一种基于风洞试验的扑翼飞行器纵向姿态动力学建模方法

摘要

本发明提出了一种基于风洞试验的扑翼飞行器纵向姿态动力学建模方法，包括：通过风洞试验模拟飞行，测量扑翼飞行器的纵向力矩的实验数据，基于实验数据计算扑翼飞行器的平均纵向力矩和扑动频率；基于扑翼飞行器的扑动运动和平移运动，以及扑动运动和平移运动的协同效应，将纵向力矩分为第一力矩、第二力矩以及第三力矩；根据第一力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立无来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第一模型参数；基于无来流模型，结合第二力矩和第三力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第二模型参数。本发明避免设备要求更高的飞行试验，降低数据获取的难度，基于风洞试验数据提高建模精度。

说明书

技术领域

本发明属于飞行器建模领域，尤其涉及一种基于风洞试验的扑翼飞行器纵向姿态动力学建模方法。

背景技术

仿生式的飞行器已经成为各类科研单位和科技公司的研究热点，扑翼飞行器是一种受生物飞行启发的新型飞行器，结合了固定翼和旋翼飞行器的优点，有着更好的机动能力，更高的空气动力学效率以及优秀的隐蔽能力，能够执行室内和室外任务。

获取精确的扑翼飞行器的纵向姿态动力学模型，对扑翼飞行器控制系统开发，导航系统设计和飞行仿真模拟都具有重要意义。目前对于扑翼式飞行的机理研究尚未成熟，从理论推导存在强耦合关系的扑翼飞行器动力学模型存在困难，并且精度并不理想。这为扑翼飞行器的研发带来巨大的挑战，提出一个高可用的扑翼飞行器纵向动力学建模方法具有重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术中扑翼飞行器纵向姿态动力学建模困难、模型不精确的问题，本发明提出了一种基于风洞试验的扑翼飞行器纵向姿态动力学建模方法，包括：

通过风洞试验模拟飞行，测量扑翼飞行器的纵向力矩的实验数据，基于实验数据计算扑翼飞行器的平均纵向力矩和扑动频率；

基于扑翼飞行器的扑动运动和平移运动，以及扑动运动和平移运动的协同效应，将纵向力矩分为第一力矩、第二力矩以及第三力矩；

根据第一力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立无来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第一模型参数；

基于无来流模型，结合第二力矩和第三力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第二模型参数。

可选的，所述通过风洞试验模拟飞行，测量扑翼飞行器的纵向力矩的实验数据，包括设置扑翼飞行器的实验变量，所述实验变量包括扑动频率、迎角和来流速度；

其中，通过控制扑翼飞行器中驱动电机的PWM信号，设置扑翼飞行器的扑动频率；通过角度位移台设置扑翼飞行器的迎角；通过控制风洞的流速设置来流速度。

可选的，所述基于实验数据计算扑翼飞行器的平均纵向力矩和扑动频率，包括：对测得的纵向力矩进行平均处理，所述平均处理的公式为：

其中，M

可选的，所述基于实验数据计算扑翼飞行器的平均纵向力矩和扑动频率，包括：对测得的纵向力矩进行快速傅里叶变换得到频谱，由频谱中的峰值位置确定扑翼飞行器的扑动频率。

可选的，所述建模方法还包括：基于实验数据计算扑翼飞行器的平均纵向力矩和扑动频率之前，对实验数据进行预处理操作，所述预处理操作包括基于低通滤波对实验数据进行去噪。

可选的，所述第一力矩为由扑翼飞行器周期扑动产生的自身力矩，所述第二力矩为由固定翼平移运动产生的力矩，所述第三力矩为扑动运动和平移运动的协同效应产生力矩。

可选的，所述根据第一力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立无来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第一模型参数，包括：

基于扑翼飞行时力矩与扑翼频率的特性，将无来流模型表达为：

M

其中，M

其中，L

可选的，所述基于无来流模型，结合第二力矩和第三力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第二模型参数，包括：

基于流体动压公式，将第二力矩表达为：

M

基于扑动运动和平移运动的协同效应，将第三力矩表达为：

M

M

结合无来流模型，将第一力矩、第二力矩和第三力矩相加作为来流模型；

基于最小二乘法对来流模型的第二模型参数进行参数辨识优化，所述参数辨识优化的模型为

其中，L

可选的，所述建模方法还包括，在通过风洞试验模拟飞行之前，对用于测量纵向力矩的六轴测力天平进行调零操作。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)通过风洞试验获取扑翼飞行器的飞行纵向力矩数据，避免了设备要求更高的飞行试验，降低了数据获取的难度；

(2)通过对实验数据的处理，降低了外界干扰对实验数据的影响，提高了数据的准确性和可用性；

(3)数据驱动的建模方法避免了扑翼飞行器纵向力矩理论建模的复杂手段，基于风洞试验数据提高建模精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的一种基于风洞试验的扑翼飞行器纵向姿态动力学建模方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于风洞试验的扑翼飞行器测力系统的示意图；

