蜜蜂悬停飞行控制的仿生力学研究

研究蜜蜂悬停飞行的控制问题.用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅体的控制导数;用特征模态分析方法分析控制特性.文中δu,δω,δq和δθ分别为水平方向速度,垂直方向速度,俯仰角速度和俯仰角度的扰动量;δ(φ)和δ(φ)分别为拍动幅度和拍动平均角增量;δα1表示上、下拍迎角同时增加的增量;δα2表示下拍迎角增加(或减小)而上拍迎角减小(或增加)的增量.获得以下结果:(1)悬停飞行时,改变Φ和α1主要产生垂直力的变化;改变φ主要产生俯仰力矩的变化;改变α2主要产生水平力及俯仰力矩的变化.(2)蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态,快衰减模态和慢衰减模态;为实现稳定的悬停飞行,不稳定振荡模态和慢衰减模态需要控制.为控制不稳定振荡模态,以δ(φ)(或δα2)反馈δu,δq和δθ这3个量的某种组合便可;为控制慢衰减模态,以δ(φ)(或δα1)反馈δω便可.这就是说,该昆虫只需用控制变量δ(φ)和δ(φ)(或δ(φ)和δα2,δα1和δ(φ)1,δα1和δα2),便可稳定地悬停(当然也可4个控制变量都用).     

昆虫悬停飞行的动稳定性:理论分析与数值模拟

首先,从昆虫(身体和拍动翅)的动力学方程和N-S方程出发,在一定假设下,将运动方程简化为6自由度刚体的方程,并用线化理论给出了反映昆虫悬停飞行纵向动稳定性的理论解.然后,用完全的动力学方程和N-S方程偶合的数值解对上述理论的简化假设进行了检验.     

飞船返回舱俯仰振荡的动态稳定性研究

本文研究了以平衡攻角为中心作单自由度俯仰振荡的飞船返回舱 ,其动态稳定形态随来流M∞ 的变化。设θ(t)是由平衡攻角起算的俯仰振荡角 ,Cm 是作用在飞船返回舱上的气动俯仰力矩系数 ,Cμ(θ, θ)· θ是机械阻尼力矩 (自由飞行时为零 ,实验时要计入其影响 ) ,文中给出飞船返回舱在平衡攻角处的俯仰振荡动态稳定性判据 ,并证明λ =λ(M∞) = Cm θ0+Cμ(0 ,0 ) 1 - Cm ¨θ0 是决定动稳定形态的重要参数。如果随M∞ 的变化 ,λ(M∞)由λ<0经过λ =0变化到λ>0 ,则飞船返回舱将由稳定的点吸引子形态 (即稳定在平衡攻角状态 )演化为周期吸引子形态 (即作周期振荡 )。对应于λ(M∞) =0的马赫数就是飞船返回舱的俯仰运动出现Hopf分叉的临界马赫数Mcr 。本文首先分析了飞船返回舱所受动态气动俯仰力矩的依赖状态变量 ,然后应用非线性动力学理论对飞船返回舱的俯仰运动进行了定性理论分析 ;最后耦合求解俯仰振荡方程和非定常Navier Stokes方程 ,数值模拟了飞船返回舱俯仰振荡随来流马赫数变化的Hopf分叉过程 ,验证了分析结论     

直升机悬停纵向运动模态的耦合

针对直升机运动模态内状态量间的耦合,提出了一种定量分析方法.该方法基于解耦得到的运动模态,结合气动导数矩阵,定量描述运动模态内状态量间的耦合,通过耦合的瞬时特性和积分特性定量区分各耦合.以Lynx,Bo105和Puma直升机为例,分析了三者悬停纵向运动模态的耦合特性.分析表明,纵向线速度通过空速稳定性对俯仰角速度的耦合作用在不稳定的悬停纵向振荡模态中起重要作用.基于算例的定量分析,筛选主要耦合得到简化模型,因此得到的运动模态固有频率和阻尼比的偏差小于2%,优于文献中的简化模型,说明了通过定量分析得到简化模型的可行性.      

稳定俯仰机动飞行包线研究及最大机动载荷的计算

本文首先对 MIL—A—008861A 给出的对称机动飞行包线进行了概要的讨论:而后从纵向小扰动运动方程出发,导出了舵面以阶跃形式输入时的稳定俯仰运动方程的解;同时考虑到规范中给定过载和失速与操纵系统的限制,编制了各类飞机在不同飞行状态下计算飞行包线的通用程序;应用该程序可以计算出稳定俯仰机动时最严重的机翼载荷和平尾载荷以及相应的飞行状态。最后,本文进行了一例计算。     

飞翼布局折叠机翼变体飞机操稳特性研究

为了研究飞翼布局折叠机翼变体飞机的操稳特性,自行设计飞翼布局折叠机翼变体飞机,建立研究模型并进行简化处理。采用涡格法和工程估算法对机翼折叠过程中飞机的纵向和横航向静稳定性进行分析;采用小扰动假设,将飞机扰动运动沿纵向和横航向解耦,分别得到纵向扰动运动和横航向扰动运动对应的模态,分析机翼折叠过程对飞机动稳定性的影响;结合工程估算法和CFD仿真分析机翼折叠过程对飞机操纵性的影响。飞行试验结果表明:在飞行中机翼折叠后,飞机有进入俯冲的趋势,随着配平舵偏角的增加,俯仰运动逐渐不够灵敏;在操纵杆量相同的情况下,机翼折叠状态的俯仰运动响应较快。     

