微型仿昆扑翼飞行器解耦操控机制

提出一种解耦操控机制，用于解决微型仿昆扑翼飞行器飞行控制中的欠驱动问题．首先通过理论分析和仿真试验分析了翅膀的振翅运动参数对气动力旋量的控制作用；然后在对昆虫飞行所采用的生物学振翅运动进行模拟的基础上，通过调整翅膀的振翅运动参数，设计了一个能对气动力和气动力矩实现独立控制的解耦操控机制．此操控机制采用周期函数将控制输入量参数化，从而在仿昆扑翼布局的动力学模型中引入更多数目的独立控制量．通过将原动力学系统转化为完全能控系统，解决了仿昆扑翼布局的欠驱动控制问题．同时，此操控机制仅仅要求转动角可控，有效地降低了仿昆扑翼飞行器的设计难度．     

仿鸟扑翼飞行器姿态镇定研究

针对仿鸟扑翼飞行器的欠驱动特性,提出了一种简化其飞行控制问题并实现其局部渐近稳定的控制方法．建立并分析了仿鸟扑翼飞行器的动力学和运动学模型,证明其控制问题等价于升力、推力独立可控情况下的姿态控制问题．进一步分析的结果表明,仿鸟扑翼飞行器的升力、推力都是独立可控的,其姿态控制为耦合输入下刚体的姿态控制问题．通过设计光滑时变反馈控制律实现姿态控制的局部渐近稳定,从而解决扑翼飞行器的飞行控制问题．     

仿昆扑翼微飞行器电磁驱动电路设计与制造

针对电磁驱动方式的仿昆扑翼微飞行器,设计了电磁线圈驱动电路,电路能够驱动微飞行器扑动双翼。驱动电路利用电池组和升压(BOOST)电路实现电路供电。研制了产生两路电压控制信号的最小系统板,能够在上位机在线实时控制输出信号的频率和幅值。电压控制信号通过电路后,电路输出稳定驱动电流,实现对仿昆扑翼微飞行器翅膀的控制。     

微扑翼飞行机器人姿态反演自适应模糊控制

研究微扑翼飞行机器人姿态控制优化问题,因扑翼飞行的复杂性、系统的非线性、时变参数以及各种干扰而极具挑战性.为了提高系统姿态稳定性,提出了一种反演自适应模糊控制策略,针对传统反演控制律设计的不足之处,对微扑翼飞行机器人控制律设计中需要知道被控对象精确模型信息的部分,采用模糊控制法去逼近,从而实现了无需微扑翼飞行器精确模型的全新控制律,避免了因建模误差对控制带来的不良影响,并在此基础上证明了系统的稳定性.仿真结果证实了控制方法的有效性.     

欠驱动船舶的光滑时变指数镇定

船舶水平面运动的欠驱动特性使船舶运动控制的研究具有了新的内涵．本文在船舶水平面运动的运动学及动力学模型基础上,将其演化为二阶系统方程组．针对其欠驱动的特性,借助微分同胚变换及控制输入变换将其转化为两个子系统,分别设计状态反馈控制律,从而得到了原系统的具有指数收敛速率的时变光滑反馈镇定律,实现闭环系统所有状态全局指数收敛至平衡点．该方法可用于欠驱动船舶动力定位或自动泊位控制．最后的仿真试验验证表明本方法是有效的．     

毫米级静电微扑翼驱动器的结构设计、工艺与测试

针对仿昆虫扑翼飞行器核心动力装置——微驱动器的结构特点和研究难点,设计了一种基于静电驱动原理的毫米(mm)级微扑翼驱动器,并针对各个部件研究了整套加工工艺与测试方法.运动优化与升力测试结果表明:微扑翼驱动器(翼展9 mm,重量3 mg)以91 Hz的频率实现了±40°的拍动和±25°的扭转运动,输出1.5 mg的升力,升重较以往静电微扑翼驱动器有大幅提升.研究成果为实现仿昆虫微型飞行器的自主飞行提供了新的方向,并奠定了理论与试验基础.     