图3为本发明实施例提供的扑翼飞行器的受力和参考平面示意图；

图4为本发明实施例提供的翅翼参数示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。

应当理解，在本发明中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。

取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

实施例

如图1所示，本实施例提出了一种基于风洞试验的扑翼飞行器纵向姿态动力学建模方法，包括：

S1：通过风洞试验模拟飞行，测量扑翼飞行器的纵向力矩的实验数据，基于实验数据计算扑翼飞行器的平均纵向力矩和扑动频率；

S2：基于扑翼飞行器的扑动运动和平移运动，以及扑动运动和平移运动的协同效应，将纵向力矩分为第一力矩、第二力矩以及第三力矩；

S3：根据第一力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立无来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第一模型参数；

S4：基于无来流模型，结合第二力矩和第三力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第二模型参数。

在本实施例中，上述建模方法通过图2所示的扑翼飞行器的测力系统实现，具体包括：扑翼飞行器1、六轴测力天平2、固定连接件3、角度位移台4、计算机5、飞行器固定支架6以及风洞7。在本实施例中，将六轴测力天平2连接在扑翼飞行器1的重心处，由固定连接件3把六轴测力天2平和扑翼飞行器1固定在角度位移台4上，角度位移台4和飞行器6固定支架相连，扑翼飞行器1与计算机5通过蓝牙连接进行通讯。

扑翼飞行器纵向力矩的主要影响因素包括扑动频率、飞行迎角和来流速度。其中，通过控制扑翼飞行器1中驱动电机的PWM信号，设置扑翼飞行器1的扑动频率，具体为计算机5通过蓝牙控制输入驱动电机的PWM信号；通过角度位移台4设置扑翼飞行器1的迎角；通过控制风洞7的流速设置来流速度。在本实施例中，设置驱动电机输入PWM占空比由50％至100％，间隔为5％，扑翼飞行器迎角0°至70°，间隔为10°，风洞流速0至6m/s，间隔为1m/s。

在本实施例中，六轴测力天平2的采样频率为10000hz，每组实验进行10秒的数据采集。在通过风洞试验模拟飞行之前，即每次开启风洞和启动扑翼飞行器前，都要对用于测量纵向力矩的六轴测力天平2进行调零操作，从而确保六轴测力天平的测量精度。

在完成测力系统的设备准备工作之后，首先对扑翼飞行器进行风洞试验。风洞试验依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，从而获取实验数据，避免了设备要求更高的飞行试验，降低了数据获取的难度。

为了方便后续的建模工作，在本实施例中，基于实验数据计算扑翼飞行器的平均纵向力矩和扑动频率，包括：

对测得的纵向力矩进行平均处理，所述平均处理的公式为：

其中，M

由于扑翼飞行器的扑动频率并不容易准确控制，根据扑动运动的周期性，对测得的纵向力矩进行快速傅里叶变换得到频谱，由频谱中的峰值位置确定扑翼飞行器的扑动频率。

为了进一步提高后续建模的参数辨识准确性，基于实验数据计算扑翼飞行器的平均纵向力矩和扑动频率之前，对实验数据进行预处理操作，所述预处理操作包括基于低通滤波对实验数据进行去噪。在本实施例中，使用低通滤波对外界振动进行隔离，提高测量数据的准确性，考虑本实施例中扑翼飞行器的扑动频率约为8hz至25hz，将滤波器的截止频率设置为40hz。

至此完成建模准备工作，本实施例将扑翼飞行器的纵向力矩拆分为第一力矩M

M

在没有来流的情况下不考虑风速，则M

本实施例参考昆虫扑翼飞行时力矩与扑翼频率的特性，无风情况下的扑翼运动的力矩和扑翼频率是二次相关的，因此将无来流模型表达为：

M

其中，M

本实施例基于最小二乘法对第一模型参数进行参数辨识优化，所述参数辨识优化的模型为：

其中，L

本实施例在获取无来流条件下的扑翼飞行器纵向动力学模型后，再对存在来流情况下的纵向动力学模型进行模型化及参数辨识，即基于无来流模型，结合第二力矩和第三力矩对扑翼飞行器纵向力矩建立来流模型，根据平均纵向力矩和扑动频率确定第二模型参数，包括：基于流体动压公式，将第二力矩表达为：

M

需要注意的是，在本实施例中，扑翼飞行器的受力和参考平面如图3所示，本实施例使用ZXY欧拉坐标系来描述扑翼飞行器的纵向姿态，其中，V为飞行速度，θ为俯仰角，β为行程角，α为飞行速度和行程平面的之间的行程平面角。本实施例定义起飞时的行程角β为0，则行程平面角α可以表示为：

本实施例考虑扑翼运动的周期性，采用傅里叶级数表示的扑翼飞行器的俯仰力矩系数，并且在对傅里叶级数的阶数进行拟合试验后，结果在阶数为1的时候就可以达到较高的拟合精度，因此在这里选取N＝1。

在本实施例中，关于翅翼的参数如图4所示，所述平均弦展长的计算公式为：

W为翅翼的宽度，L为翅翼的长度，c(y)为关于xy坐标轴的翅翼边缘曲线方程。

基于扑动运动和平移运动的协同效应，将协同作用产生的力矩M

M

M

结合无来流模型，将第一力矩、第二力矩和第三力矩相加作为来流模型，即M

由上述建模过程可知，k

其中，L

根据风洞试验所得到的力矩测量数据，求解上述参数辨识优化的模型，得到实验样机在来流情况下的纵向力矩模型参数。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。