微型飞行器飞行仿真软件开发

该文简要介绍了微型飞行器飞行仿真软件的总体结构和模块划分。首先建立了飞行器的三维结构模型，根据飞行器的扑翼运动规律进行了运动仿真。采用随机分形技术生成的具有真实感的地形为仿真飞行提供了一个虚拟环境。在此基础之上讨论了飞行器虚拟飞行过程中的静态与动态模拟方法。仿真软件中的三维图形实时显示采用Visual C 和Open GL来共同完成。     

基于MEMS技术的SU-8仿昆虫微扑翼飞行器设计及制作

为研制一种轻质仿昆虫微扑翼飞行器,提出了采用微机电系统(MEMS)领域的SU-8光刻胶作为结构材料的制作方案.基于仿生学原理和微机电系统加工技术,设计微扑翼飞行器结构及MEMS 工艺方法.研究结果表明,该种结构设计及制作方案满足设计要求,为仿昆虫微扑翼飞行器的研制提供了一种很好的途径.     

仿鸟扑翼试验平台控制器快速原型设计

介绍控制系统实时在线仿真平台dSPACE系统,研究了仿鸟扑翼试验平台控制方案,利用dSPACE系统构造了仿鸟扑翼试验平台伺服控制器,通过实时仿真对PID控制参数完成了优化,从而取得了满意的扑翼运动轨迹跟踪效果。设计过程表明：利用dSPACE在线仿真技术开发控制器原型可以大大节省时间和费用。     

仿鸟扑翼飞行器姿态镇定研究

针对仿鸟扑翼飞行器的欠驱动特性,提出了一种简化其飞行控制问题并实现其局部渐近稳定的控制方法．建立并分析了仿鸟扑翼飞行器的动力学和运动学模型,证明其控制问题等价于升力、推力独立可控情况下的姿态控制问题．进一步分析的结果表明,仿鸟扑翼飞行器的升力、推力都是独立可控的,其姿态控制为耦合输入下刚体的姿态控制问题．通过设计光滑时变反馈控制律实现姿态控制的局部渐近稳定,从而解决扑翼飞行器的飞行控制问题．     

SolidWorks在扑翼微型飞行器设计制造中的应用

扑翼微型飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。介绍SolidWorks设计软件在驱动机构运动仿真、翅翼频率分析和参数化设计中的应用。结果表明,SolidWorks应用于扑翼微型飞行器设计制造可以简化设计流程,提高设计效率。     

三维可视化技术微型飞行器仿真中的应用

首先简要介绍了三维可视化技术在微型飞行器飞行仿真中的作用及其意义，重点讨论了基于三维可视化技术的飞行器的运动仿真及基于分形技术的地形仿真，在此基础之上讨论了飞行器虚拟飞行过程中的静态与动态模拟方法。仿真软件中的三维图形实时显示采用Visual C 和OpenGL共同完成。     

微型仿昆扑翼飞行器解耦操控机制

提出一种解耦操控机制，用于解决微型仿昆扑翼飞行器飞行控制中的欠驱动问题．首先通过理论分析和仿真试验分析了翅膀的振翅运动参数对气动力旋量的控制作用；然后在对昆虫飞行所采用的生物学振翅运动进行模拟的基础上，通过调整翅膀的振翅运动参数，设计了一个能对气动力和气动力矩实现独立控制的解耦操控机制．此操控机制采用周期函数将控制输入量参数化，从而在仿昆扑翼布局的动力学模型中引入更多数目的独立控制量．通过将原动力学系统转化为完全能控系统，解决了仿昆扑翼布局的欠驱动控制问题．同时，此操控机制仅仅要求转动角可控，有效地降低了仿昆扑翼飞行器的设计难度．     

毫米级静电微扑翼驱动器的结构设计、工艺与测试

针对仿昆虫扑翼飞行器核心动力装置——微驱动器的结构特点和研究难点,设计了一种基于静电驱动原理的毫米(mm)级微扑翼驱动器,并针对各个部件研究了整套加工工艺与测试方法.运动优化与升力测试结果表明:微扑翼驱动器(翼展9 mm,重量3 mg)以91 Hz的频率实现了±40°的拍动和±25°的扭转运动,输出1.5 mg的升力,升重较以往静电微扑翼驱动器有大幅提升.研究成果为实现仿昆虫微型飞行器的自主飞行提供了新的方向,并奠定了理论与试验基础.     

