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.     

仿猎鹰扑翼飞行器自主飞行控制系统设计

仿生扑翼飞行器作为一种新型的飞行器,具有噪声小、隐蔽性好、机动性强、能量利用效率高等优势,在民用和军用领域具有广阔的应用前景.仿生扑翼飞行器的自主飞行能力是高效执行飞行任务的关键.目前,国内外飞行器的自主飞行研究已经取得了一些成果,然而鲜有以仿生扑翼飞行器为载体的研究.仿生扑翼飞行器特有的驱动结构给自主飞行控制研究带来了较大的挑战.本文以仿猎鹰扑翼飞行器作为研究平台设计了自主飞行控制系统.由于仿猎鹰扑翼飞行器的负载较小,本文采用了重量较轻的STM32微型计算平台作为主控芯片设计了硬件系统.由于微型计算平台的算力有限,本文综合考虑制导精度和运算速度,提出了一种线性/非线性切换制导算法,并通过仿真实验与线性制导、非线性制导算法进行了对比,证明了其更加适合于仿猎鹰扑翼飞行器.考虑到仿猎鹰扑翼飞行器的机构滞后问题,对其滚转角和高度设计了一个串级PID控制器.结合面向仿猎鹰扑翼飞行器的地面站软件,最终实现了基于仿猎鹰扑翼飞行器的自主定高圆弧轨迹跟踪任务.     

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。     

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。     

一种基于智能材料的可收放变后掠翼飞行器设计

本文通过对高超声速客机和变体飞行器的研究,设计了一种采用智能材料驱动的可收放机翼的超声速飞行器。该设计主要针对机翼构型,采用展向可调的智能材料驱动机翼翼梁沿展向伸缩,并结合机翼柔性蒙皮材料进行调节。本论文对该新型超音速客机平台的总体设计参数进行了估算,分析了包括飞机外形、机翼设计、变体飞行器技术等关键技术设计方案,并对该飞行平台的一般任务过程进行了描述。通过研究我们认为,该机翼构型在概念上具有创新,通过展向可调机构来改变机翼后掠角,解决了低速起降和超音速巡航这一设计矛盾,为下一代超音速飞行器发展提供一个有参考价值的思路。     

机翼伸展对低速飞行状态的影响

变翼飞行器在飞行过程中因机翼构型、面积等发生变化,引起质量分布、惯性及气动特性发生相应改变,飞行动力学因此受到影响.基于Lagrange方程,本文首先建立变形机翼飞行器的动力学模型,简化后得到伸展变翼的纵向运动方程,并通过气动仿真获得伸展机翼飞行器的低速气动特性.然后,借助线性插值确定气动参数随翼展的变化关系,研究了伸展变翼过程对于飞行器平飞、爬升、俯冲和盘旋的作用.结果表明,因变翼过程中升阻系数改变,飞行器将发生变速沉浮运动,此时为保持飞行状态的稳定,需对飞行器加以控制.     

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.     

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．     

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．     

飞行器变体机翼结构设计与仿真

针对变体飞行器在低雷诺数下机动性能力不足并且稳定性差的问题,设计提出一种新型变体机翼构型.首先深入研究海鸥的骨骼结构与飞行中的气动外形配置,利用空气动力学对海鸥气动力参数进行估算,计算所得气动参数基本满足海鸥实际飞行要求.进而抽象简化海鸥翅膀骨骼羽毛结构,并改变关节角度适合变体机翼的四自由度机构,采用气动布局分析与设计软件对机构进行仿真,优化结果能实现海鸥飞行的各种姿态外形例如起飞＼降落、巡航、俯冲的同时又有较高升阻比.表明大尺度的变体可以显著改变飞行器的升力、阻力和升阻比,能够使可变体飞行器自主适应多种环境和任务,因而在全飞行周期中比传统固定外形飞行器具有更优的性能.     

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...     

基于滑移网格海龟扑翼推进数值仿真研究

为了探讨海龟翼摆动时产生的流体推进力与摆动频率、幅度以及来流速度之间的关系,对海龟翼在不同工况下进行了数值仿真计算.针对海龟翼在粘性介质中运动,采用滑移网格技术,结合扑翼运动规律,建立扑翼推进数值计算模型,模拟海龟二维剖面翼以特定规律运动时的流体动力特性.通过数值仿真,得出扑翼推进力与摆动频率、摆动幅度以及来流速度之间的关系.经实践证明:翼静水中摆动平均推力随着摆动频率、幅度的增加而增大,且频率较大时随频率增大得更为明显,为下一步扑翼驱动机构设计打下基础,具有一定的实践指导意义.     

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.     

某扑翼飞行器风洞流场控制系统设计

针对扑翼飞行器气动性能试验对风洞流场的实际需求，以PLC和变频器为主要硬件平台，设计了一种由转速环和风速环组成的串级控制系统，并引入转速前馈控制以提高系统响应快速性。通过对转速环和风速环控制调节器以及转速前馈函数进行合理的设计，实现了良好的流场控制效果。试验结果表明，风扇电机转速稳态精度优于0.2%，试验段稳态风速精度优于0.2m/s，风洞流场调节过程平稳、抗扰动性能好，现已成功在风洞中开展扑翼飞行器气动性能试验。     

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.     

变弹翼导弹动力学控制及仿真

研究飞行器优化控制问题,常规导弹由于弹翼固定使得其飞行性能单一.为了提高整个导弹的作战效率,采用变弹翼技术的导弹却能够实现低能耗优化飞行.由于变弹翼导弹的动力学模型与控制特性在飞行过程中弹翼的运动变得复杂化.提出弹翼采用软常见的"×"字形,针对四个变弹翼导弹建立相关气动特性,包含弹翼运动的会弹动力学方程.根据小扰动法与系数"冻结"法,采用全弹三通道数学模型.通过仿真结果表明,设计的自动驾驶仪能够抑制气动参数变化的影响,满足导弹控制性能指标要求,各项指标表明变弹翼导弹的作战效率可以得到挺高.     

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。