微型仿生扑翼飞行机器人飞行机理和控制方案研究

摘要

微型仿生扑翼飞行机器人是一种仿生飞行的飞行器，在军事上和民用上均有着广阔的应用前景，它已经成为国内外的几大研究热点之一。本论文结合东南大学211工程振兴行动计划资助项目(项目编号：3008002102)，作为微型仿生扑翼飞行机器人关键技术的一部分，主要围绕昆虫飞行产生高升力的机理进行分析研究，进而探索微型仿生扑翼飞行机器人的仿生机理，通过对生物飞行方式和固定翼飞机飞行方式的控制进行研究和分析，对微型仿生扑翼飞行机器人飞行姿态的控制，提出了合理的控制方案。 本文对已有的关于昆虫飞行高升力机理的观点，进行详细的介绍，并加以评论，认为“拍．合”机制、“延迟失速”机制、“旋转环流”机制和“尾流捕捉”机制等观点各有各的不足之处，提出用“斜板效应”理论来分析物体在流体中运动的观点。 以质量守恒和动量守恒定律为基础，从运动学的角度提出斜板效应理论，通过实验和计算分析的方法，详细介绍了斜板效应的受力分析，通过分析验证了：不同外形物体在空气中运动的阻力系数不同，与目前高速运动的物体多采用流线型外形相符合；公式推理结果表明：对于同一物体飞行迎角的不同，其升阻比也不同，这一点又印证了固定翼飞机飞行存在临界迎角的事实。以斜板效应为依据，分析了鸟与螺旋桨飞机飞行机理的区别与联系，并首次给出了鸟类飞行时，两翅拍动产生的前进力和阻力的计算方法。 利用观察实验的方法，给出昆虫翅膀和背部飞行肌肉的显微结构，分析认为：昆虫翅膀具有协调的柔性，上下表面具有不同的粗糙度，翅膀上表面的翅肋具有像飞机机翼上风刀的整流作用，前后柔性不同，使得翅膀前缘在下拍时容易产生前缘涡。于是推理得出昆虫翅膀特殊结构决定其飞行产生较高升力。 以昆虫翅膀结构为物质基础，以斜板效应为理论指导，从翅膀的柔性出发，分析了昆虫翅膀在飞行中上挥和下拍时的受力，同时用刚性翅膀模型与之对比分析，得出了这样的结论：在同样的飞行条件、飞行迎角和拍翅频率下，柔性翅膀拥有比刚性翅膀模型高得多的升阻比，同时又提出了昆虫飞行中具有潜在的滑翔效应，通过计算分析得出：昆虫飞行占据了小尺寸效应的优势；由于昆虫翅膀在不同位置具有不同的迎角，在分析昆虫翅膀拍动规律的基础上，提出了等效迎角的概念。 通过分析生物飞行方式和固定翼飞机飞行方式的控制特点，提出生物飞行中翅膀的拍动是一种节律运动，总结出物体在空中飞行姿态的改变，都是通过对物体的重心施加扭转力矩或力偶矩来实现的，提出了通过改变重心位置的方法来控制微型仿生扑翼飞行机器人飞行姿态的控制方案。 建立了风洞试验平台，依据实验结果，对传动装置、传感系统、动力源和拍动机构进行了筛选，确定了样机的运动传动流程及结构外形。在风洞试验数据指导下进行了多次室外放飞试验，通过室外放飞，多次验证飞行的高升力机理，也帮助本试验小组反复优化试验样机，实验实况的记录也将为今后继续微型仿生飞行的研究提供有利的指导，最后成功地进行了样机的试验飞行。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2微型仿生扑翼飞行机器人的特点及应用

1.3各式微型仿生扑翼飞行机器人的研究状况

1.3.1仿生学飞行运动机理

1.3.2能源和驱动系统

1.3.3运动系统

1.3.4控制、通信和传感

1.4微型仿生扑翼飞行机器人研制过程中的几点关键技术

1.4.1相关的空气动力学问题

1.4.2微型能源和驱动

1.4.3结构和运动机构

1.4.4传感、控制和通信系统

1.5课题的研究意义和本文研究的主要内容

1.5.1课题来源及研究意义

1.5.2本文的主要研究内容

第二章飞行理论中的基本术语和生物飞行模式的简单介绍

2.1基本术语及相关空气动力学、飞行力学的理论介绍

2.1.1基本术语

2.1.2相关的空气动力学和飞行力学理论

2.2解析鸟和昆虫不同的飞行频率

2.3飞行生物的多种飞行模式介绍

2.4本章小结

第三章关于仿昆飞行中产生高升力机理研究的现状及评论

3.1引言

3.2“拍-合”机制

3.3“延时失速”机制

3.4“旋转环流”机制和“尾流捕捉”机制

3.5本章小结

第四章 飞行运动中的斜板效应及其应用

4.1绪论

4.2飞行运动中的斜板效应

4.2.1斜板效应的力学分析

4.2.2斜板效应的特点

4.3鸟与螺旋桨飞机飞行机理的异同

4.3.1螺旋桨飞机的飞行机理

4.3.2鸟类的飞行机理

4.4本章小结

第五章 昆虫飞行器官和飞行特点分析

5.1引言

5.2昆虫翅膀

5.2.1昆虫翅膀结构

5.2.2昆虫翅膀结构分析

5.3昆虫的背面肌肉

5.4昆虫的飞行特点

5.5本章小结

第六章 昆虫飞行的高升力机理的探索

6.1引言

6.2昆虫翅膀具有协调的柔性

6.2.1昆虫翅膀的气动力分析

6.2.2昆虫的柔性翅膀有效提高了升力系数

6.3昆虫飞行潜在的滑翔效应

6.4小尺寸效应

6.5昆虫的拍动方式

6.6本章小结

第七章关于微型仿生扑翼飞行机器人控制方式的探索

7.1引言

7.2昆虫拍翅的节律运动

7.3生物飞行的控制方式

7.3.1昆虫飞行的控制方式

7.3.2鸟类飞行的控制方式

7.4固定翼飞机飞行的控制方式

7.4.1舵面控制

7.4.2动力矢量控制技术

7.5微型仿生扑翼飞行机器人控制方式的探索

7.6本章小结

第八章微型仿生扑翼飞行机器人的试验及研究

8.1引言

8.2风洞试验平台的介绍

8.2样机的确定

8.3室外放飞实验记录及经验教训总结

8.4本章小结

第九章结论与未来工作展望

9.1结论

9.2几点有待说明的问题

9.3未来工作展望

参考文献

作者在攻读硕士期间发表论文情况

致谢