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.     

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...     

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.     

微扑翼飞行中的生物和仿生力传感器述评

随着昆虫飞行机理和仿生扑翼飞行研究的不断进展,理解昆虫的传感系统并研制适于微型扑翼飞行器的仿生传感器逐渐成为目前关注的焦点,而MEMS的快速发展使得研制新型的仿生微型传感器成为可能。简要介绍仿生扑翼飞行中传感系统研究现状,对昆虫飞行中采用的力传感器原理、分类进行了介绍;重点分析了几种典型的力传感器;归纳和总结了基于昆虫毛状传感器、钟状传感器和平衡棒仿生,采用各种MEMS技术研制的微型力传感器的生产工艺和应用特点;探索和展望了仿生力传感器的发展特点和今后的发展趋势。     

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.     

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。     

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。     

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。     

仿生扑翼UUV流体动力数值计算

仿生扑翼推进方式具有机动灵活、推进噪声低、稳定性好等特点,但由于外形的复杂性,仿生扑翼UUV的流体动力具有很强的非线性,给流体动力特性的研究带来难度。为了研究仿生扑翼的非线性流体动力特性,基于雷诺平均Navier-Stokes方程,采用RNG k-ε模型,建立了仿生扑翼UUV的流体动力计算数学模型,并利用ICEM CFD划分了网格,基于标准CFD软件Fluent对UUV的流体动力特性进行了仿真计算。结果表明,仿生扑翼UUV的流体动力在小攻角下呈线性变化,大攻角下出现非线性特征。     

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。     

仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考

在成功研制仿生扑翼飞行机器人样机的基础上，提出仿生扑翼飞行机器人研究中值得思考的若干问题。有关低雷诺数问题,提出以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有合理性的观点；有关非定常微分方程问题，提出非定常微分方程并非解决一切问题之关键的观点；有关翅变形问题，提出采用柔性翅的模型翅膀进行研究的观点。     

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．     

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．     

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。     

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...     

基于电磁驱动的微扑翼飞行器驱动器振动特性

电磁驱动的微扑翼飞行器翼端拍打振幅受到驱动电压、磁感应强度、电流角频率等因素的影响。为了探究上述三个因素对微扑翼飞行器翼端拍打振幅的影响规律,提出一种新型电磁驱动器方案,并建立电磁场中微梁振动模型,为验证电磁驱动器方案的可行性及进一步探究相关因素对微梁振动的影响规律,设计开展电磁驱动的微梁振动试验。结合理论振动模型与试验结果,得到驱动电压、磁感应强度、电流角频率对于梁端拍打振幅的影响规律,研究结果对于后续微扑翼飞行器电磁驱动器的研究发展具有一定的指导意义。     

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。