大学本科机械专业仿生类蜻蜓飞行器研究毕业论文

毕业论文论文题目：仿生类蜻蜓飞行器研究专业：机械制造及自动化姓名：指导教师：年月日目录一、绪论 41.微型飞行器的研究概况 41.1.微型飞行器的由来 41.2.微型飞行器的基本特征和应用前景 51.3.微型飞行器技术研究现状 62.微型飞行器中的关键技术 82.1、机体结构与机载设备的微型化 82.2、新型高升阻比升力机制 82.3、微型高效动力推进装置 92.4、微功率下的飞行控制和数据通信系统 9二、仿生蜻蜓飞行器的设计 101蜻蜒拍动机构模型简化及运动函数 102.扑翼结构的选择 123.仿生蜻蜓飞行器的建模 12三、仿生蜻蜓的设计计算 141.结构的选用与电机的选用 141.1、节能特性： 141.2、控制特性： 141.3、拖动特性： 152.气动计算 153.腿部机构与运动仿真 193.1.机构与运动仿真 193.2.步态设计 203.3.行走重心计算 214.仿真运动及有限元分析 224.1.仿生蜻蜓飞行意义概述 224.2.有限元分析的原理 244.3.仿生蜻蜓扑翼飞行器扑翼几何物理模型的建立 254.4.单元特性的定义 274.5.有限元网格划分 284.6.翅膀结构线性静力学分析 294.7.仿生蜻蜓飞行器扑翼的结构非线性静力学分析 324.8.材料的选择 34四、结论 36五、参考文献 37仿生蜻蜓飞行器研究一、绪论 自1903年莱特兄弟成功地进行了人类历史上的首次动力载人飞行以来，航空器的大型化和高速化一直是航空领域的一个发展趋势。从DC-3到Boeing747,到Concorde(协和号)，用尽可能短的时间来运送尽可能多的货物，始终是航空工程师们努力追求的目标之一。但是，进入二十世纪九十年代，随着微电子和MEMS等技术的飞速发展，飞行器的设计又开始出现一种向小型化，微型化发展的新趋势。由于微型化的飞行器在众多领域中具有不可估量的应用潜力，因此许多世界发达国家已经开始将微型飞行器技术列为研究的重点。对于微型化的飞行器，由于其特征尺度已远小于传统的飞行器，许多传统的飞行器设计理论和方法将不再适用，飞行器的微型化将面临诸多的来自科学和技术上的挑战。在科学技术飞速发展今天，各学科交叉渗透，新技术新材料层出不穷，为微型飞行器的发展提供了巨大的机遇。1.微型飞行器的研究概况1.1.微型飞行器的由来微型飞行器(MAVs)的概念最早出现于1992年美国国防高级研究计划局(DARPA)在兰德公司(RAND)举办的一个关于未来军事技术的研讨会。会后该公司出版的研究报告认为，携有微小传感器，尺寸极小的侦察飞行器的设想是可以实现的，发展尺度位于昆虫量级的微型飞行系统对美国在未来保持军事领先具有重要意义。在此后的两年，麻省理工学院(MIT)的林肯实验室(LincolnLaboratory)和美国海军研究实验室(NRL)对微型飞行器技术上的可行性进行了更为深入的评估，他们的研究小组得出了与兰德公司一致的结论，即发展微型飞行侦察系统具有技术可行性。同时，林肯实验室的工程师们提出了他们的一种微型飞行器的概念设计。林肯实验室的研究结果促使DARPA在1995年秋季召开了关于微型飞行器可行性的专题讨论会，此次会议得出了肯定性的结论。DARPA也由此而制定了一项在发展微型飞行器的计划。1996年3月，DARPA向美国工业界作了简要介绍并于同年10月举办了用户和研究单位之间有关这一问题的讨论会。经过这一系列研讨会，专家们认为微型飞行器系统应该具有以下特点：一、应是适合军用的系统；二、能携带全天候的近距离成像系统，分辨率应足以使操作人员分辨出发送区内的重要细节；三、应具有准确确定地理位置的能力；四、重量轻，坚固耐用，以便能够放在士兵的背包里携带；五、价格低廉，甚至可一次性使用；六、隐蔽性好，不易被敌人发现，不应暴露使用人员的位置。同时，专家们认为在未来三年内可以实现的微型飞行器的总体参数为：特征尺寸(机身长度或翼展)6～15厘米，重量10～100克，有效载荷1～18克，巡航速度30～60公里/小时，续航时间20～60分钟，最大航程为1～10公里；微型飞行器采用固定翼布局而非扑翼布局。前期进行的几轮富有成效的研讨会使DARPA意识到开展微型飞行器技术研究的重要性以及研制生产微型飞行器的现实可行性。1997年起，DARPA通过SBIR项目开始增加投资，加大对微型飞行器技术的研究力度。1997财政年度，DARPA向工业界和学术界进行项目招标，开始实施一项耗资3500万美元，为期四年的微型飞行器研究计划。参与竞标的单位包括美国国内众多大学的研究实验室，航空航天业界的公司以及其它一些小型企业。微型飞行器概念一经美国提出，便立即引起世界上许多国家的广泛关注，如澳大利亚，俄罗斯，印度，以色列等。他们纷纷成立专门研究机构，投入研究经费，开始微型飞行器及其相关技术的研究。1.2.微型飞行器的基本特征和应用前景与常规无人飞行器相比。由于微型飞行器具有体积小，隐蔽性好重量轻，成本低，功能强，携带方便，操作简单等突出特点，因此无论是在军事领域还是在民用领域，它都有十分诱人的应用前景。在军事领域，微型飞行器主要有以下几方面的应用前景：首先，微型飞行器可用于低空或近距离的侦察和监视，这也是研制它的最重要的目的之一。其次，微型飞行器能够承担通信中继，电子干扰和对地攻击等任务。此外，微型无人机还可用于目标指示，核武器和生化武器的探测等。特别地，由于微型无人机能够在城市建筑物群中以缓慢的速度飞行，可飞抵甚至停留在建筑物内进行侦察，探测和查找建筑物内部的敌方人员或恐怖分子，因此，它在未来的城区战场和反恐军事行动中具有极为广阔的应用前景。在民用领域，微型飞行器除了可用于通信中继、环境监测、灾情的监测等，还可用于交通道路监控、边境巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测、大型牧场巡逻、城区监视、航空摄影等[8]。可以看到，微型飞行器技术作为又一种拓展侦测能力的技术，它将是一项具有良好发展前途和广阔应用前景的高科技含量的新技术。