扑翼飞行器数值模拟研究与平台设计
发布时间：2021-08-14 08:31
扑翼飞行是自然选择的结果,在微小型飞行器应用方面有着巨大潜力。木文旨在构建一个通用型扑翼飞行器虚拟样机平台。该虚拟样机平台是分析及模拟飞行器性能的虚拟环境,其在飞行器研发过程中起着重要作用:缩短扑翼飞行器研制周期,优化扑翼飞行器动力学性能和气动性能,初步验证飞行器控制算法的有效性。基于以上要求,本文所做工作包括:基于实验室前期所设计的一种高效扑翼飞行器驱动机构——单一驱动源带动机翼拍打和扭转的结构,在ADAMS中搭建了虚拟样机模型,作为通用虚拟样机平台的一个实例进行仿真分析;建立了 Python软件和ADAMS软件之间的通讯,以用于控制指令的发送,包括:基本运行参数设置、扑翼飞行器运动参数设置、扑翼飞行器运动信息获取等指令操作;基于ADAMS样条函数,实现了虚拟样机机翼、尾翼气动力实时加载,以模拟样机在流场中的运动。基于虚拟样机在ADAMS中机翼运动数据,完成了运动模式建模,包括:机翼扭转角、拍打角以及拍打运动;建立了两种机翼气动力计算模型,一种是基于UAM模型,用于精确计算样机在运动过程中所受气动力,耗时较长,另一种基于Theodorsen和Garrick理论对样机所受气动力进行快速...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＭｉｃｒｏＢａｔ扑翼飞行器??美国佐治亚理工大学（ＧｅｏｒｇｉａＴｅｃｈ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＧＴＲＩ）、剑桥大学（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ??
第一章绪论??Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，?ＣＵ）等基于昆虫飞行机理联合研制了名为ＥｎｔｏｍｏｐｔｅｒＷ微型扑翼飞??行器，重５０克，有效载荷１０克，其最大创新之处在于驱动采用往复式化学肌肉??（Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?Ｍｕｓｃｌｅ，ＲＣＭ），这种方式结构紧凑、能量转换率高。??其机翼类似于蝴蝶的翅膀，尾部装有天线用于增加平衡，翼展１５厘米，机翼扑??打频率约为１０赫兹，能够实现悬停，该扑翼飞行器如图１．３所示。??图１．３?Ｅｎｔｏｍｏｐｔｅｒ扑翼飞行器??图１．４为美国加利福尼亚理工学院研制的仿生蝙蝠机器人Ｂａｔ?Ｂｏｔ［６］，其外形??和飞行动作与真蝙蝠非常相似。仿生蝙蝠拥有复杂的襟翼，机翼由柔性硅胶膜制??成，只有５６微米厚，整体重量为９３克，是一种完全自主控制的机器人，可以在??平稳飞行、巡航，直线飞行时以高至１０赫兹的频率完成翅膀拍动、倾斜飞行、??急速俯冲等动作。??图１．５为航空环境公司所研发的Ｎａｎｏ?ｈｕｍｍｉｎｇｂｉｒｄ１７蹈微型无人飞机，其机??翼采用中空碳纤维材料作为骨架，表面是网孔纤维，翼面材料为聚氟乙烯薄膜，??机翼展开长度为１６厘米，包括电池视频摄像头等整体质量为１９克。通过遥控器??可以实现Ｎａｎｏ?ｈｕｍｍｉｎｇｂｉｒｄ垂直起降和机动飞行，其里程碑事件：在直径两米??的球形空间内精确悬浮飞行一分钟；在２米每秒风速下悬浮飞行；在没有外部电??源的情况下连续悬浮飞行８分钟；在加速飞行（１１公里每小时）和悬浮飞行之间??进行精确切换；可以通过普通门口在室内室外之间穿梭，其研制的成功标志着人??类在室内无人侦察和监控领域进入了一个新的高度。??国内在扑翼研究方面虽然起步较晚
