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系統識別號 U0002-3009201509022600
中文論文名稱 多拍翼編隊飛行節能之地面初測
英文論文名稱 Energy Saving in Flapping Formation Flight: The First Ground Test
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 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 陳建瑋
研究生英文姓名 Chien-Wei Chen
學號 602370552
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-07-10
論文頁數 118頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-李其源
委員-王人牧
中文關鍵字 拍翼機  風洞量測  編隊飛行  升推力量測 
英文關鍵字 flapping micro-air-vechicle(MAV)  wind tunnel test  formation flight  lift force and thrust force testing 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 根據Lissaman 與 Shollenberger於1970年的Science文章,提到鳥類的編隊飛行帶來了節能的效果,因此進一步思考:假若使用仿生拍翼機進行群體飛行,是否也能得到類似的節能效果。
本文執行兩種實驗,第一種為動態實驗,將三隻拍翼機固定於框架上懸掛,進行水平迴旋飛行,模擬鳥類在巡航時的群體飛行,探討功率消耗是否減少。因為三隻拍翼機飛行懸掛飛行,本身並不穩定,經常造成最長滯空時間之量測中斷,故實驗所得的有限功耗數據缺乏一致性,而暫告實驗失敗。
第二種為靜態實驗,改用淡江大學風工程中心的大型風洞,進行拍翼機編隊之氣動力量測。本文製作了可移動式拍翼機群夾具,量測 1~3隻拍翼機,在不同前後距離、不同風速、不同攻角條件下的升力與推力變化,進而探討是否有達到節能的效果。實驗數據雖然複雜,但初步分析已有節能效果在風速3m/s、攻角10˚效果最好,功率減少消耗了1.2W。比對鳥類在編隊飛行時,會自行彈性調整相位和頻率,以達最佳節能效果,為本文後續研究之未來可努力改善方向。
英文摘要 According to Lissaman and Shollenberger’s article published in Science in 1970, birds fly in formation to reduce the overall energy expenditure for flight. Thus this work adopted the same principle of flight formation to flapping micro-air-vehicles (MAVs) to save energy. Two experiments are described herein. Firstly, a rigid frame housing three flapping MAVs was made and a tethered flight of it around a fixed suspension point was performed to evaluate the cruise performance of the MAV formation and check for energy saving by monitoring the endurance against a known reference value. Due to the intrinsic instabilities of the MAVs, lack of data consistency about in power saving in formation flight concludes less promising results from the 1st experiment. In the second experiment, a jig housing three flapping MAVs was subject to a wind tunnel test at the Wind Engineering Center of Tamkang University. The aerodynamic force evaluation of the MAV formation was done. The tests were performed under different wind speeds, and angle of attacks, and the lift and thrust force produced by the MAVs was measured via a force gauge. Due to the mechanical vibrations from the jig itself and the wind tunnel structure, interpretation of the complicated lift/thrust data was processed by the help of Fast Fourier Transform. From the preliminary examination, it is found that at 3 m/s, 10˚ angle of attack, the performance was the best to save power up to 1.2W. When compared to the real birds flying in a formation, the energy saving of flapping MAVs may be further improved by replicating the dynamic adjustments of frequency, phase change and separation among neighboring MAVs, to obtain best energy-saving results in the future.
