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系統識別號 U0002-2308200923422300
中文論文名稱 拍翼式微飛行器之拍翼行程角對氣動力影響
英文論文名稱 Research of the flapping angle effect in the micro aerial vehicle’s aerodynamic performance
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 許政慶
研究生英文姓名 Cheng-ching Hsu
電子信箱 696371599@s96.tku.edu.tw
學號 696371599
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-28
論文頁數 82頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-潘吉祥
委員-洪健君
中文關鍵字 微飛行器  合拍  拍撲式  風洞 
英文關鍵字 MAV  flapping  stroke plane  flapping angle 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究利用目前可連續飛行達367秒的微飛行器,以變動連桿參數的方式,去改變其拍翼行程角,並放置於風洞內量測氣動力數據,探討其升推力之間的關係。
在此改變拍翼行程角主要的風洞實驗結果為:四種拍翼行程角,升力隨著傾角的增加而上升。而拍翼行程角39度、拍翼行程角52.8度、拍翼行程角70.6度,在考慮推力為正值的情況下,其升力皆可達8克以上。所以在控制全機的重量下,搭配目前本實驗的飛行器套件,調整傾角及飛行速度,使其可以飛行的合適拍翼行程角有39度、52.8度及70.6度。
英文摘要 The purpose of this study is to discuss various flapping angles effect on aerodynamic performance of micro aerial vehicle (MAV). We adopt a transmission system parameter as a criterion which has a successful remote flight with 367 seconds. By adjusting the length of links we can make different stroke angles. This changes result in different aerodynamic output, especially in lift and thrust force. Meanwhile, a lot of flapping signals from wind tunnel tests are acquired, this data help us realizes the relationship between lift and thrust force in various flapping angles.
The flappers with four stroke angles are set and tested in the wind tunnel. The results show: Lift forces are increased with increasing inclined angle. From the experimental data, in order to find a successful flight parameter, the lift force must be over 8 gf and the thrust forces are still positive. The stroke angle of 39, 52.8, 70.6 degree are satisfied our need. At the same time, to compare and make sure the wind tunnel tests are correct, several MAV flight test are performed. The total weight of MAV is less than 8 grams, by controlling the tail angle, position of gravity center and the flapping frequency, we can control the velocity and inclined angle in flight. The flight test show the stroke angles of 39, 52,8 and 70.6 degrees are successful.
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 VIII
表目錄 XV
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 先前文獻 3
1-3 研究目的與架構 6
第二章 微飛行器設計製作 8
2-1 微飛行器設計 8
2-2 微飛行器製作 12
第三章 實驗設備及架構 13
3-1 實驗設備 13
3-1-1 低速風洞 13
3-1-2 六軸力規 14
3-1-3 AM6501類比輸出放大器 15
3-1-4 DAQ卡 15
3-1-5 連接線以及接線盒 16
3-1-6 可變傾角之夾置具 17
3-1-7 電源供應器 17
3-1-8 高速CCD 18
3-2 實驗架構 20
3-2-1 實驗一:不同拍翼行程角之氣動力量測 20
3-2-2 實驗二:不同拍翼行程角之翼尖軌跡觀測 20
3-3 量測過程 21
3-3-1 四種拍翼行程角之氣動力量測過程 21
3-3-2 不同拍翼行程角之翼尖軌跡觀測 22
第四章 實驗結果與討論 24
4-1 頻率對拍翼行程角30.9度的升推力,傾角0~50度,風速0~3 m/s 24
4-2頻率對拍翼行程角39度的升推力,傾角0~50度,風速0~3 m/s 30
4-3頻率對拍翼行程角52.8度的升推力,傾角0~50度,風速0~3 m/s 36
4-4頻率對拍翼行程角70.6度的升推力,傾角0~50度,風速0~3 m/s 42
4-5 頻率對四種拍翼行程角在不同傾角與風速下的升力關係 48
4-6 頻率對四種拍翼行程角在不同傾角與風速下的推力關係 54
4-7 風速對拍翼行程角的升推力關係,電壓2.9伏特,傾角0~50度 60
4-8 風速對拍翼行程角的升推力關係,電壓3.7伏特,傾角0~50度。 63
4-9 四種拍翼行程角之翼尖軌跡觀測 66
第五章 結論與未來建議 68
5-1結論 68
5-2 未來建議 69
參考文獻 70
附錄 產品化過程 73


圖目錄
圖1-1 初航者 2
圖1-2 Eagle-II 2
圖1-3 金探子 3
圖1-4 全塑膠化的金探子 3
圖1-5 (a)LED翼尖軌跡顯像、(b)不同參數下與蜂鳥翼尖軌跡比較 5
圖1-6 拍翼行程角 7
圖2-1 Ornithopter zone線上軟體分析傳動連桿尺寸 8
圖2-2 拍翼機構運作時機翼之擺動示意圖 9
圖2-3 鋁合金傳動系統設計圖 9
圖2-4 四種拍翼行程角分別是(a)30.9度、(b)39度、(c)52.8度、(d)70.6度 12