山东大学硕士学位论文??所示，左图为金鹰差动式扑翼仿鸟飞行器，翼展８００毫米、机长５８０毫米、重??５６０克，飞行速度为每秒５？１６米，可在３千米半径内飞行约２０分钟；右图为主??动变形式仿鸟扑翼飞行器。??如图１．７，左图为西北工业大学宋笔锋教授团队自主研制了一款名为Ｄ〇Ｖｅ［１２］??的扑翼飞行器，其搭载ＯＶ７７２５感光器，己具备一定的执行视觉任务的能力，不??仅飞行时长长达３０分钟，还可将现场稳定的彩色视频传输到４千米以外的地面??站；右图为西北工业大学与中国爱生公司联合研制的ＡＳＮ－２１１［１３］扑翼飞行器，能??够自主飞行，并且同Ｄｏｖｅ—样搭载了视频传输设备。另外，哈尔滨工业大学徐??文福和周超英团队在德国Ｆｅｓｔｏ公司设计的扑翼飞行器Ｓｍａｒｔｂｉｒｄ的基础上，??改造了多款仿鸟飞行器，飞行效果良好，如图１．８所示。??图１．４?Ｂａｔ?Ｂｏｔ仿蝙蝠扑翼飞行器??图?１．５?Ｎａｎｏ?ｈｕｍｍｉｎｇｂｉｒｄ??图１．６南京航空航天大学相关扑翼飞行器??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究[J]. 段文博,昂海松,肖天航. 航空学报. 2013(03)
[2]微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响[J]. 杨茵,李栋,张振辉. 航空学报. 2012(10)
[3]仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究[J]. 肖天航,段文博,昂海松. 空气动力学学报. 2011(06)
[4]Simulation of aerodynamic performance affected by vortex generators on blunt trailing-edge airfoils[J]. YANG Ke1,2,ZHANG Lei1,3 & XU JianZhong1,2 1 Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2 Key Laboratory of Wind Energy Utilization,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;3 Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China. Science China（Technological Sciences）. 2010(01)
[5]柔性扑翼微型飞行器升力和推力机理的风洞试验和飞行试验[J]. 昂海松,曾锐,段文博,史志伟. 航空动力学报. 2007(11)
博士论文
[1]仿生鸟自主飞行的数值模拟与控制[D]. 朱霖霖.大连理工大学 2016
[2]仿生微型飞行器若干关键问题的研究[D]. 左德参.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]两段式柔性仿鸟扑翼飞行器样机设计与实验研究[D]. 吴瑞.哈尔滨工业大学 2019
[2]一种带翼型扑翼飞行机器人设计及飞行控制研究[D]. 刘军涛.哈尔滨工业大学 2018
[3]柔性翼仿生扑翼飞行器结构设计与实验研究[D]. 张庆勋.哈尔滨工业大学 2018
[4]扑翼飞行机器人控制系统的设计研究[D]. 李智.北方工业大学 2016
[5]机器海鸥的仿生设计及其实验研究[D]. 潘尔振.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3342137
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＭｉｃｒｏＢａｔ扑翼飞行器??美国佐治亚理工大学（ＧｅｏｒｇｉａＴｅｃｈ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＧＴＲＩ）、剑桥大学（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ??