高空飞艇俯仰稳定性及其边界分析

高空飞艇的俯仰稳定性及其边界直接影响飞艇的飞行安全,是飞艇总体设计和控制系统设计中的关键内容。针对某型高空飞艇,建立其小扰动线化运动模型,完成了飞艇纵向稳定性分析。首先,开发了飞艇配平与稳定性评估程序,分析飞艇开环系统的俯仰稳定边界;然后,建立了飞艇俯仰姿态跟踪的闭环系统,基于线性矩阵不等式方法,分析了飞艇飞行状态空间的俯仰稳定边界。研究表明：该线化模型下飞艇具有纵向动稳定性;随着飞行高度增加,飞艇的俯仰稳定性改善;飞艇闭环跟踪系统在二维状态子空间的俯仰稳定边界为斜椭球,内部处于稳定状态。     

仿昆扑翼飞行器的翅膀惯性力分析

用理论模化和仿真试验相结合的方法,研究了昆虫翅膀扑动产生的惯性力和惯性力矩.在昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上,研究了翅膀扑动过程中拍动幅度、拍动加(减)速周期、平动迎角和翻转加(减)速周期4个振翅运动参数对翅膀惯性力(矩)的影响.研究表明:微小尺度昆虫高频扑翅产生的惯性力幅值与气动力的幅值大致相当;昆虫翅膀的弦向转动惯量比展向转动惯量近似高一个数量级;翅膀拍动惯性力矩的影响远远高于翅膀转动惯性力矩的影响,而转动惯性力矩是可以忽略不计的;只要翅膀的拍动是对称的,就可认为翅膀的扑动是近似对称的;如果翅膀拍动对称的同时转动对称,就可认为翅膀的扑动是严格对称的,此时翅膀惯性力可以忽略.      

共轴式直升机地面共振机理分析

为理解共轴式直升机上下旋翼与机体之间的耦合作用,提出了一种分析共轴式直升机地面共振物理机理的时-频分析方法。考虑上下旋翼周期型摆振与机体俯仰和滚转自由度(DOF),建立了具有结构阻尼的共轴铰接式旋翼直升机地面共振分析模型。通过特征值计算和扰动运动方程的数值积分,获得了共轴式直升机地面共振的模态特性及时域响应特性,根据各自由度的响应特性揭示了旋翼与机体之间的相互作用。分析表明,具有上旋翼特征的摆振后退型模态是最不稳定模态。在动不稳定区内,上旋翼周期摆振与机体滚转自由度之间相互输入能量,是造成共轴式直升机地面共振的主要原因;对于该不稳定模态,下旋翼的周期摆振与机体滚转自由度之间也构成相互输入能量的相位关系,增加了直升机地面共振的动不稳定性。     

悬停飞昆虫拍动翼低雷诺数高升力气动机理研究

采用数值方法对果蝇翼悬停飞行拍动翼问题进行了模拟,介绍了前人生物观察和动态比例模型得来的简化拍动翼运动规律。果蝇翼模型平面形状采用Dickinson动态比例试验采用的形状,计算的无量纲参数根据Weis-Fogh,和Vogel果蝇捆绑飞行的数据得到。分别数值模拟了三种运动模态:超前模式(advanced mode),对称模式(symmetrical mode)和滞后模式(delayed mode)。数值模拟的结果同Dickinson的试验结果和孙茂的数值模拟结果进行了比较,吻合很好,表明本文的计算结果是合理的。根据数值模拟结果,结合气动力系数和流场结构进行分析,研究了果蝇悬停飞行获得高升力的流动机理。     

用运动嵌套网格方法数值模拟旋翼前飞非定常流场

通过求解Ｅｕｌｅｒ方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动,本文采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间采用中心平均的有限体积法进行离散,时间方向采用双时间法隐式推进求解。为了验证方法的正确性,数值模拟了悬停流场,数值结果和实验值吻合很好。尽管前飞状态的计算没有实验验证,但计算结果与其它文献计算结果吻合很好。     

Dynamic characteristics analysis and flight control design for oblique wing aircraft

The movement characteristics and control response of oblique wing aircraft (OWA) are highly coupled between the longitudinal and lateral-directional axes and present obvious nonlinear-ity. Only with the implementation of flight control systems can flying qualities be satisfied. This arti-cle investigates the dynamic modeling of an OWA and analyzes its dynamic characteristics. Furthermore, a flight control law based on model-reference dynamic inversion is designed and ver-ified. Calculations and simulations show that OWA can be trimmed by rolling a bank angle and deflecting the triaxial control surfaces in a coordinated way. The oblique wing greatly affects lon-gitudinal motion. The short-period mode is highly coupled between longitudinal and lateral motion, and the bank angle also occurs in phugoid mode. However, the effects of an oblique wing on lateral mode shape are relatively small. For inherent control characteristics, symmetric deflection of the horizontal tail will generate not only longitudinal motion but also a large rolling rate. Rolling moment and pitching moment caused by aileron deflection will reinforce motion coupling, but rud-der deflection has relatively little effect on longitudinal motion. Closed-loop simulations demon-strate that the flight control law can achieve decoupling control for OWA and guarantee a satisfactory dynamic performance.     