1.3.微型飞行器技术研究现状按总体布局方案来分，现有的微型飞行器主要可以分为传统的固定翼式布局，旋翼式布局和仿生扑翼式布局。采用传统的固定翼式布局的典型微型飞行器主要有美国AeroVironment公司的BlackWidow，Sanders公司的MicroSTAR等。这里只对BlackWidow进行简要的介绍：BlackWidow是AeroVironment公司按照DARPA提出的微型飞行器技术要求而研制出的一种微型飞机。翼展15厘米的碟型BlackWidow原型机于1996年春完成了9秒钟的飞行。1997年11月，未携带有效载荷，飞行重量为40克，采用锂电池的BlackWidow飞行时间达到16分钟。为了进一步提高原型机的性能，AeroVironment采用综合设计优化方法(MDO)对原型机进行设计改进，发展出第一代BlackWidow。1999年3月携带黑白摄像机的第一代BlackWidow成功地飞行了22分钟。此次飞行重量为56克，巡航速度为约40.2公里/小时。1999年夏季，AeroVironment完成了BlackWidow的最终设计(见附录图2b)。2000年8月BlackWidow试飞的留空时间达到30分钟，最大活动半径1.8公里，最大飞行高度约234米(769英尺)，飞行重量为80克。BlackWidow的机载接收机重量为2克，它的方向舵和升降舵均由0.5克重的驱动器控制，摄像采用CMOS彩色摄像头(重量1.7克，分辨率512×488，功率150毫瓦)，图象传送装置重1.4克。整机重量中，推进系统占62%，结构占17%。控制系统占9%，有效载荷占12%。由于BlackWidow采用电机驱动方式，加上尺寸小，距离50米以外便听不到它发出的声音，因此它具有极好的隐蔽性。整套系统可以放置在一个公文包大小的手提箱内，其中包括微型飞行器，拆卸式发射架，地面控制与监视用液晶显示器，总重约7公斤。采用旋翼式布局的微型飞行器主要以美国Lutronix公司的Kolibri，斯坦福大学(StanfordUniversity)的Mesicopter等为代表。这里只对Kolibri进行简要的介绍：Kolibri在德语中的意思是蜂鸟，它是Lutronix公司和Auburn大学联合研发的一种垂直起降(VTOL)旋翼式微型飞行器(见附录图3)。该机设计飞行重量约为300克。这个重量比采用固定翼布局的BlackWidow和MicroSTAR的重50～85克。但它能携带100克的有效载荷，而不是前两者的15克。这就使它能够装载多种机载设备和足够的燃油，以增加续航时间。该设计将具有三轴方向稳定性，GPS导航系统和2小时的续航能力[11]。采用仿生扑翼式布局的微型飞行器主要有Caltech的Microbat，SRI的Mentor，GTRI的Entomopter等。这里对Microbat进行简要的介绍：Microbat是加州理工学院,AeroVironment公司和UCLA联合研究的一种微型扑翼飞行器。它的翼展约为15厘米(6英寸)，扑翼的频率在每秒20次左右。首架原型机在1998年10月作了持续9秒的试验飞行(见附录图4a)，它由一个重2克，容量为1法拉的超级电容作驱动电源，飞行持续的时间受到电容容量限制。这架扑翼机重量为7.5克。第二架原型机改用3克重的可充式Ni-Cad电池作动力源(见附录图4b)。它的最长持续飞行时间提高到22秒，重量为10.5克。而第三架原型机在增加了无线电控制设备后，能够在飞行中偏航转弯和调整俯仰姿态(见附录图4c)，重量则约为12.5克。2000年8月，它的最长留空时间到时提高到42秒，而到2001年底则已经提高到6分17秒。roMicbat是世界上第一种手掌大小的电动扑翼机。加州理工学院戴聿昌(Yu-ChongTai)教授领导的这个研究小组设想未来的Microbat将是象附录的图4d中所设想的一种微型飞行装置。目前我们国内的部分高等院校和科研机构已经开展了微型飞行器方面的研究工作。但与国外相比，我们国内对微型飞行器技术的研究工作还存在着差距[13]。2.微型飞行器中的关键技术微型飞行器作为一种集成了诸多物理子系统的新型飞行器，涉及到以下几个方面的关键技术问题：2.1、机体结构与机载设备的微型化微型飞行器在尺寸上远远小于常规的飞行器，其机体内空间十分有限，因此它可以携带的机载设备装置和有效载荷受到极大的限制。这些机载设备和装置，如飞行控制、导航、致动、动力、图像摄取、数据传输设备等，不再能够象它们在普通飞行器上那样有较多的安装选择余地。这使得微型飞行器除了本身的机体结构应采用重量轻，强度高的结构材料来减轻重量外，其它用于机载的各种设备和装置也需要进行最大程度的微型化，以减轻设备的重量，压缩各自的空间。随着微型飞行器的尺寸进一步缩小，和固定翼布局的微型飞行器相比，仿生扑翼布局的微型飞行器在气动方面，优势愈发明显[14]。但是，仿生扑翼的布局首先给微型飞行器的结构设计带来了极大的挑战，尤其是在扑翼的结构，材料以及运动机构的微型化设计方面将面临更多的技术困难。2.2、新型高升阻比升力机制微型飞行器由于尺寸小，速度低，其飞行雷诺数Re远小于普通的飞行器，由此对微型飞行器的气动性能带来了不利影响。飞行雷诺数反映了施加在飞行器上的惯性作用力与粘滞作用力之比。微型飞行器的飞行雷诺数范围一般为102～104，这个范围已经与自然界的鸟类及昆虫等的飞行雷诺数范围大体相当。在上述范围的飞行已属于低Re数飞行，此时空气粘性的影响越发显著，微型飞行器受到的粘滞力相对增大。低雷诺数对固定翼微型飞行器性能的影响主要表现为：(1)升力系数下降导致有效飞行载荷的相对降低；(2)阻力系数增大要求更大的飞行动力；(3)相对容易发生的气流分离降低了机翼的气动性能以及微型飞行器的机动性能。另一方面，对于利用螺旋桨来产生前进驱动力的微型飞行器而言，螺旋桨的推进效率也将随着飞行雷诺数的减小而降低。