一种柔性翅翼微型仿鸟扑翼机器人的研究
发布时间：2021-01-21 10:05
微型仿生扑翼机器人是一种模仿自然界中可飞行鸟类或者昆虫的气动原理,通过翅膀规律性地拍动以实现飞行。相对于传统固定翼类与旋翼类,微型仿生扑翼机器人具备飞行机动性强、质量轻便、伪装性好、较低噪声和较低能耗等优点,非常适合在伪装侦查、自然环境检测和反恐军事作战等相关领域的应用。现有微型扑翼机器人大多为体型较大的仿鸟机器人及实用性不强的仿昆虫机器人,对柔性翅翼气动理论及飞行参数的研究尚不完善,缺乏完备的样机研制流程。本文充分地对柔性翅翼的柔性气动理论及参数进行建模与分析,设计一台质量约为50g的微型仿鸟机器人机械样机,并设计了微型扑翼控制器系统与上位机监测系统,并进行试飞实验,论证了系统设计的正确性。针对微型仿鸟扑翼机器人的机械设计需求,建立一种柔性翅翼的动力学模型并分析飞行参数对气动力的影响。将非定常气动环境下的叶素理论与平面柔性变形翼的特征相融合,计算飞行所需的气动升力与推力;改变飞行迎角、翅膀柔性幅值、扑动频率、振幅与飞行初速度等飞行参数,分析了各指标对气动力的影响规律;利用儒科夫斯基理论建立了三角形尾翼的气动力模型并分析尾翼的二轴姿态角对机器人三维空间力矩的影响;对扑翼机器人整机的气动...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
韩国ParkJH统计的翼展与质量关系
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3随着当代科技的进步与发展，发现仿生扑翼飞行器诸多优点，深受广大国外学者关注并研发各式各样的扑翼机器人样机，并取得了一定的成果。1998年，AeroVironment公司联合加州理工学院和加州洛杉矶大学，研制出一种质量轻便的微型扑翼机器人[20-22]，并为之命名为“Micro-Bat”，如图1-2所示。机器人样机采用碳纤维作为机身骨架与翅膀骨骼，尾部为水平垂直尾翼，并非仿生鸟类型尾翼，总重量大概为15克，可以装载一台小型摄像头。其飞行特点是利用尾部舵面提供部分升力，提高能量利用效率。但是其飞行时间短，在外形上更像鸟类而不想蝙蝠。图1-2Micro-Bat样机2014年，美国加州伯克利大学研制出一款仿鸟类微型扑翼飞行器[23]，命名为“H2-Bird”，如图1-3和1-4所示。该扑翼机由碳纤维刚性支撑杆件与有机薄膜构成的四段翼型扑翼机，通过四翼面的规律性拍动产生可以产生更高效率的气动力，并通过调整垂直于水平尾翼的姿态产生偏航力矩与俯仰力矩以实现俯仰、偏航的姿态动作。该扑翼机在起飞时配备了蟑螂机器人为其飞行提供起飞的初速度，即可实现无人自主起飞。该机以微型伺服电机为主驱动，尾翼通过两个微型舵机控制垂直和水平舵面的角度，利用地面遥控向机载微型控制器发送信号，控制三路电机转速与转向以实现飞行姿态的改变与保持。装配后的样机总质量为13g，翅膀拍动频率16Hz，总飞行时间达2.5min。图1-3H2-Bird助跑式起飞图1-4H2-Bird四段翼样机德国Festo公司在本世纪研制了很多款飞行效果良好的仿生扑翼飞行器，在国际同行业内达到了领先水平。2011年，该公司研制了命名为“Smart-Bird”的飞鸟机器人[24]，
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3随着当代科技的进步与发展，发现仿生扑翼飞行器诸多优点，深受广大国外学者关注并研发各式各样的扑翼机器人样机，并取得了一定的成果。1998年，AeroVironment公司联合加州理工学院和加州洛杉矶大学，研制出一种质量轻便的微型扑翼机器人[20-22]，并为之命名为“Micro-Bat”，如图1-2所示。机器人样机采用碳纤维作为机身骨架与翅膀骨骼，尾部为水平垂直尾翼，并非仿生鸟类型尾翼，总重量大概为15克，可以装载一台小型摄像头。其飞行特点是利用尾部舵面提供部分升力，提高能量利用效率。但是其飞行时间短，在外形上更像鸟类而不想蝙蝠。图1-2Micro-Bat样机2014年，美国加州伯克利大学研制出一款仿鸟类微型扑翼飞行器[23]，命名为“H2-Bird”，如图1-3和1-4所示。