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系統識別號 U0002-2908201115092100
中文論文名稱 拍翼式飛行器之微小化改良
英文論文名稱 The Improvement on the Miniaturization of Flapping Micro Aerial Vehicles
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 陳羿韶
研究生英文姓名 Yi-Shao Chen
學號 698370094
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-29
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-王安邦
委員-馮朝剛
委員-苗志銘
委員-湯文慈
委員-楊龍杰
中文關鍵字 微飛行器  拍翼  微小化 
英文關鍵字 Micro aerial vehicle  Flapping wing  Miniaturization 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 淡江大學微機電研究群在拍翼式微飛行器之開發已逾8年,研製之20 cm翼展“金探子”系列,能連續滯空超過8分鐘。拍翼式微飛行器相關製造與減重技術一直以來都極受注目,為使本微飛行器之幾何特徵及飛行敏捷程度更能接近蜂鳥,朝著成功製作10 cm級拍翼式微飛行器之目標前進,本研究擬結合空氣動力、機構、與飛行穩定控制等領域之理論或經驗公式,以比較富有依據之方式對微飛行器尺寸進行設計,並孜孜計較各部分零組件之重量分配,最終整合出總機重4.28克重之原型機(微探子),初步自由試飛之滯空時間為9秒鐘。研究並分析風洞升推力之數據,與實際飛行姿態以及已發表之類似等級微飛行器進行比較,以驗證先前微飛行器設計之合理性。
英文摘要 Tamkang University MEMS group has already developed flapping wing micro aerial vehicles (MAVs) for over 8 years. The development of the 20 cm-wingspan "Golden Snitch" series has a flight endurance of more than 8 minutes. The manufacturing of the flapping wing MAV and the technology of weight reduction are very important. In order to enable the geometry and flight agility of the MAV closer to hummingbirds and to move toward the goal of manufacturing the 10 cm-span flapping MAVs successfully, this study combined the aerodynamic, mechanical, flight stability control and other theoretical or empirical formula. And the author systematically designed the MAV with diligently caring about the weight distribution of all components. Finally, the prototype (Micro Snitch) is completed with a total mass of 4.28 gram. The flight endurance of test of the Micro Snitch is 9 seconds. Researching and analyzing the lift and the thrust force of the wind tunnel data, the actual flight data herein is compared to the previous MAVs and shows this MAV design reasonable.
論文目次 目錄
致謝 I
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 4
1-3 微飛行器氣動力特性 7
1-4 尺度律 7
1-5 翼展與拍翼頻率 14
1-6 研究目的 16
第二章 微小化微飛行器研製 18
2-1微飛行器微小化研製流程 18
2-2 傳動機構設計與分析 19
2-2-1 減速齒輪與拍翼頻率關係 19
2-2-2 傳動機構理論分析 22
2-2-3 傳動機構製作 28
2-3機翼設計與製作 29
2-3-1拍翼升力理論分析 29
2-3-2 展弦比與翼面積 29
2-3-3 機翼製作 32
2-4 機身設計與製作 35
2-4-1 重心位置與穩定性分析 35
2-4-2 機身製作 36
2-4-3 尾翼製作 38
第三章 微小化微飛行器實驗量測 44
3-1 卡門渦街(Von Karman vortex street) 44
3-2 可視化流場分析 45
3-3 升力量測 46
第四章 實際飛行測試與結果討論 52
4-1 微飛行器之飛行試驗 52
4-2飛行測試結果討論 54
4-3翼尖端軌跡顯像 56
第五章 結論與未來建議 59
5-1 結論 59
5-2 未來建議 64
參考文獻 66
附錄A 機翼薄膜製作 69
A-1聚對二甲苯機翼薄膜製作 69
A-2聚對二甲苯翼膜結果討論 72
附錄B 微飛行器改良 73
B-1具轉彎機制之微飛行器 73
B-2實際飛行 75
B-3 具轉彎機制飛行結果討論 76
B-4 環保機身材料 76
附錄C風速0,電壓0.7-2.7V之升推力實驗數據 78
表目錄
表1-1 微飛行器翼展及質量關係 15
表1-2 微飛行器翼展及拍翼頻率關係 15
表2-1 翼展10公分微飛行器各零件質量 18
表2-2 基座寬w設計參考 23