圖3-1 低速風洞 13
圖3-2 六軸力規 14
圖3-3 AM6501類比輸出放大器 15
圖3-4 DAQ卡 16
圖3-5 連接線和連接盒 16
圖3-6 可變傾角之夾置具 17
圖3-7 電源供應器PR8363 17
圖3-8 本實驗所用之高速CCD 18
圖3-9 傾角 20
圖3-10 風洞實驗架構 22
圖3-11 拍翼飛行器裝置LED燈 23
圖4-1 拍翼行程角30.9度、傾角α=0度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 24
圖4-2 拍翼行程角30.9度、傾角α=10度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 25
圖4-3 拍翼行程角30.9度、傾角α=20度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 26
圖4-4 拍翼行程角30.9度、傾角α=30度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 27
圖4-5 拍翼行程角30.9度、傾角α=40度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 28
圖4-6 拍翼行程角30.9度、傾角α=50度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 29
圖4-7 拍翼行程角39度、傾角α=0度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 30
圖4-8 拍翼行程角39度、傾角α=10度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 31
圖4-9 拍翼行程角39度、傾角α=20度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 32
圖4-10 拍翼行程角39度、傾角α=30度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 33
圖4-11 拍翼行程角39度、傾角α=40度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 34
圖4-12 拍翼行程角39度、傾角α=50度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 35
圖4-13 拍翼行程角52.8度、傾角α=0度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 36
圖4-14 拍翼行程角52.8度、傾角α=10度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 37
圖4-15 拍翼行程角52.8度、傾角α=20度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 38
圖4-16 拍翼行程角52.8度、傾角α=30度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 39
圖4-17 拍翼行程角52.8度、傾角α=40度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 40
圖4-18 拍翼行程角52.8度、傾角α=50度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 41
圖4-19 拍翼行程角70.6度、傾角α=0度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 42
圖4-20 拍翼行程角70.6度、傾角α=10度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 43
圖4-21 拍翼行程角70.6度、傾角α=20度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 44
圖4-22 拍翼行程角70.6度、傾角α=30度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 45
圖4-23 拍翼行程角70.6度、傾角α=40度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 46
圖4-24 拍翼行程角70.6度、傾角α=50度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s之升力與推力變化圖 47
圖4-25 傾角α=0度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之升力變化圖 48
圖4-26 傾角α=10度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之升力變化圖 49
圖4-27 傾角α=20度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之升力變化圖 50
圖4-28 傾角α=30度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之升力變化圖 51
圖4-29 傾角α=40度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之升力變化圖 52
圖4-30 傾角α=50度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之升力變化圖 53
圖4-31 傾角α=0度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之推力變化圖 54
圖4-32 傾角α=10度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之推力變化圖 55
圖4-33 傾角α=20度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之推力變化圖 56
圖4-34 傾角α=30度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之推力變化圖 57
圖4-35 傾角α=40度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之推力變化圖 58
圖4-36 傾角α=50度,風速分別為(a)0 m/s;(b)1 m/s;(c)2 m/s;(d)3 m/s時,頻率對四種拍翼行程角之推力變化圖 59
圖4-37 電壓2.9 Volt,風速0 m/s至3 m/s,拍翼行程角與傾角(a)0度、(b)10度、(c)20度、(d)30度、(e)40度、(f)50度時之升力變化圖 61
圖4-38 電壓2.9 Volt,風速0 m/s至3 m/s,拍翼行程角與傾角(a)0度、(b)10度、(c)20度、(d)30度、(e)40度、(f)50度時之推力變化圖 62
圖4-39電壓3.7 Volt,風速0 m/s至3 m/s,拍翼行程角與傾角(a)0度、(b)10度、(c)20度、(d)30度、(e)40度、(f)50度時之升力變化圖 64