2.3、微型高效动力推进装置微型动力装置是目前微型飞行器发展所面临的制约因素之一。微型动力装置是微型飞行器的关键设备，它需要在极小的体积内产生足够的能量并转换为微型飞行器的驱动力以及维持机载设备工作所需要的电能。如果具备了高性能的微型动力系统，就可以克服微型飞行器在空气动力方面的许多不足。但是研制高功率密度和高能量密度的微型动力装置和微型动力源同样面临着十分突出的技术困难。目前在研发中的微型动力装置种类较多。有微型燃料发动机，如微型火箭发动机、微型脉动式喷气发动机、微型涡轮发动机、微型内燃机等，也有微型电动机。微电机的常用电源有电池，如镍铬电池、镍氢电池、锂电池、固态氧化物燃料电池，也有微型涡轮发电机等。此外还有采用RCM驱动的动力装置。用于微型飞行器的动力装置主要有两类：采用锂或氢氧燃料电池的微电动机和微型涡轮喷气发动机。新一代微动力装置可达到的典型参数为:涡轮直径8毫米，叶片0.2毫米，推力0.15牛顿，重量20克，燃料消耗每小时25克。微动力装置将采用基于硅材料的MEMS技术制造。表1.3.1列出了微动力装置和常规活塞发动机功率密度和耗油率的比较。表1微动力装置与常规动力装置两个重要参数的对比参数微动力装置活塞发动机功率密度(瓦/克)0.150.50燃料消耗率(克/瓦小时)0.490.322.4、微功率下的飞行控制和数据通信系统微型飞行器要求具备相当程度的自主飞行能力，这需要依靠它的飞行控制系统来保证[17]。微型飞行器的飞行控制技术是微型飞行器研制中又一个技术难点。一方面，由于微型飞行器在空中的飞行活动许多时候面临湍流或阵风的干扰，因此需要通过自身的飞行控制系统来保证其稳定的飞行姿态和正确的航线。另一方面，微型飞行器需要在一定条件下，通过飞行控制系统来执行地面控制人员发出的机动指令。而采用仿生布局的微型飞行器的飞行控制，将是微型飞行器飞行控制技术中一个更为复杂的难题。微型飞行器在进行自主飞行的同时，需要与地面控制站进行飞行和控制信息的实时传递以及视频，音频等数据的传输[18]。微型飞行器上用于数据或信息传输的无线电设备需要消耗一定的电能，以保证信号有足够的传输距离。但随着微型飞行器尺寸的缩小，其动力源可提供的功率受到极大地限制。因此，在设法提供更高功率的机载动力源的同时，如何提供功耗更低，效率更高的数据通信系统也是微型飞行器发展所面临的一个问题。二、仿生蜻蜓飞行器的设计为了研究蜻蜓拍动双翼飞行时产生的流场结构，根据以往的观测结果。设计制作了能够精确模拟蜻蜓翼运动的仿生机构，用于蜻蜓高升力机制的流体力学实验研究。经测试表明，该机构可精确模拟蜻蜓翼运动，且运动重复性高，完全满足蜻蜓仿生流体力学实验要求。蜻蜓是一种飞行能力很强的昆虫其长时间的滑翔、悬停、快速前飞及灵活机动的飞行能力，长久以来吸引着流体力学家的目光。蜻蜓翼拍动改变其周围空气流动，进而产乍飞行中所需的升力与推力。因此，对蜻蜒拍动双翼飞行中．翼周围的流场的观测对于蜻蜓飞行机理的研究具有非常重要意义，由于活体蜻蜓拍动双翼飞行具有随机性(即不能长时间保持一种飞行状态)，至使观测某一特定飞行状态下翼周围流场非常困难，因此有必要运用仿生学的原理，设计制作能够模拟蜻蜓翼运动的机电模型，模拟蜻蜓翼拍动运动，为流场观测带来便利。1蜻蜒拍动机构模型简化及运动函数蜻蜓翼在拍动飞行中，具有平动、翻转及拍动平面偏离三个运动(如图1)所示，为清晰辨认，图中仅画出蜻蜒的一对前翼表示蜻蜒翅膀的运动．其后翼运动与前翼一致)。翼平动是翼绕自身体轴上下拍动．翻转是翼绕翼展轴线(如图1中右翼绕O1O2线)的转动，翻转运动可不断改变翅膀的攻角,上下拍动双翼过程中,翼并非保持在拍动平面内，即拍动平面偏离。为使问题简化．鉴于蜻蜓翼纵横比较大，可忽略三维效应，在模拟机构设计中考虑前后两翼各两个自由度——平动和翻转。且蜻蜓飞行时，翅膀拍动左右对称，根据对称原则，在仿生实验中仅模拟蜻蜓一侧的前后翅膀运动，则需要模拟机构能够模拟四个自由度的运动。根据瑞典科学家Norberg采集的运动学参数可拟合出蜻蜓翼平动与翻转运动函数：图1蜻蜓翼运动示意图平动的运动函数为(为拍动幅角；T为拍动周期；f为时间；对于前翼，永远为零)：α=0．5[1-cos(2rrt／T+γ)](1)翻转的运动函数为(△t为扭转时间，△t=0.4T):π/4sin(πt/Δt，)﹛0≤t≤0.2Tαπ/40.2T≤t≤0.3Tαπ/4cos[π(t-0.3t)/Δt]0.3T≤t≤0.7T-π/40.7T≤t≤0.8T-π/4cos[π(t-0.8t)/Δt]0.8T≤t≤T2.扑翼结构的选择同常规布局飞机相比，鸟类仅用一对扑翼就可以同时产生推力和升力。如果设计扑翼飞行器，仅仅通过调整扑翼系统的扑动参数就能实现灵活的机动，从而可省略推进装置和各种升力面、控制面，大大降低飞机结构重量，简化复杂程度。近年来，微型飞行器MAV（MicroAirVehicle）由于其尺寸小、重量轻、应用前泛的特点，受到了国内外的普遍重视。目前研制的微型飞行器尚多半是固定翼布局，但扑翼式微型飞行器因其更接近鸟的飞行，并且无需螺旋桨或喷气装置，而受了国内外的极大关注。扑翼相对于固定翼的一个重要特征，就是扑翼在提供升力的同时还能产生推力。下面根据最简化的扑翼模型，分析一下其同时产生升力和推力的机理。如图，流场有一低速直匀流∞V,迎角为0，扑翼向下扑动时，气流相对扑翼有一垂直向上的速度flapV，扑翼的相对来流速度大小为V=V∞+Vflap，方向如图相对V∞向上偏转了αflap。由Kutta-Joukowski定理可知，作用在扑翼上的气动力F方向垂直于合速度V指向斜上方，其在垂直和水平方向上的分量FL、FT即分别为扑翼的升力和推力。图2扑翼气动力示意图3.仿生蜻蜓飞行器的建模根据蜻蜓原型尺寸比例设计，蜻蜓扑翼的扑动是一种周期运动，主要可以分成两个方向的运动：(1)绕体轴线的上下扑动；(2)绕前缘或某一位置弦线的俯仰运动。定义α为扑翼相对来流方向的迎角，表示扑翼俯仰运动的位置；扑动角β是图3所示扑翼翼根处翼面与水平面的夹角，表示扑翼上下扑动的位置。