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。     

扑翼式微型飞行器的风洞试验动态数据采集和处理

介绍了扑翼式微型飞行器的虚拟仪器测控系统结构,以及为避免多线程中死锁的关键问题,建立基于安全队列的多线程技术的动态实验测量系统.以微型飞行器风洞动态实验为对象,解释了基于安全队列的多线程技术应用于动态测控实验的优势.通过某扑翼式MAV进行吹风试验和频率谱计算,进一步验证了动态测量的正确性.     

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.     

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.     

适合于柔性结构扑翼飞行器的空间非定常涡格法

推导了新的基于空间非定常涡格法的扑翼飞行器升力和推力的计算公式,然后分析了瞬时形状速度对它们的影响.与实验结果的对照表明,基于向量分析、考虑了飞行中的诱导阻力因素的新公式可以有效地估算升力和推力.由于结构的柔性使扑翼在扑动过程中存在变形,本文考虑了空间涡格法中扑翼的η/t对气动力的影响,提出了η/t的表达式,使之更接近真实扑动情况,并计算了其对扑翼飞行器升力和推力的影响.通过计算发现,升力系数和推力系数的正峰值和负峰值随η/t增大而增大,平均升力和平均推力也随η/t增大而增大,表明可以通过改变结构参数达到改善气动性能的目的,对扑翼飞行器的研制有一定的指导作用.     

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.     

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。     

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.     

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.     

基于光流法和模糊控制的扑翼飞行器避障研究

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...     

应用于微型飞行器阵列天线的自适应波束形成器

微型飞行器的天线采用灵巧的自适应阵列天线。由于自适应阵列天线的幅相误差会引起线性约束自适应波束形成器的期望信号相消,本文根据微型飞行器自适应天线系统的设计,基于广义旁瓣对消器(G SC)结构,在频域中将阻塞矩阵赋予自适应功能,进而得到了一种改进的,可行的,稳健的自适应波束形成器。仿真试验表明,此方法对天线阵列幅相误差具有稳健性,降低了运算量,可以应用于微型飞行器二维自适应阵列天线,实现实时的波束形成。     

微型飞行器螺旋桨的气动优化设计

提出了一种用于微型飞行器螺旋桨的气动优化设计方法。该方法分为两部分：基于有限片桨叶涡流理论的气动性能计算和采用遗传优化算法的优化设计。在优化过程中，用贝塞尔样条描述桨叶的宽度和安装角沿半径的分布，考虑了桨叶不同剖面处雷诺数的变化，以螺旋桨的推进效率作为目标函数得到了桨叶沿半径的宽度、安装角的最佳分布。设计结果表明，该方法能够得到工程上实用的设计结果。最后，根据该方法制作了用于螺旋桨气动设计和性能计算的软件，该软件能方便数据输入，直观显示设计结果。     

微型飞行器自主飞行专家模糊控制技术

微型飞行器(Micro air vehicles, MAV)的自主飞行控制是目前国内外微型飞行器研究领域正在积极开展的一项研究.由于MAV自身尺寸微小,飞行环境复杂多变,其飞行力学具有明显的非线性、非定常特性,传统的飞行控制技术已非常不适用.本文将模糊控制技术引入到MAV飞行控制之中,实现了各个方向的姿态控制、高度控制,在此基础上,根据MAV飞行力学特性与实际飞行经验,建立了一个完整的专家控制体系,实现了MAV自主飞行控制.最后,运用Lyapunov理论,验证了系统的全局稳定性.     

