微扑翼飞行器总体设计及实验

提出了适合工程实际的微扑翼飞行器的设计方法.利用几何相似原理,拟合了以翼展为基本参数的仿生公式,并确定了飞行参数、结构参数和动力参数.根据初步的仿生设计结果,进行传动结构、翅翼尾翼等总体结构设计,并按照运动学分析、气动力分析、动力学分析相结合的动态分析方法研究了扑翼样机理论上产生的升力.与风洞实验结果比较表明,平均升力误差为0.61 g,基本满足设计要求,为微扑翼飞行器的研制提供了理论和实验依据.     

仿蜂鸟微飞行器扑翼机构运动学、升力及Clap-fling机制研究

设计了一种手掌尺度的微型扑翼飞行器机构,模拟自然界中的蜂鸟。通过曲柄摇杆机构,将主电机齿轮的旋转运动转变成遥杆的往复运动,并利用线传动放大拍打角,最终转化成翅膀的拍打运动。扑翼机构总重约9g,翅膀拍打角幅值为180°,扑翼频率15 Hz,翼展200 mm。扑翼机构机身由3D打印制作,翅膀由聚合物薄膜和碳纤维采用多层叠合工艺制作而成。通过高速相机以1 000 fps拍摄,检验翅膀的运动学,观察到clap-fling机制。利用多轴力/力矩传感器进行力测试,得到不同扑翼频率下的升力值,发现clap-fling机制对于升力提升有显著作用。通过研究翅膀尾缘长度对升力的影响,获得最佳的尾缘长度。     

微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计

通过分析飞行动物扑翼飞行中的各种物理参量对飞行特性的影响,得出了能为微扑翼飞行器设计所利用的规律。根据几何相似原理,利用基于量纲的尺度分析从本质上揭示了扑翼飞行中各种物理参量之间的相互联系。分析发现,几何尺度对微扑翼飞行器在翼展、翼面积、翼载荷、展弦比和扑翼频率等总体设计参数的影响趋势和对飞行动物相应物理量的影响趋势一致,但在具体量值上有所差异。根据扑翼飞行动物统计分析得到的尺度律设计并制作出了实际可飞的微扑翼飞行器。     

仿鹰扑翼飞行器设计及多飞行模式的实现

现有仿生扑翼飞行器大多针对单一飞行模式进行设计与研究,无法实现复杂多变的飞行姿态。文中根据鹰的飞行特性,以空间RSSR机构和多连杆机构为出发点,设计了一种扑动-折叠-扭转的仿鹰扑翼机构,以实现多飞行模式。首先,通过鹰的仿生学研究,根据总体设计目标提出多飞行模式扑翼飞行器功能设计要求;其次,基于XFLR5建立了多飞行模式扑翼的气动力模型,分析了起飞、巡航、降落3种典型飞行模式下的翅翼气动力的变化规律;最后,根据飞行参数建立了机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑翼在不同飞行模式下的运动变化规律及翼尖轨迹曲线。证明该扑翼机构具有良好的仿生运动特性和气动特性,为多飞行模式微型扑翼飞行器提供了设计参考。     

一种仿鸟扑翼飞行器的设计研究

仿鸟扑翼飞行器是一种模仿鸟类的飞行器,它的推进、举升和悬停系统都要依靠扑翼机构来实现,具有体积小、重量轻、灵活性高、隐身性好以及能耗低等优点。目前,各国都对仿鸟扑翼飞行器展开了研究,其被越来越多的运用到军事和民用领域。主要通过对国内外已有仿鸟扑翼飞行器扑翼机构进行研究,对比各种机构优缺利弊;同时,通过SolidWorks进行运动仿真分析,选择一种机构并以此来设计和制造仿鸟扑翼飞行器。     

一种柔性微型扑翼设计及其气动力特性的试验研究

微型扑翼机以其优良的机动性、低噪音、低成本、执行任务的多功能性以及在现代高科技局部战争中的潜在应用价值而得到各科技先进国家的重视,投入了大量精力开展研究工作。在我国也已经初步开展对微型扑翼机研究。但由于与微型扑翼飞行相关的低雷诺数空气动力学研究还处于萌芽阶段,对微型扑翼的设计研究工作尚无可供指导的成熟理论和借鉴的经验,目前微型扑翼的设计研究基本上是以试验为主。本文参照动物的扑翼飞行实例和固定翼飞行器机翼设计的经验,在对扑翼飞行基本原理分析研究的基础上,设计制作了一种微型扑翼及扑翼的驱动机构,采用直流电动机作为动力,通过调节驱动电压来控制扑动的频率。并对该微型扑翼进行了空气动力特性试验,得到了微型扑翼的空气动力特性,并从中得出了影响扑动升力的一些因素。实验结果表明,具有柔性翼面的扑翼,其产生的升力和推力较高而且比较稳定。     

基于曲柄滑块机构的X翼扑翼机构研究与测试

设计了一款机翼对称拍打的X翼扑翼机构。采用曲柄滑块机构，将曲柄的圆周运动转化为直轴的直线往复运动，直轴再通过摇杆带动两侧机翼，从而实现机翼的对称拍打。制作了一台扑翼机构的样机，运用光学运动捕捉系统和风洞对该扑翼机构进行了运动测试，从扑翼机构的拍打角度幅值、拍打频率、产生的升力以及电机的运行状况方面分析了该扑翼机构的可靠性。通过对比试验，确定了一组合适的拍打角度幅值和翼面面积，使得该扑翼机构能够产生12.9 g的升力，验证说明clap-fling机制能够有效提高该扑翼机构的升力。     

仿生扑翼飞行简化力学模型及其实验研究

在研究鸟飞行机制的基础上，通过对扑翼飞行翅的简化和分析，建立了仿生扑翼飞行的简化力学模型，结合翼形导出了在一个扑动周期中翅上所产生的平均前进力和升力公式。实验证明了该简化力学模型及相应力学分析的可靠性和正确性。研究成果为进一步研制仿生扑翼飞行器提供了理论依据。     

仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计

实验研究表明,昆虫(如鹰蛾)在作特定的飞行时,它的翅尖作8字形运动,并伴有翅翼的翻转.为了设计微扑翼飞行器的翅翼机构,深入研究了8字形曲线的形状谱特征,发现了形状谱及其相似度计算公式无法有效识别不同8字形曲线的问题.针对该问题,提出了一种基于形状谱提取8字形连杆曲线特征参数和区分8字形连杆曲线的新方法,并用此方法进行了仿鹰蛾微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计.     

多自由度扑翼飞行器驱动机构的设计与分析

为了提高扑翼飞行器的飞行性能,借鉴中小型鸟类的飞行运动特征,设计了一种基于空间连杆机构的新型多自由度扑翼机构。首先,通过运动学分析建立了扑翼飞行器驱动机构的运动学模型;然后,在Adams仿真软件中建立了扑翼机构仿真分析模型,对理论分析进行了验证。结果表明,所设计的驱动机构通过单自由度驱动就能够实现扑动、扭转、偏转多个自由度耦合运动。其中,上扑动极限为34.65°、下扑动极限为-29.66°,最大扭转角为15.05°,最小扭转角为-14.9°,偏转角范围为-5.01°～5.21°;输出的“8”字形轨迹与中小型鸟类飞行时的翼尖轨迹相同,具有良好的气动性能。仿真得到的运动学参数与理论计算一致,验证了理论计算的正确性。