仿蝙蝠机器翅设计与蝙蝠翅膀受力及功耗研究
发布时间：2023-02-25 18:41
既不属于鸟类也不属于昆虫类,蝙蝠是唯一可实现飞行的哺乳动物。尽管目前在扑翼飞行机理及仿生飞行器研究方面已取得阶段性进展,但对蝙蝠扑翼飞行机理的认识尚不充分,且关于仿蝙蝠飞行器的研究尚处于起步阶段。因此,深入了解蝙蝠翅膀的结构尺寸及运动规律,开展蝙蝠翅膀及仿蝙蝠机器翅方面理论、仿真计算及实验研究,对翅膀运动中的受力及功耗等关键问题进行分析,有助于加深对蝙蝠飞行机理的认识,为未来仿蝙蝠飞行器的研制提供参考等。本文根据实际测量的蝙蝠翅膀结构尺寸及角度数据,研制了一种可实现拍动、挥动、伸缩及扭转运动的仿蝙蝠机器翅,并建立了仿蝙蝠机器翅及蝙蝠翅膀计算模型,通过观察测量、实验、理论推导、仿真计算等研究了参数及运动变化对蝙蝠翅膀升力、阻力及功耗的影响等问题。本文主要研究内容及结论如下：(1)大棕蝠翅膀的尺寸结构及实时运动规律研究。以大棕蝠(Eptesicus fuscus)为研究对象,建立了蝙蝠翅膀坐标系统,推导了实时变化的拍动角、挥动角、伸缩角、扭转角及三个桡骨-指骨角的计算公式。搭建了蝙蝠飞行信息采集实验平台,基于高速相机采集的蝙蝠翅膀关键位置标记点信息,经标记点追踪软件分析及计算后获取了翅膀的...
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号和变量
第一章 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 扑翼飞行机理研究现状
1.2.2 仿生扑翼飞行器研究现状
1.2.3 蝙蝠飞行机理研究现状
1.2.4 仿蝙蝠飞行器及机器翅研究现状
1.2.5 目前研究中存在的问题
1.3 本文主要研究内容
第二章 蝙蝠翅膀实时运动规律
2.1 大棕蝠翅膀结构及运动角度计算
2.1.1 蝙蝠翅膀结构
2.1.2 蝙蝠翅膀运动角度的计算
2.2 蝙蝠翅膀实时运动角度及尺寸
2.2.1 实时运动角度的测量与处理
2.2.2 蝙蝠翅膀尺寸
2.3 实验结果与分析
2.3.1 蝙蝠翅膀实时角度测量结果
2.3.2 实验结果分析
2.4 本章小结
第三章 仿蝙蝠机器翅设计
3.1 仿蝙蝠机器翅骨架设计
3.1.1 仿蝙蝠机器翅骨架建模
3.1.2 仿蝙蝠机器翅骨架制作
3.1.3 机器翅骨架连接
3.1.4 机器翅运动
3.1.5 相似性分析
3.2 机器翅翅膜制作及力学性能实验
3.2.1 机器翅翅膜制作
3.2.2 机器翅膜力学性能实验
3.3 机器翅运动的实现
3.3.1 运动控制方式
3.3.2 电机与机器翅运动关系
3.4 机器翅运动角度实验
3.4.1 单运动时机器翅运动角度
3.4.2 多运动时机器翅运动角度
3.5 本章小结
第四章 仿蝙蝠机器翅风洞实验
4.1 仿蝙蝠机器翅风洞实验平台
4.1.1 实验平台的搭建
4.1.2 测力传感器校准
4.2 仿蝙蝠机器翅的功耗
4.2.1 功耗的测量与计算方法
4.2.2 负功耗
4.3 误差分析
4.3.1 实验环境、传感器及电机
4.3.2 风速
4.3.3 重复性
4.4 不同参数对气动力及功耗的影响
4.4.1 拍动幅度
4.4.2 拍动频率
4.4.3 气流速度
4.4.4 下拍比
4.4.5 倾斜角
4.5 不同运动对气动力及功耗的影响
4.5.1 不同运动对气动力及功耗的影响实验
4.5.2 实验结果的分析
4.6 本章小结
第五章 机器翅骨架惯性功耗及惯性力研究
5.1 惯性功耗及惯性力公式的推导
5.1.1 正弦拍动时惯性功耗及惯性力计算
5.1.2 仿生运动时惯性功耗及惯性力计算
5.2 仿蝙蝠机器翅惯性功耗及惯性力计算模型(4DOF模型)
5.2.1 计算模型的建立
5.2.2 参数设置及计算方法
5.2.3 分割块数对计算结果的影响
5.3 正弦拍动时惯性功耗及惯性力在不同方向的分量
5.3.1 惯性功耗及惯性力在拍动及伸缩方向的分量
5.3.2 计算结果及原因分析
5.4 影响翅膀惯性功耗及惯性力的主要因素
5.4.1 拍动角度、频率、质量及比例系数
5.4.2 计算结果与实验结果的比较
5.5 本章小结
第六章 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力研究
6.1 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力计算模型的建立(7DOF模型)
6.1.1 运动模型的建立
6.1.2 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力计算方法
6.2 运动轨迹的验证
6.2.1 两计算模型与真实蝙蝠翅膀运动轨迹的比较
6.2.2 仿蝙蝠机器翅与真实蝙蝠翅膀运动轨迹的比较
6.3 惯性功耗及惯性力在不同方向上的分量
6.3.1 正弦拍动计算结果
