撲翼飛行器一種仿生學(xué)研究的產(chǎn)物,通過模仿自然界中鳥類或昆蟲等飛行生物的生理結(jié)構(gòu)和飛行機理實現(xiàn)在空中的飛行,相比于固定翼和旋翼飛行器,撲翼飛行器的能量利用率高,隱蔽性強,易于微型化,同時具有極強的機動性與靈活性,可以在飛行過程中輕松完成包括垂直起降、快速前飛和懸停等多種復(fù)雜的飛行動作,在軍事和民用領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。目前具備懸停飛行能力的微型撲翼飛行器大多存在可控性能差,懸停時間短且范圍大等問題,本文從研制微型撲翼飛行器樣機入手,對樣機進行了運動學(xué)及數(shù)值仿真分析,并根據(jù)仿真分析結(jié)果提出了一種微型撲翼飛行器可懸停飛行的控制方案,開發(fā)了機載控制器,并進行了相關(guān)實驗研究進行驗證。本文針對微型撲翼飛行器可懸停飛行的需求,研制了一款微型撲翼飛行器樣機作為后續(xù)研究的實驗平臺。參考鳥類飛行參數(shù)與自身質(zhì)量的關(guān)系,確定樣機的各項飛行參數(shù),并根據(jù)實際情況進行了調(diào)整;設(shè)計撲動機構(gòu)實現(xiàn)周期性的上下?lián)鋭?選擇翅翼的材料和翼形,確定尾翼的結(jié)構(gòu)形式;通過合理搭配現(xiàn)有的電子設(shè)備,實現(xiàn)了樣機的初步可控飛行。建立微型撲翼飛行器樣機的動力學(xué)模型。對樣機撲動機構(gòu)進行運動學(xué)仿真,獲得了樣機撲動機構(gòu)的運動規(guī)律;采用計算流體力學(xué)的方法對樣機進行數(shù)值仿真,分析樣機在不同撲動頻率和不同撲動傾角下的氣動特性;建立了樣機尾翼的力矩模型;根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計了樣機可懸停飛行的控制方案,實現(xiàn)對微型撲翼飛行器姿態(tài)及高度的控制。設(shè)計開發(fā)了機載控制器,對微型撲翼飛行器在飛行過程中的姿態(tài)及高度信息進行采集輸出。該控制器硬件平臺采用了STM32處理器,同時搭載由MPU6050、磁力計、氣壓計等傳感器組成的10軸傳感器模塊,通過互補濾波算法融合不同傳感器的測量數(shù)據(jù),解算出微型撲翼飛行器當(dāng)前的姿態(tài)及高度信息,并通過無線通信模塊接收來自遙控器的指令數(shù)據(jù),控制微型撲翼飛行器的飛行狀態(tài)。最后對樣機在不同撲動頻率和不同俯仰角下的氣動力及氣動力矩進行了測量實驗,對比仿真分析的結(jié)果,驗證了懸停飛行控制方案的可行性。樣機安裝機載控制器進行姿態(tài)檢測實驗,驗證了機載控制器的有效性,搭載微型直線舵機進行試飛實驗,實現(xiàn)了樣機俯仰姿態(tài)的調(diào)整。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V276
【部分圖文】：

開微型撲翼飛行器氣動特性、姿態(tài)控制等領(lǐng)域的研究。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀自從美國上世紀(jì)九十年代提出微型飛行器的概念之后，許多國家開始意識到微型飛行器的重要性，開始對微型飛行器的相關(guān)技術(shù)進行研究。隨著撲翼飛行空氣動力學(xué)理論的不斷發(fā)展，微型撲翼飛行器的研究取得了較大成果。美國作為微型飛行器概念的提出者，在微型撲翼飛行器樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛行控制及氣動特性研究等方面明顯領(lǐng)先其他國家。Nano Hummingbird 是由美國 Aero Vrionment 公司于 2011 年研制成功的一款微型撲翼飛行器[16]，如圖 1-1 所示。其外形酷似蜂鳥，總重量19 g，翼展16 cm，采用柔性膜作為翅翼材料，其撲動機構(gòu)為四連桿、滑輪與繩線的組合結(jié)構(gòu)，依靠電池提供動力，續(xù)航能力最長可達 20 分鐘，可攜帶微型攝像頭進行室內(nèi)外偵查。Nano Hummingbird 代表了當(dāng)前可懸停微型撲翼飛行器的最高水平，該飛行器通過模擬蜂鳥的飛行方式，利用翅翼的扭轉(zhuǎn)對飛行姿態(tài)進行控制，可實現(xiàn)機動飛行和精準(zhǔn)懸停。

開微型撲翼飛行器氣動特性、姿態(tài)控制等領(lǐng)域的研究。1.2.1 國外研究現(xiàn)狀自從美國上世紀(jì)九十年代提出微型飛行器的概念之后，許多國家開始意識到微型飛行器的重要性，開始對微型飛行器的相關(guān)技術(shù)進行研究。隨著撲翼飛行空氣動力學(xué)理論的不斷發(fā)展，微型撲翼飛行器的研究取得了較大成果。美國作為微型飛行器概念的提出者，在微型撲翼飛行器樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛行控制及氣動特性研究等方面明顯領(lǐng)先其他國家。Nano Hummingbird 是由美國 Aero Vrionment 公司于 2011 年研制成功的一款微型撲翼飛行器[16]，如圖 1-1 所示。其外形酷似蜂鳥，總重量19 g，翼展16 cm，采用柔性膜作為翅翼材料，其撲動機構(gòu)為四連桿、滑輪與繩線的組合結(jié)構(gòu)，依靠電池提供動力，續(xù)航能力最長可達 20 分鐘，可攜帶微型攝像頭進行室內(nèi)外偵查。Nano Hummingbird 代表了當(dāng)前可懸停微型撲翼飛行器的最高水平，該飛行器通過模擬蜂鳥的飛行方式，利用翅翼的扭轉(zhuǎn)對飛行姿態(tài)進行控制，可實現(xiàn)機動飛行和精準(zhǔn)懸停。

在空氣動力學(xué)、仿生結(jié)構(gòu)、飛行姿態(tài)控制等方面進行了深入研究，研制出了一款重約21 g，翼展約16 cm，無尾翼可控仿昆撲翼飛行器KUBeetle，如圖 1-5 所示。該飛行器具有良好的飛行性能，通過 PD 控制，可實現(xiàn)垂直起飛，并在大約0.3 m直徑范圍內(nèi)懸停和漂移。荷蘭代爾夫特科技大學(xué)自 2005 年開始相繼研制出 DelFly I、DelFly II、DelFly Micro、DelFly Explorer 等多種型號的微型共軸雙撲翼飛行器，如圖 1-6所示，并在空氣動力學(xué)、機翼設(shè)計、實驗等方面[23-25]做了大量研究。飛行器采用 X 型撲翼布局，可實現(xiàn)前飛到懸停的轉(zhuǎn)換，三代樣機的尺寸不斷縮小，

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本文編號：2813377