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仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计

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仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计 仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计 第23卷第4期 2007年8月 机械设计与研究 MachineDesignandResearch V01.23No.4 Aug.,2007 文章编号:1006—2343(2007)044325435 仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计 严辉,谢进,陈永 (西南交通大学机械工程学院,四川I成都610031,E—mail:huiy_8223@163.COB) 摘要:实验研究表明,昆虫(如鹰蛾)在作特定的飞行时,它的翅尖作8字形运动,并伴有...
仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计
仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计 仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计 第23卷第4期 2007年8月 机械设计与研究 MachineDesignandResearch V01.23No.4 Aug.,2007 文章编号:1006—2343(2007)044325435 仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计 严辉,谢进,陈永 (西南交通大学机械工程学院,四川I成都610031,E—mail:huiy_8223@163.COB) 摘要:实验研究表明,昆虫(如鹰蛾)在作特定的飞行时,它的翅尖作8字形运动,并伴有翅翼的翻转. 为了设计微扑翼飞行器的翅翼机构,深入研究了8字形曲线的形状谱特征,发现了形状谱及其相似度计算 无法有效识别不同8字形曲线的问题.针对该问题,提出了一种基于形状谱提取8字形连杆曲线特征参数和 区分8字形连杆曲线的新方法,并用此方法进行了仿鹰蛾微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计. 关键词:微扑翼飞行器;形状谱;8字形连杆曲线;特征参数 中图分类号:TH122文献标识码:A KinematicDesignofBionicFlappingWing MechanismforMicroAirVehicles YANHui,XIEJin,CHENYong (SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,SichuanChengdu6100 31,China) Abstract:Theexperimentalstudieshavemadeaconclusionthatthewingtipofinsectusuallyu ndergoesan8一 shapecurvewiththewingrotatingwhenitisflying.Forthepurposeofdesigningflappingmechanism,theShapeSpec— trumof8-shapelinkagecurveisstudiedextensively.Itisf0undthattheconformingfunctionwidelyusedatpresent doesnotworkwellindistinguishingthe8-shapelinkagecurves.BasedonthetheoryofShapeSpectrum,asetofpa— rametersisproposedtocharacterize8-shapelinkagecurve,andanewconformingfunctionisgiven.Inadditionto these,adatabaseisestablishedbyusingthesecharacteristicparametersfordesigningtheflapping—wingofmicroairve— hicles.Themainideaofthispaperisdemonstratedbyanexample. Keys:microairvehicles;shapespectrum;8-shapelinkagecurve;characteristicparameter 近年来,研制模仿昆虫飞行的微型扑翼飞行器成为仿生 机械中的热点.