論文目次 論文提要 I
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 XIII
符號表 XIV
第一章 仿生拍翼飛行器簡介 1
1.1 研究背景 1
1.1 拍翼飛行器研究近況 1
1.2 拍翼飛行器阻力與功率 6
1.3 拍翼飛行編隊與節能 10
1.4 研究目的 14
第二章 拍翼機群水平迴旋飛行之功率初探 17
2-1 實驗構想 18
2-2 拍翼機群之吊掛機械框架設計 19
2-3 水平迴旋之飛行功率數據分析 23
第三章拍翼機群在風洞中之測力探討 27
3-1實驗構想 27
3-2拍翼機群之風洞之夾具設計 32
3-3風洞量測訊號分析 35
3-3-1數位訊號處理(FFT) 36
3-3-2同樣實驗條件下單隻到三隻拍翼力規訊號 40
3-3-3 加上實驗變數之單隻到三隻拍翼力規訊號比較 55
3-3-4 力規數據總整理 74
第四章 結論 86
4-1本文貢獻 87
4-2未來工作 88
參考文獻 89
附錄A 定電壓控制 95
附錄B 數據訊號圖 100
(a)拍翼前後距離改變訊號圖 100
(b)不同拍翼攻角情況訊號圖 105
(c)不同風速情況下拍翼訊號圖: 112

圖1 - 1 初航者 3
圖1 - 2 Eagle II 3
圖1 - 3 第一代金探子 3
圖1 - 4 Pro-金探子 3
圖1 - 5 Aero Viroment 蜂鳥懸停拍翼微飛行器 4
圖1 - 6 雙側桿機構 4
圖1 - 7 實際飛行 4
圖1 - 8 Robobees 蒼蠅拍翼微飛行器 5
圖1 - 9 伊氏近似直線機構 6
圖1 - 10編隊飛行省力圖 11
圖1 - 11 拍翼機懸掛飛行(1)水平迴旋到左側;(2)飛到右側;紅虛線為懸掛繫繩 15
圖1 - 12風洞測試 16
圖2 - 1 編隊飛行排列 17
圖2 - 2鳥類飛行之翼尖渦流 17
圖2 - 3鳥類編隊飛行之排列距離 19
圖2 - 4編隊飛行配置 20
圖2 - 5「e-bird」編隊飛行示意圖 21
圖2 - 6飛行攻角30° 22
圖2 - 7「e-bird」重心位置 22
圖2 - 8實際製作 22
圖2 - 9拍翼機懸掛飛行:(1)水平迴旋到左側;(2)飛到右側;紅虛線為懸掛繫繩 23
圖2 - 10懸掛水平迴旋飛行情形: (a)單一飛行; (b)三編隊飛行………..24
圖3 - 1實驗量測架構 28
圖3 - 2風洞翼尖渦流量測 29
圖3 - 3三隻拍翼機量測 29
圖3 - 4 拍翼機前後位置定義 30
圖3 - 5 六軸力規 31
圖3 - 6 兩隻拍翼機 32
圖3 - 7 三隻拍翼機 32
圖3 - 8 風洞量測夾具 33
圖3 - 9夾具插件 34
圖3 - 10 3D印表機 34
圖3 - 11 FFT程式碼 36
圖3 - 12 無拍翼機之升力時變圖 38
圖3 - 13 無拍翼機之升力頻譜圖 38
圖3 - 14 無拍翼機之推力時變圖 39
圖3 - 15 無拍翼機之推力頻譜圖 39
圖3 - 16 單隻無拍翼升力時變圖 42
圖3 - 17 單隻無拍翼升力頻譜圖 42
圖3 - 18 單隻拍翼升力時變圖 43
圖3 - 19 單隻拍翼升力頻譜圖 43
圖3 - 20 兩隻無拍翼升力時變圖 44
圖3 - 21 兩隻無拍翼升力頻譜圖 44
圖3 - 22 兩隻拍翼之升力時變圖 45
圖3 - 23 兩隻拍翼之升力頻譜圖 45
圖3 - 24 三隻無拍翼升力時變圖 46
圖3 - 25 三隻無拍翼升力頻譜圖 46
