昆虫飞行姿态分析仿真浅谈

昆虫飞行姿态分析仿真浅谈

盖玉欢孔菲张璐袁婷

盖玉欢孔菲张璐袁婷

(合肥工业大学，安徽合肥230009)

摘要：项目小组采用活体观察配合控制变量法对蜻蜓的各部分

结构在飞行中的功能、飞行机理以及各种飞行姿态进行观察与研究，而后以3dsmax为平台，构建了蜻蜓飞行关键动作的仿真模拟，实现了起飞、前行、悬停、变向飞行的三维立体模拟。

关键词：仿生学；蜻蜓；翅翼；飞行机理；3dsmax仿真

在大学本科阶段本项目小组申请到了学校的仿生学昆虫飞行姿态观察与分析的创新基金项目。项目小组采用活体观察配合控制变量法对蜻蜓的各部分结构在飞行中的功能、飞行机理以及各种飞行姿态进行观察与研究。该研究方法既满足了动态观察的需要，又不同于活体研究，有良好的研究前景。

1前沿动态与项目启动

目前国际上好多科研人员都钟情于半身机械昆虫飞行器的研究。近期美国航空环境公司就研制出了一架蜂鸟飞机，该飞机虽然样子不起眼，但功能极其完备。它相当于一个迷你版无人侦察机，拥有与真正蜂鸟相同的高超飞行技术。也许在不久的将来，花丛中飞舞的蝴蝶已不再是普通意义上的蝴蝶了。美国人的研究与“测控技术与仪器”有着密切的联系。昆虫飞行机理、飞行姿态的改变和保持等无不包含着测控思想。另外，对昆虫飞行参数的探究中又蕴藏着巧妙的测量思想和数学处理技巧。

2研究对象

通过讨论，项目组决定将蜻蜓作为研究对象。

3研究方法

研究昆虫飞行姿态的方法主要有活体法、模型法以及活体和模型相结合的方法。活体法最能反映昆虫客观的飞行过程，但是昆虫自由飞行的随机性较大，不便控制和操作；模型实验是建立在活体实验基础上的，据已知参数建立的模型，分析飞行原理。而活体和模型相结合的方法是应用最普遍、最精确的方法。在研究过程中，项目小组沿用已有的活体观察法并在具体过程中采用了控制变量法。

4研究过程

4.1翅翼的结构

结构决定功能，蜻蜓收放自如的飞行技巧离不开翅膀的结构特性。蜻蜓属于双翅昆虫，肉眼可清楚地观察到其翅膀的结构，如图1所示。首先，在翅膀前缘靠近翅尖的部位有一块翅痣，它是一块加厚角质区，位于蜻蜓翅膀的最外端。其次，还可以很清楚地看到翅翼的网格结构。这些网格是由翅脉在关节处的互相连接构成的，并且每个网格中都填充了翅膜。翅膀部分在整个蜻蜓体重中仅占1%~2%左右。形成网格的翅脉是翅膀的主要支撑结构，而膜是翅膀的主要空气动力学结构，厚度一般只有3~10μm，所以只有很小的抗弯强度，而主要承受拉力。

图1翅翼结构图

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前缘脉次前缘脉关节翅痣翅尖中部主脉后缘脉次脉翅根

4.2各部分功能

首先研究的是蜻蜓翅膀上翅痣的作用。由于翅膀质量中心线在转轴的后面，使得翅膀在拍动时受到振颤的影响比较大，而翅痣就恰好出现在了翅膀向后弯曲的地方，从而消除了振颤的影响，保持了身体的平稳。一块翅痣虽然质量只有蜻蜓总体重的0.1%，但却可以提高其临界飞行速度的10%~25%，飞机两翼增加的平衡锤，与翅痣的减振作用相同。

用一个完整的蜻蜓剪去其前后翅的前缘翅脉，放飞，发现它根本无法飞行，所以比较粗壮的前缘翅脉相当于整个翅膀的支撑和骨架，对蜻蜓的飞行有至关重要的作用。翅膜的作用与内表面张力有关，当翅膜受到翅脉的张拉时存在应力，翅膜加强了翅脉的网格结构体系，能有效减小翅膀在力的作用下产生的变形。鉴于翅脉和翅膜有较轻质量和高承载能力，在仿生机械飞行器研究中采用这种具有韧性的翅膀材料及结构来制作飞行器以减轻令人头疼的飞行器自重太大的问题也不是没有可能。

经研究推测，蜻蜓翅膀上的众多关节起到了提高翅膀的灵活能力，使蜻蜓飞行更自如的作用。资料显示，关节提高了蜻蜓翅膀的变形能力，在飞行时使整个翅膀产生翘曲变形，这种被动弯曲使蜻蜓的飞行更容易操控，更加多变。此外，关节处还相当于一个减振器，用于减缓高速拍翼时所产生的振颤。

