仿生鸟自主飞行的数值模拟与控制

发布时间：2018-06-26 12:23

本文选题：自主飞行 + 仿生鸟　；参考：《大连理工大学》2016年博士论文

【摘要】：自然界中的鸟类拥有完美的飞行能力,比现有的人造飞行器高效灵活,但扑翼飞行也比固定翼飞行复杂得多。研究并分析扑翼鸟身体的主被动变形与三维流场结构之间的相互作用,以及由此对鸟体飞行姿态产生的影响,对进一步理解升力的产生机理以及促进微型飞行器的发展都具有重大意义。然而,在以往研究中无论是风洞实验还是计算机模拟,真实或人造飞行物(或翅膀)的躯干(或翅根)总是被固定在特定位置,整体不能平移或者转动,这种研究与真实飞行相差甚远。本文在粘性不可压缩流体中实现了仿生鸟由静止起飞到自主飞行的数值模拟,并对整个飞行过程进行了分析,更以此为工具测试了翅膀的拍动规律和尾巴的姿态对飞行状态的影响。计算流体力学软件包主要包含以下算法：以动力学控制方程和三维粘性不可压缩非定常Navier-Stokes方程共同构成自主飞行的控制方程,并应用有限体积法对后者求解,在时间和空间上分别通过分数步投影法和多层次八叉树网格技术结合多重网格加密技术进行离散,应用ghost-cell浸入边界法处理动边界问题,并结合自适应网格加密技术来节省计算资源,提高计算效率。应用这个软件包,本研究成功地模拟了仿生鸟的自主飞行。数值模拟中的仿生鸟依靠翅膀的拍动和转动来提供驱动力和升力,在飞行中完全自由——有6个自由度。鸟体的质心随时间不停地变化,飞行满足动量守恒和角动量守恒。借此分析了仿生鸟飞行在周围流场中产生的尾涡的演化过程,发现尾涡分为三类：在翅膀前缘形成的涡、在翅膀后缘形成的涡和在躯干、尾巴和翅根附近形成的涡；其中,前两类涡构成了尾涡的主体,第三类涡非常弱,却是自主飞行所特有的；整个尾涡的演化与仿生鸟的运动具有一致的周期性特征。通过分析翅膀的运动与周围流场中的涡结构、所受外力以及飞行特征之间的联系,得出以下结论：(a)飞行中鸟体受到的合外力主要来自于翅膀的运动,同时也主要作用在翅膀上；(b)影响仿生鸟向前直飞状态最重要的因素有：合外力沿x轴方向与z轴方向的分量和俯仰角；(c)翅膀的周期性运动,产生了周期性变化的合外力和力矩,从而使仿生鸟呈现出周期性变化的飞行状态。本文分别对翅膀运动的六个参数——运动频率、拍动幅度和转动幅度、拍动平衡位置和转动平衡位置以及在一个周期内的转动时长,进行了研究,发现以下规律：(a)增大翅膀的运动频率或拍动幅度,或者选取适当的转动幅度,可以同时增大沿x轴方向和z轴方向的速度分量;(b)在一定范围内微调翅膀的拍动或转动平衡位置,可以改变沿x轴方向和z轴方向上速度分量的大小;(c)调整转动时长同样会影响到仿生鸟的飞行状态,尤其是过短的转动时长会严重影响飞行状态的稳定性。本研究还分析了初始俯仰角以及尾巴与躯干所成角度对飞行过程中鸟体俯仰角的影响：前者的主要影响限于起飞后很有限的一段时间内,而后者的影响则贯穿于整个自主飞行过程;而且后者对驱动力和升力并无太大的直接影响。
[Abstract]:This paper deals with the dynamic control equation and three - dimensional viscous incompressible unsteady Navier - Stokes equations .
The first two types of vortices constitute the main body of the tail vortex , and the third type of vortex is very weak , but it is characteristic of autonomous flight ;
Through the analysis of the relationship between the movement of the wing and the vortex structure in the surrounding flow field , the external force and the flying characteristics , the following conclusions are drawn : ( a ) the external force of the bird in flight is mainly derived from the movement of the wings , and also mainly on the wings ;
( b ) The most important factors that affect the forward flying state of bionic birds are : the component and pitch angle of the external force in the x - axis direction and the z - axis direction ;
( c ) The influence of the initial pitch angle and the angle of the tail and the trunk on the flying state of the bird ' s body in the X - axis direction and the z - axis direction can be changed .
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB17

【相似文献】