微型扑翼柔性翅翼变形及其气动力特性实验研究

发布时间：2020-10-12 15:31

　　 微型扑翼飞行器是一种仿鸟或仿昆虫的新型飞行器,通过一个扑动系统产生推力和升力,有着高机动性、低能耗和低噪音等优点,在侦察和勘测等领域有着广泛的应用前景。翅翼柔性是鸟类和昆虫的重要特征,大量研究表明翅翼柔性对扑翼飞行性能有着重要影响,但柔性翅翼翼型、扑动轨迹参数和翅翼柔性变形参数等因素对扑翼气动特性的影响机制尚不明晰。本文通过实验的方法,研究微型扑翼悬停飞行状态下的气动力特性,旨在探究翼型扑动变形参数测量方法、不同柔性翅翼气动力特性和柔性翅翼非对称扑动对气动力的影响,为微型仿生扑翼飞行器的设计提供数据参考和控制策略。研制了一款用于实验的微型仿生扑翼飞行器样机,通过Matlab完成了对该样机的机构运动学仿真分析。采用RealSense深度相机搭建了扑翼飞行器翅翼三维形貌测量实验平台,通过该测量平台重建了实验样机悬停飞行状态下翅翼的动态三维形貌,测量了翅翼的扑动参数和最大拱度,分析对比了不同柔性翅翼变形过程。结果表明具有较小刚度的翅翼在扑动过程中翅翼变形呈不规则自适应情况,产生较大的拱形变形。搭建了微型扑翼气动力测量实验平台,研究了翅翼柔性、扑动频率和不同上挥下扑角组合对实验样机悬停飞行状态下气动力和气动力矩的影响。设计了四种结构尺寸相同但材料不同的柔性翅翼,并对摇杆改进设计,使其在最大扑动角不变的情况下,实现六种上挥下扑角组合的时间非对称扑动。实验结果表明,翅翼的柔性会影响产生升力的大小,不同柔性的翅翼对推力幅值影响较小,但会影响产生推力的方向;柔性翅翼在扑动过程中更容易保持自身平衡稳定,翅翼的柔性变形会使扑翼飞行器具有一定的稳定自适应。不同的上挥下扑角组合会影响升力产生的方向和大小;侧向力主要与扑动模式和实验样机结构对称性有关,非对称扑动对其影响较小。本文的工作为研究扑翼飞行器翅翼柔性变形和扑动参数测量提供了一个新的思路,相关实验成果能在一定程度上指导扑翼飞行器的设计和优化。
【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】：V211;V276
【部分图文】：

第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义微型飞行器（Micro Air Vehicle，MAV）的概念最早由美国国防高级研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）于 20 世纪 90 年代提出[1]，到今天，有关微型飞行器的研究已经开展近 30 年。根据飞行原理，微型飞行器可分为固定翼微型飞行器（Fixed Wing Micro Air Vehicle），旋翼微型飞行器（Rotary Wing Micro Air Vehicle）和扑翼微型飞行器（Flapping Wing MicroAir Vehicle），三种飞行器典型代表如图 1-1 所示[2,3]。相比固定翼和旋翼飞行器，扑翼通过一个扑动系统产生升力和推力，将举升、悬停和推进等功能集于一个扑翼系统，使其在飞行过程中保持较高机动性的同时具有较低的能量消耗[4,5]。除此之外，仿生微型扑翼飞行器隐蔽性强、噪音小的优点使其在侦察和勘测等领域都有巨大的应用前景[6-8]。

a) 扑翼样机 b) 翼面结构图 1-2 中国科学技术大学仿鹰蛾扑翼飞行器[32]396目前有关扑翼飞行实验研究手段等方面已经取得了显著的进展，诸多有关扑翼飞行器气动力测量方法和实验装置相继提出。通过总结以上气动力实验相关研究进展，发现进一步深入研究还有许多问题有待改善和解决，其中包括实验测量形式单一，一般仅限于固定形式扑翼飞行器测试实验，缺少在自由飞行状态下的气动力测量实验研究；无法同时测量气动力和气动力矩，缺少模拟不同飞行环境下的气动力测量实验研究等。解决以上问题，需要系统的且能够兼容多种飞行状态的气动力测量实验平台，需要众多科研工作者不断推进，而开展这些系统的研究对测量评估扑翼飞行器飞行性能和优化设计有着重要的应用价值。1.2.2 翅翼柔性变形研究进展传统测量机翼弹性变形的方法为在机翼上贴应变片，而微型扑翼飞行器的翅翼具有轻、薄和动态扑动的特点，采用贴应变片的方式将不能适用于微型扑

a) 实验场景b) 翅翼标记特征点 c) 翅翼三维形貌重建图 1-3 Dong 的实验场景与蜻蜓翅翼三维重建[34]2除了采用多个像机拍摄，特征匹配重构三维形貌的方法，即数字摄影测量法，也有研究者采用投影光栅法重建扑翼三维形貌。2017 年，Li 等[36]采用高速高分辨率数字光栅投影法重建了稳定扑动过程中机器鸟翅翼的三维形貌，其结合相移法和傅里叶变换法的优点，将机身和翅翼分离并分别采用相移法和傅里叶变换法进行相位展开，在 5000 Hz 的图像采集速度下，完成翅翼扑动过程的高质量拓扑三维形貌重建，翅翼扑动频率高达 21 Hz。研究表明该方法能够有效获取高频扑动翅翼的三维形貌，其恢复的翅翼三维形貌如图 1-4 所示。国内研究者在针对昆虫和仿生扑翼飞行器三维形貌动态监测的研究方面也做了相关工作。2002 年，王浩等人[37]采用梳状光栅条纹投影法（ProjectedComb-Fringe Technique Combined with the Landmarks Procedure，PCFL）监测蜻蜓在前飞和转弯飞行情况下的姿态，图 1-5 a)为 PCFL 系统原理图。
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本文编号：2837961