圖3 - 26 三隻拍翼之升力時變圖 47
圖3 - 27 三隻拍翼之升力頻譜圖 47
圖3 - 28 單隻無拍翼推力時變圖 49
圖3 - 29 單隻無拍翼推力頻譜圖 49
圖3 - 30 單隻拍翼推力時變圖 50
圖3 - 31 單隻拍翼推力頻譜圖 50
圖3 - 32 兩隻無拍翼推力時變圖 51
圖3 - 33 兩隻無拍翼推力頻譜圖 51
圖3 - 34 兩隻拍翼推力時變圖 52
圖3 - 35 兩隻拍翼推力頻譜圖 52
圖3 - 36 三隻無拍翼推力時變圖 53
圖3 - 37 三隻無拍翼推力頻譜圖 53
圖3 - 38 三隻拍翼推力時變圖 54
圖3 - 39 三隻拍翼推力頻譜圖 54
圖3 - 40 兩隻拍翼在原點升力時變圖 56
圖3 - 41 兩隻拍翼在原點升力頻譜圖 56
圖3 - 42 兩隻拍翼移動1公分升力時變圖 57
圖3 - 43 兩隻拍翼移動1公分升力頻譜圖 57
圖3 - 44 三隻拍翼在原點升力時變圖 58
圖3 - 45 三隻拍翼在原點升力頻譜圖 58
圖3 - 46 三隻拍翼移動1公分升力時變圖 59
圖3 - 47 三隻拍翼移動1公分升力頻譜圖 59
圖3 - 48 一隻拍翼攻角10˚升力時變圖 61
圖3 - 49 一隻拍翼攻角10˚升力頻譜圖 61
圖3 - 50 一隻拍翼攻角20˚升力時變圖 62
圖3 - 51 一隻拍翼攻角20˚升力頻譜圖 62
圖3 - 52 兩隻拍翼攻角10˚升力時變圖 63
圖3 - 53 兩隻拍翼攻角10˚升力頻譜圖 63
圖3 - 54 兩隻拍翼攻角20˚升力時變圖 64
圖3 - 55 兩隻拍翼攻角20˚升力頻譜圖 64
圖3 - 56 三隻拍翼攻角10˚升力時變圖 65
圖3 - 57 三隻拍翼攻角10˚升力頻譜圖 65
圖3 - 58 三隻拍翼攻角20˚升力時變圖 66
圖3 - 59 三隻拍翼攻角20˚升力頻譜圖 66
圖3 - 60 單隻拍翼在風速2m/s升力時變圖 68
圖3 - 61 單隻拍翼在風速2m/s升力頻譜圖 68
圖3 - 62 單隻拍翼在風速3m/s升力時變圖 69
圖3 - 63 單隻拍翼在風速3m/s升力頻譜圖 69
圖3 - 64 兩隻拍翼在風速2m/s升力時變圖 70
圖3 - 65 兩隻拍翼在風速2m/s升力頻譜圖 70
圖3 - 66 兩隻拍翼在風速3m/s升力時變圖 71
圖3 - 67 兩隻拍翼在風速3m/s升力頻譜圖 71
圖3 - 68 三隻拍翼在風速2m/s升力時變圖 72
圖3 - 69 三隻拍翼在風速2m/s升力頻譜圖 72
圖3 - 70 三隻拍翼在風速3m/s升力時變圖 73
圖3 - 71 三隻拍翼在風速3m/s升力頻譜圖 73
圖3 - 72 風速2m/s;攻角10度拍翼機放置不同距離升力數據圖 74
圖3 - 73 風速2m/s;攻角20度拍翼機放置不同距離升力數據圖 75
圖3 - 74 風速2m/s;攻角30度拍翼機放置不同距離升力數據圖 75
圖3 - 75 風速3m/s;攻角10度拍翼機放置不同距離升力數據圖 76
圖3 - 76 風速3m/s;攻角20度拍翼機放置不同距離升力數據圖 76
圖3 - 77 風速3m/s;攻角30度拍翼機放置不同距離升力數據圖 77
圖3 - 78 風速4m/s;攻角10度拍翼機放置不同距離升力數據圖 77
圖3 - 79 風速4m/s;攻角20度拍翼機放置不同距離升力數據圖 78
圖3 - 80 風速4m/s;攻角30度拍翼機放置不同距離升力數據圖 78
圖3 - 81 風速2m/s;攻角10度拍翼機放置不同距離推力數據圖 79