实验研究表明,昆虫在以常速稳定飞行 过程中其翅尖的运动轨迹呈现一种特定的8字形曲线,同时 还伴随有翅翼的翻转.如何设计翅翼机构使其运动轨迹尽 可能与昆虫飞行时翅膀的运动相同或相近将直接关系到微 飞行器的运动效果. 从机构设计的角度来看,翅翼机构的设计主要是实现8 字形轨迹曲线和翅翼的翻转. 在连杆轨迹综合设计中,间接综合方法,是目前机构 运动学比较常用的方法,它不是直接通过计算生成预期轨迹 所对应的机构,而是采用"期望轨迹一数据库匹配一机构"的 思路,即先从预先建立的轨迹图谱数据库中搜索匹配轨迹, 找出与期望轨迹相似度最高的轨迹,然后再提取出对应机构 类型及构件尺寸.该设计方法的核心内容之一是对连杆曲 线的特征参数的提取及相似度的判别. 常见的描述连杆曲线特征的方法有两类:一类是自定义 参数法,如文献[6]把连杆曲线转换为连杆转角曲线,以连 杆转角曲线的特征参数描述连杆曲线;另一类方法是分 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675180) 收稿日期:2007—03—27 析参数法,如文献[7]对连杆曲线进行傅里叶变换,以连杆曲 线的频谱信息描述连杆曲线,文献[8]用连杆曲线的自相关 谱作为连杆曲线的特征参数.上述连杆曲线特征描述方法 都依赖于连杆曲线的实际尺寸,对连杆曲线的尺寸非常敏 感,因而用这些描述方法提取的特征参数所建立的连杆曲线 特征数据库可能会因为较大的数据冗余度,不便于综合式快 速查询. 文献[9]运用了数学形态学形状谱提取连杆曲线的参数 特征,虽然形状谱具有对图形位移,旋转和缩放不敏感的特 点,但是,我们的研究表明,它对连杆曲线的尺寸非常敏感, 在识别8字图形的几何特性时也存在一些困难. 借助于数学形态学的形状谱原理,提出一种提取8字形 连杆曲线特征参数,便于区分的新方法,用尽可能少的信息 更为精确地反映了8字图象的图形特征.运用此方法进行 微型扑翼飞行器的机构设计,可获得良好的效果. l8字形连杆曲线的形状谱 数学形态学是一门建立在严格数学理论基础的图像 新型学科,其基本运算有四种:膨胀,腐蚀,开运算和闭 运算. 文献[10]在数学形态学的基础上提出了一种对位移,旋 转和缩放都不敏感而能很好地反映图形的形状特征的特征 机械设计与研究第23卷 判据,称为形状谱(ShapeSpectrum).对任一图象,其形状 谱为: 5)=—-dA— [Xo~_rO]r?0(1) 式中,A()是图象的面积;而r0是半径为 _r的圆;.O是以而rO为结构元素对 图象进行的开运算. 8字形连杆曲线由两个封闭曲线构成,如图1所示.运 用数学形态学的形状谱提取8字图象X的特征参数,其形状 谱存在两个明显的波峰,分别对应r.=0.19和r2=0.39. 8字形连杆曲线形状谱的波峰是当结构元素半径()r达 到任一封闭曲线的最大内接圆半径时,导致较大的面积变化 而产生的. 拯 ?图18字图象X及其形状谱 以形状谱作为图象的特征参数,不同图象间的相似 度叫多采用如下公式: 2?Sx(r)'5(r) c''r丽 其中,X和y代表待比较的两个图象,S(r)和Sr(r)为对应 的形状谱.若两图象完全相同,则其相似度C=1;若两图象 有差异,则相似度C<1. 在实际计算中发现,形状谱及其相似度函数在识别不同 8字形连杆曲线存在如下问题: (1)两个8字图象的形状谱波峰重叠时,它们的相似 度非常高,但实际图象可能差别很大.如图2,由式(2)计算 得.与b的相似度C(.,b)=0.9440. (2)当两个8字图象的形状谱波峰不重叠时,它们的 相似度很小,但实际图象可能十分相似.如图3,由式(2)计 算得c与d的相似度C(c,d)=0.2794. 由此可见,现有的相似度计算公式并不能很好地识别两 个不同形状的8字形连杆曲线.分析主要原因如下: (1)8字曲线的特殊性:8字曲线有两部分封闭曲线构 成,形状谱函数并不能反映两者的几何位置关系. (2)形状谱对于图形尺寸较敏感:图象间细微的差异 就能导致形状谱很大的不同. (3)用现有相似度计算公式(2)计算两个8字形曲线 相似度,则结果主要取决于两者形状谱波峰的位置,如果波 峰重叠则相似度很高,反之,则很低. b ?