图3蜻蜓飞行翅膀位置图4蜻蜓外观仿生设计仿生机械蜻蜓基本参数：长：472mm宽：634mm高：111mm质量：260g翅膀：前翼191.1X39.2,面积18133.5;后翼189X51.1,面积21410.9三、仿生蜻蜓的设计计算1.结构的选用与电机的选用确定扑翼频率为14HZ——19HZ传动比计算：i=22/10*22/10*16/16=4.84电机调速范围:4357r/min——5517.6r/min1.1、节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（铁芯电动机一般在70%）。1.2、控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内（铁芯电动机一般在100毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节。1.3、拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2%以内。另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2。2.气动计算φ(t)=φ0+φmaxsin(ωΦt+βφ)ψ(t)=ψ0+ψmaxsin(ωψt+βψ)平均阻力：260g平均升力：280g其中φ为拍打角，ψ为扭转角。升力和阻力的计算式在此基础上考虑了机翼的弯曲和扭转变形后得出的。绘制升力和阻力随扑翼角变化的曲线。X0(t)=(A0/2)cosβ(cosωt+1)Y0(t)=(A0/2)sinβ(cosωt+1)α(t)=α0-α0sin(ωt+φ)其中ω为扑翼频率，α0为攻角变化幅值，φ为平动角与转动角的相位差。根据所示运动方程，可以计算机翼在各个时刻的位置和姿态，同时还可以通过仿真软件实现扑翼机构运动的动画显示。在运动仿真的基础上可以进一步进行飞行器的体动力学和空气动力学仿真。 图5蜻蜓飞行姿态机身沿Z轴方向，翅膀的后缘固定在机身上，两个翅膀所在的平面的交线（翅膀中线）与机身的倾斜角为β。翅膀的前缘在扑翼结构的作用下以机身为轴上下拍动，α表示翅膀前缘在XOY平面上的拍动（转动）角。由于翅膀后缘固定在机身上，此时β角β也会因为翅膀前缘的云顶在YOZ平面内变化。这使得翅膀产生轻微的俯仰运动。翅膀拍动角α与α俯仰角β可由如下方程组给出：α(t)=α0+(A0/2)(cosωt)β(t)=β0+(B0/2)(cosωt)式中：ω为拍动ω频率，A0为拍动角幅值，α0为拍动初始角，B0为俯仰角幅值，β0为翅膀与机身的初始倾角。图6升力计算软件是通过vb编程，运用空气动力学的相关知识，计算出理论升力与理论升力变化的曲线。迎角—升力频率—升力扑动角度幅值—升力通过蜻蜓来设计的数据，再运用空气动力学的相关知识计算，再对仿生数据进行了修改，我们最终确定蜻蜓的基本尺寸、迎角大小、扑动频率、拍动角度幅值等等一系列参数，使得我们设计有了大量理论的依据。迎角：40°扑动频率：14hz—18hz拍动角度幅值：60°3.腿部机构与运动仿真3.1.机构与运动仿真图7腿部受力分析图8图8六足爬行步态示意图3.2.步态设计本设计采用仿“六足纲”昆虫(蟑螂、蚂蚁等)的步行方式来设计蜻蜓的运动，采用三角步态的运动示意如。蜻蜓开始运动时,左侧的腿2和右侧的腿4,6抬起准备向前摆动,另外3条腿1,3,5处于支撑状态,支撑机器人本体确保蜻蜓的原有重心位置处于3条支腿所构成的三角形内,使蜻蜓处于稳定状态不至于摔倒,摆动腿2,4,6向前跨步,支撑腿1,3,5一面支撑蜻蜓本体,一面在小型直流驱动电机和运动传动机构的作用下驱动蜻蜓本体,使蜻蜓机体向前运动，在机器人机体移动到位时,摆动腿2,4,6立即放下,呈支撑态,使蜻蜓的重心位置处于2,4,6三条支撑腿所构成的三角形稳定区内,原来的支撑腿1,3,5已抬起并准备向前跨步,摆动腿1,3,5向前跨步,支撑腿2,4,6此时一面支撑蜻蜓本体,一面驱动蜻蜓本体,使蜻蜓机体向前运动，如此不断从步态循环往复,周而复始实现蜻蜓不断向前运动。占空系数β又称有荷因数,步态设计是实现步行的关键之一,为达到较为理想的步行，图所示蜻蜓机器人的步态是β=0.5时的状态，在3摆动腿着地的同时,另外3支撑腿立即抬起.即任意时刻同时只有支撑相或摆动相。图8图8六足三角步态行走3.3.行走重心计算如图所示，点M,N,E分别为六足机器人的左前腿、右中腿、左后腿在地面上的支撑点.。三角形M,N,E是由3条支撑腿构成的1组支撑三角形，取机器人的重心O为坐标原点，y轴正向为机器人的前进方向，x轴与其垂直。设支撑点M,N,E的水平坐标分别为M(xM,yM),N(xN,yN),E(xE,yE)，各点的z坐标相同.。点M′,N′,E′是机器人重心到支撑三角形各边的垂足点，d1,d2,d3是重心到各边的相应距离。4.仿真运动及有限元分析图9蜻蜓模拟飞行本文基于蜻蜓真实的翅翼样本，利用proe5.0和CreoParametric2.0软件，分别建立了仿生扑翼1和仿生扑翼2的几何结构模型，并通过选择适当的单元类型及设定特性参数，完成三维仿生扑翼1和仿生扑翼2的有限元模型。在此基础上，对超小型仿生扑翼飞行器扑翼进行静态特性分析，分别对仿生扑翼1和仿生扑翼2进行线性和非线性力学分析，比较两种情况下结构的变形及应力等静态性能，并初步探讨了改变材料特性对仿生扑翼刚度变形的影响，总结出仿生扑翼的几何外形和结构布局以及材料都会对扑翼的刚性产生一定的影响。4.1.仿生蜻蜓飞行意义概述自古以来，人们就梦想着在天空自由翱翔，对鸟在滑翔状态下的研究使人类乘着飞机上了天。但在一般情况下，昆虫和鸟类翅膀具有很大的机动灵活性，生物超强的飞行能力也引起了人们的极大兴趣，如昆虫利用其薄如蝉翼的翅膀高频振动，能够实现前飞、倒飞、侧飞及倒着降落等特技飞行。对生物生理结构和飞行机理的研究为仿制出具有更大飞行灵活性的新型扑翼飞行器打下坚实基础。

