微型仿生扑翼飞行器的尺度效应分析

微型仿生扑翼飞行器是一种新概念的微型飞行器。但它不是对传统飞行器的简单几何缩小,当其特征尺度缩小到一定尺度时,系统内各种因素的相对影响将产生质的变化。针对微型仿生扑翼飞行器的机械扑翼系统,包括微驱动器、仿生翅、运动系统和动力源等,本文进行了尺度效应分析。分析结果表明,当尺寸减小时,仿生飞行更容易实现:通过共振能实现高频运动,微静电、电磁和压电驱动器都能满足扑翼系统功率需求。这为设计和研制微型仿生扑翼飞行器提供了理论依据。     

仿鸽扑翼的气动性能分析

以鸽子的特征尺寸以及飞行方式作为研究的主要对象和研制微型扑翼飞行器的模拟目标,使用空间非定常涡格法对仿鸽扑翼飞行器进行了气动性能的计算,分析了迎角、扑动角、飞行速度、扑动频率和推进比等参数对微型扑翼飞行器的气动性能的影响,对扑翼飞行器的设计有一定的参考作用.     

微型扑翼的推进特性实验研究

为了研究微型扑翼的推力和推进效率特性,研制了基于虚拟仪器( Ⅵ)的微型扑翼风洞实验系统.该系统以西北工业大学现有微型风洞为基础,采用了高精度六分量天平、角度传感器.新型机翼扑动机构、可编程电源、工控机等设备,利用基于虚拟仪器(Ⅵ)的LabView软件对上述设备进行集中控制与数据处理.利用上述实验系统研究了风速、扑动频率、展弦比、根稍比及机翼扑动幅度对微型扑翼推力和推进效率的影响,总结出了微型扑翼推力及推进效率的基本规律,为微型扑翼飞行器机翼设计及飞行控制方式提供了参考.     

仿鸟复合振动的扑翼气动分析

根据绿头鸭飞行的录像片断，对其平飞时翅膀的扑动模型进行简化，提出了一种新的变速－折叠扑翼扑动模型，使之更符合鸟类翅膀的实际扑动规律。通过非定常涡格法的比较计算发现，以该新模型规律运动的扑动翼，在一个周期内的平均升力系数较原有的钭角速度刚性模型有了显著增加，更适用于设计微型扑翼机。本文较详细地计算分析了扑翼平均升力系数随着扑动幅度、俯爷幅度以及扑动频率等各种扑动参数的变化曲线，为微型扑翼机的设计提供了一定的参考依据。     

基于光流法和模糊控制的扑翼飞行器避障研究（英文）

扑翼飞行器是一种仿生机器人,其翅膀可以像鸟和昆虫的翅膀一样上下扑动。本文提出了一种基于视觉的扑翼飞行器避障方法。首先,使用稠密光流算法计算机载图像传输摄像机拍摄的第一视角视频帧的光流场。基于所获取光流信息作为输入量,设计模糊避障控制器来给出扑翼飞行器的导航指令。实验结果表明,本文所提出的避障方法能够准确识别障碍物,实现扑翼飞行器的避障。     

前后双扑翼微型飞行器推力研究

为探讨前后双扑翼微型飞行器产生推力的机理和变化规律,通过在动态网格上求解Navier-Stokes方程,对前后双扑翼在不同水平距离、相位角、扑动频率和来流攻角下推力的变化进行了数值模拟和分析.总结出推力随各参数变化的规律,为前后双扑翼微型飞行器的设计提供了参考依据.     

可差动扭转扑翼飞行器的设计和风洞试验研究

常规的仿鸟扑翼飞行器在飞行时机翼只是单纯地上下扑动.为提高扑翼飞行器横航向和航迹控制的品质,设计了一种机翼在扑动的同时可差动扭转的仿鸟扑翼飞行器;在低速风洞中对其进行了一系列测力试验,研究了可差动扭转扑翼飞行器的升力、推力特性,以及机翼差动扭转角、扑动频率、风速、机翼柔性对滚转力矩系数的影响;对设计的扑翼飞行器做了飞行试验,验证了设计的可行性,并与常规扑翼飞行器作了对比,试验结果表明:可差动扭转扑翼可以用于扑翼飞行器的横向控制,并且可以提高其抗风能力和航迹控制精度.     