圖3 - 82 風速2m/s;攻角20度拍翼機放置不同距離推力數據圖 80
圖3 - 83 風速2m/s;攻角30度拍翼機放置不同距離推力數據圖 80
圖3 - 84 風速3m/s;攻角10度拍翼機放置不同距離推力數據圖 81
圖3 - 85風速3m/s;攻角20度拍翼機放置不同距離推力數據圖 81
圖3 - 86 風速3m/s;攻角30度拍翼機放置不同距離推力數據圖 82
圖3 - 87 風速4m/s;攻角10度拍翼機放置不同距離推力數據圖 82
圖3 - 88 風速4m/s;攻角20度拍翼機放置不同距離推力數據圖 83
圖3 - 89 風速4m/s;攻角30度拍翼機放置不同距離推力數據圖 83
圖3 - 90 升力不同風速不同攻角比較圖 84
圖3 - 91 推力不同風速不同攻角比較圖 84
圖3 - 92 結論圖……………………………………………………..........87
圖A- 1第一腳位 95
圖A- 2第三腳位 95
圖A- 3遙控器可變電阻 96
圖A- 4定電壓實驗整體架構 97
圖A- 5遙控器可變電阻 97
圖A- 6定電壓實驗電路圖………………………………………………..98

圖B- 1 兩隻拍翼在原點推力時變圖 101
圖B- 2 兩隻拍翼在原點推力頻譜圖 101
圖B- 3 兩隻拍翼移動1公分推力時變圖 102
圖B- 4 兩隻拍翼移動1公分推力頻譜圖 102
圖B- 5 三隻拍翼在原點推力時變圖 103
圖B- 6 三隻拍翼在原點推力頻譜圖 103
圖B- 7 三隻拍翼移動一公分推力時變圖 104
圖B- 8 三隻拍翼移動一公分推力頻譜圖 104
圖B- 9 一隻拍翼攻角10˚推力時變圖 106
圖B- 10 一隻拍翼攻角10˚推力頻譜圖 106
圖B- 11 一隻拍翼攻角20˚推力時變圖 107
圖B- 12 一隻拍翼攻角20˚推力頻譜圖 107
圖B- 13 兩隻拍翼攻角10˚推力時變圖 108
圖B- 14 兩隻拍翼攻角10˚推力頻譜圖 108
圖B- 15 兩隻拍翼攻角20˚推力時變圖 109
圖B- 16 兩隻拍翼攻角20˚推力頻譜圖 109
圖B- 17 三隻拍翼攻角10˚推力時變圖 110
圖B- 18 三隻拍翼攻角10˚推力頻譜圖 110
圖B- 19 三隻拍翼攻角20˚推力時變圖 111
圖B- 20 三隻拍翼攻角20˚推力頻譜圖 111
圖B- 21 單隻拍翼在風速2m/s推力時變圖 113
圖B- 22 單隻拍翼在風速2m/s推力頻譜圖 113
圖B- 23 單隻拍翼在風速3m/s推力時變圖 114
圖B- 24 單隻拍翼在風速3m/s推力頻譜圖 114
圖B- 25 兩隻拍翼在風速2m/s推力時變圖 115
圖B- 26 兩隻拍翼在風速2m/s推力頻譜圖 115
圖B- 27 兩隻拍翼在風速3m/s推力時變圖 116
圖B- 28 兩隻拍翼在風速3m/s推力頻譜圖 116
圖B- 29 三隻拍翼在風速2m/s推力時變圖 117
圖B- 30 三隻拍翼在風速2m/s推力頻譜圖 117
圖B- 31 三隻拍翼在風速3m/s推力時變圖 118
圖B- 32 三隻拍翼在風速3m/s推力頻譜圖 118

表2 - 1 e-bird一定高度與水平迴旋速度下定電壓之計時測試: 25
表2 - 2 e-bird一定高度與水平迴旋速度下之計時測試: 26
表3 - 1 3D印表機規格 35

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