随着对生物飞行机理的认识和微电子机械技术(MEMS)、空气动力学以及新型材料等的快速发展，仿生微扑翼飞行器目前已成为一个新的研究热点。由于其在军事和民用上均具有广泛的应用前景，许多国家都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，并且国内的一些科学家们也开始了这方面的相关基础性研究。

仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统中，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm

时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。

仿生微扑翼飞行器通常具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点，因此在国民经济各领域尤其是国防领域有着十分重要而广泛的应用，并能完成许多其他飞行器所无法执行的任务。本节基于有限元理论，对仿照蜻蜓前、后翼设计出来的超小型仿生扑翼飞行器的扑翼进行有限元的静态和动态分析，进而得出一些结论和规律，为超小型仿生扑翼飞行器扑翼的应用设计提供一些理论上的参考。本课题研究的主要内容包括超小型仿生扑翼飞行器扑翼的结构力学特性分析：

（1）超小型仿生扑翼飞行器扑翼有限元模型的建立。根据蜻蜓前、后翅翼样本，模仿其几何外形及结构布局，并对其进行适当的简化，建立扑翼的几何物理模型，然后通过设定适当的单元类型，建立起三维的超小型仿生扑翼飞行器扑翼的有限元模型。

（2）超小型仿生扑翼飞行器扑翼的静力学分析。对所构建的仿生扑翼模型分别进行相应的静态分析，得到扑翼在受载情况下的变形及应力分布等静态特性，进而观察仿生扑翼的刚性及其影响因素。4.2.有限元分析的原理有限元分析（FEA，Finite

Element

Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh

Ritz法＋分片函数”，即有限元法是Rayleigh

Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh

Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：

第一步

问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

第二步

求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

第三步

确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

第四步

单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。

为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。

对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。

第五步

总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。

第六步

联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。

简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

4.3.仿生蜻蜓扑翼飞行器扑翼几何物理模型的建立各种昆虫均是最为灵活机动的飞行器，尽管很多飞行方式相当简单，但是某些昆虫，如蜻蜓通过其脉络分布的翅翼结构以及特殊的振翅机制显示出惊人的特技飞行性能。而且现在已经越来越清楚，蜻蜓的各种飞行技巧和飞行方式大阪市来源于它们微妙复杂的翅翼结构。

本节模仿蜻蜓翅翼进行仿生建模，参考蜻蜓翅翼样本，结合其几何外形，自行设计一款超小型仿生扑翼飞行器扑翼的几何结构模型。蜻蜓翅翼结构如图10和图11所示。图11蜻蜓前翅图12蜻蜓后翅通过参考国内外关于蜻蜓翅翼测量方面的研究成果，采集到蜻蜓前、后翅翼的相关几何参数及运动参数，如蜻蜓前后翅翼的翼长、平均弦长等，进而为建立仿生扑翼的集合物理模型做好了准备，具体数据归纳与表2中。

表2蜻蜓翅翼的相关参数根据蜻蜓翅翼的集合结构布局以及表2.1中的相关参数，模仿蜻蜓的前后翅翼，并对其进行了适当的简化，利用ANSYS应用软件进行设计建模，初步设计出两款超小型仿生扑翼飞行器的扑翼几何结构模型，如图13和图14所示：图13蜻蜓翅膀模型1图14蜻蜓翅膀模型2这两款扑翼模型的具体参数如表3表3超小型仿生扑翼飞行器扑翼几何结构模型相关参数需要说明的是，由于实验条件的限制，本次建立的模型为二维平面模型，在计算时通过选用适当的单元类型来实现三维仿生扑翼结构的计算。具体的单元类型选用及特性定义，将尽量参照真实的情况，详细内容见下面的章节。4.4.单元特性的定义有限元模型中除了表现出一定的外部形状（网格）外，还应该具备计算所需要的内部数据，包括物理特性、材料特性等。这些数据定义的正确与否，将直接影响到计算结果的正确程度。

由于蜻蜓的迟疑结构由20～200μm的翅脉和2～5μm的薄膜组成[9]，根据这些参数，并结合初步设计的模型几何结构布局，对选用的单元初步设定物理特性参数，具体如下：

Pipe16单元：

翅脉

外径：0.100mm；

壁厚：0.020mm。

Shell43单元：

厚度设为0.004mm。

蜻蜓翅翼是一种超级的天然复合材料，它的材料特性，尤其是它的强度之高和重量之轻是很少见的。但就目前来讲，与蜻蜓翅翼相似的材料并不多，所以在未找到非常理想的材料之前，翅翼的外形和翅脉的布局仍然是关注的重点。因此，在材料属性的设定中，根据相应的参考文献，将仿生扑翼翅脉和薄膜统一设定为各向同性的、线性的、不随温度变化的材料，在这里给出三个指数：弹性模量EX为6.1GN/m2，泊松比PRXY为0.25，密度DENS为1200kg/m3。在后面的计算章节中，将根据进一步的需要适当地调整材料的一些特性参数来考察所构建的仿生翅翼模型的性能。4.5.有限元网格划分因为翅翼的薄膜采用了薄壳单元，所以网格形状可分为三角形和四边形，不过三角形相对于四边形网格的计算精度较低，故翅翼薄膜部分采用四边形网格划分。划分方式上，为提高运算效率，采用自由划分方式。

另外，由于所构建的仿生扑翼模型的整体几何尺寸较小，为了提高计算结果的精度，在约束单元尺寸时，将尽量把网格划分得细些。具体设定为：Pipe单元设定为0.125mm；薄壳单元也设定为0.125mm。这样划分网格后，便得到了仿生扑翼的有限元模型，如图15和图16所示。图15蜻蜓翅膀1有限元模型图16蜻蜓翅膀2有限元模型以上两图所示的超小型仿生扑翼飞行器扑翼有限元模型中，扑翼1共计节点240个，单元195个；扑翼2共计节点454个，单元404个。4.6.翅膀结构线性静力学分析本节对前面章节所建立的超小型仿生扑翼飞行器的扑翼进行结构线性静力学分析，观察翅翼结构在施加一定载荷后的刚性变形等性能。