仿鸟扑翼飞行器仿真研究

针对仿鸟扑翼飞行器的柔性翼动力学仿真需要,在非定常空气动力学原理下,用修正的准定常气动力计算模型估算出了扑翼的动力学模型,并建立了其相应的状态空间方程,进而分析研究了在Matlab语言和Simulink环境下,对其仿真系统设计得需求和要求。     

仿鸟类扑翼飞行器研究进展

仿生扑翼飞行器有着优异的气动性能和灵活的飞行能力,在军民领域均有广泛的应用前景,学者们在原理样机研制、扑翼气动机理、驱动机构、飞行控制等多领域取得了一系列重要进展.本文从总体设计方法、驱动机构设计与优化、气动机理等方面综述了仿鸟类扑翼飞行器技术的发展历程与研究进展.首先,从扑翼总体设计方法入手,总结了仿鸟类扑翼飞行器仿生构型,归纳了总体设计参数估算方法;其次,综述了多种构型曲柄连杆机构在扑翼驱动中的应用与优缺点;接着总结了扑翼气动机理研究的实验方法与数值计算方法,分析了不同扑翼气动算法针对不同应用场景在计算成本和准确度方面的优劣情况;最后,对仿鸟类扑翼飞行器系统设计研究现状进行总结,针对原理样机研制过程提出展望.     

电磁振动式微扑翼飞行器动态特性研究

电磁驱动具有驱动电压低、作用力大等优点, 是微机械领域一种重要驱动方式。本文设计了一种电磁振动式微扑翼飞行器，在此基础上，建立了电磁振动式微扑翼飞行器非线性动力学模型，研究了不同电磁力激励下系统动态特性，获得了系统固有频率，并得出方波和正弦半波电磁力驱动能够产生较大扑动幅度的结论。最后，研究了电磁振动式微扑翼飞行器机-磁耦合非线性系统动态特性，研究结果表明电磁振动式微扑翼飞行器适合采用正弦半波电压激励，而且通过结构改进措施，提高了扑动的对称性和稳定性。     

微扑翼飞行器控制系统相关技术研究进展

微型扑翼飞行器(FMAV)由于微型化和采用扑翼飞行方式的特征,许多传统理论和设计方法不再完全适用,相关理论和技术仍在不断地发展中,所以对国内外相关理论和技术的发展现状进行及时跟踪和研究,具有非常重要的参考意义;通过调查研究,介绍了与微型扑翼飞行器控制系统有关的低雷诺数非定常空气动力学、控制系统数学模型、控制方案和控制方法等的研究进展,总结出了微型扑翼对飞行器控制系统的设计要求,控制系统的特点和需要解决的关键问题,并展望了未来发展趋势。     

扑翼飞行的气动建模与仿真分析

用计算流体力学的数值仿真方法对微扑翼飞行的非定常空气动力学问题进行了建模与仿真研究。在对昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上，建立了简化的扑翼运动二维翼型的运动学与空气动力学模型。利用任意拉格朗日欧拉（ALE）有限元方法求解出N-S方程的数值解，将流场仿真结果与实验进行了对比，并分析了扑翼运动产生的前缘漩涡对升力的作用。文中的建模、分析方法和结论对微扑翼飞行器的分析设计和应用提供了一定的理论依据。     

A parallel boundary fitted dynamic mesh solver for applications to flapping flight