第一章绪论??Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，?ＣＵ）等基于昆虫飞行机理联合研制了名为ＥｎｔｏｍｏｐｔｅｒＷ微型扑翼飞??行器，重５０克，有效载荷１０克，其最大创新之处在于驱动采用往复式化学肌肉??（Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?Ｍｕｓｃｌｅ，ＲＣＭ），这种方式结构紧凑、能量转换率高。??其机翼类似于蝴蝶的翅膀，尾部装有天线用于增加平衡，翼展１５厘米，机翼扑??打频率约为１０赫兹，能够实现悬停，该扑翼飞行器如图１．３所示。??图１．３?Ｅｎｔｏｍｏｐｔｅｒ扑翼飞行器??图１．４为美国加利福尼亚理工学院研制的仿生蝙蝠机器人Ｂａｔ?Ｂｏｔ［６］，其外形??和飞行动作与真蝙蝠非常相似。仿生蝙蝠拥有复杂的襟翼，机翼由柔性硅胶膜制??成，只有５６微米厚，整体重量为９３克，是一种完全自主控制的机器人，可以在??平稳飞行、巡航，直线飞行时以高至１０赫兹的频率完成翅膀拍动、倾斜飞行、??急速俯冲等动作。??图１．５为航空环境公司所研发的Ｎａｎｏ?ｈｕｍｍｉｎｇｂｉｒｄ１７蹈微型无人飞机，其机??翼采用中空碳纤维材料作为骨架，表面是网孔纤维，翼面材料为聚氟乙烯薄膜，??机翼展开长度为１６厘米，包括电池视频摄像头等整体质量为１９克。通过遥控器??可以实现Ｎａｎｏ?ｈｕｍｍｉｎｇｂｉｒｄ垂直起降和机动飞行，其里程碑事件：在直径两米??的球形空间内精确悬浮飞行一分钟；在２米每秒风速下悬浮飞行；在没有外部电??源的情况下连续悬浮飞行８分钟；在加速飞行（１１公里每小时）和悬浮飞行之间??进行精确切换；可以通过普通门口在室内室外之间穿梭，其研制的成功标志着人??类在室内无人侦察和监控领域进入了一个新的高度。??国内在扑翼研究方面虽然起步较晚
山东大学硕士学位论文??所示，左图为金鹰差动式扑翼仿鸟飞行器，翼展８００毫米、机长５８０毫米、重??５６０克，飞行速度为每秒５？１６米，可在３千米半径内飞行约２０分钟；右图为主??动变形式仿鸟扑翼飞行器。??如图１．７，左图为西北工业大学宋笔锋教授团队自主研制了一款名为Ｄ〇Ｖｅ［１２］??的扑翼飞行器，其搭载ＯＶ７７２５感光器，己具备一定的执行视觉任务的能力，不??仅飞行时长长达３０分钟，还可将现场稳定的彩色视频传输到４千米以外的地面??站；右图为西北工业大学与中国爱生公司联合研制的ＡＳＮ－２１１［１３］扑翼飞行器，能??够自主飞行，并且同Ｄｏｖｅ—样搭载了视频传输设备。另外，哈尔滨工业大学徐??文福和周超英团队在德国Ｆｅｓｔｏ公司设计的扑翼飞行器Ｓｍａｒｔｂｉｒｄ的基础上，??改造了多款仿鸟飞行器，飞行效果良好，如图１．８所示。??图１．４?Ｂａｔ?Ｂｏｔ仿蝙蝠扑翼飞行器??图?１．５?Ｎａｎｏ?ｈｕｍｍｉｎｇｂｉｒｄ??图１．６南京航空航天大学相关扑翼飞行器??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究[J]. 段文博,昂海松,肖天航. 航空学报. 2013(03)
[2]微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响[J]. 杨茵,李栋,张振辉. 航空学报. 2012(10)
[3]仿鸟柔性扑翼气动特性与能耗的数值研究[J]. 肖天航,段文博,昂海松. 空气动力学学报. 2011(06)
[4]Simulation of aerodynamic performance affected by vortex generators on blunt trailing-edge airfoils[J]. YANG Ke1,2,ZHANG Lei1,3 & XU JianZhong1,2 1 Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2 Key Laboratory of Wind Energy Utilization,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;3 Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China. Science China（Technological Sciences）. 2010(01)
[5]柔性扑翼微型飞行器升力和推力机理的风洞试验和飞行试验[J]. 昂海松,曾锐,段文博,史志伟. 航空动力学报. 2007(11)
博士论文
[1]仿生鸟自主飞行的数值模拟与控制[D]. 朱霖霖.大连理工大学 2016
[2]仿生微型飞行器若干关键问题的研究[D]. 左德参.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]两段式柔性仿鸟扑翼飞行器样机设计与实验研究[D]. 吴瑞.哈尔滨工业大学 2019
[2]一种带翼型扑翼飞行机器人设计及飞行控制研究[D]. 刘军涛.哈尔滨工业大学 2018
[3]柔性翼仿生扑翼飞行器结构设计与实验研究[D]. 张庆勋.哈尔滨工业大学 2018
[4]扑翼飞行机器人控制系统的设计研究[D]. 李智.北方工业大学 2016
[5]机器海鸥的仿生设计及其实验研究[D]. 潘尔振.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3342137
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