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。     

仿生变形飞行器的飞行特性研究

随着无人飞行器的小型化甚至微型化发展,扑翼飞行的优势逐渐显现出来。受鸟类及昆虫飞行运动的启发,分析鸟类及昆虫的扑翼运动特性,设计了一种鸟类扑翼飞行方式,使用涡格法进行了扑翼的气动计算,并采用质点弹道学模型分析了仿生飞行的轨迹特性。仿真结果表明,设计的扑翼运动效果良好。     

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．     

扑翼飞行器的多机协同飞行设计与实践

扑翼飞行器(flapping-wing aerial vehicle,FAV)是一种模仿动物飞行方式的新型飞行器,其具有仿生性且飞行声音小等特点,具有广泛的军事和民用前景.由于扑翼飞行器动力学模型复杂且容易受到风等环境因素的影响,目前尚无成熟稳定的控制算法可以用来控制扑翼飞行器.目前对扑翼飞行器的控制大多仍以手动控制为...     

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．     

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。     

面向扑翼飞行控制的建模与奇异摄动分析

针对扑翼飞行中的周期性和时标不一现象,以及扑翼飞行实际控制中的问题,本文基于奇异摄动理论,提出了一种针对扑翼周期系统的稳定性分析方法.具体而言,首先建立了扑翼飞行器的多刚体模型,为后文对翅翼动力学的奇异摄动分析铺平道路;其次,对多刚体模型进行简化,抽象出扑翼飞行动力学的核心问题,并针对实际控制中的问题,提出了利用奇异摄...     

仿生扑翼UUV流体动力数值计算

仿生扑翼推进方式具有机动灵活、推进噪声低、稳定性好等特点,但由于外形的复杂性,仿生扑翼UUV的流体动力具有很强的非线性,给流体动力特性的研究带来难度。为了研究仿生扑翼的非线性流体动力特性,基于雷诺平均Navier-Stokes方程,采用RNG k-ε模型,建立了仿生扑翼UUV的流体动力计算数学模型,并利用ICEM CFD划分了网格,基于标准CFD软件Fluent对UUV的流体动力特性进行了仿真计算。结果表明,仿生扑翼UUV的流体动力在小攻角下呈线性变化,大攻角下出现非线性特征。     

基于滑移网格海龟扑翼推进数值仿真研究

为了探讨海龟翼摆动时产生的流体推进力与摆动频率、幅度以及来流速度之间的关系,对海龟翼在不同工况下进行了数值仿真计算.针对海龟翼在粘性介质中运动,采用滑移网格技术,结合扑翼运动规律,建立扑翼推进数值计算模型,模拟海龟二维剖面翼以特定规律运动时的流体动力特性.通过数值仿真,得出扑翼推进力与摆动频率、摆动幅度以及来流速度之间的关系.经实践证明:翼静水中摆动平均推力随着摆动频率、幅度的增加而增大,且频率较大时随频率增大得更为明显,为下一步扑翼驱动机构设计打下基础,具有一定的实践指导意义.     

无尾扑翼无人机动力学建模及仿真

近年来,仿生无人机在战场侦察和飞行巡逻等方面应用广泛,使其成为无人机领域的研究热门,传统仿生无尾扑翼无人机的飞行建模问题通常较为复杂,计算难度较大,因此亟待对此类无人机进行飞行控制的研究。文章针对仿昆虫无尾扑翼无人机的动力学建模问题进行了研究,基于叶素法、准稳态假设模型以及刚体动力学建模方法,对机翼运动进行受力分析,得到机翼的动力学模型;机体采用刚体动力学方法,建立无人机飞行模型。仿昆虫无尾扑翼无人机系统采用PID控制模型对机体纵向动力学模型控制,以俯仰角、阶跃输入方式,通过实验表明,系统的超调量分别为和,调节时间分别为0.5和1,稳态误差符合实验要求。     

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．     

三铰扑翼建模及数值计算

为研究鸟类翅膀展向变形对扑翼气动特性的影响,基于对鸟类翅膀变形的观察,分别用动静法和拉格朗日方程建立三铰扑翼的数学模型,并利用数值计算研究该模型.结果表明：使用NACA0004作为截面的三铰扑翼在对称扑动时能够产生净升力;随着中翼弹性系数比的增大,周期平均升力因数增大,但周期平均阻力因数不存在单调性;三铰扑翼比双铰翼的周期平均升力因数明显小;随着外翼弹性系数比的增大,周期平均升力因数和周期平均阻力因数也不存在单调特性.     