仿生变形飞行器的飞行特性研究

随着无人飞行器的小型化甚至微型化发展,扑翼飞行的优势逐渐显现出来。受鸟类及昆虫飞行运动的启发,分析鸟类及昆虫的扑翼运动特性,设计了一种鸟类扑翼飞行方式,使用涡格法进行了扑翼的气动计算,并采用质点弹道学模型分析了仿生飞行的轨迹特性。仿真结果表明,设计的扑翼运动效果良好。     

SolidWorks在扑翼微型飞行器设计制造中的应用

扑翼微型飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。介绍SolidWorks设计软件在驱动机构运动仿真、翅翼频率分析和参数化设计中的应用。结果表明,SolidWorks应用于扑翼微型飞行器设计制造可以简化设计流程,提高设计效率。     

扑翼飞行器的多机协同飞行设计与实践

扑翼飞行器（flapping-wing aerial vehicle,FAV）是一种模仿动物飞行方式的新型飞行器,其具有仿生性且飞行声音小等特点,具有广泛的军事和民用前景。由于扑翼飞行器动力学模型复杂且容易受到风等环境因素的影响,目前尚无成熟稳定的控制算法可以用来控制扑翼飞行器。目前对扑翼飞行器的控制大多仍以手动控制为主,然而手动控制扑翼飞行器的方式会受到飞手操作水平的限制,难以大范围推广。通过对PX4固件和QGC地面站进行定制化改造以满足在一定应用背景下扑翼飞行器的有效控制,实现了扑翼飞行器的自动控制和协同飞行。同时还将扑翼飞行器多机协同飞行设计与实践引入到了“嵌入式计算技术”课程教学中,激发了学生的学习热情,提高了学生的创新实践能力。     

仿生扑翼“0”形轨迹机构的设计及气动力特性

针对仿生扑翼飞行器的驱动结构进行设计,提出了一种空间摇杆式的驱动机构与机翼扭转机构,实现机翼扑动过程中的"0"形空间运动轨迹.针对机翼的空间"0"字形运动,建立仿生飞行器气动分析模型,采用动网格与非定常数值计算方法,对机翼拍动过程中不同相位下的升阻特性进行分析,并通过空气动力效率与流场对比分析,得到不同参数条件下的气动效率,为仿生扑翼飞行器的设计及扑动模式的选择提供参考.通过气动力测量实验、台架姿态标定和外场飞行测试,验证了结构设计的合理性.     

三铰扑翼建模及数值计算

为研究鸟类翅膀展向变形对扑翼气动特性的影响,基于对鸟类翅膀变形的观察,分别用动静法和拉格朗日方程建立三铰扑翼的数学模型,并利用数值计算研究该模型.结果表明：使用NACA0004作为截面的三铰扑翼在对称扑动时能够产生净升力;随着中翼弹性系数比的增大,周期平均升力因数增大,但周期平均阻力因数不存在单调性;三铰扑翼比双铰翼的周期平均升力因数明显小;随着外翼弹性系数比的增大,周期平均升力因数和周期平均阻力因数也不存在单调特性.     

微型仿鸟扑翼飞机设计与仿真系统开发

基于仿生学的微扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器.鉴于扑翼飞行理论及实践本身的困难,为了减少设计制造中的风险,开发了微型仿鸟扑翼飞机设计与仿真系统.采用Visual C 和MATLAB进行仿生学设计模块、驱动机构和气动力计算模块的开发,由此进行扑翼飞机结构及动力学设计,生成初步样机.结合OpenGL技术,建立微型扑翼飞机的三维可视化结构模型,进行扑翼飞机的运动和虚拟飞行仿真.进行扑翼飞机的开发实例分析,结果与实际制作的扑翼飞机各项特征吻合.该系统有很高的实用价值,可以有效地辅助进行微型仿鸟扑翼飞机的研制工作.     