该扑翼机由碳纤维刚性支撑杆件与有机薄膜构成的四段翼型扑翼机，通过四翼面的规律性拍动产生可以产生更高效率的气动力，并通过调整垂直于水平尾翼的姿态产生偏航力矩与俯仰力矩以实现俯仰、偏航的姿态动作。该扑翼机在起飞时配备了蟑螂机器人为其飞行提供起飞的初速度，即可实现无人自主起飞。该机以微型伺服电机为主驱动，尾翼通过两个微型舵机控制垂直和水平舵面的角度，利用地面遥控向机载微型控制器发送信号，控制三路电机转速与转向以实现飞行姿态的改变与保持。装配后的样机总质量为13g，翅膀拍动频率16Hz，总飞行时间达2.5min。图1-3H2-Bird助跑式起飞图1-4H2-Bird四段翼样机德国Festo公司在本世纪研制了很多款飞行效果良好的仿生扑翼飞行器，在国际同行业内达到了领先水平。2011年，该公司研制了命名为“Smart-Bird”的飞鸟机器人[24]，
【参考文献】：
期刊论文
[1]多段柔性变体扑翼飞行器设计[J]. 黄鸣阳,肖天航,昂海松. 航空动力学报. 2016(08)
[2]扑翼飞行器非定常气动特性研究[J]. 王建领,何广平,狄杰建. 飞行力学. 2016(03)
[3]仿生微型扑翼飞行器中的空气动力学问题研究进展与挑战[J]. 杨文青,宋笔锋,宋文萍,陈利丽. 实验流体力学. 2015(03)
[4]昆虫级褶皱翼型的滑翔气动特性[J]. 张锐,周超英. 航空动力学报. 2014(03)
[5]微型扑翼飞行器驱动系统工程设计方法[J]. 王利光,宋笔锋,付鹏,安伟刚. 机械设计与制造. 2013(08)
[6]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)
[7]基于自适应逆的微型飞行器飞行控制系统[J]. 蔡红明,昂海松,郑祥明. 南京航空航天大学学报. 2011(02)
[8]扑翼飞行器机翼平面形状设计方法研究[J]. 高广林,宋笔锋,李占科. 飞行力学. 2009(05)
[9]微扑翼飞行器总体设计及实验[J]. 苏进展,方宗德,刘岚. 光学精密工程. 2008(04)
硕士论文
[1]微型扑翼柔性翅翼变形及其气动力特性实验研究[D]. 袁杰.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]大型仿生扑翼飞行器飞行控制方法研究[D]. 张兵.哈尔滨工业大学 2017
[4]仿生飞鸟机器人嵌入式控制器及地面测控系统研究[D]. 陈廉锐.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：2990959
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
韩国ParkJH统计的翼展与质量关系
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3随着当代科技的进步与发展，发现仿生扑翼飞行器诸多优点，深受广大国外学者关注并研发各式各样的扑翼机器人样机，并取得了一定的成果。1998年，AeroVironment公司联合加州理工学院和加州洛杉矶大学，研制出一种质量轻便的微型扑翼机器人[20-22]，并为之命名为“Micro-Bat”，如图1-2所示。机器人样机采用碳纤维作为机身骨架与翅膀骨骼，尾部为水平垂直尾翼，并非仿生鸟类型尾翼，总重量大概为15克，可以装载一台小型摄像头。其飞行特点是利用尾部舵面提供部分升力，提高能量利用效率。但是其飞行时间短，在外形上更像鸟类而不想蝙蝠。图1-2Micro-Bat样机2014年，美国加州伯克利大学研制出一款仿鸟类微型扑翼飞行器[23]，命名为“H2-Bird”，如图1-3和1-4所示。该扑翼机由碳纤维刚性支撑杆件与有机薄膜构成的四段翼型扑翼机，通过四翼面的规律性拍动产生可以产生更高效率的气动力，并通过调整垂直于水平尾翼的姿态产生偏航力矩与俯仰力矩以实现俯仰、偏航的姿态动作。该扑翼机在起飞时配备了蟑螂机器人为其飞行提供起飞的初速度，即可实现无人自主起飞。该机以微型伺服电机为主驱动，尾翼通过两个微型舵机控制垂直和水平舵面的角度，利用地面遥控向机载微型控制器发送信号，控制三路电机转速与转向以实现飞行姿态的改变与保持。装配后的样机总质量为13g，翅膀拍动频率16Hz，总飞行时间达2.5min。图1-3H2-Bird助跑式起飞图1-4H2-Bird四段翼样机德国Festo公司在本世纪研制了很多款飞行效果良好的仿生扑翼飞行器，在国际同行业内达到了领先水平。2011年，该公司研制了命名为“Smart-Bird”的飞鸟机器人[24]，