图2 40 3O 拯20 lO I一&lL l 一 5O 4O o 2o lO O lL= 二lI' f f 一 00.10.2… 0.30.4 参数r ?图38字图象c和d及其形状谱S和5d 28字形连杆曲线特征参数的提取 综合考虑了形状谱及其相似度计算公式在识别不同8 字曲线的优缺点,本文借助于形态谱原理提出了一种提取8 字形连杆曲线特征参数的新方法. 如图4所示,R.,R分别为8字图象两封闭部分的最大 内接圆半径,且R:?R.;L.,L:为最大内接圆半径到中心接 点0的距离;A.,A:为两个封闭部分的面积,用图象的象素 数目表示;为8字形两个封闭部分的最大内接圆圆心与其 接点0形成的两条直线间的交角/0.00:,定义为8字形连 杆曲线的扭转角. II ?图48字曲线的结构参数示意图 8字形连杆曲线的特征可以由五个参数来表示,称之为 8字形曲线的特征参数=[,,,,],其中Tl=rI; :r2;=Ll/L:;=A./A:;=.各个参数的计算方法 如下: (1)将8字连杆曲线转换为二值图象X,8字图象区域 为1,背景区域为0; (2)计算8字图象的图形面积A()和形状谱S, 得到形状谱波峰位置r.和r2(r2r-); (3)以半径为3的圆盘对进行开运算,得到新图象 , 图象相减—得到图象,以[010;111;010]为结 构元素对进行腐蚀运算,得到剩余图象的近似中心点作为 第4期严辉等:仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计 接点O; (4)以而(r一Ar)O为结构元素对封闭部分 (I)进行腐蚀运算,求得剩余图象的近似中心点作为其最大 内接圆圆心O,同理,以()(r:一Ar)O为结构元素对封 闭部分(?)进行腐蚀运算,求得剩余图象的近似中心点作为 其最大内接圆圆心O; (5)计算封闭曲线部分(I)的面积为A,封闭曲线部 分(?)为A; (6)计算OO的长度为L,OO2,为2,OOO2为扭 转角; (7)计算得特征参数T1=r;=F2;=L1儿2;T4= A1/A2;: 38字曲线特征参数数据库的建立和查询 基于间接综合方法 的思想,需要建立8字形 连杆曲线特征参数数据 库以进行机构设计.如 图5的铰链四杆机构就 能产生8字曲线,其基本 参数为P=[z,z,f],l, z,]. 建立8字形连杆曲?图5铰链四杆机构基本参数示意图 线特征参数数据库的基 本步骤如下: (1)选定能产生8字形连杆曲线的机构.给定机构的 基本参数P,包括基本尺寸z,z:…z,以及位置参数,其中 曲柄杆长Z=1; (2)得到8字形运动轨迹图象,并运用上述的方法 求其特征参数; (3)存储机构的机构类型,基本参数集P和特征参 数. 不断重复上述步骤,可得到不同机构,不同位置的8字 形连杆曲线特征参数数据库.目前,在所建立的数据库中, 已存入了数百条不同形状的8字形连杆曲线,包含有铰链四 杆机构,曲柄摇块机构等类型的机构. 为了识别不同的8字形连杆曲线特征参数,定义的相似 度计算公式如下: cc= 砉? 式中,,y为两待比较的8字图象,,分别为对应的 特征参数. 4微扑翼飞行器的机构设计 微型扑翼飞行器其翅翼的翼展不超过15cm.下面以翼 展为15era作为设计的尺寸基准. 图6是鹰蛾以=2.1m/s向前飞行时翅尖的运动轨 迹,图7是翅翼的仰角变化. 4.1微扑翼飞行器的整体设计 如图8所示为扑翼飞行器的整体正视图,中心径向平面 放置扑翼飞行器的驱动机构,用于控制飞行器翅膀的运动轨 迹和翻转.其中,点P外实现8字形运动轨迹和翅翼的仰 角,翅尖和:近似地实现图6中的8字形轨迹. 图6鹰蛾=2.1m/s向前飞行时的翅尖轨迹 ?图7鹰蛾=2.1m/s向前飞行时的翅翼仰角 中心径向平面 / ?图8扑翼飞行器的正视图 4.2翅翼机构的设计 总体上,翅翼机构的设计可以分为实现8字形轨迹曲线 和实现翅翼的翻转两个部分.具体由以下三个部分组成: (1)查询数据库 运用本文介绍的方法,提取图6鹰蛾翅尖运动轨迹的特 征参数,作为设计期望: = [0.140.250.59970.3460174.34] 对在已建立的特征参数数据库中进行查询,利用式 (3)进行匹配选择.