清华大学：昆虫运动仿生研究

1、精密测试技术与仪器国家重点实验室昆虫运动仿生研究研究背景研究内容：数据获取，分析，扑翼飞机研究趋势国家杰出青年科学基金、自然科学基金资助清华大学 曾理江精密测试技术与仪器国家重点实验室研究背景小型扑翼飞行器精密测试技术与仪器国家重点实验室研究思路：数据获取： 翅膀变形测量 扇翅力测量 流场测量数据分析： 流体力学 结构力学 等等扑翼飞机： 控制原理 翼形优化 能量供给研究内容精密测试技术与仪器国家重点实验室数据获取变形力流场精密测试技术与仪器国家重点实验室)()(1/ / WWWWWWniWWniFWZSYYZSXXaSYSXarZZXImage planeW(XW,YW,ZW)- ZSYXY

2、W(XW,YW)解方程法：数据获取：变形与角度测量精密测试技术与仪器国家重点实验室AK1K2KN-1D1D2DN-125%50%75%EN-1E2E1E1E2EN-1B1A1A1B1数据获取：变形与角度测量提出用于测量昆虫翅膀变形的梳状条纹投影法，完成了翅膀的三维重构算法，不需要以往的刚体假设，使测量更加合理。精密测试技术与仪器国家重点实验室A/DABCLaserFPP-BDetector PCHigh Speed CameraA/D boardLamp ALamp BFPP-AReference fringe关键技术：身体坐标的建立；测量动态范围自由飞行蜻蜓的运动测量数据获取：变形与角度测量

3、精密测试技术与仪器国家重点实验室0510152025-30-25-20-15-10-50Flapping angle (deg.)Time (ms)-202468101214160.00.30.6-202468101214160.00.20.4-202468101214-0.8-0.40.0-202468101214160.00.40.8-202468101214160.00.40.8-202468101214160.0-202468101214160.0-202468101214 16180.0t = 1.005mst = 5.025ms

4、t = 8.040mst = 11.055mst = 15.075mst = 18.090mst = 21.106mst = 24.121ms后翅前缘带动后缘运动数据获取：变形与角度测量精密测试技术与仪器国家重点实验室0510152025406080100120140-30-25-20-15-10-5051015Flapping angle (deg.)Torsion angle (deg.)Time (ms) Torsion Angle at 25% of the wing Torsion Angle at 50% of the wing Torsion Angle at 75% of th

5、e wing Flapping angle上扇扭转角大，产生推力；下扇扭转角小，产生升力后翅数据获取：变形与角度测量精密测试技术与仪器国家重点实验室数据获取：变形与角度测量精密测试技术与仪器国家重点实验室数据获取：变形与角度测量蜻蜓自由飞行转弯与直飞的比较精密测试技术与仪器国家重点实验室05101520253035-30-20-10010203040Flapping angle (deg.)Time (ms) right posterior wing left posterior wing right anterior wing left anterior wing051015202530-5

6、0-40-30-20-10010203040Flapping angle (deg.)Time (ms) right posterior wing left posterior wing right anterior wing left anterior wing蜻蜓的飞行控制主要由前翅完成而后翅主要用于产生升力直飞转弯数据获取：变形与角度测量精密测试技术与仪器国家重点实验室吸引蛾的喂食器：流线型设计，减 小对流场的影响蛾飞行速度由风 洞的 吹风强度决定Willmott & Ellington数据获取：飞行诱导精密测试技术与仪器国家重点实验室Dudley & Ellington

7、闪动紫外灯 使蜜蜂起飞柱子转动 控制飞行方向改变吹风强度 控制飞行速度数据获取：飞行诱导精密测试技术与仪器国家重点实验室8.9m1.3m0.7m水和水草灌木丛摄像机B摄像机A 根据拍摄，测量蜻蜓扇翅频率，飞行速度，加速度， 研究升力和推进力。 比较了两类蜻蜓的不同扇翅模式。Ellington数据获取：自由飞行精密测试技术与仪器国家重点实验室Science, Vol.300, 495-498, 2003 (Dickinson)测量：用3台高速摄像机从不同角度拍摄问题：分辨率，精度数据获取：自由飞行精密测试技术与仪器国家重点实验室身体姿态测量：传感器：三维正交线圈测量原理：磁场变化测量参数：姿态，

8、位置J. Exp. Biol.（C.Schilstra & J.H. van Hateren)测角精度：0.5度，位置精度 1mm测量范围：40 cm3，采样频率1kHz线圈重：0.8-1.6mg, 线重.6.7mg/m数据获取：自由飞行精密测试技术与仪器国家重点实验室ComputerHigh-speed cameraFringe patternMF RFXYZOStep-motor (S2)Tracking circuitWater tankBackground lightStep-motor (S1)Meas. Fringes (MF)Ref. Fringe (RF)双条纹跟踪测量