虽然蜻蜓翅翼的翅脉结构非常复杂，但是蜻蜓在空中飞行的过程中可以非常轻易地处理各种各样的受力情况，从而实现譬如悬停、急速转弯、快速飞行以及倒退等各种飞行姿态。本节考虑了一种较为简单的情况，忽略了超小型仿生扑翼飞行器在飞行时扑翼所处的角度，并结合超小型仿生扑翼飞行器自身的重量以及扑翼的展开面积，在仿生扑翼模型下表面施加了一组垂直于该模型表面的均匀的载荷，进而观察仿生扑翼模型在受载情况下的刚性等特性。

首先，要定义边界及载荷的约束条件，对仿生扑翼模型根部施加位移约束，并根据相应的参考文献[25]，对仿生扑翼模型下表面施加一组垂直于该表面的均布载荷，其值为5.4E-05N/mm2。经过计算，得到仿生扑翼1和仿生扑翼2在受到该载荷条件下的刚性变形及应力分布，如图17所示。(a)翅膀1静态变形图(b)翅膀1的应力分布图(c)翅膀2的静态变形图(d)翅膀2的应力分布图图17仿生扑翼飞行器扑翼线性静态性能仿生扑翼实质上是一种桁架结构，也可以说是由梁和薄膜组成的复合杆架结构。由图17（a）和图17（c）所示的变形可以看出，结构在受到给定载荷的条件下的变形并不是非常大，也就是说对于所构建的仿生扑翼模型，其下表面在受到等同于超小型仿生扑翼飞行器自身重量的举力时，翼形没有出现那种特别大的变形情况，这在某种意义上说明所构建的扑翼模型在一定程度上具有可取性。

对计算结果进行进一步的分析还应该看到，这种变形的程度在实际的超小型仿生扑翼飞行器扑翼设计中还是不能接受的，这是因为超小型仿生扑翼飞行器的扑翼是其在空中实现复杂运动的关键环节，扑翼通过相应的拍动和扭转这两种基本的运动进行耦合，从而实现特殊的运动性能，产生支撑飞行器在空中完成各种指令动作的升力，然而如果出现这种较大变形的话，就很难实现各种复杂的运动模式，进而难以满足在实际应用中的需要。而且，与扑翼1的静态分析结果相比，扑翼2变形的程度要小一下，即表明在相同材料特性的情况下，展弦比较小的翅翼结构抵抗变形的能力要比展弦比较大的翅翼结构来的更强，因此，综合以上可见，翅翼结构的几何外形和脉络布局均直接影响着该翅翼结构的刚性性能。

另外，由图17（b）和图17（d）所示的应力分布还可以看到，在受到均布载荷的条件下，靠近扑翼模型根部的区域往往会产生较大的应力，这说明该区域是仿生扑翼结构强度较为薄弱的环节，那么在超小型仿生扑翼飞行器扑翼的设计中便可以作为参考，采取适当的措施提高根部结构的强度性能，进而保证所设计扑翼的可靠性要求。4.7.仿生蜻蜓飞行器扑翼的结构非线性静力学分析根据上一节的结构线性静力学分析结果可知，仿生扑翼结构在承受特定的载荷条件下产生了大变形情况，那么，它变化的几何形状就有可能引起结构的非线性影响，因此接下来有必要对扑翼结构进行非线性静力学分析，并将其结果与线性静力学分析结果进行对比，进一步观察两款扑翼模型在受载荷情况下的变形等性能。本次所施加的载荷条件与线性分析时基本上相同，只是添加了一些非线性分析的设置，如设定大变形或大应变选项，定义载荷步子步等。经过计算，得到仿生扑翼1和仿生扑翼2的变形以及应力等静态性能，如图18所示。(a)翅膀模型1在受载下的大变形(b)翅膀模型1在受载下的应力分布图(c)翅膀模型2在受载下的大变形（d）翅膀模型2在受载下的应力分布图图18仿生蜻蜓飞行器扑翼非线性静态性能为了便于对线性与非线性静态分析的结构进行对比，现将这两种情况下的位移及应力值归纳于表3中。表3线性与非线性静态分析结果对比由表3可以看出，节点位移和应力都有一定的变化，但整体上也都限制在10%之内。对结果做进一步分析还应该看到，与线性静态分析类似，对于既定的仿生扑翼模型，其变形与蜻蜓实际飞行中翅翼承受载荷后的刚度变形并不符合，而且这与实际超小型仿生扑翼飞行器扑翼设计中对刚性的要求也有很大的差异。

因此，除了研究仿生扑翼模型的结构布局对其刚度等性能的影响之外，还应该从结构的材料特性等方面进行考虑。通过调整材料特性参数，观察扑翼结构的实际可取性，这样既考虑到蜻蜓翅翼的真实情况，又考虑到超小型仿生扑翼飞行器设计中的实用性原则。4.8.材料的选择本节通过改变材料特性参数来观察超小型仿生扑翼飞行器扑翼的刚度变形，主要还是为了验证仿生扑翼结构在受载作用下出现较大变形时，在不改变几何特征的前提下，依然可以通过调整其他性能参数来实现设计的技术要求。

在仿生扑翼飞行研究中，所选择的仿生扑翼材料需要保证扑翼的轻柔、强韧，并能承受高频拍动而不失效。翅脉材料应该具有高应力极限、高疲劳极限和低惯性损耗。在目前的设计中，可供参考的材料主要有铝、不锈钢、钛合金以及碳纤214170.0.0维等。铝的密度小，比强度高，具有较好的耐腐蚀性，但刚性差；不锈钢的强度和耐腐蚀性能好，但密度大；钛合金密度小，具有较高的比强度和优良的耐腐蚀性能，但加工困难，成本较高；碳纤维具有低密度、高强度、高弹性模量以及抗腐蚀等性能，还具有纤维的柔曲性，与前面材料比较看来，碳纤维还是相对较为合适的结构材料。翅膜的材料大多采用塑料薄膜，具有厚度薄、柔软、强度好、耐腐蚀和易成形加工等优点，可供选择的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯薄膜和聚酰亚胺等。通过对翅脉及翅膜材料性能的比较，并参考国内外超小型仿生扑翼飞行器制作的诸多实例，最后重新确定了仿生扑翼的材料，翅脉选用碳纤维复合材料，翅膜选用聚酰亚胺材料，具体材料性能参数参见表4。表4翅翼材料的性能参数根据表4中所确定的材料参数，对前面建立的仿生扑翼1和仿生扑翼2的有限元模型进行重新设置，改变其单元特性从而生成新的计算模型。由于只是改变了材料特性，有限元的几何特性并没有改变，所以仿生扑翼结构及其网格图并没有变化，在这里就不再赘述。经过计算后，得到仿生扑翼结构的变形及应力分布图，结果如图19所示。（a）翅膀1的静态变形图和应力分布图(b)翅膀2的静态变形图和应力分布图图19仿生蜻蜓飞行器扑翼静态性能分析结果由图19所示的分析结构可以得到，改变材料特性参数后，仿生扑翼1和仿生扑翼2结构在受到与前面章节相同载荷作用时，节点的最大位移情况和节点承受的最大应力值情况归纳于表5中。表5仿生蜻蜓飞行器扑翼静态性能分析结果从表5中显然可以看出，仿生扑翼的变形情况小了很多，应力值也相应地有所减小，即在结构布局及载荷条件不变的情况下，调整仿生扑翼的材料特性参数，对结构的刚度等技术指标产生了显著地影响，结构抵抗变形的能力有了很大的提高，而且其几何非线性特征也有所减弱，这不仅验证了前面所提及的材料特性也是影响结构抵抗变形能力的一个非常重要的因素的观点，同时也从侧面说明了，对于所构建的仿生扑翼的结构布局，可以通过调整如材料特性等参数来达到超小型仿生扑翼飞行器扑翼的技术要求。

