柔性翼仿生扑翼飞行器结构设计与实验研究

发布时间：2020-06-07 12:47

【摘要】：扑翼飞行器是模仿鸟或昆虫飞行特性的飞行器,具有较好隐身性,在各个方面都具有广阔前景。目前对于柔性扑翼飞行器的研究主要集中在柔性翼的数值模拟分析方面;仿鸟类飞行器多采用单段翼或两段翼形式来实现鸟类翅膀的运动,难以模拟真实鸟类翅膀的折展运动,整体柔性效果不明显。针对这些问题本文设计了一种具有柔性翼的仿生扑翼飞行器,研制了柔性翼样机,并进行了实验研究。针对现有飞行器存在的缺陷,提出了一种柔性翼仿生扑翼飞行器设计方案。对鸟类翅膀结构以及飞行时翅膀各阶段的基本运动进行了分析,提出了飞行器的总体结构设计方案。该方案中采用三个四连杆串联形式实现翅膀的柔性特征。同时,根据鸟类的尺度规律确定了柔性扑翼飞行器方案设计的外形参数以及部分运动参数。基于总体机构设计方案,建立了柔性扑翼飞行器机构运动方程,进行了机构参数设计和仿真分析。根据柔性翼运动参数,对柔性翼各段翼进行了机构参数设计,并且对曲柄摇杆机构进行了优化,保证了曲柄摇杆的传动性能;根据几何关系,建立了运动学方程,直观分析了机构速度以及角加速度的变化特性。在此基础上,建立了柔性翼的运动模型,利用条带理论对翅膀柔性翼气动力进行理论计算;对机构进行动力学仿真,分析各铰点受力情况,保证了机构的结构强度。设计了样机整体机构,并对样机进行加工制作。根据动力学仿真结果和翅膀扑动频率,选取合适的驱动电机,设计了减速传动比;提出了空间四连杆机构,实现了翅膀折展-扭转动作;通过检测角度传感器的输出电压来控制扭转舵机,保证了翅膀攻角的主动实时变化。为了得到柔性翼飞行器气动力特性,搭建了二维力测试平台并进行了测试。在Labview下编写数据采集以及传感器标定软件;根据不同条件下采集到的数据,分析了柔性翼飞行器的升力与推力变化趋势。同时,测量了两段翼飞行器在不同扑动频率下的升力和推力,并与柔性翼飞行器相关数据进行了对比分析。
【图文】：

扑翼,飞行器

者仿昆虫是仿生扑翼飞行器研究的两个重要方向。昆虫类飞行器具有较小的体积，极高的隐蔽性的特点，但是其负载较小，续航时间较短。仿鸟类飞行器整体尺寸较大，负载较大，，续航时间较长。它们都主要包含驱动器、机械结构以及仿生翅翼等几部分，具有便于携带，操作方便，可实时传输数据等优点[1]，具有十分广阔的应用前景[2-5]。仿生扑翼飞行器在生活各个方面的优势越来越明显，人们越来越重视对于扑翼飞行器的研究和应用。在理论研究方面，北京航空航天大学孙茂团队[6-8]、南京航空航天大学昂海松等人采用流体力学计算方法研究了模型昆虫翅翼气动特性[9,10]，中国科学技术大学实使用验方法研究了昆虫翅翼的运动特征，国外 Dickinson 等人证实了提供高升力前缘涡的存在[11,12]。在军事上，飞行器因携带方便、隐身性好，可以很好的完成对敌方设备设施进行侦查、雷达电子产品干扰、移动目标的追踪、生化取样等任务[13-15]；在民用上，飞行器可以搭载相关仪器对设备进行检测、对地震、洪水等灾情进行监控、对城市、林场等复杂地形的区域进行巡视和对人员难以进入的区域进行测绘等工作，如图 1-1所示。

飞行姿态,鸟类,柔性翼

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文类扑翼飞行器，翅膀的研究主要集中在单段翼上，并且其前缘主要使用碳纤维杆，难以模拟真实鸟类翅膀的折展和变形，这使得扑翼飞行器在气动力性能方面下降，影响其在市场上的应用。柔性翼飞行器具有更好的抗风能力和更高的气动效率[16]。在向上扑动过程时，柔性翼减小受力面积，减小负升力，增加整体升力，同时增强水平方向作用力，在不同的飞行姿态下获得更好的飞行效率[17-20]，自动适应外界环境的变化，减小对自身飞行的影响[21-23]。柔性翼的结构更加精细、运动方式也较为复杂，实现难度更加大，目前对柔性翼的研究相对较少，因此研究仿鸟柔性翼扑翼飞行器更加具有意义。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V276

【参考文献】