仿昆虫微飞行器悬停气动力计算及实验关键技术研究

发布时间：2017-09-26 00:30

  本文关键词：仿昆虫微飞行器悬停气动力计算及实验关键技术研究

  更多相关文章： 微飞行器 数值模拟 扑翼模型 Labview平台

【摘要】：随着在民用和军事方面不断增加的需求,仿昆虫微飞行器已经引起了国际上的研究热潮。目前,扑翼飞行的空气动力学原理研究还没有完全成熟的体系,对昆虫模型飞行控制方面的研究也还不多。基于此背景提出了本论文的研究内容,主要包括两个部分:一方面是对仿昆虫微飞行器悬停状态下三维扑翼运动的升阻力及力矩进行计算分析;另一方面,搭建可用于仿昆虫微飞行器姿态控制实验的基础平台。在数值计算方面,本研究使用商用CFD(Computational Fluid Dynamic)软件Fluent对不同运动参数下的三维单翼模型进行了模拟计算。计算结果显示,扑翼运动的升力主要受到于扑翼拍动运动的影响。在悬停状态,扑翼对称翻转的情况下,改变拍动幅值Φ,升力Fl随着Φ的增大而增大。改变扑翼运动转动攻角α时,主要影响升力Fl及绕Z轴的翻转力矩Mz,其中Fl先随着α的增大而增大,在攻角α达到约35-55°时,升力Fl达到最大,此后Fl随着α的增大而减小。此外,升力Fl还随着拍动频率n的增大而增大。同时还给出了扑翼在前飞状态下和悬停状态下的气动力对比,结果显示在前飞状态下,下拍半个周期内扑翼的升阻力幅值均大于悬停状态。在实验平台搭建方面,本实验平台以水槽为基础平台,通过实时采集昆虫模型各姿态下的受力信息,计算得到昆虫模型下一步姿态及目标流速,再由主控制器实现对昆虫模型的姿态控制。本文主要基于Labview(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench)完成了实验平台上力值采集以及同主控制器之间的数据通信工作。本论文给出了相应的基本程序,力值采集基于UDP协议,数据通信通过串口实现。经过测试,本程序能够有效地实现数据采集及通信工作,实现了连接PC机与主控制器之间的通信控制功能。
【关键词】：微飞行器 数值模拟 扑翼模型 Labview平台
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB17;V211
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-20
• 1.1 研究背景14-15
• 1.1.1 微飞行器介绍14-15
• 1.1.2 扑翼式微飞行器15
• 1.2 国内外研究现状15-18
• 1.2.1 飞行原理的研究16-18
• 1.2.2 飞行器制造研究18
• 1.2.3 微飞行器实验控制研究18
• 1.3 课题提出及主要内容18-20
• 1.3.1 主要研究内容18-20
• 2 Fluent及计算方法介绍20-28
• 2.1 Fluent软件简介20-22
• 2.1.1 动网格介绍20-22
• 2.1.2 UDF介绍22
• 2.2 流体运动的控制方程22-23
• 2.3 控制方程离散化23-25
• 2.3.1 离散方法介绍23-24
• 2.3.2 离散格式24
• 2.3.3 求解方法24-25
• 2.4 湍流模型介绍及选择25-27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 三维单翼模型及运动方程的确定28-36
• 3.1 扑翼的几何模型及其参数28-29
• 3.2 扑翼网格29-30
• 3.3 运动方程的确定30-35
• 3.3.1 坐标系定义31
• 3.3.2 拍动方程31-33
• 3.3.3 转动方程33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 三维单翼计算结果及分析36-52
• 4.1 升阻力36-37
• 4.2 流场分析37-38
• 4.3 不同运动参数对升阻力及力矩的影响38-49
• 4.3.1 扑翼频率的影响39-42
• 4.3.2 转动攻角的影响42-46
• 4.3.3 扑翼拍动幅角的影响46-49
• 4.4 前飞状态下的升阻力49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 5 昆虫模型实验控制设计52-65
• 5.1 实验平台介绍52-54
• 5.2 数据采集54-60
• 5.2.1 六维力传感器54
• 5.2.2 Labview简介54-55
• 5.2.3 Nano17介绍及其数据读取55-57
• 5.2.4 通过labview实现基于UDP通信方式对Nano17的数据读取57-60
• 5.3 通信控制60-64
• 5.3.1 通信程序61-62
• 5.3.2 通信协议62-64
• 5.4 本章小结64-65
• 6 总结与展望65-66
• 6.1 研究工作总结65
• 6.2 展望65-66
• 参考文献66-69
• 作者简介69

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本文编号：920483