一、研究背景

?技术基础：近几十年来，随着人们对昆虫、鸟类等生物飞行机理研究的不断深入，为仿生蝴蝶的研制提供了理论支持。蝴蝶独特的扑翼飞行方式，具有低噪声、低功耗的优点，吸引了众多研究者。

?市场需求：早期，国内外仿生蝴蝶的研究水平停滞不前，产品存在飞行性能不佳、技术更新慢等问题，且缺乏实际应用场景。但随着舞台表演等领域对特效效果的要求不断提高，对逼真、高性能仿生蝴蝶的需求逐渐显现。

二、研究目的与意义

? 目的：通过复刻蝴蝶的飞行姿态与形态特征，设计出兼具气动效率与观赏价值的仿生机器人，解决小型飞行器在低速飞行、姿态控制上的技术痛点。

? 意义：一方面推动仿生机械与微机电系统（MEMS） 的融合应用，为环境监测、仿生玩具等领域提供新方案；另一方面激发大学生对跨学科技术的探索，践行“从自然中学习工程”的创新理念。

三、研究目标与内容

研究目标：

（1） 起飞前在起飞台上要能模仿蝴蝶实现四翅并拢竖立动作，随后实现左右翅膀同时下摆动作，左右翅膀上下摆角度≥20°；

（2） 实现仿生蝴蝶的飞行能力包括静态起飞、沿跑道飞行和调头飞行能力；

（3） 无论在静态或飞行中，仿生蝴蝶任意方向的尺寸均不超过0.4m；

（4） 使用电池作为原始能源，电池电压不超过24V；

（5） 作品总质量不超过2kg。

设计时应注重综合运用所学“机械原理”、“机械设计”等课程的设计理论与方法； 注重作品原理、功能和结构上的创新性和对作品尺寸参数、运动性能、强度刚度等结构 性能的精准设计与分析；对实现批量化加工的机械，要依据加工节拍、单位时间加工量和功能等指标完成作品的设计。

当今世界正进入新工业革命的时代，数字经济、数字社会已经成为国家战略发展方向和行动纲领，正在全国范围内全面落实。因此作品在以机械设计为主的前提下，机械作品的评价不以机械结构为单一标准，而是对作品的功能、设计、结构、工艺制作、性能价格比、先进性、创新性、实用性等多方面进行综合评价。在实现功能相同的条件下，将“灵巧”与“智能”结合，机械结构越简单越好。

研究内容：

? 生物特性分析：拆解蝴蝶翅膀结构（翅脉、鳞片），测试其空气动力学性能，建立飞行姿态数学模型。

? 机械结构设计：采用碳纤维骨架复刻翅脉，用柔性材料制作翅膀，设计舵机驱动的拍动机构。

? 电控系统开发：选型微型电机与单片机，编写姿态控制算法，调试无线通信与供电模块。

四、研究核心比较对象与验证实验环境

·核心比较对象：

（1）同类型仿生扑翼飞行器：如仿生蜜蜂、仿生蜻蜓（比飞行效率、灵活性、噪声控制）、小型仿生鸟（比低功耗表现、低速飞行稳定性）。

（2）传统微型飞行器：如多旋翼无人机（比隐蔽性、噪声水平、续航能力）、固定翼微型机（比低空机动性、狭小空间适应性）。

（3）真实蝴蝶：以目标模拟物种（如蓝闪蝶、粉蝶）为参照，比对翼展/体重比、扑翼频率、飞行轨迹相似度。

·验证实验环境：

（1）室内可控环境：无气流实验室（测飞行稳定性、扑翼效率）、舞台模拟空间（验证灯光/音效下的操控响应）、狭小密闭舱（测试避障与转向灵活性）。

（2）室外半自然环境：微风（≤3级）空旷场地（测抗风能力）、绿植覆盖区域（模拟野外隐蔽飞行）、低光环境（验证夜视/导航功能）。

（3）专项测试场景：噪声测试室（量化飞行噪声分贝）、续航测试台（恒定负载下的续航时长）、抗干扰实验室（验证遥控信号稳定性）。

五、特色及创新点

1. 结构创新：模仿蝴蝶鳞片的微纹理结构，在翅膀表面增加凸起，降低飞行阻力，相比传统平板翼气动效率提升15%以上。

2. 控制创新：结合视觉识别与惯性测量单元（IMU），实现“跟随目标飞行”功能，突破小型仿生机器人仅能手动控制的局限。

3. 材料创新：采用可降解PLA材料打印机身，翅膀使用弹性记忆纤维，兼顾环保性与反复变形的耐用性。

六、学生获得的训练：

? 技术能力：掌握ADAMS动力学仿真、单片机编程等工具，提升机械设计与电控开发的实操能力。

? 跨学科思维：融合生物学（蝴蝶形态）、机械工程（机构设计）、自动化（控制算法）知识，培养系统解决问题的能力。

? 工程素养：经历“需求分析-方案设计-原型制作-测试迭代”全流程，提升成本控制、团队协作与问题排查的工程实践能力。

本小组成员都来自于机械设计制造及其自动化，对机械设计、建模等机械方面有一定的专业基础。其次我们可以学习单片机编程，能完成电机驱动、姿态传感器数据采集与控制算法编写，具备基础电路设计能力。对生物运动规律（如蝴蝶飞行姿态）有研究，能整理设计报告、技术手册及比赛答辩ppt。