蜻蜓可做多个不同的飞行姿态，有起飞、直飞、悬停、降落及变向飞行等。通过这些飞行姿态的观察，可发现蜻蜓的腹部在其灵活的飞行中起着至关重要的作用，如其起飞时控制腹部的上翘，降落时腹部的下弯及转弯时腹部的上翘等。受此启发，在机械昆虫研究工作中是否可以设计一种有弹性可收缩的腹部结构并通过控制它的收缩来使我们的机械昆虫飞行得更加灵活自如呢？限于知识面，这些问题有待于项目组成员以后的深入学习与研究。

4.3飞行机理

关于蜻蜓的飞行机理科学界有很多说法，如旋转环流(RotationalCirculation)、尾流捕捉(WakeCapture)、柔性楔形效应(theFlexibleWedge-effect)等。此处仅概述广为接受的高升力基本原理。

昆虫翅翼主要有两个运动方式：拍动和扭转。

首先，在蜻蜓翅翼拍动阶段，翼前缘形成一个前缘涡流，该涡流提供给翅翼一个很大的升力，与此同时翅翼表面还产生一股展向气流，该展向流引导前缘涡流向翼梢流动并有保持前缘涡流稳定不至扩散太快，使前缘涡流整个过程都在翅翼表面为翅翼提供持续升力。

其次，由于翅翼的转动在翼尾形成尾流，在翅翼进行下一个动作时会穿过之前被扰动过的空气，于是前一次拍动产生的流场会增加下一次拍动运动开始时流过翅翼的有效气流的速度，从而又为翅翼增加了一份空气升力，两个升力共同作用使蜻蜓上升。这称为尾流捕捉，这种尾流捕捉展示了昆虫对能量的高效利用。由此也表明昆虫飞行机理与飞机利用伯努利效应产生升力的机理大不相同。这些机理的研究为小组成员以后深入到该领域的研究、工作都提供了前提和基础。

4.4软件仿真模拟

在前期丰富的实验及理论的支持下，小组成员用软件对蜻蜓的几种飞行姿态进行动画模拟。这一阶段是该项目的关键部分，各成员在此之前无一接触过动画制作软件，这对全体成员的动手操作水平和自学能力都是一个考验。可选的动画制作软件包括：Flash,Solid-works,3dsmax等。通过了解其功能介绍，结合模拟实体，分析其可行性和难易程度，最终选择了三维动画模拟功能强大的3dsmax。制作模型时考虑到翅膀、足和腹均需分别移动，故对每一部位均用“父子链接”链接到胸部。制作飞行动画要考虑各种因素，合理选择关键帧的位置和每一关键帧处蜻蜓各个部分的位置关系以及移动旋转的幅度是其中的几项重要因素。

例如，在起飞动画中，由于六肢的十二段均为可动，小组成员采用了一些处理方法，即将六肢的上肢链接到胸部，下肢链接到上肢，这样即可以保证六肢随身体、下肢随上肢的移动，又可分别对其处理。在其前视图中改变腿部位置时，将右侧的前中后肢与左侧设为一致，这样既可以避免六肢定位不合理，又可以大大减少工作量。在设置翅膀转动时，虽然蜻蜓前后翅振动不一致，但为简化操作将前后翅振动频率和方向取相同参数，鉴于动画的播放速度和人眼的视觉暂留效应，这种处理是比较合理的。起飞前后姿态如图2、3所示。

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图2起飞前姿态图3起飞后姿态

最终项目组仿真出了蜻蜓起飞、空中前行和转弯飞行等飞行动画，验证了前期研究结论以及实验数据的准确性。软件模拟前后用去四十天左右的时间，期间从熟悉软件的操作到建立蜻蜓模型，再到动画的制作以及最后动画参数的修改，几乎每天都有新的问题和新的收获，发现问题———解决问题———再发现问题———再解决问题，科研小组曲折前进，一步步接近成功。

5学习体会

学校创新实验项目审批的目的是开发大学生的创新思维和动手能力，紧密联系所学的专业知识，激发学生的科研兴趣，从而变被动学习为主动探究。在探索的过程中，学生可对学过的知识有更加深刻的认识，并进行查漏补缺，全面增强解决实际问题的能力。科研探索不仅让小组成员对自己的专业知识有了更深刻的认识，而且掌握了更多解决实际问题的方法。

在科研中，学生意识到了一个项目的完成不仅需要各方面的科学知识，还需要全体成员的通力合作。大家相互交流所知的或搜集到的信息、资料，各抒己见，互相讨论遇到的问题，这样既能快速定位和解决问题，又培养了成员对不同观点、方法的比较和取舍的能力，拉近了同学关系，进而提高了工作效率。

众所周知，现代教育的最终目的是使学生具有终生学习的基础和可持续发展的潜能，不仅让学生学会现有的知识技能，更重要的是让学生有不断更新知识技能的能力，通过对已有方法亲身体验，学会创造和发现。

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