微型扑翼飞行器的自适应位置跟踪控制器

微型扑翼飞行器是飞行器发展的重要方向,其位置跟踪控制成为该研究面对的首要问题.本文针对微型扑翼飞行器(flapping wing micro aerial vehicle,FWMAV)的位置跟踪控制问题展开研究,提出了一种可以避免控制系统陷入奇异且理论跟踪误差为零的自适应控制器.具体而言,首先提出了零梯度位置跟踪控制器.而后,理论分析表明其在解决FWMAV位置跟踪控制问题时存在局限性,即该控制器总是存在理论位置跟踪误差.为了弥补这一缺点,对零梯度控制器进行改进,提出了一种理论位置跟踪误差为零的自适应控制器,并利用非线性激励函数加快了位置跟踪误差的收敛速度.最后,仿真实验验证了该控制器的优越性.     

A Bio-Inspired Flapping-Wing Robot With Cambered Wings and Its Application in Autonomous Airdrop

Flapping-wing flight, as the distinctive flight method retained by natural flying creatures, contains profound aerodynamic principles and brings great inspirations and encouragements to drone developers. Though some ingenious flapping-wing robots have been designed during the past two decades, development and application of autonomous flapping-wing robots are less successful and still require further research. Here, we report the development of a servo-driven bird-like flapping-wing robot named USTBird-I and its application in autonomous airdrop. Inspired by birds, a camber structure and a dihedral angle adjustment mechanism are introduced into the airfoil design and motion control of the wings, respectively. Computational fluid dynamics simulations and actual flight tests show that this bionic design can significantly improve the gliding performance of the robot, which is beneficial to the execution of the airdrop mission. Finally, a vision-based airdrop experiment has been successfully implemented on USTBird-I, which is the first demonstration of a bird-like flapping-wing robot conducting an outdoor airdrop mission.      

兼顾平顺性与车高调节的重型车空气悬架控制

空气悬架由于质量轻、刚度以及高度可调等优点在重型车中得到了广泛的应用.空气悬架可以实现重型车的两项重要功能:平顺性保证以及车身高度调节,但是空气悬架的平顺性以及车身高度调节均通过空气弹簧气压腔的气压改变来实现,因此二者是彼此制约和冲突的.然而,目前对空气悬架车高调节的研究追求控制的精确性与稳定性而忽略了平顺性,而对平顺性的研究又几乎不考虑车高变化造成的影响.基于上述动机,本文提出了兼顾平顺性的空气悬架重型车车高调节鲁棒控制方法,实现了平顺性保障下的车高调节曲线精确跟踪控制,提升了重型车空气悬架系统的整体性能.实车参数仿真验证了所提出方法在平顺性与车高调节两项指标中的优越性.     

仿生扑翼“0”形轨迹机构的设计及气动力特性

针对仿生扑翼飞行器的驱动结构进行设计,提出了一种空间摇杆式的驱动机构与机翼扭转机构,实现机翼扑动过程中的"0"形空间运动轨迹.针对机翼的空间"0"字形运动,建立仿生飞行器气动分析模型,采用动网格与非定常数值计算方法,对机翼拍动过程中不同相位下的升阻特性进行分析,并通过空气动力效率与流场对比分析,得到不同参数条件下的气动效率,为仿生扑翼飞行器的设计及扑动模式的选择提供参考.通过气动力测量实验、台架姿态标定和外场飞行测试,验证了结构设计的合理性.     

Investigation on force transmission of direct-drive thorax unit with four ultrasonic motors for a flapping microaerial vehicle

We fabricated a trial version of a thorax unit with four ultrasonic motors (USMs) to simulate a dragonfly-scale flapping micro aerial vehicle (MAV). Each wing was directly driven by a two-degree-of-freedom (2-DOF) transmission. An in-house tiny standing-wave USM capable of bidirectional rotation, which weighs just 0.13 g, was employed on trial. The transmission of the thorax unit converts the two USM rotations into strokes and flip motions of the wing. By implementing two 70-mm-long wings, we fabricated a prototype of a 4-DOF MAV and tested its performance. In a lift-compensated situation, upward, forward, and backward movements of the MAV were obtained. The flapping angular velocity was discussed based on quasi-static wing aerodynamics and was accountable for the motor power. Although the power of the USM should be improved, the quick wing drivability, adequate power transmission on the thorax unit, and potential of a 0.2 W motor power in a unidirectional-type USM promise the viability of a direct-drive multi-DOF dragonfly-scale MAV.     

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.