Design and experimental study of a new flapping wing rotor micro aerial vehicle

A three-wing Flapping Wing Rotor Micro Aerial Vehicle(FWR-MAV) which can perform controlled flight is introduced and an experimental study on this vehicle is presented. A mechanically driven flapping rotary mechanism is designed to drive the three flapping wings and generate lift, and control mechanisms are designed to control the pose of the FWR-MAV. A flight control board for attitude control with robust onboard attitude estimation and a control algorithm is also developed to perform stable ho...     

黏弹减摆器非线性特性对直升机前飞空中共振的影响分析

提出了一种基于复模量的黏弹减摆器非线性VKS改进模型,得到了减摆器单频及双频条件下复模量随动幅值变化的非线性特性;采用Floquet传递矩阵法计算了某直升机摆振后退型模态阻尼随前进比的变化。结果表明:直升机前飞时减摆器处于双频工作状态,与悬停时相比,空载及满载时耗能模量分别下降了50%及60%左右;从悬停转入前飞,空载时摆振后退型模态阻尼下降30%、满载时下降37%左右。     

熊蜂机动飞行动稳定性

针对目前飞行昆虫的动力学特性分析仅限于定常飞行,采用分叉分析方法研究了熊蜂的机动稳定性.分别以俯仰角速度和偏航角速度作为参变量,计算急停过程和急旋变向过程中各平衡点的稳定性并判断其稳定范围,分析熊蜂在不同前飞速度时的全局稳定性.结果表明:熊蜂在前飞速度为0时进行急旋变向是全局稳定的,偏航角速度为14.23rad/s<| r |<23.8rad/s具有唯一的稳定焦点,在前飞速度为2.5m/s和4.5m/s时进行急旋变向是不稳定的,这解释了飞行昆虫为何在急旋变向前降低飞行速度.熊蜂在不同速度处的急停都不是全局稳定的,会进入不稳定的大幅振荡,但发散之前具有一个约为30个扑动周期的过渡间隙,因此熊蜂由足够的调整时间.      

高超声速边界层转捩对旋转钝锥自由飞运动的影响

通过在钝锥模型表面上布置人工绊线促使边界层强迫转捩,采用运动自由度不受约束的风洞模型自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速旋转钝锥自由飞行运动特性和气动特性的影响规律,并与自然转捩的旋转钝锥风洞模型自由飞试验结果作对比分析,试验马赫数为5.0,以模型长为特征尺寸的自由流雷诺数为1.68×106。研究结果表明:有人工绊线的旋转钝锥在自由飞行过程中有"激励稳定"的绕流流场,产生动态稳定的自由飞运动(动稳定导数系数小于0),而无转捩绊线的旋转钝锥在自由飞行中则有"激励不稳定"的绕流流场,产生动态不稳定的自由飞运动(动稳定导数系数大于0)。     

用Newton子迭代方法计算前飞旋翼粘性绕流

通过求解Navier-Stokes方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场，为了同时保证计算的时间精确性和计算效率，时间推进格式采用了双时间推进方法，在该方法中，子迭代过程由十分高效的LU-SSOR方法完成，且使子迭代过程成为Newton子迭代，空间上应用中心平均的有限体积法进行离散，为了模拟前飞桨时间的相对运动，网格布局采用了运动嵌套网格方法，应用本文方法对-悬停流场进行了数值计算，计算结果与实验吻合较好，尽管缺乏实验数据的验证，对-有升力前飞状态的数值模拟结果是可信的。     

基于数值延拓算法的倾转旋翼机配平及稳定性分析

考虑旋翼尾流对机翼、平尾和垂尾的气动干扰,建立了倾转旋翼机非线性飞行动力模型。以XV 15为例,通过简化悬停模型,计算得到悬停的配平解,在此基础上,分别以前飞速度和短舱转角为延拓参数,数值延拓完成直升机模式、过渡模式和飞机模式在不同飞行速度下的配平。并在此基础上对倾转旋翼机进行稳定性分析。计算结果表明:应用数值延拓算法进行配平可以不受初值限制计算得到真实解;数值延拓算法具有全面性,可计算全短舱转角-速度包线内的平衡值。      

Kalman滤波器在直升机盘旋飞行中的应用

 介绍了一种针对无人驾驶直升机小半径稳速盘旋使用的Kalman 滤波器, 并用其进行数据处理, 同时给出了无人驾驶直升机盘旋飞行的状态方程, 以及进入盘旋、退出盘旋和野值数据的自动判断和处理, 并且在分析过程中给出了误差分析。讨论了飞行模式检测方法的设计思路及关键技术, 并给出了本方法的虚警概率。本方法可用于导航控制、天线跟踪和遥测数据处理等系统中, 可以提高定位的准确性, 并进行飞行模式的自动判决。