仿枫树种子微型飞行器的总体与飞行控制设计

通过模拟枫树种子独特的自旋飞行方式,设计了一种仿枫树种子的新型微型飞行器。参考枫树种子的外形与重量分布来完成该微型飞行器的总体布局设计,同时采用动态网格非定常流场方法计算分析了该飞行器不同转速下的飞行工况。根据这种飞行器独特的飞行方式,基于地磁场的方位定标,设计了这类自身无固定参考系飞行器的飞行控制方法,最后制造了样机进行飞行试验。结果表明：仿枫树种子微型飞行器具有良好的气动效率,所设计的操纵方案有效可靠,大大增加了这种飞行器的可控性和实用性。     

运载火箭推力下降故障下的在线弹道重构方法

针对运载火箭推力下降故障下难以实现在线弹道重构的问题,提出了一种基于神经网络的剩余运载能力估计及程序角重构的算法。以线下基于工程实践的弹道优化方法生成的故障状态下最优弹道作为学习样本,针对程序角曲线的特点,分别使用不同学习方式学习一级飞行段程序角和其他飞行段程序角;分析不同超参数对神经网络训练过程的影响,利用随机搜索法选取超参数。该算法使用以神经网络为核心的机器学习思想,用基于数据的方式避免了因运载火箭动力学模型复杂而无法在线快速求解最优弹道的问题,能够解决大气环境下弹道重构的难题。仿真结果表明,该算法对剩余运载能力估计准确,重构程序角与最优弹道相比误差小,运算速度相比其他方法优势明显。     

双喉道推力矢量喷管的气动性能数值模拟

对双喉道推力矢量喷管的流动特性和气动性能进行了数值模拟研究,分析了在有无推力矢量情况下,双喉道喷管的主流落压比(Nozzle pressure ratio,NPR)和二次流流量对喷管的气动性能与内部流动特性的影响。研究结果表明,在无推力矢量状态下,双喉道喷管在落压比NPR=3.0~4.0之间具有最优的推力系数和流量系数,分别为0.974和0.935。在有推力矢量状态下,双喉道喷管在NPR=4.0时具有最优的推力矢量角和推力系数,其推力矢量角最高为16.1°。当二次流流量为4时,推力矢量角为14.6°,推力系数为0.95。随着二次流流量的增加,双喉道喷管的推力矢量角逐渐增加,但是当增加到一定值之后,推力矢量角会逐渐减小。在相同的二次流流量下,随着主喷管落压比的增加,推力矢量角和推力矢量效率逐渐降低。随着主喷管落压比的增加,双喉道喷管的推力系数逐渐升高,在NPR=4.0达到最大值后逐渐降低。流量系数随着主喷管落压比的增加逐渐增大,但是在NPR=4.0以后,流量系数的变化趋于稳定。     

空气中微细电火花沉积铜合金工艺方法

提出了一种在空气中将工具电极丝黄铜材料沉积到工件上的新工艺方法。实现该方法的基本条件为:(1)工具电极接脉冲电源正极;(2)在空气中放电;(3)窄脉宽配合宽脉间。通过大量实验对微细电火花沉积加工的工艺规律进行了系统深入的研究,得出各主要工艺参数对沉积工艺效果的影响规律。最终以黄铜电极丝为工具电极,在高速钢工件表面上沉积出直径为0.19 mm、高度为7.35 mm的微小圆柱体。利用SEM、能谱分析和X射线衍射及显微硬度测试等方法对沉积物进行分析,得出该沉积物的组织结构、化学成分和硬度等方面的基本性质,为进一步研究三维沉积加工奠定了基础。     

微型飞行器的GPS-图像复合导航技术

根据微型飞行器的飞行特点,设计了一种能有效提高图像匹配速度的复合导航算法,即GPS-改进图像相关法,利用GPS传感信息与图像信息相结合,快速而准确地引导微型飞行器到达目的地.为了进一步减少匹配时间,提高匹配效率,同时保证一定的匹配精度,文中设计了先粗后精的分层匹配控制策略.仿真结果表明,该算法相对于传统相关匹配法,不仅保持了很好的匹配率,还有效地提高了匹配的速度,运行于4-DSP系统平台上,完全达到系统实时性的要求.     

基于特征模型的某型无人机智能PID控制器

无人机的飞行特性在很大程度上取决于其飞行控制律。本文以无人机的姿态控制回路为研究对象,分析了表征该无人机姿态控制特性的特征状态信息。利用特征建模的方法,设计一种基于控制对象特征模型的无人机姿态回路仿人智能P ID控制器,并进行了仿真试验。结果表明,该控制器具有较好的抗干扰和自适应能力,结构简单,针对性强,易于实现。