昆虫的扑翼轨迹及高升力机理

通过昆虫飞行运动学测试系统测试了约束状态下蜻蜓、独角仙和鸣鸣蝉等3种昆虫飞行时的各项参数,分析了1个周期的扑翼过程、扑翼轨迹和翅膀变形等。蜻蜓的扑翼频率为22±3 Hz,独角仙的扑翼频率为30±5 Hz,鸣鸣蝉的扑翼频率为39±6 Hz;蜻蜓的翼尖轨迹为"8"字形,独角仙为类"8"字形,鸣鸣蝉为椭圆形;发现在下扑和仰旋阶段,翅膀形状近似为伞状,这种伞状效应能有效提高升力。研究昆虫飞行不同拍翅模式下的升力特性对微型飞行器的机动飞行设计有参考意义。     

基于非定常涡格法的扑动频率对机翼涡和尾涡推力的影响

随着对非定常涡格法(UVLM)和低雷诺数空气动力学研究的不断深入,扑翼无人机(UAV)的发展已成为航空航天领域的研究热点。虽然以往的研究大多是关于扑翼无人机的俯仰和扑动运动,但为了更准确地仿真,需要研究机翼涡和尾涡对飞行器推力的气动影响。将三维非定常涡格法应用于扑翼飞行器模型,研究了不同扑动频率下机翼涡和尾涡产生的瞬时推力。结果表明:平均推力随着扑动频率的增加而增大,机翼涡产生的推力远大于尾涡;机翼涡和尾涡的推力比随扑动频率的增加而增大。本研究有助于了解生物的飞行机理,改进仿生扑翼飞行器的设计。     

柔性-刚性混合翼微型飞行器气动特性研究

提出了一种将柔性翼和刚性翼相结合的柔性-刚性混合翼微型飞行器新概念布局型式,通过与刚性翼微型飞行器的风洞对比试验研究了该新概念布局的气动特性.在此基础上,进行了柔性-刚性混合翼微型飞行器试验原理样机的飞行试验验证.风洞试验和飞行试验研究结果表明:柔性-刚性混合翼微型飞行器的新概念布局是可行的;与刚性翼微型飞行器相比而言,柔性-刚性混合翼微型飞行器具有更好的气动特性,对解决微型飞行器抗风稳定飞行问题是有效的.     

微型扑翼飞行器的改进非定常涡格法

为在保证较高计算精度的前提下高效地进行扑翼飞行器(MAV)气动特性计算,提出了一种MAV非定常涡格法(UVLM)的改进算法.在算法中充分考虑翼面瞬时形变及诱导阻力等对MAV流场及气动力的影响,并在其尾涡模型中增加对尾迹涡环畸变及粘性耗散等的建模,使算法模型能更好地反映MAV的翼面气动状态.编程实现并通过实例验证了算法的有效性和快速性;为将UVLM引入MAV优化迭代,还研究了尾涡剔除对算法效率及精度的影响,结果表明在算法模型中剔除MAV尾部一定距离处的尾涡后,可在保证算法精度的前提下大幅减少运行时间,表明该算法在MAV结构优化中存在一定的潜力.     

