| 单位名称 | 北京航空航天大学 | 大赛年份 | 2023年 | ||||
| 大赛届次 | 第18届 | 奖项 | 金奖 | ||||
| 发明人姓名 | 张益鑫，王少萍，王兴坚，苗忆南，朱生华，田新雨，张育玮，武文杰，李少石，池小楷，陈沐桐 | ||||||
| 技术领域 | 机械制造与自动化, | ||||||
| 应用行业 | 军事侦查，灾情勘测，野外搜救，科教娱乐，航空，无人机，特种机器人 | ||||||
| 项目类别 | 专利 | ||||||
| 专利类型 | 发明 | ||||||
| 专利情况 | 申请号 | 申请日期 | |||||
| 专利号 | 授权日期 | ||||||
| 计算机软件著作权证书登记号 | |||||||
| 项目简介 | 1. 发明目的、基本思路、与现有技术对比有什么改进与创新 未来战争向着无人化、智能化、精确化方向发展，灾情勘测、野外搜救等需要更为灵活的特种机器人，仿生扑翼机器人的应用是军事侦查及野外勘测的全新解决方案。本发明提出了一种全新的高机动性仿生蝴蝶扑翼机器人系统，作为一种非线性欠驱动飞行机器人，实现其可控、高效飞行极具挑战性 。蝴蝶身体和双翼在飞行中高度耦合，与大展弦比、高频扑打昆虫的飞行行为和机理显著不同。通过多高速摄像机拍摄蝴蝶自由飞行并进行特征点跟踪及运动学分析，系统研究了其独特的飞行机理，揭示蝴蝶翼扑打运动、前后掠运动及腹部摆动运动等影响飞行的机制。根据其关键飞行运动学参数建立运动学模型，通过欧拉-拉格朗日法建立推导动力学模型。飞行器采用双翅双驱动的无舵面气动布局，自研超轻飞控软硬件，独立控制左右翅膀的扑打频率、相位及幅值，从而使蝴蝶高效稳定完成俯仰、偏航等动作，实现飞行器的稳定、可控飞行。平飞速度约1m/s~1.5m/s，翅膀扑打频率约2Hz。完成国内首款仿蝴蝶扑翼飞行器的设计和研发，对中低速、低频扑打的仿蝴蝶扑翼飞行模式进行了深入研究，样机突破了仿生飞行器的轻量化设计，翼、身运动相互耦合及强干扰下无尾扑翼飞行器控制器设计等技术难点。 |
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| 2. 已取得的社会及经济效益,如:产值、利润、节约能源及改善环境等方面 1、基于多高速摄像机三维运动跟踪的翼-身强耦合蝴蝶扑翼飞行机理研究：确定了翼身耦合的关键参数——翼扑打和身体俯仰的相位差，得到了前飞的运动学模型，利用拟坐标拉格朗日方程推导出了包含腹部的四刚体蝴蝶扑翼动力学模型，提出非对称扑打因子的扑翼运动控制新概念，实现非对称的上扑和下扑运动；2、小展弦比、轻量化、超低频仿蝴蝶扑翼整机的结构设计：基于碳纤维杆和TPU高分子薄膜提出“杆+膜”超轻翼热封制作新工艺，保证左右翼完全对称，对仿生轻量化设计的仿蝴蝶扑翼样机进行纵向和横侧向飞行的解耦分析并设计相应的飞行控制策略，实现稳定可控飞行，空中转弯半径小、机动性高；3、基于正向方法的仿蝴蝶低频扑翼飞行器的升推力优化：根据格子玻尔兹曼方法和Q准则对蝴蝶扑翼前飞模型进行CFD仿真和流场可视化，确定影响飞行气动力产生的关键运动学参数，据此对翼面积、翼展和扑打参数等进行迭代优化；4、基于多元CPG节律运动控制的身体运动协同的扑翼飞行器增稳控制架构：研制了不到3g的机载飞控电子系统，基于PD控制算法和CPG控制器对样机的左右翼及腹部作动器进行稳定、高效的驱动控制，样机实现5分钟留空可控飞行。 |
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| 项目进展阶段 | 小批量试用 | ||||||
| 备注 | 本项目第1发明人，张益鑫，男，博士，高级工程师（人工智能专业），目前为北京航空航天大学博士后，邮箱zhang_yixin@buaa.edu.cn，电话15210848405。第2发明人，王少萍，女，博士，现为北航自动化科学与电气工程学院党委书记，教授，博导，国家级领军人才。第3发明人，王兴坚，男，博士，现为北航自动化科学与电气工程学院副院长，教授，博导，国家级青年人才。 | ||||||