可悬停多翅扑翼样机设计与实验研究

发布时间：2020-09-07 13:02

　　 扑翼飞行器一种仿生学研究的产物,通过模仿自然界中鸟类或昆虫等飞行生物的生理结构和飞行机理实现在空中的飞行,相比于固定翼和旋翼飞行器,扑翼飞行器的能量利用率高,隐蔽性强,易于微型化,同时具有极强的机动性与灵活性,可以在飞行过程中轻松完成包括垂直起降、快速前飞和悬停等多种复杂的飞行动作,在军事和民用领域均具有广泛的应用前景。目前具备悬停飞行能力的微型扑翼飞行器大多存在可控性能差,悬停时间短且范围大等问题,本文从研制微型扑翼飞行器样机入手,对样机进行了运动学及数值仿真分析,并根据仿真分析结果提出了一种微型扑翼飞行器可悬停飞行的控制方案,开发了机载控制器,并进行了相关实验研究进行验证。本文针对微型扑翼飞行器可悬停飞行的需求,研制了一款微型扑翼飞行器样机作为后续研究的实验平台。参考鸟类飞行参数与自身质量的关系,确定样机的各项飞行参数,并根据实际情况进行了调整;设计扑动机构实现周期性的上下扑动,选择翅翼的材料和翼形,确定尾翼的结构形式;通过合理搭配现有的电子设备,实现了样机的初步可控飞行。建立微型扑翼飞行器样机的动力学模型。对样机扑动机构进行运动学仿真,获得了样机扑动机构的运动规律;采用计算流体力学的方法对样机进行数值仿真,分析样机在不同扑动频率和不同扑动倾角下的气动特性;建立了样机尾翼的力矩模型;根据分析结果设计了样机可悬停飞行的控制方案,实现对微型扑翼飞行器姿态及高度的控制。设计开发了机载控制器,对微型扑翼飞行器在飞行过程中的姿态及高度信息进行采集输出。该控制器硬件平台采用了STM32处理器,同时搭载由MPU6050、磁力计、气压计等传感器组成的10轴传感器模块,通过互补滤波算法融合不同传感器的测量数据,解算出微型扑翼飞行器当前的姿态及高度信息,并通过无线通信模块接收来自遥控器的指令数据,控制微型扑翼飞行器的飞行状态。最后对样机在不同扑动频率和不同俯仰角下的气动力及气动力矩进行了测量实验,对比仿真分析的结果,验证了悬停飞行控制方案的可行性。样机安装机载控制器进行姿态检测实验,验证了机载控制器的有效性,搭载微型直线舵机进行试飞实验,实现了样机俯仰姿态的调整。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V276
【部分图文】：

开微型扑翼飞行器气动特性、姿态控制等领域的研究。1.2.1 国外研究现状自从美国上世纪九十年代提出微型飞行器的概念之后，许多国家开始意识到微型飞行器的重要性，开始对微型飞行器的相关技术进行研究。随着扑翼飞行空气动力学理论的不断发展，微型扑翼飞行器的研究取得了较大成果。美国作为微型飞行器概念的提出者，在微型扑翼飞行器样机结构设计、飞行控制及气动特性研究等方面明显领先其他国家。Nano Hummingbird 是由美国 Aero Vrionment 公司于 2011 年研制成功的一款微型扑翼飞行器[16]，如图 1-1 所示。其外形酷似蜂鸟，总重量19 g，翼展16 cm，采用柔性膜作为翅翼材料，其扑动机构为四连杆、滑轮与绳线的组合结构，依靠电池提供动力，续航能力最长可达 20 分钟，可携带微型摄像头进行室内外侦查。Nano Hummingbird 代表了当前可悬停微型扑翼飞行器的最高水平，该飞行器通过模拟蜂鸟的飞行方式，利用翅翼的扭转对飞行姿态进行控制，可实现机动飞行和精准悬停。

开微型扑翼飞行器气动特性、姿态控制等领域的研究。1.2.1 国外研究现状自从美国上世纪九十年代提出微型飞行器的概念之后，许多国家开始意识到微型飞行器的重要性，开始对微型飞行器的相关技术进行研究。随着扑翼飞行空气动力学理论的不断发展，微型扑翼飞行器的研究取得了较大成果。美国作为微型飞行器概念的提出者，在微型扑翼飞行器样机结构设计、飞行控制及气动特性研究等方面明显领先其他国家。Nano Hummingbird 是由美国 Aero Vrionment 公司于 2011 年研制成功的一款微型扑翼飞行器[16]，如图 1-1 所示。其外形酷似蜂鸟，总重量19 g，翼展16 cm，采用柔性膜作为翅翼材料，其扑动机构为四连杆、滑轮与绳线的组合结构，依靠电池提供动力，续航能力最长可达 20 分钟，可携带微型摄像头进行室内外侦查。Nano Hummingbird 代表了当前可悬停微型扑翼飞行器的最高水平，该飞行器通过模拟蜂鸟的飞行方式，利用翅翼的扭转对飞行姿态进行控制，可实现机动飞行和精准悬停。

在空气动力学、仿生结构、飞行姿态控制等方面进行了深入研究，研制出了一款重约21 g，翼展约16 cm，无尾翼可控仿昆扑翼飞行器KUBeetle，如图 1-5 所示。该飞行器具有良好的飞行性能，通过 PD 控制，可实现垂直起飞，并在大约0.3 m直径范围内悬停和漂移。荷兰代尔夫特科技大学自 2005 年开始相继研制出 DelFly I、DelFly II、DelFly Micro、DelFly Explorer 等多种型号的微型共轴双扑翼飞行器，如图 1-6所示，并在空气动力学、机翼设计、实验等方面[23-25]做了大量研究。飞行器采用 X 型扑翼布局，可实现前飞到悬停的转换，三代样机的尺寸不断缩小，

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本文编号：2813377