仿鸟类扑翼飞行器研究进展

仿生扑翼飞行器有着优异的气动性能和灵活的飞行能力,在军民领域均有广泛的应用前景,学者们在原理样机研制、扑翼气动机理、驱动机构、飞行控制等多领域取得了一系列重要进展.本文从总体设计方法、驱动机构设计与优化、气动机理等方面综述了仿鸟类扑翼飞行器技术的发展历程与研究进展.首先,从扑翼总体设计方法入手,总结了仿鸟类扑翼飞行器仿生构型,归纳了总体设计参数估算方法;其次,综述了多种构型曲柄连杆机构在扑翼驱动中的应用与优缺点;接着总结了扑翼气动机理研究的实验方法与数值计算方法,分析了不同扑翼气动算法针对不同应用场景在计算成本和准确度方面的优劣情况;最后,对仿鸟类扑翼飞行器系统设计研究现状进行总结,针对原理样机研制过程提出展望.     

仿鸟扑翼飞行器仿真研究

针对仿鸟扑翼飞行器的柔性翼动力学仿真需要,在非定常空气动力学原理下,用修正的准定常气动力计算模型估算出了扑翼的动力学模型,并建立了其相应的状态空间方程,进而分析研究了在Matlab语言和Simulink环境下,对其仿真系统设计得需求和要求。     

仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术

本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其应用,概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。在此基础上,就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论,并结合目前研究情况,对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。     

仿昆扑翼飞行器全解耦控制

针对仿昆扑翼飞行器飞行控制所面临的欠驱动问题,基于平均理论,提出采用周期时变反馈策略控制仿昆扑翼飞行器的策略,并给出了设计周期时变反馈控制器的输入参数化设计方法．该方法对飞行昆虫的扑翼运动进行仿生模拟,通过调整根翅运动参数,实现了对6个方向气动力和力矩的独立控制．本质上就是用参数表示欠驱动系统的输入,并以此构造周期时变反馈函数;从而在原系统中引入更多数目的独立控制量,将原系统转化为完全能控系统．然后,将此可控系统线性化,并利用线性反馈控制器设计工具设计其反馈控制律．仿真结果表明,基于该策略设计的控制器具有响应速度快、稳定误差小、鲁棒性强等特点．     

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...     

独立驱动的仿鸟扑翼飞行机器人的系统设计与实验EI北大核心CSCD

扑翼飞行机器人模仿自然界中的飞行生物,通过扑动翅膀拍打空气驱动飞行.它们机动性好、飞行效率高、噪音小,在某些应用场景比传统的固定翼飞机和旋翼飞机更有优势.目前扑翼飞行机器人的研究大多集中在机理研究和理论的建模与控制,鲜有实现室外的自主飞行,难以应对复杂的实际应用需求.在本文中,设计了一种独立驱动的仿鸟扑翼飞行机器人USTBird,通过两个舵机独立驱动左右翅膀可实现无可控尾翼的机动飞行.通过搭载自主设计的微型飞控板、GPS以及惯性导航模块,采用PD控制实现了扑翼飞行机器人的室外自主巡航飞行.设计了针对扑翼机器人的轻型两自由云台,很大程度上消除了机翼扑动飞行引起的图像抖动问题.针对机身振动和GPS测量误差带来的位置误差,采用无迹卡尔曼滤波算法对GPS采集的位置信息进行估计,提升了位置估计精度.设计了面向扑翼飞行机器人的地面站系统.考虑到扑翼飞行机器人存在的转向滞后问题,对偏航角设计双闭环分段PD控制器,最终实现了在外圆半径40 m和内圆半径10 m的圆环内的自主巡航任务.     

基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统设计与控制

作为一种新型飞行机器人, 仿蝴蝶扑翼飞行机器人模仿自然界蝴蝶的生物结构和飞行方式, 能够有效地融入并适应复杂环境, 在军民融合领域具有广阔的应用前景. 目前针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的研究大多停留在对生物蝴蝶飞行机理的研究, 鲜有能够实现自由可控飞行的机器人系统. 本文设计了一款基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人, 名为USTButterfly-S, 其翼展50 cm, 重50 g, 可实现长达5分钟的自由可控飞行. 首先结合生物蝴蝶翅膀的扑动特征, 设计了双曲柄双摇杆对称扑翼驱动机构. 然后模仿凤蝶的翅翼形状, 设计了仿蝴蝶翼型. 对翅膀的几何学分析表明, USTButterfly-S的翅膀与凤蝶具有较好的形态相似性. 接着针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的转向控制问题,首次采用线驱动机构拉动翅膀调节翅翼面积, 进而实现了USTButterfly-S的无尾航向控制. 最后集成自主设计的飞控系统, USTButterfly-S能够实现室内盘旋飞行并进行实时航拍. 在实际飞行实验中, USTButterfly-S展现出类似生物蝴蝶的飞行特征.     