表2-3 變更基座寬w的拍翼角度設計 27
表2-4 翼膜參數比較 31
表2-5 質量中心計算 38
表3-1 不同電壓之拍翼頻率 47
表3-2 拍翼頻率比較 50
表5-1 本研究各零件參數 61
表5-2 本研究質量與拍翼頻率 61
表A-1 聚對二甲苯沉積厚度 71
表B-1 新舊材料比較表 76
圖目錄
圖1-1 第一代,初航者 2
圖1-2 第二代,Eagle-II 3
圖1-3 第三代,金探子 3
圖1-4 具商品化雛型之金探子 3
圖1-5 美國加州理工學院,Micro-bat 4
圖1-6 R. Wood製作的機器蒼蠅 5
圖1-7 R. Wood,機器蒼蠅與硬幣大小比較 5
圖1-8 N. L. Bradshaw,Delfly Micro 5
圖1-9 淡江大學2009年研製之10公分微飛行器 6
圖1-10 千葉大學研製之蜂鳥機器人 6
圖1-11 飛行生物翼展與重量關係 8
圖1-12 飛行生物翅膀拍動頻率與重量關係 8
圖1-13鳥類本身重量與巡航速度關係 9
圖1-14 鳥類本身重量與機翼負載關係 10
圖1-15 鳥類拍撲頻率與重量關係 13
圖2-1 拍翼式微飛行器之製作架構 18
圖2-2 本研究團隊飛行器重量與機翼負載發展 20
圖2-3 放電線切割加工示意 20
圖2-4 翼展10公分微飛行器傳動機構 20
圖2-5 圓心距示意 21
圖2-6 四連桿機構 22
圖2-7 基座寬16mm 24
圖2-8 基座寬8mm 24
圖2-9 參數曲線(a)拍翼行程角;(b)拍翼行程角差;(c)拍翼傳動角 26
圖2-10 傳動機構基座 28
圖2-11 傳動機構零零件 28
圖2-12 傳動機構 28
圖2-13 翼膜設計 30
圖2-14 翼展10公分微飛行器翼膜設計 31
圖2-15 翼膜設計 31
圖2-16 聚乙烯對苯二甲酸酯薄膜 32
圖2-17 翼展10cm翼膜設計 33
圖2-18 完稿用噴膠 33
圖2-19 翼膜切割機器 34
圖2-20 翼膜成品 34
圖2-21 非穩態設計 36
圖2-22 穩態設計 36
圖2-23 飛行器重心位置示意 36
圖2-24 機身設計 37
圖2-24 各零件位置示意 37
圖2-25 力矩位置示意 39
圖2-26 尾翼設計 39
圖2-27 組裝實體Type A 41
圖2-28 組裝實體Type B 41
圖2-29 組裝實體重量Type A 42
圖2-30 組裝實體重量Type B 42
圖2-31 尾翼角度改變(a)上視;(b)左視 43
圖3-1 產生阻力之渦街 44
圖3-2 產生推力之渦街 44
圖3-3 拍翼之渦流(1.1V):(a)下行程;(b)上行程 45
圖3-4 拍翼之渦流(1.4V):(a)下行程;(b)上行程 45
圖3-5 拍翼之渦流(1.9V):(a)下行程;(b)上行程 46
圖3-6 攻角20°之升力 47
圖3-7 攻角20°之推力 48
圖3-8 拍翼頻率 48
圖3-9 不同攻角之升力 49
圖3-10 不同攻角之推力 49
圖3-11 不同電壓之升力 50
圖3-12 不同電壓之推力 51
圖4-1 實際飛行路徑一 53
圖4-2 實際飛行路徑二 53
圖4-3 實際飛行路徑一影像之局部放大 54
圖4-4 飛行姿態分析(攻角20°) 55
圖4-5 飛行姿態分析(攻角40°) 55
圖4-6 實際飛行路徑 55
圖4-7 翼尖端軌跡顯像 56
圖4-8 以高速CCD拍攝微飛行器拍撲運動時之八字形翼尖軌跡 57
圖4-9 八字拍翼在MatLab下的模擬 57
圖4-10 翼尖端軌跡顯像 58
圖4-11 翼尖端軌跡 58
圖5-1 先前10公分微飛行器機構 63
圖5-2 美國Aero Vironment公司,蜂鳥偵察機 65
圖5-3蜂鳥偵察機 65
圖A-1 聚對二甲苯機翼 69
圖A-2 聚對二甲苯機翼之微機電製作流程 69
圖A-3 聚對二甲苯機翼搭配碳纖維棒製作流程 70
圖A-4 烘烤完成之晶圓 70
圖A-5 烘烤完成之晶圓 71
圖A-6 聚對二甲苯翼膜成品 71
圖A-7 聚對二甲苯翼膜厚度 72
圖B-1 可控制小馬達重量與加裝螺旋槳重量 73
圖B-2 機身裁切 74
圖B-3 轉向螺旋槳位置 74
圖B-4 具轉彎機制微飛行器 74
圖B-5 飛行路徑上視 75
圖B-6 飛行路徑(3D視圖) 75
圖B-7 套用新材料之微飛行器 77
圖C-1 風速0,電壓0.7V,攻角0°-50°之推力 78
圖C-2 風速0,電壓0.7V,攻角0°-50°之升力 78
圖C-3 風速0,電壓0.9V,攻角0°-50°之推力 79
圖C-4 風速0,電壓0.9V,攻角0°-50°之升力 79
圖C-5 風速0,電壓1.1V,攻角0°-50°之推力 80
圖C-6 風速0,電壓1.1V,攻角0°-50°之升力 80
圖C-7 風速0,電壓1.3V,攻角0°-50°之推力 81
圖C-8 風速0,電壓1.3V,攻角0°-50°之升力 81
圖C-9 風速0,電壓1.1V,攻角0°-50°之推力 82
圖C-10 風速0,電壓1.1V,攻角0°-50°之升力 82
圖C-11 風速0,電壓1.7V,攻角0°-50°之推力 83
圖C-12 風速0,電壓1.7V,攻角0°-50°之升力 83
圖C-13 風速0,電壓1.9V,攻角0°-50°之推力 84
圖C-14 風速0,電壓1.9V,攻角0°-50°之升力 84
圖C-15 風速0,電壓2.1V,攻角0°-50°之推力 85
圖C-16 風速0,電壓2.1V,攻角0°-50°之升力 85
圖C-17 風速0,電壓2.3V,攻角0°-50°之推力 86
圖C-18 風速0,電壓2.3V,攻角0°-50°之升力 86
圖C-19 風速0,電壓2.5V,攻角0°-50°之推力 87
圖C-20 風速0,電壓2.3V,攻角0°-50°之升力 87
圖C-21 風速0,電壓2.7V,攻角0°-50°之推力 88
圖C-22 風速0,電壓2.7V,攻角0°-50°之升力 88




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[21] http://www.flightglobal.com
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