圖4-40 電壓3.7 Volt,風速0 m/s至3 m/s,拍翼行程角與傾角(a)0度、(b)10度、(c)20度、(d)30度、(e)40度、(f)50度時之推力變化圖 65
圖4-41 電壓2.9 Volt,傾角10度,拍翼行程角分別為(a)30.9度、(b)39度、(c)52.8度及(d)70.6度 66
圖4-42 電壓3.7 Volt,傾角10度,拍翼行程角分別為(a)30.9度、(b)39度、(c)52.8度及(d)70.6度 67
圖A-1擬開發之拍翼飛行機器人 73
圖A-2 金探子 75
圖A-3塑膠機構設計流程圖 75
圖A-4 減速齒輪傳動機構之正視與側視圖 76
圖A-5 PET翼膜外形輪廓與塗裝圖樣一例 76
圖A-6 燕子機殼製作流程圖 77
圖A-7 各個模組配置設計圖 78
圖A-8 快速成型加工程序 79
圖A-9 保力龍機身 79
圖A-10 尾翼完成品及組裝圖:(a)垂直尾翼;(b)水平尾翼;(c)垂直尾翼與水平尾翼組裝圖;(d)尾翼與機殼組裝圖 80
圖A-11 包裝盒的設計(a)金探子擺法;(b)搖控器擺法 82

表目錄
表2-1 第一桿、第二桿及第三桿對拍翼行程角、相位差的變化及二、三桿的夾角 10
表2-2 四種拍翼行程角的連桿參數 11
表3-1 低速風洞規格 14
表3-2 淡江大學六軸力規規格表 15
表3-3 高速CCD規格 19
表A-1 目前使用中之市售遙控模組 81

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,機電工程學系,淡江大學,台北,2005。
[2] 施宏明,「結合PVDF現地量測之拍撲式微飛行器製作」,碩士論文,機電工程學系,淡江大學,台北,2007。
[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,機電工程學系,淡江大學,台北,2008。
[4] 高敏維,「微拍翼機可撓翼之氣動力實驗」,碩士論文,機電工程學系,淡江大學,台北,2008。
[5] 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,機電工程學系,淡江大學,台北,2009。
[6] 廖俊瑋,「翼展10公分之拍翼式微飛行器研製」,碩士論文,機電工程學系,淡江大學,台北,2009。
[7] M. H. Dickinson, F.-O Lehmann, and S. P. Sane, “Wing rotation and the aerodynamic basis of insect flight,” Science, Vol. 284, 1999.
[8] L. Zeng, Q. Hao, K. Kawachi, “A scanning projected line method for measuring a beating bumblebee wing,” Optics Communications, Vol.183, pp.37–43, 2000.
[9] Z. Jane Wang, “Vortex shedding and frequency selection in flapping flight,” Journal of Fluid Mechanics, Vol.410, pp.323-341, 2000.
[10] M. Sitti, “PZT actuated four-bar mechanism with two flexible links for micromechanical flying insect thorax,” Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2001.
[11] 胡舉軍,「旋翼與振翅翼之數值研究」,博士論文,航空太空工程研究所,國立成功大學,台北,2002。
[12] D. L. Raney,and E. C. Slominski, “Mechanization and control concepts for biologically inspired micro air vehicles,” Journal of Aircraft, Vol. 41, No. 6, pp. 11-14, 2004.
[13] 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,127 (4), pp. 817-824, 2005.
[14] 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,127 (4), pp. 841-844, 2005.
[15] H. Tanaka, K. Hoshino, K. Matsumoto, and I. Shimoyama, “Flight dynamics of a butterfly-type ornithopter,” International conference on Intelligent Robots and systems, 02-06, Aug,2005,pp. 310~315, 2005.
[16] M. Syaifuddin, H. C. Park and N. S. Goo, “Design and evaluation of a LIPCA-actuated flapping device,” Smart Materials and Structures ,15 (5), art. no. 009, pp. 1225-1230, 2006.
[17] 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, 10 (2), pp. 111-119, 2006.
[18] P. Henningsson, G. R. Specdding,and A. Hedenström, “Vortex wake and flight kinematics of a swift in cruising flight in a wind tunnel,” Journal of Experimental Biology, 211, pp.717-730, 2008.
[19] C. H. Greenewalt , “The flight of birds,” Transactions of the American Philosophical Society, Vol. 65, No. 1, pp. 1-67, 1975.
[20] U. M. Norberg, Vertebrate Flight: Mechanics, Physiology, Morphology, Ecology and Evolution, Springer, New York, 1990.
[21] A. Hedenström, L.C. Johansson, M. Wolf, R. Von Busse, Y. Winter,and G.R. Spedding, “Bat flight generates complex aerodynamic tracks,” Science, Vol. 316, No. 5826, pp. 894-897, 2007.
[22] Ornithopter zone website, from http:// www.ornithopter.org.
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