扑翼飞行器的建模与控制研究进展

扑翼飞行器（Flapping-wing air vehicle,FAV）即通过模拟昆虫以及鸟类飞行方式而制造的仿生机器人.与常见的固定翼和旋翼飞行器相比,具有效率高、质量轻、机动性强、耗能低等显著优点,是飞行器发展的重要方向.关于扑翼机的研究始于上世纪后期,现如今从理论探索到机体开发都有了可喜的成果.本文首先介绍了世界领先的几款扑翼飞行器的特点,接着简述了扑翼飞行器在动力学、能源、控制等方面的发展现状,并对未来的研究方向做出了展望.     

基于MEMS技术的SU-8仿昆虫微扑翼飞行器设计及制作

为研制一种轻质仿昆虫微扑翼飞行器,提出了采用微机电系统(MEMS)领域的SU-8光刻胶作为结构材料的制作方案.基于仿生学原理和微机电系统加工技术,设计微扑翼飞行器结构及MEMS 工艺方法.研究结果表明,该种结构设计及制作方案满足设计要求,为仿昆虫微扑翼飞行器的研制提供了一种很好的途径.     

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．     

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．     

微型扑翼飞行器的自适应位置跟踪控制器

微型扑翼飞行器是飞行器发展的重要方向,其位置跟踪控制成为该研究面对的首要问题.本文针对微型扑翼飞行器(flapping wing micro aerial vehicle,FWMAV)的位置跟踪控制问题展开研究,提出了一种可以避免控制系统陷入奇异且理论跟踪误差为零的自适应控制器.具体而言,首先提出了零梯度位置跟踪控制器.而后,理论分析表明其在解决FWMAV位置跟踪控制问题时存在局限性,即该控制器总是存在理论位置跟踪误差.为了弥补这一缺点,对零梯度控制器进行改进,提出了一种理论位置跟踪误差为零的自适应控制器,并利用非线性激励函数加快了位置跟踪误差的收敛速度.最后,仿真实验验证了该控制器的优越性.     

扑翼飞行的气动建模与仿真分析

用计算流体力学的数值仿真方法对微扑翼飞行的非定常空气动力学问题进行了建模与仿真研究。在对昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上,建立了简化的扑翼运动二维翼型的运动学与空气动力学模型。利用任意拉格朗日欧拉（ALE）有限元方法求解出N-S方程的数值解,将流场仿真结果与实验进行了对比,并分析了扑翼运动产生的前缘漩涡对升力的作用。文中的建模、分析方法和结论对微扑翼飞行器的分析设计和应用提供了一定的理论依据。     

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。     

基于高仿生形态布局的仿鸽扑翼飞行机器人系统设计

针对现有扑翼飞行机器人存在的飞行形态与实际鸟类相差较大, 以及翅膀、尾翼布局和俯仰、转向控制方式仿生度较低的问题, 提出一种形态布局与鸽子相仿的扑翼飞行机器人系统设计及实现方案. 通过设计弧面−折翼−后掠翅膀、仿鸟扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式, 使扑翼机器人飞行形态更加接近真实鸟类, 提高扑翼机器人的形态仿生度. 在此基础上, 设计结合下扑角调控无需尾翼大角度上翘的俯仰控制方式, 以及不依赖于尾翼的翅膀收缩转向控制方式, 在提高仿生度的同时保证飞行控制的有效性. 在具体设计过程中, 首先参考鸽子翅膀型式选择不同类型翅膀并进行风洞测试, 确定出下扑角变化时仍能保持较优升推力性能的翅膀设计方案; 其次, 对各种尾翼型式进行分析和比较, 结合鸽子尾翼特点进行仿鸽尾翼及俯仰、转向控制机构设计, 并通过风洞测试验证; 最后, 设计飞控系统并装配整机, 进行外场飞行测试, 验证仿鸽扑翼飞行机器人平台的稳定性和可控性.     

微扑翼飞行器驱动电路设计

扑机械昆虫是很小、高机动的仿昆飞行机器人,在勘探、环境监测、搜索和救援、监视等一系列任务中非常有用.压电执行器有小尺寸、高效率、高功率密度的优势,这展示了在微机器人领域的应用前景.实验是通过升压转换器将3.7V锂电池增加到250 V以上实现的.通过展现压电驱动器的驱动要求、电路拓扑和用于微机器人的压电驱动器的不同控制方式来探索驱动电路设计,并提出克级驱动电路.     

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。     

基于OpenCV的微型扑翼飞行器视觉伺服系统

设计一种基于OpenCV的微型扑翼飞行器视觉伺服控制系统.首先介绍微型扑翼飞行器的运动学规律,并对整个控制系统做了简要概括,最后提出一种用于检测微型扑翼飞行器运动轨迹的计算机视觉算法.实验测试表明,该算法与传统的背景差分法等方法相比,对前景运动区域的分割更为精确.     

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.