仿生扑翼结构所采用的材料只是通过理论上分析材料各项性能指标，并参考国内外超小型仿生扑翼飞行器的制作实践案例来进行选择，从效果上来看，达到了预期的目标。而事实上，材料的选择涉及超小型仿生扑翼飞行器涉及的整个过程，设计中要求的重量轻、柔性以及微型化等要求都与选用的材料有关，再加上目前对昆虫翅翼材料的研究工作还没有获得真正的突破，因此，在超小型仿生扑翼飞行器的设计中，扑翼材料的选取任然是一个亟待解决的技术难题之一。四、结论自然界的鸟类和昆虫拥有者高效的飞行和控制能力，仿生学的研究为超小型扑翼飞行器的研究提供了新的思路和途径，但仿生不是对生物运动的简单复制，而是在深入研究其机理的基础上进行的创新。

本论文依据有限元理论以及仿生学等理论，对模仿蜻蜓翅翼所建立的超小型仿生扑翼飞行器的仿生扑翼有限元模型分别进行了结构线性静力分析和非线性静力分析，并观察和讨论了仿生扑翼的几何外形、结构布局以及材料特性对其刚性的影响。仿生计算的结果为超小型仿生扑翼飞行器扑翼的应用设计提供了有效地帮助。综合本论文的研究工作，得到如下结论：

（1）对仿照蜻蜓翅翼的仿生扑翼有限元模型进行结构线性静力分析。当仿生扑翼模型在受到均布载荷的情况下，会引起结构的非线性响应。（2）对仿生扑翼有限元模型进行非线性静力分析，将分析结果与线性静力分析结果进行比较深入的对比和分析，发现仿生扑翼的几何外形和结构布局都会对扑翼的刚性产生一定的影响。

（3）适当调整扑翼材料特性参数后，分析结果表明扑翼的材料也是影响结构刚性的重要因素。

由于时间与实验条件的限制，本论文只是对仿照蜻蜓翅翼的仿生扑翼的了学特性等进行了初步的探讨，理论分析考虑的因素还需要进一步的完善。为是以后的研究工作能够更好的得到开展，现在提出以下几点建议：

（1）在扑翼变形的结构力学分析中，可以设计一个模拟加振实验，观察扑翼变形与加载的关系，分析其非线性特征。

（2）去除扑翼的翅膜，对翅脉进行模拟加振实验，观察翅脉变形与加载的关系，研究翅膜对刚性的影响。

昆虫运动仿生研究是一个多学科交叉的前沿研究领域，它涉及机械、计量、力学、生物、信息等多学科，利用了各学科的最新研究成果，同时也把各个学科想新的领域不断拓宽。随着对昆虫运动机理研究的不断深入，超小型仿生扑翼飞行器的诸多关键技术将会不断得到完善和解决，其潜在的应用价值也将越来越值得大家期待。

超小型仿生扑翼飞行器技术的研究在一定程度上反映了一个国家的科技水平。超小型仿生扑翼飞行器的研制不仅能够推动新技术和相关领域的发展，而且对国防建设也有着重大的意义，是我国迫切需要开展的研究项目。五、参考文献[1]

骥平，武立新，朱兴龙.仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术[J].机器人技术与应用，2004：12～17

[2]