A Visualization System for Analysis of Micro Aerial Vehicle Scaled Flapping Wings

This paper presents a visualization system for analysis of micro aerial vehicle (MAV) scaled flapping wings. By synchronizing to the wing under test, multiple devices can be triggered at precise phases in the flapping cycle with a high degree of accuracy and repeatability. The system can control devices such as strobe lights, lasers and cameras to capture wing motion and flow visualization data at the point of interest. The system was developed, then implemented and tested under ideal and real-world conditions to evaluate several aspects of performance. The effectiveness of the system was then demonstrated in a flow visualization experiment, where it was used to capture images of the average airflow around a flapping wing at several wing phases. Performance measurements showed the high accuracy of the system, while flow visualization results demonstrated significant improvements in the quality and accuracy of images when the system was used for analysis of a flapping wing. These results indicate the potential of the developed system to considerably improve visualization analysis of MAV scaled flapping wings.     

电磁振动式微扑翼飞行器动态特性研究

电磁驱动具有驱动电压低、作用力大等优点, 是微机械领域一种重要驱动方式。本文设计了一种电磁振动式微扑翼飞行器，在此基础上，建立了电磁振动式微扑翼飞行器非线性动力学模型，研究了不同电磁力激励下系统动态特性，获得了系统固有频率，并得出方波和正弦半波电磁力驱动能够产生较大扑动幅度的结论。最后，研究了电磁振动式微扑翼飞行器机-磁耦合非线性系统动态特性，研究结果表明电磁振动式微扑翼飞行器适合采用正弦半波电压激励，而且通过结构改进措施，提高了扑动的对称性和稳定性。     

面向扑翼飞行控制的建模与奇异摄动分析

针对扑翼飞行中的周期性和时标不一现象,以及扑翼飞行实际控制中的问题,本文基于奇异摄动理论,提出了一种针对扑翼周期系统的稳定性分析方法.具体而言,首先建立了扑翼飞行器的多刚体模型,为后文对翅翼动力学的奇异摄动分析铺平道路;其次,对多刚体模型进行简化,抽象出扑翼飞行动力学的核心问题,并针对实际控制中的问题,提出了利用奇异摄...     

Investigation on force transmission of direct-drive thorax unit with four ultrasonic motors for a flapping microaerial vehicle

We fabricated a trial version of a thorax unit with four ultrasonic motors (USMs) to simulate a dragonfly-scale flapping micro aerial vehicle (MAV). Each wing was directly driven by a two-degree-of-freedom (2-DOF) transmission. An in-house tiny standing-wave USM capable of bidirectional rotation, which weighs just 0.13 g, was employed on trial. The transmission of the thorax unit converts the two USM rotations into strokes and flip motions of the wing. By implementing two 70-mm-long wings, we fabricated a prototype of a 4-DOF MAV and tested its performance. In a lift-compensated situation, upward, forward, and backward movements of the MAV were obtained. The flapping angular velocity was discussed based on quasi-static wing aerodynamics and was accountable for the motor power. Although the power of the USM should be improved, the quick wing drivability, adequate power transmission on the thorax unit, and potential of a 0.2 W motor power in a unidirectional-type USM promise the viability of a direct-drive multi-DOF dragonfly-scale MAV.     

微扑翼飞行器控制系统相关技术研究进展

微型扑翼飞行器(FMAV)由于微型化和采用扑翼飞行方式的特征,许多传统理论和设计方法不再完全适用,相关理论和技术仍在不断地发展中,所以对国内外相关理论和技术的发展现状进行及时跟踪和研究,具有非常重要的参考意义;通过调查研究,介绍了与微型扑翼飞行器控制系统有关的低雷诺数非定常空气动力学、控制系统数学模型、控制方案和控制方法等的研究进展,总结出了微型扑翼对飞行器控制系统的设计要求,控制系统的特点和需要解决的关键问题,并展望了未来发展趋势。