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系統識別號 U0002-2208200913082800
中文論文名稱 微飛行器拍翼軌跡即時測定之研究
英文論文名稱 Research on the Real Time Wingtip Trajectory Determination of A Flapping MAV
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 黃奕澄
研究生英文姓名 I-Cheng Huang
電子信箱 696370443@s96.tku.edu.tw
學號 696370443
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-23
論文頁數 105頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-康尚文
委員-苗志銘
委員-王安邦
委員-湯文慈
中文關鍵字 LED  可撓性翼膜  拍翼軌跡  Kwon3D 
英文關鍵字 LED  Flexible wing  Trajectory  Kwon3D 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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

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