A parallel numerical solution procedure for unsteady incompressible flow is developed for simulating the dynamics of flapping flight. A collocated finite volume multiblock approach in a general curvilinear coordinate is used with Cartesian velocities and pressure as dependent variables. The Navier-Stokes equations are solved using a fractional-step algorithm. The dynamic grid algorithm is implemented by satisfying the space conservation law by computing the grid velocities in terms of the volume swept by the faces. The dynamic movement of grid in a multiblock approach is achieved by using a combination of spring analogy and Trans-Finite Interpolation. The spring analogy is used to compute the displacement of block corners, after which Trans-Finite Interpolation is applied independently on each computational block. The performance of the code is validated in forced transverse oscillations of a cylinder in cross-flow, a heaving airfoil, and hovering of a fruitfly. Finally, the unsteady aerodynamics of flapping flight at Re = 10,000 relevant to the development of Micro Air Vehicles is analyzed for forward flight. The results show the capability of the solver in predicting unsteady aerodynamics characterized by complex boundary movements.     

A lightweight autonomous MAV for indoor search and rescue

Micro Aerial Vehicles (MAVs) have great potentials to be applied for indoor search and rescue missions. In this paper, we propose a modular lightweight design of an autonomous MAV with integrated hardware and software. The MAV is equipped with the 2D laser scanner, camera, mission computer and flight controller, running all the computation onboard in real time. The onboard perception system includes a laser‐based SLAM module and a custom‐designed visual detection module. A dual Kalman filter design provides robust state estimation by multiple sensor fusion. Specifically, the fusion module provides robust altitude measurement in the circumstance of surface changing. In addition, indoor‐outdoor transition is explicitly handled by the fusion module. In order to efficiently navigate through obstacles and adapt to multiple tasks, a task tree‐based mission planning method is seamlessly integrated with path planning and control modules. The MAV is capable of searching and rescuing victims from unknown indoor environments effectively. It was validated by our award‐winning performance at the 2017 International Micro Air Vehicle Competition (IMAV 2017), held in Toulouse, France. The performance video is available on https://youtu.be/8H19ppS_VXM .     

Bounded control of an underactuated biomimetic aerial vehicle—Validation with robustness tests

Flapping wing Micro Aerial Vehicles (FMAVs) have recently emerged as a promising challenge lying on the progress of the avionics technologies. The present paper deals with the development of simple control laws for an embedded implementation on a biomimetic MAV, aiming to control its attitude and position. The control laws are bounded, taking into consideration the amplitude bounds of the control angles characterizing the flapping wings movement. In order to validate the control laws, a simplified model having a simple wing kinematic parametrization and considering only the main aerodynamic forces and torques is proposed. The stability of the controller is shown in simulations using a diptera insect model. The robustness of the proposed controller is emphasized through different robustness tests. They concern mainly, model and aerodynamic parameters errors, and aim to validate the considered simplifications in the model.     

仿昆扑翼飞行器全解耦控制

针对仿昆扑翼飞行器飞行控制所面临的欠驱动问题,基于平均理论,提出采用周期时变反馈策略控制仿昆扑翼飞行器的策略,并给出了设计周期时变反馈控制器的输入参数化设计方法．该方法对飞行昆虫的扑翼运动进行仿生模拟,通过调整根翅运动参数,实现了对6个方向气动力和力矩的独立控制．本质上就是用参数表示欠驱动系统的输入,并以此构造周期时变反馈函数;从而在原系统中引入更多数目的独立控制量,将原系统转化为完全能控系统．然后,将此可控系统线性化,并利用线性反馈控制器设计工具设计其反馈控制律．仿真结果表明,基于该策略设计的控制器具有响应速度快、稳定误差小、鲁棒性强等特点．     

微小型飞行器航向系统设计

从实用的角度出发，给出了微小型飞行器的航向系统(包括航向测量和航向控制)体系结构．设计了地磁航向、捷联航向、GPS航向等3种常用的航向测量手段在微小型系统中的实现方案，分析了其各自的优、缺点，提出了一种实用的、基于数据融合的航向获取方法．在航向测量的基础上，又设计了针对微小型飞行器的航向控制方案，并应用于某小型固定翼飞行器的飞行控制系统中．进行了自主飞行试验，取得了预期的试验效果．