专题研究MAV微飞行器-淡江大学机械与机电工程学系.PDF

專題研究 MAV微飛行器 指導教授：楊龍杰 專題生：江志剛 1 第一章 緒論 1-1研究背景 像鳥類般的在空中飛翔，一直是人類追求的夢想，但如何實現也 是學者一直在探討的目的。 15 世紀時，達文西為了製造出航空器， 花了很多時間在觀察鳥類以及昆蟲的飛行行為，並設計了一系列的飛 行器，奠定了往後飛行的基礎。直到 20世紀初，萊特兄弟發明飛機， 以機械動力成功使人類翱翔天際。之後科學家不斷的創新改變，從一 開始萊特兄弟的 12 匹馬力螺旋槳飛機，到現代的音速以上噴射式飛 機，科技的進步造就了飛行器的完整發展。然而，對於一些特殊情況， 飛行器的體型並無法滿足人類的需求。因此，飛行器逐漸走向微型化 的趨勢。在軍事用途上，微飛行器可低空飛行進入敵方的區域，作為 近距離的監視，或是對衛星和軍用偵察機接觸不到的盲區或人員無法 涉足的地區進行偵察。甚至火災發生時，可於火場週遭探測溫度分 布，減低人員傷亡。因此，在未來的城區戰場與反恐軍事行動中，或 是生活中的救援以及人員的跟蹤追查等任務，微飛行器在這方面有很 大的研究價值。 依據美國國防先進計畫研發處 (DARPA)的定義，微飛行器 (MAV ; Micro Aerial Vehicle)預期各方向的尺寸能縮小到為 15cm 以內，性能 則希望達到： 1. 航程約 10km 。 2. 飛行速度最高速度約 30 英哩/每小時。 3. 飛行時間約 20 分鐘。 一般來說微飛行器依照升力產生及推進方式可分三大類，分別為 定翼式、旋翼式與拍翼式，拍翼式亦可稱為拍撲翼(flapping wing) 。 目前已有許多國家的軍方單位與學術界都投入相當多的資源，開發新 2 興上述三類之微飛行器，而拍 撲式微飛行器有別於大型鳥類之飛行方 2 ~105 ，並 式，此微飛行器處於較低的雷諾數(Reynolds number)約 10 運用翅膀的複雜運動與可撓式之機翼 (flexible wing) ，增加其飛行效 益，也是現在淡江大學微機電實驗室研究的微飛行器。 1-2 演進回顧 實驗室的第一代 MAV ，其基座以及連桿是由鈦合金組成的，由 於組裝完成後整體的重量過重，導致無法飛行。第二代由壓克力組成 的 MAV ，重量仍然過重，而且整體體積過大，仍不符合需求。演進 到第三代 MAV ，以鋁合金做為材料，由淡江大學實驗室的線切割機 切割出的基座、連桿，重量已達到輕量化，材質也非常堅固，元件不 會飛行幾次就被撞壞，組成的微飛行器有很好的飛行效果。然而，由 線切割機裁切機座與連桿，一次能切割的數量有限，而且相當耗時， 導致當我們需要不同規格的基座與連桿，以及需要足夠的量來組裝 時，會有供不應求的現象，不符合時間效益。演進到第四代 MAV ， 改用塑膠製的基座與連桿，可大量生產，質輕且組裝方便，非常適合 做為 MAV的傳動機構。由於可量產且價格便宜，即使組裝出來效果 不彰，也可馬上淘汰，立即換新。 1-3研究動機 拍撲式微飛行器包含控制系統及傳動齒輪系統的部份，其關鍵技 術如下列各點所述： 一. 拍撲式微飛行器在機翼尺寸上遠小於一般航空飛行器，其可搭載 的裝備荷重受到極大的限制，如馬達、控制晶片，不會有太多的選擇 餘地。因此，微飛行器必須採用高強度重量比的材料來減少重量外， 其餘飛行裝備也必須以微型化來配合，以減輕重量空