查询选择的结果是与设计期望最匹配的 机构参数,机构的8字形特征参数和与设计期望之间的相似 度,如表1: 机械设计与研究第23卷 表1查询的最匹配结果 机构类型铰链四杆机构 基本参数P12.52.53.4292 特征参数0.140.250.61950.3480168.4956 相似度C(,Y)0.8822 (2)机构位置的确定 由数据库查询输出的机构所产生的运动轨迹往往不能 直接满足于期望实现的运动轨迹,还需要对机构进行旋转处 理,以匹配两者的位置关系,如图9所示. ?图9驱动机构的位置关系 (3)实现翅翼的翻转 如图7鹰蛾以:2.1rn/s向前飞行的翅翼仰角,当翅膀 上拍时,翅翼仰角从一25.增大至70.;当翅膀下拍时,翅翼仰 角又从7O.减小至一25.. 为了实现翅翼的翻转,利用?级杆组BCD—DP来控制 翅翼的仰角变化,如图1O所示. ?图10飞行器中心径向平面驱动机构图 D BD杆长1及卢的角度大小可以运用最小二乘意义上的 非线性数据拟合方法进行优化设计,其数学模型为: n ?f61卢,如n)一把(4) 其中,xdata为输入的曲柄角数据;0(z,卢,xdata)为飞行 器机构产生的翅翼仰角,础把为鹰蛾翅翼的仰角数据.计 算得1=10,卢=12. 4.3设计尺寸和位置参数的确定与设计结果 对机构尺寸进行缩放,得到图1O驱动机构以及图8飞 行器的机构尺寸和位置参数: 表2图10的机构尺寸和位置参数(mm) lll2l4Z5l6口 4101013.619.24068.12.l0. 表3图8的机构尺寸(mm) P,l=P,11日l,l=日2,2{LIHl=L2H2 10J4』60 ?图11微扑翼飞行器翅尖轨迹 ?图12翅尖运动轨迹的对比 ?图13翅翼仰角的对比 对所得到的机构进行仿真计算,并与设计期望相比较. 微扑翼飞行器翅翼机构的翅尖轨迹如图11所示,图l2为扑 翼飞行器翅尖运动轨迹(8字曲线b)与鹰蛾实际翅尖运动轨 迹(8字曲线a)缩放成等大后的对比.由图11和图12可 第4期严辉等:仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计29 见,设计所得机构较好地满足了运动设计.图13为扑 翼飞行器翅翼仰角(实线)与鹰蛾实际仰角(虚线L:)的 对比. 5结论 (1)深入研究了8字形连杆曲线的数学形态学形状谱 的特征,并发现了形状谱及其现有相似度计算方法对于识别 不同8字曲线存在的问题. (2)借助于形状谱,提出了一种提取8字形连杆曲线 特征参数的新方法,用很少的信息更为精确地反映了8字曲 线的图形特性,具有对8字图形位移,旋转和缩放不敏感的 特点.除此之外,还构造了相似度新的计算公式. (3)运用新方法进行了微扑翼飞行器的设计,取得了 良好的设计效果. 参考文献: [2] [3] 崔屹.图象处理与分析一数学形态学方法及应用[M].北 京:科学出版社,2000. SaiKBanala,YelizKarakaya.Designandoptimizationofa mechanismforoutofplaneinsectwinglikemotionwithtwistIJ1. ASME2OO4ofDETC一57412. ZaeemAKhan.SunilKAgrawa1.Modelingandsimulationof (上接第2O页) ?图5给定的连杆轨迹 第5gi第6组 图6给定轨迹与实际机构生成轨迹的拟合比较 6结论 以上详细讨论了小曲柄齿轮五杆机构连杆转角算子谐 波特征参数的数值图谱库建立的方法和原则,大大压缩了数 值图谱库中数据的数量,极大节省了建库和模糊识别的工作 时间.建立了传动比分别为一3,一4,一5的小曲柄齿轮五杆 [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1O] [11] flappingwingmicroairvehicles[J].ASME2005ofDETC 一 85237. HoehzelDA,ChiengWHPatternmatchingsynthesisasanauto. matedapproachtomechanismdesignfJ].ASMEJournalofMe. chanicalDesign,1990,l12(4):190,193. 刘勇,肖人彬.机构轨迹生成理论研究进展[J].计算机辅助 设计与图形学,2005,17(4):627,636. 王知行,陈照波,江鲁.利用连杆转角曲线进行平面连杆机 构轨迹综合的研究[J].机械工程,1995,31(1):42,47. 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