仿生扑翼机器人的机械系统设计研究

发布时间：2017-09-08 15:40

  本文关键词：仿生扑翼机器人的机械系统设计研究

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【摘要】：仿生扑翼飞行器由于其体积小巧、重量轻、机动灵活、低成本等优点已经成为国内外研究的热点。大自然中,鸟类的飞行是一个特别复杂的运动过程,主要涉及到的就是空气动力学。因此,仿生扑翼飞行器研究的关键点主要在于如何最大化地提升仿生扑翼飞行器的升力,而提升升力的难点又在于对空气动学性能的研究。本文在国内外仿生扑翼飞行器的研究基础之上,主要围绕着翅翼的空气动力学性能以及机械系统进行设计和研究：基于空间四连杆机构设计了仿生扑翼飞行器传动机构,对该机构建立了数学模型并进行了动力学仿真分析；基于Fluent软件对扑翼飞行器的翅翼进行了数值模拟,重点分析和研究了飞行速度对升力系数的影响以及扑动频率对推力系数的影响,对于研究结论从翅翼气动模型的角度给予了分析和解释；对扑翼飞行器进行空气动力学分析并建立气动力学模型,使用MATLAB编写了针对翅翼在正弦运动(上下扑动)与正弦运动(俯仰运动)的祸合下,计算升力系数和推力系数的算法程序,理论计算验证了该算法的可行性,使用该算法程序着重分析了各个运动参数(拍动振幅,拍动频率,相位差以及俯仰角)对升力和推力特性的影响；基于鸟类的仿生学公式,制作出了扑翼飞行器样机；提出一种非对称刚度柔性平板翼并进行了定性分析,进行了飞行试验,飞行结果表明：该扑翼飞行器在空中具有良好的飞行性能；初步设计了仿生扑翼飞行器的通信实验系统,实验表明：该系统能把扑翼飞行器的飞行信息实时的传输到客户端并显示,为扑翼飞行器气动力学性能的研究以及机械系统的设计提供参考。
【关键词】：仿生扑翼飞行器 非定常空气动力学 升力系数 推力系数
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V276
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 引言9-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 仿生扑翼飞行器的研究现状10-16
• 1.1.1 仿生扑翼飞行器的早期研究情况10
• 1.1.2 仿生扑翼飞行器的国内外研究情况10-15
• 1.1.3 仿生扑翼飞行器国内研究情况15-16
• 1.2 仿生扑翼飞行器研究中面临的关键性问题16-17
• 1.3 课题研究意义17-18
• 1.4 课题主要研究内容18-19
• 第二章 扑翼机构运动学建模以及仿真分析19-27
• 2.1 引言19-21
• 2.2 扑翼传动机构运动学模型21-25
• 2.2.1 拍动角位移方程21-23
• 2.2.2 速度方程23-24
• 2.2.3 加速度方程24-25
• 2.3 仿真结果25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 基于FLUENT仿生翅翼的数值模拟27-36
• 3.1 FLUENT软件简介27-29
• 3.1.1 FLUENT求解步骤27
• 3.1.2 控制方程27-28
• 3.1.3 边界条件28
• 3.1.4 UDF函数和动网格技术28-29
• 3.1.5 SIMPLE算法29
• 3.2 翅翼的运动方程29
• 3.3 计算步骤的设置29-30
• 3.4 仿真结果及分析30-34
• 3.4.1 飞行速度对升力系数的影响30-33
• 3.4.2 拍动频率对推力系数的影响33-34
• 3.5 数值模拟结果与气动模型对比34-35
• 3.6 本章小结35-36
• 第四章 扑翼飞行器非定常空气动力学研究36-47
• 4.1 非定常空气动力学模型的建立36-39
• 4.2 动力学参数分析算法39-40
• 4.3 扑翼模拟结果与计算分析40-45
• 4.3.1 算法理论验证40-41
• 4.3.2 各个运动参数对升力系数和推力系数的影响41-42
• 4.3.3 拍动振幅对平均升力系数和平均推力系数的影响42
• 4.3.4 拍动频率对升力系数和推力系数的影响42-43
• 4.3.5 相位差对升力系数和推力系数的影响43-44
• 4.3.6 俯仰角对升力系数和推力系数的影响44-45
• 4.4 对比研究45-46
• 4.5 本章小节46-47
• 第五章 仿生扑翼飞行器整机结构的设计、制作以及实验47-62
• 5.1 引言47-48
• 5.2 机械系统的设计48-50
• 5.2.1 生物飞行的仿生学公式48
• 5.2.2 动力源选型48-49
• 5.2.3 传动系统设计49-50
• 5.3 气动系统的设计50-53
• 5.3.1 翅翼参数的估算50-51
• 5.3.2 翅翼的设计51-53
• 5.3.3 尾翼的设计53
• 5.4 整机建模与组装53-54
• 5.5 样机飞行测试与实验54-56
• 5.6 扑翼飞行器无线通信实验系统的初步设计56-61
• 5.7 本章小节61-62
• 第六章 总结与展望62-64
• 参考文献64-68
• 在学期间的研究成果68-69
• 致谢69

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本文编号：814870