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

对仿生微型扑翼飞行器相关的空气动力学问题的研究进展进行了综述,并分析了未来发展面临的机遇与挑战。与自然界的飞行生物相比,目前仿生扑翼飞行器的飞行能力还很笨拙,距离高仿生还有较大距离。其中,所涉及的低雷诺数非定常空气动力学问题成为研究者在深入研究时面临的一个主要难题,关键在于数值模拟和风洞实验均难以准确模拟飞行中的实际状态。具体面临的难题主要包括:(1)仿生微型扑翼飞行器所处的雷诺数为103~105量级,属于对转捩与湍流非常敏感的区域,相关的气动机理复杂;(2)柔性翼在飞行中密切相关的动气动弹性问题;(3)高机动飞行导致的动气动弹性耦合飞行力学问题;(4)扑翼飞行的复杂姿态对飞控系统的挑战及反馈耦合算法的设计等。这些层层深入的多学科耦合难题导致了目前具备的研究手段难以为仿生扑翼飞行器的研究提供定量的分析与改进设计。在解决上述难题的基础上,未来可进一步在高机动灵活飞行姿态方面进行深入研究,对仿生柔性翼的刚度分布开展详细设计,使仿生扑翼飞行器具有像自然界飞行生物一样的主动变形能力,可在复杂的环境下具备高机动飞行能力,最终实现高仿生外形和性能的人造飞鸟或人造飞虫。     

扑翼飞行器机翼开孔对气动特性的影响研究

论述了扑翼飞行器扑动升力产生的基本原理,提出采用机翼开孔的方式获得扑动升力的方法.通过风洞试验研究了翼面开孔对机翼气动特性的影响,结果表明机翼开孔可以有效获得扑动升力,降低扑动功耗,但会损失一定的推力.采用正交实验方法对风洞实验进行设计,构建机翼气动力关于实验参量的二次响应面方程,并通过响应面方程对开孔机翼的气动特性进行评价.结果表明所设计的开孔机翼最大起飞重量与无孔机翼相当,但其低速飞行能力较好,功率消耗较少,有望实现悬停飞行.     

机械蜻蜓悬停时的气动力实验研究

为研究蜻蜓等有两对翼的昆虫前后翼相互干扰下的气动力,设计并制作了一个可以模拟蜻蜓悬停的3种拍动模式的机电模型,并以此进行一系列实验,对前后翼相互作用的流场进行了观测.采用染色液流动显示的方法,定性观察了后翼前缘涡在各种不同拍动模式和不同翼间距离时的发展过程,对模型翼在各种拍动模式下的气动力进行了定量测量,并分别从流场结构和力学性能两方面对两翼间的干扰作用进行了分析讨论.     

柔性翼微型飞行器水平阵风响应特性实验研究

设计研制了一种飞翼布局的柔性翼和刚性翼微型飞行器,并在风洞中研究了两种微型飞行器在定常风和水平阵风作用下的气动特性,给出了柔性翼和刚性翼微型飞行器气动特性的差别.研究结果表明:不论是在定常风情况下,还是在水平阵风环境下,柔性翼的气动特性要优于刚性翼结构,柔性翼具有延迟失速和缓和阵风影响的能力,有利于稳定飞行.PIV测量结果表明:由于柔性翼的变形使刚性翼和柔性翼翼面上的流态不同,从而使微型飞行器的气动特性发生改变.     

前缘修形三角翼翼面背风区涡系研究

本文对一组前缘修形三角翼翼面背风区流场进行了实验研究,给出了几种修形三角翼上翼面处空间涡系涡迹及表面流谱,研究了各涡之间的相互干扰。结果表明:使用前缘修形可以在一定程度上避免基本三角翼大迎角时产生的翼面主涡破碎;修形三角翼翼面背风区存在两条较为稳定的涡,两涡间有利干扰将改善翼面处流场。     

水面波作用下平面射流振翅运动的频率锁定现象

通过激光流动显示 (LIF)和测量方法 ,就表面水波对垂直平面射流的振翅运动的影响进行了实验和理论研究。研究表明 ,在表面波的影响下 ,振翅运动依然存在。同时 ,波高计和多谱勒激光测速仪的测量结果显示 ,当表面波的频率接近但低于射流振翅运动的自然频率时 ,射流振翅运动的实际振动频率将被锁定在表面波的频率上。而当表面波的频率大于射流振翅摆动的自然频率时 ,频率锁定现象将不存在。