无人机是模仿哪些动物制作的,会飞的无人机

严青青沈海军

 试飞团队合影。从左到右：汪成、邹施睿、李浩（试飞员）、严晴晴、曹日兴试飞合影。从左至右:王成、邹、李浩(试飞员)、颜、曹日兴

大学的时间过得很快，转眼间就是大四毕业设计阶段，是验证我们学习成果的时候了。

我们组的四个学生聚在一起讨论毕业设计。

作为同济大学航空航天空学院和力学学院的学生，以及未来航空空人，我们组的四位同学一起完成了很多飞行器相关的课题，包括“未来飞行器设计”、“流体力学仿真”、“飞行器结构设计”，培养了深厚的友谊和默契。在毕业之际，我们都希望能充分利用所学知识，理论联系实际，做一个综合项目。

带着这个想法，我们咨询了课题组的指导老师沈海军教授，希望能得到一些研究方向的建议。

“我的一个研究生宇易正在研究仿生飞鱼无人机的气动外形，并取得了很大进展，”沈海军教授说。“飞鱼经历了自然选择和进化，它的外形对人类的技术发展和产品设计有相当大的参考价值。可以尝试研究制作仿生飞鱼无人机。”前两句以八足(巴古八股)杂文(明清时期)

沈海军教授为我们指明了研究方向。我们觉得设计制造一架全新的无人机，既能综合运用飞机的专业知识，又要有趣味性和创新性。后来，我们联系了宇易学长，希望在他的成果基础上做进一步的研究。

当我遇见大宇易时，他正在做计算机模拟。他热情地给我们介绍仿生飞鱼无人机的空气动力学外形。“我采用逆向设计的方法，通过非接触式光学双目立体扫描仪对飞鱼进行三维扫描，获得了飞鱼原始模型的点云数据。”

非接触式光学双目立体扫描仪是一种不直接接触物体，用两台投影设备拍照、计算，获得目标物体上某些点的三维坐标的设备。将得到的点的三维坐标投影到三维空空间中的相应位置，然后得到的位置云图像数据就是点云数据。

“然后，通过Imageware软件(著名的逆向工程软件)，经过孔洞修补、完成软件的曲面创建和数据还原等步骤，我构建了飞鱼模型的拟合曲面，这就是仿生飞鱼无人机的初步曲面形状。可以最大程度的还原自然界中飞鱼的形态。”

讲到这里，大四的宇易停顿了一下。“但你们都应该看到，这种拟合曲面不能直接用于现代飞机的外形设计。”

“是的，它的翼根与机身的连接面太小，强度不够。”我们的队员曹日兴若有所思地说。

“没错，”大宇易点点头。"所以我用现代飞机设计理念来改进它的空气动力学外形."空气动力外形是指在气体介质中运动的物体的外形，适合在介质中运动，以减少其运动阻力。

在外形提取和设计过程中，机翼由自然界飞鱼胸鳍的投影构成，采用均匀翼型GAW-1(通用航空空飞机的先进翼型)。水平尾翼采用向上安装角度0度。

机翼安装在机身上的角度称为安装角，即机翼与水平线的夹角，向上的角度称为二面角。为了保持飞鱼的外观，机身保留了后稳尾和臀稳尾，可以增加飞机飞行时的稳定性。

仿生飞鱼无人机改进后的外形，既保留了飞鱼在大自然中的灵动，又增添了稳重的色彩。

“得到仿生飞鱼无人机的气动外形后，我用计算机软件Fluent(流体模拟软件)计算了气动性能。这是我的模拟结果。”于学昌点开图片给我们看。“令人惊讶的是，仿生飞鱼无人机的气动性能非常出色，最大升力系数为1.6，失速迎角为27°，最大升阻比为26。”升力系数越高，飞机可以爬升得越高，转弯时间越短。大失速迎角可以使飞机在飞行时更加灵活。升阻比是升阻比。数值越大，飞机的气动性能越好。

在宇易学长的介绍中，我们也详细了解了仿生飞鱼无人机的优势:在低速飞行环境下可以获得更好的升力；抗失速特性强，飞行中更加稳定可靠；尾部气流不易分离，具有减小阻力的特点；机身上部会有一个气流速度高、压力低的区域，可以产生额外的升力，对整体升阻特性有积极的贡献。总之，仿生飞鱼无人机的气动外形非常出色。

“我希望能做一个仿生飞鱼无人机，但由于时间和精力的原因，我无法付诸实践。你愿意把后续的研究作为一个项目吗？”

听到老宇易说的话，我们都有点激动。“既然仿生飞鱼无人机有如此优秀的结构外形，我们愿意对其内部结构进行研究和设计，希望试飞成功！”制造

确定了题目，我们分工行动。

曹日兴负责用CATIA软件(一种机械加工设计软件)设计内部结构。建模流程为:机身分区框→机身主梁→机翼→尾翼。

在设计之初，我们考虑了激光切割机的尺寸和无人机的组装运输，决定将其设置为可拆卸结构。曹日将机身内部设计成14个机身框架，是飞机常用的主要传力和承力结构。

分离平面设计在机翼中间的七个或八个框架之间。事实证明，分体式无人机可以放在汽车后备箱里，大大降低运输成本。

为了符合飞鱼的外形特征，无人机水平尾翼大幅前移；为了保持飞鱼的运动特性，尾部采用全动垂尾，整个垂尾面是活动的。这样就把原来的安定面和舵面整合在了一起，也就是整个垂尾只有一个面，既有安定面的稳定功能，又有舵面的调节功能。