6.3.2 仿生运动计算结果
6.4 不同运动对惯性功耗及惯性力的影响
6.4.1 多运动叠加对惯性功耗及惯性力的影响
6.4.2 单个运动对惯性功耗及惯性力的影响
6.5 翅膀不同部分对惯性功耗及惯性力的影响
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
致谢
参考文献
附录A 控制器与编码器上15针接头的含义
附录B 拍动、挥动、伸缩、扭转及指间角度核心计算程序
附录C 电机‘PVT’控制程序示例
在学期间发表的论文和取得的学术成果
本文编号：3748987
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号和变量
第一章 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 扑翼飞行机理研究现状
1.2.2 仿生扑翼飞行器研究现状
1.2.3 蝙蝠飞行机理研究现状
1.2.4 仿蝙蝠飞行器及机器翅研究现状
1.2.5 目前研究中存在的问题
1.3 本文主要研究内容
第二章 蝙蝠翅膀实时运动规律
2.1 大棕蝠翅膀结构及运动角度计算
2.1.1 蝙蝠翅膀结构
2.1.2 蝙蝠翅膀运动角度的计算
2.2 蝙蝠翅膀实时运动角度及尺寸
2.2.1 实时运动角度的测量与处理
2.2.2 蝙蝠翅膀尺寸
2.3 实验结果与分析
2.3.1 蝙蝠翅膀实时角度测量结果
2.3.2 实验结果分析
2.4 本章小结
第三章 仿蝙蝠机器翅设计
3.1 仿蝙蝠机器翅骨架设计
3.1.1 仿蝙蝠机器翅骨架建模
3.1.2 仿蝙蝠机器翅骨架制作
3.1.3 机器翅骨架连接
3.1.4 机器翅运动
3.1.5 相似性分析
3.2 机器翅翅膜制作及力学性能实验
3.2.1 机器翅翅膜制作
3.2.2 机器翅膜力学性能实验
3.3 机器翅运动的实现
3.3.1 运动控制方式
3.3.2 电机与机器翅运动关系
3.4 机器翅运动角度实验
3.4.1 单运动时机器翅运动角度
3.4.2 多运动时机器翅运动角度
3.5 本章小结
第四章 仿蝙蝠机器翅风洞实验
4.1 仿蝙蝠机器翅风洞实验平台
4.1.1 实验平台的搭建
4.1.2 测力传感器校准
4.2 仿蝙蝠机器翅的功耗
4.2.1 功耗的测量与计算方法
4.2.2 负功耗
4.3 误差分析
4.3.1 实验环境、传感器及电机
4.3.2 风速
4.3.3 重复性
4.4 不同参数对气动力及功耗的影响
4.4.1 拍动幅度
4.4.2 拍动频率
4.4.3 气流速度
4.4.4 下拍比
4.4.5 倾斜角
4.5 不同运动对气动力及功耗的影响
4.5.1 不同运动对气动力及功耗的影响实验
4.5.2 实验结果的分析
4.6 本章小结
第五章 机器翅骨架惯性功耗及惯性力研究
5.1 惯性功耗及惯性力公式的推导
5.1.1 正弦拍动时惯性功耗及惯性力计算
5.1.2 仿生运动时惯性功耗及惯性力计算
5.2 仿蝙蝠机器翅惯性功耗及惯性力计算模型(4DOF模型)
5.2.1 计算模型的建立
5.2.2 参数设置及计算方法
5.2.3 分割块数对计算结果的影响
5.3 正弦拍动时惯性功耗及惯性力在不同方向的分量
5.3.1 惯性功耗及惯性力在拍动及伸缩方向的分量
5.3.2 计算结果及原因分析
5.4 影响翅膀惯性功耗及惯性力的主要因素
5.4.1 拍动角度、频率、质量及比例系数
5.4.2 计算结果与实验结果的比较
5.5 本章小结
第六章 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力研究
6.1 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力计算模型的建立(7DOF模型)
6.1.1 运动模型的建立
6.1.2 蝙蝠翅膀惯性功耗及惯性力计算方法
6.2 运动轨迹的验证
6.2.1 两计算模型与真实蝙蝠翅膀运动轨迹的比较
6.2.2 仿蝙蝠机器翅与真实蝙蝠翅膀运动轨迹的比较
6.3 惯性功耗及惯性力在不同方向上的分量
6.3.1 正弦拍动计算结果
6.3.2 仿生运动计算结果
6.4 不同运动对惯性功耗及惯性力的影响
6.4.1 多运动叠加对惯性功耗及惯性力的影响
6.4.2 单个运动对惯性功耗及惯性力的影响
6.5 翅膀不同部分对惯性功耗及惯性力的影响
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
致谢
参考文献
附录A 控制器与编码器上15针接头的含义
附录B 拍动、挥动、伸缩、扭转及指间角度核心计算程序
附录C 电机‘PVT’控制程序示例
在学期间发表的论文和取得的学术成果
本文编号：3748987
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