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3随着当代科技的进步与发展，发现仿生扑翼飞行器诸多优点，深受广大国外学者关注并研发各式各样的扑翼机器人样机，并取得了一定的成果。1998年，AeroVironment公司联合加州理工学院和加州洛杉矶大学，研制出一种质量轻便的微型扑翼机器人[20-22]，并为之命名为“Micro-Bat”，如图1-2所示。机器人样机采用碳纤维作为机身骨架与翅膀骨骼，尾部为水平垂直尾翼，并非仿生鸟类型尾翼，总重量大概为15克，可以装载一台小型摄像头。其飞行特点是利用尾部舵面提供部分升力，提高能量利用效率。但是其飞行时间短，在外形上更像鸟类而不想蝙蝠。图1-2Micro-Bat样机2014年，美国加州伯克利大学研制出一款仿鸟类微型扑翼飞行器[23]，命名为“H2-Bird”，如图1-3和1-4所示。该扑翼机由碳纤维刚性支撑杆件与有机薄膜构成的四段翼型扑翼机，通过四翼面的规律性拍动产生可以产生更高效率的气动力，并通过调整垂直于水平尾翼的姿态产生偏航力矩与俯仰力矩以实现俯仰、偏航的姿态动作。该扑翼机在起飞时配备了蟑螂机器人为其飞行提供起飞的初速度，即可实现无人自主起飞。该机以微型伺服电机为主驱动，尾翼通过两个微型舵机控制垂直和水平舵面的角度，利用地面遥控向机载微型控制器发送信号，控制三路电机转速与转向以实现飞行姿态的改变与保持。装配后的样机总质量为13g，翅膀拍动频率16Hz，总飞行时间达2.5min。图1-3H2-Bird助跑式起飞图1-4H2-Bird四段翼样机德国Festo公司在本世纪研制了很多款飞行效果良好的仿生扑翼飞行器，在国际同行业内达到了领先水平。2011年，该公司研制了命名为“Smart-Bird”的飞鸟机器人[24]，
【参考文献】：
期刊论文
[1]多段柔性变体扑翼飞行器设计[J]. 黄鸣阳,肖天航,昂海松. 航空动力学报. 2016(08)
[2]扑翼飞行器非定常气动特性研究[J]. 王建领,何广平,狄杰建. 飞行力学. 2016(03)
[3]仿生微型扑翼飞行器中的空气动力学问题研究进展与挑战[J]. 杨文青,宋笔锋,宋文萍,陈利丽. 实验流体力学. 2015(03)
[4]昆虫级褶皱翼型的滑翔气动特性[J]. 张锐,周超英. 航空动力学报. 2014(03)
[5]微型扑翼飞行器驱动系统工程设计方法[J]. 王利光,宋笔锋,付鹏,安伟刚. 机械设计与制造. 2013(08)
[6]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)
[7]基于自适应逆的微型飞行器飞行控制系统[J]. 蔡红明,昂海松,郑祥明. 南京航空航天大学学报. 2011(02)
[8]扑翼飞行器机翼平面形状设计方法研究[J]. 高广林,宋笔锋,李占科. 飞行力学. 2009(05)
[9]微扑翼飞行器总体设计及实验[J]. 苏进展,方宗德,刘岚. 光学精密工程. 2008(04)
硕士论文
[1]微型扑翼柔性翅翼变形及其气动力特性实验研究[D]. 袁杰.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]大型仿生扑翼飞行器飞行控制方法研究[D]. 张兵.哈尔滨工业大学 2017
[4]仿生飞鸟机器人嵌入式控制器及地面测控系统研究[D]. 陈廉锐.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：2990959
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