9、方法，解决了形状测量时位置的不连续性，可同时测量游鱼某瞬间的位置与身体形状。数据获取：跟踪方法精密测试技术与仪器国家重点实验室数据获取：跟踪方法精密测试技术与仪器国家重点实验室 跟踪速度 跟踪电机的稳定性 离焦电磁跟踪图像跟踪数据获取：跟踪方法精密测试技术与仪器国家重点实验室Cover glassH60 xoxzyMC1C2Camera 1Camera 2BoxScreenLaserPB=60W1W2W3W4W5W6W745SS1用点阵光测量自由飞行昆虫身体姿态，提高测量精度，有利于分析飞行时各器官的协调性 身体姿态测量-7-6-5-4-33738394041428.0z (

10、mm)x (mm)y (mm)数据获取：姿态测量精密测试技术与仪器国家重点实验室020406080100-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 N S+N SVoltage (V)Time (ms)-1012345678-10-5051015Flapping angle (deg.)Beating force (mN)Time (ms) beating force-40-20020406080 flapping angle测量风洞中昆虫翅膀扇动力高固有频率，高检测灵敏度昆虫扇翅力测量数据获取：扇翅力测量精密测试技术与仪器国家重点实验室0.0000.0050.0

11、100.0150.0200.0250.030-10-505101520Flapping angleFCFIF-FI-FCFFlapping angle (deg.)Vertical force (mN)Time (s)-40-20020406080100DownstrokeUpstroke扭转变形来自惯性力； 弓形变形来自空气升力竖直空气力平均为7mN，大约为作用在蛾身上的重力的5倍数据获取：扇翅力测量精密测试技术与仪器国家重点实验室流场测量提出用“帧头帧尾”和“双色”曝光测量流场的方法，改善了以往的DPIV对测量速度的限制，可用普通摄像机完成对较高流速流场的测量 数据获取：流场测量精密测试技

12、术与仪器国家重点实验室数据获取：流场测量蜻蜓扇翅流场显示精密测试技术与仪器国家重点实验室Nature, Vol.420, 660-664, 2002 (R. B. Srygley & A.L.R. Thomas)数据获取：流场测量精密测试技术与仪器国家重点实验室Nature, Vol.384, 626-630, 1996(Ellington)扇翅机构 ：2维 测量：发烟精密测试技术与仪器国家重点实验室Nature, Vol.412, 729-733. 2001 (Dickinson)扇翅机构：2维测量：DPIV， 应变片介质：油精密测试技术与仪器国家重点实验室数据分析流体力学结构力学精

13、密测试技术与仪器国家重点实验室数据分析：计算流体力学蜻蜓扇翅运动计算流体显示靠攻角的变化产生升力平衡身体重量蜻蜓扇翅面为斜面，有助于产生升力推力精密测试技术与仪器国家重点实验室数据分析：计算流体力学下扇身体水平产生升力上扇身体垂直产生推力一个周期中下扇的升力远大于上扇时向下的力精密测试技术与仪器国家重点实验室数据分析：计算流体力学蓟马自由飞行小雷诺数时毛状翅膀更有利精密测试技术与仪器国家重点实验室数据分析：有限元翅膀变形有限元分析 精密测试技术与仪器国家重点实验室数据分析：有限元蜻蜓扇翅翅膀根运动与扇翅机构精密测试技术与仪器国家重点实验室扇翅机构上的蜻蜓翅膀与人造翅膀数据分析：有限元精密测试技

14、术与仪器国家重点实验室扑翼飞机精密测试技术与仪器国家重点实验室模型制作：扑翼飞机Vanderbilt大学研制的扑翼微型飞机。翅膀用碳纤维材料加工，用柔性5杆机构驱动，靠共振原理扇翅。 美国加利福尼亚大学Nick等人研制的扑翼微型飞机：重量6.5克，翅膀用MEMS技术加工。由两个1F 的电容提供能量。扇翅时间1分钟精密测试技术与仪器国家重点实验室模型制作：扑翼飞机精密测试技术与仪器国家重点实验室其它相关问题精密测试技术与仪器国家重点实验室研究趋势交叉学科问题：昆虫传感体系与神经电流精密测试技术与仪器国家重点实验室交叉学科问题：昆虫神经网络与传感体系研究趋势精密测试技术与仪器国家重点实验室研究现状精密测试技术与仪器国家重点实验室研究趋势国内外研究现状：东京大学（力学）：旋涡作用；翼形与升力的关系清华大学：昆虫运动测量北京航空航天大学：扇翅运动计算流体研究中国科学院研究生院：力学分析西北工业大学，南航等：小飞机剑桥大学（动物学）：扇翅模型，能量，自由飞行UC Berkeley（微机械）：仿昆虫三维翅膀，扑翼飞机精密测试技术与仪器国家重点实验室我们的位置变形与角度测量：高精度，弓形变形，跟踪测量扇翅、扭转角，身体姿态，速