www.tainano.com/TNN%20Vol.%201%20No.%202.htm
[52]	楊龍杰、蕭照焜，「Motion Sensor運動感測器」，MEMS運動感測器原理與電路設計研討會講義，2008。
[53]	ADXL 330 DATASHEET
http://www.sparkfun.com/datasheets/Components/ADXL330_0.pdf