彭跃林.微小扑翼飞行器机翼及机构模型的设计与实验研究[M].西北工业大学硕士学位论文，2003

[3]超小型仿生扑翼飞行器扑翼结构有限元分析[4]扑翼的气动特性和实验研究[5]一种微型飞行器概念机的总体设计研究附录：FromtheworldofradiointheworldtoasinglechipModerncomputertechnology,industrialrevolution,theworldeconomyfromthecapitalintotheeconomytoknowledgeeconomy.Fieldintheelectronicworld,fromthe20thcenturyintotheeraofradiotocomputertechnologyinthe21stcenturyasthecenteroftheintelligentmoderneraofelectronicsystems.Thebasiccoreofmodernelectronicsystemsareembeddedcomputersystems(referredtoasembeddedsystems),whilethemicrocontrolleristhemosttypicalandmostextensiveandmostpopularembeddedsystems.First,radiohascreatedgenerationsofexcellenceintheworldFiftiesandsixtiesinthe20thcentury,themostrepresentativeoftheadvancedelectronictechnologyiswirelesstechnology,includingradiobroadcasting,radio,wirelesscommunications(telegraph),AmateurRadio,radiopositioning,navigationandothertelemetry,remotecontrol,remotetechnology.Earlythattheseelectronictechnologyledmanyyoungpeopleintothewonderfuldigitalworld,radioshowwasawonderfullife,theprospectsforscienceandtechnology.Electronicsbegantoformanewdiscipline.Radioelectronics,wirelesscommunicationsbegane-worldjourney.Radiotechnologynotonlyasarepresentativeofadvancedscienceandtechnologyatthattime,butalsofrompopulartoprofessionalfieldsofscience,attractingtheyoungpeopleandenablethemtofindalotoffun.Orefromthebedsidetothesuperheterodyneradioradio;reportissuedfromtheradioamateurradiostations;fromthetelephone,electricbelltotheradiocontrolmodel.Becamepopularyouthradiotechnology,scienceandtechnologyeducationisthemostpopularandmostextensivecontent.Sofar,manyoftheoldergenerationofengineers,experts,Professoroftheyearareradioenthusiasts.Funradiotechnology,radiotechnology,comprehensivetraining,frombasicprinciplesofelectronics,electroniccomponentstotheradio-basedremotecontrol,telemetry,remoteelectronicsystems,hastrainedseveralgenerationsoftechnologicalexcellence.Second,fromthepopularityoftheradioeratoeraofelectronictechnologyTheearlyradiotechnologytopromotethedevelopmentofelectronictechnology,mostnotablyelectronicvacuumtubetechnologytosemiconductorelectronictechnology.Semiconductortechnologytorealizetheactivedeviceminiaturizationandlowcost,somorepopularwithradiotechnologyandinnovation,andtogreatlybroadenthenumberofnon-radio-controlareas.Thedevelopmentofsemiconductortechnologyleadtotheproductionofintegratedcircuit,formingthemodernelectronictechnologyleapfromdiscreteelectronicsintotheeraoferaofintegratedcircuits.Electronicdesignengineersnolongerusethediscreteelectroniccomponentsdesignedcircuitmodules,anddirectselectionofintegratedcircuitcomponentsconstituteasinglesystem.Theyfreedthedesignofthecircuitunitdedicatedtosystemdesign,greatlyliberatingtheproductiveforcesofscienceandtechnology,promotethewiderspreadofelectronicsystems.Semiconductorintegratedcircuitsinthebasicdigitallogiccircuitsfirstbreakthrough.Alargenumberofdigitallogiccircuits,suchasgates,counters,timers,shiftregisters,andanalogswitches,comparators,etc.,fortheelectronicdigitalcontrolprovidesexcellentconditionsforthetraditionalmechanicalcontroltoelectroniccontrol.Powerelectronicdevicesandsensortechnologytomaketheoriginaltotheradioasthecenterofelectronictechnologyturnedtomechanicalengineeringinthefieldofdigitalcontrolsystems,testinginthefieldofinformationcollection,movementofelectricalmechanicalservodrivecontrolobject.Semiconductorandintegratedcircuittechnologywillbringusauniversalageofelectronictechnology,wirelesstechnologyasthefieldofelectronictechnologyapartof.70yearsintothe20thcentury,largescaleintegratedcircuitappearedtopromotetheconventionalelectroniccircuitunit-specificelectronicsystemsdevelopment.Manyelectronicsystemsunitintoadedicatedintegrateddevicessuchasradios,electronicclocks,calculators,electronicengineersintheseareasfromthecircuit,thesystemdesignedtodebugintothedeviceselection,peripheraldeviceadapterwork.Electronictechnology,andelectronicproductsenriched,electronicengineerstoreducethedifficulty,butatthesametime,radiotechnology,electronictechnologyhasweakenedthecharm.Thedevelopmentofsemiconductorintegratedcircuitsclassicalelectronicsystemsarematuring,remaininthelargescaleintegratedcircuitotherthantheshrinkingofelectronictechnology,electronictechnologyisnottheolddaysofradiofuntimesandcomprehensiveengineeringtraining.Third,fromtheclassiceraofelectronictechnologytomodernelectronictechnologyofthetimes80yearsintothe20thcentury,thecenturyofeconomicchangeisthemostimportantrevolutioninthecomputer.Thecomputerrevolutioninthemostimportantsignisthebirthofthecomputerembeddedapplications.Moderncomputernumericalrequirementsshouldbeborn.Alongperiodoftime,istodevelopthemassivecomputernumericalduty.Butthecomputershowsthelogicoperation,processing,control,attractingexpertsinthefieldofelectroniccontrol,theywantdevelopmenttomeetthecontrolobjectrequirementsofembeddedapplications,computersystems.Ifyoumeetthemassivedata-processingcomputersystemknownasgeneral-purposecomputersystem,thenthesystemcanbetheembeddedobject(suchasships,aircraft,motorcycles,etc.)inacomputersystemcalledtheembeddedcomputer.Clearly,boththedirectionoftechnologydevelopmentaredifferent.Theformerrequiresmassivedatastorage,handling,processingandanalysisofhigh-speeddatatransmission;whilethelatterrequiresreliableoperationinthetargetenvironment,theexternalphysicalparametersonhigh-speedacquisition,analysisandprocessinglogicandtherapidcontrolofexternalobjects.Itwilladdanearlygeneral-purposecomputerdataacquisitionunit,theoutputdrivercircuitreluctancetoformaheattreatmentfurnacetemperaturecontrolsystem.Thisgeneral-purposecomputersystemisnotpossibleformostoftheelectronicsystemused,andtomakegeneral-purposecomputersystemmeetstherequirementsofembeddedapplications,willinevitablyaffectthedevelopmentofhigh-speednumericprocessing.Inordertosolvethecontradictionbetweenthedevelopmentofcomputertechnology,inthe20thcentury70s,semiconductorexpertsanotherway,infullaccordancewiththeelectronicsystemembeddedcomputerapplicationrequirements,amicro-computer'sbasicsystemonachip,theformationoftheearlySCM(SingleChipMicrocomputer).Aftertheadventofsinglechipinthecomputerindustrybegantoappearinthegeneral-purposecomputersystemsandembeddedsystemsthetwobranches.Sincethen,boththeembeddedsystem,orgeneral-purposecomputersystemshavebeendevelopedrapidly.Althoughtheearlygeneral-purposecomputerconvertedtheembeddedcomputersystems,andrealembeddedsystembeganintheemergenceofSCM.Becausethemicrocontrollerisdesignedspecificallyforembeddedapplications,theMCUcanonlyachieveembeddedapplications.MCUembeddedapplicationsthatbestmeetenvironmentalrequirements,forexample,chip-levelphysicalspace,large-scaleintegratedcircuitslow-cost,goodperipheralinterfacebusandoutstandingcontrolofinstruction.Acomputersystemmicrocontrollercore,embeddedelectronicsystems,intelligentelectronicsystemsforthefoundation.Therefore,thecurrentsinglechipelectronicsysteminwidespreaduseofelectronicsystemstoenablerapidtransitiontotheclassicalmodernintelligentelectronicsystems.4,singlechiptocreatethemoderneraofelectronicsystemsAmicrocontrollerandembeddedsystemsEmbeddedcomputersystemsfromembeddedapplications,embeddedsystemsforearlygeneral-purposecomputeradaptedtotheobjectsystemembeddedinavarietyofelectronicsystems,suchastheship'sautopilot,enginemonitoringsystems.Embeddedsystemisprimarilyacomputersystem,followedbyitbeingembeddedintotheobjectsystem,objectsintheobjectsystemtoachieverequireddatacollection,processing,statusdisplay,theoutputcontrolfunctions,asembeddedintheobjectsyste