邹睿的结构强度分析是无人机安全性和可靠性的保证。

“咦？”邹施睿看着ANSYS软件（有限元分析软件，可用于飞机结构强度分析）的分析结果皱了皱眉，“这个机翼结构不太行。”

待扫描的冷冻飞鱼“嗯？”邹睿对ANSYS软件(有限元分析软件，可用于飞机结构的强度分析)的分析结果皱起了眉头。“这个机翼结构不太好。”冷冻飞鱼将被扫描

飞鱼原始模型的点云数据飞鱼原始模型的点云数据

曹日兴俯身问道:“有问题吗？”

“你看，机翼的最大位移出现在最外侧翼肋的连接处，也就是翼尖处。排量7.44mm，是不是有点太大了？而且机翼的最大应力远小于层压板的许用应力，造成了强度的浪费。”

“嗯，你说得对。看来结构还需要优化。”曹日兴打开要修改的图纸。讲到这里，我和王成扭过头去。

“我对结构也有一些看法。”此时我已经提取了外形数据，为稳定性模拟做准备。“飞鱼外形的横向稳定性是由背鳍和臀鳍控制的，所以这两个地方要加强。还有副翼和垂尾，是改变飞行姿态的主要操纵面，也要加固。”

我的话音刚落，王程程就说道:“还有这里。”他指着机身的2框；“这里直接和电机相连，承受电机的主要拉力，需要加固。我建议用4mm椴木层压板。”

“另外，小草，我需要估算无人机的重量来选择马达和螺旋桨。”负责电力系统和电子设备的王成说。

“我还需要无人机重量和着陆加速度来分析起落架强度。”邹睿看着我和曹日兴。

我和小燕文相视一笑。前期的气动和结构分析是后续工作的基础，前期我们是最忙的。

由于我们四个人在工作中各有侧重，相互协调和妥协是必不可少的。比如王成重视续航表现，就要强调结构减重；邹注重结构强度，强化主要承重部件。为了流畅的空气动力学外形，我想增加侧肋和半肋；曹日兴需要减少一些多余的约束，以防止部件在装配时相互干涉…

我们四个人就像四个微型飞机设计部门。在不断的争论和协调中，仿生飞鱼无人机的样机逐步完善，性能逐步优化。

经过两个月的努力，机身设计终于定稿，100余个部件已经万事俱备，只欠“制作”。

激光切割材料零件经过两个月的努力，机身设计终于定型，100多个零件准备就绪，只差“生产”了。激光切割材料零件

贴迷彩贴纸贴上迷彩贴纸

畢设答辩毕设答

邢将三维CAD模型中的零部件投影到工程图中，得到激光切割的零件加工图，经过激光切割，得到激光切割的飞机模型零件。在我们把零件组装好，用胶水固定好，铺上面具，打磨好，贴上伪装皮，加上动力装置和控制系统之后，一架仿生飞鱼无人机就完成了。

成品飞鱼式无人机线条流畅，结构牢固。翼展1.5m，长1.8m，采用后三点式起落架布局，配备双叶高效螺旋桨，采用大功率电机和6S锂电池(22.2V电压)供电。试飞

生产结束后，接下来就是试飞了。在沈海军先生的建议下，我们将试飞场地定在了上海市松山区佘山附近的宣风行空飞行基地。飞行基地是上海市政府指定的试飞场地，拥有200米跑道和宽阔的空面积，完全可以满足试飞要求。

沈先生还给我们介绍了一位资深飞行员李浩。李老师有专业的飞行执照，丰富的飞行经验可以为我们的试飞保驾护航。

现场试飞，经过紧张的准备和调试，飞机在地面滑行50m左右，达到起飞速度。爬升约3秒后，达到30m安全飞行高度，以空绕场飞行。飞行速度约为每小时70公里，巡航攻角保持在5°，飞行姿态稳定。

在早期飞行中，仿生飞鱼无人机的转弯姿态比较平稳。最后转弯时，无人机受侧风影响，机体左右摇摆，让所有人都感到震惊。

我负责无人机的稳定性。其稳定性仿真结果不仅满足设计标准，而且堪称优秀。我完全相信它的“实力”，也不太担心。

果然，仿生飞鱼无人机在平飞后很快恢复了飞行姿态。

降落阶段，在李老师的操作下，无人机瞄准跑道，6秒后下降到2米左右，以每秒8米的速度飞向地面，最终以稳定的姿态降落在跑道上。

试飞的成功让我们兴奋不已，宇易学长也在第一时间发来了祝贺。在验证机的理论仿真和飞行试验过程中，仿生飞鱼无人机表现出了优异的性能，我们的成果有望在未来应用于无人机甚至小型有人机的设计中。

“研制出仿生飞鱼无人机，让它飞上蓝天，是一件令人兴奋的事情。这项工作展现了仿生飞行科学的神奇魅力，对新型飞行器的开发设计具有重要价值。”沈海军老师说。

编辑:曹