微型飞行器的仿生力学——蜜蜂悬停飞行的动稳定性研究

研究蜜蜂悬停飞行的纵向动稳定性问题。用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程。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、慢衰减模态。不稳定振荡模态主要为俯仰与水平方向的振荡运动;向前运动伴随上仰运动,向后运动伴随下俯运动,这种水平运动与俯仰运动的耦合产生的与转动方向同向的力矩,是不稳定的原因。快衰减模态主要为单调下俯和向前(或上仰和向后)运动。慢衰减运动主要为下沉(或上升)运动。由于不稳定振荡模态的存在,蜜蜂的悬停飞行是动不稳定的,扰动增长的倍幅时间(0.11s)是拍动周期(5.1ms)的22倍,这对蜜蜂来说是较慢的。这里的结果也许可解释蜜蜂为何悬停得很平稳,同时机动性也很好:扰动增长慢,易于调整翅的运动以抑制之(昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动);而稳定性弱或不稳定为高机动性提供了基础。     

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).