微型撲翼飛行器是一種仿鳥或仿昆蟲的新型飛行器,通過一個撲動系統(tǒng)產(chǎn)生推力和升力,有著高機動性、低能耗和低噪音等優(yōu)點,在偵察和勘測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。翅翼柔性是鳥類和昆蟲的重要特征,大量研究表明翅翼柔性對撲翼飛行性能有著重要影響,但柔性翅翼翼型、撲動軌跡參數(shù)和翅翼柔性變形參數(shù)等因素對撲翼氣動特性的影響機制尚不明晰。本文通過實驗的方法,研究微型撲翼懸停飛行狀態(tài)下的氣動力特性,旨在探究翼型撲動變形參數(shù)測量方法、不同柔性翅翼氣動力特性和柔性翅翼非對稱撲動對氣動力的影響,為微型仿生撲翼飛行器的設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考和控制策略。研制了一款用于實驗的微型仿生撲翼飛行器樣機,通過Matlab完成了對該樣機的機構(gòu)運動學(xué)仿真分析。采用RealSense深度相機搭建了撲翼飛行器翅翼三維形貌測量實驗平臺,通過該測量平臺重建了實驗樣機懸停飛行狀態(tài)下翅翼的動態(tài)三維形貌,測量了翅翼的撲動參數(shù)和最大拱度,分析對比了不同柔性翅翼變形過程。結(jié)果表明具有較小剛度的翅翼在撲動過程中翅翼變形呈不規(guī)則自適應(yīng)情況,產(chǎn)生較大的拱形變形。搭建了微型撲翼氣動力測量實驗平臺,研究了翅翼柔性、撲動頻率和不同上揮下?lián)浣墙M合對實驗樣機懸停飛行狀態(tài)下氣動力和氣動力矩的影響。設(shè)計了四種結(jié)構(gòu)尺寸相同但材料不同的柔性翅翼,并對搖桿改進(jìn)設(shè)計,使其在最大撲動角不變的情況下,實現(xiàn)六種上揮下?lián)浣墙M合的時間非對稱撲動。實驗結(jié)果表明,翅翼的柔性會影響產(chǎn)生升力的大小,不同柔性的翅翼對推力幅值影響較小,但會影響產(chǎn)生推力的方向;柔性翅翼在撲動過程中更容易保持自身平衡穩(wěn)定,翅翼的柔性變形會使撲翼飛行器具有一定的穩(wěn)定自適應(yīng)。不同的上揮下?lián)浣墙M合會影響升力產(chǎn)生的方向和大小;側(cè)向力主要與撲動模式和實驗樣機結(jié)構(gòu)對稱性有關(guān),非對稱撲動對其影響較小。本文的工作為研究撲翼飛行器翅翼柔性變形和撲動參數(shù)測量提供了一個新的思路,相關(guān)實驗成果能在一定程度上指導(dǎo)撲翼飛行器的設(shè)計和優(yōu)化。
【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】：V211;V276
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論1.1 課題背景及研究的目的和意義微型飛行器（Micro Air Vehicle，MAV）的概念最早由美國國防高級研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）于 20 世紀(jì) 90 年代提出[1]，到今天，有關(guān)微型飛行器的研究已經(jīng)開展近 30 年。根據(jù)飛行原理，微型飛行器可分為固定翼微型飛行器（Fixed Wing Micro Air Vehicle），旋翼微型飛行器（Rotary Wing Micro Air Vehicle）和撲翼微型飛行器（Flapping Wing MicroAir Vehicle），三種飛行器典型代表如圖 1-1 所示[2,3]。相比固定翼和旋翼飛行器，撲翼通過一個撲動系統(tǒng)產(chǎn)生升力和推力，將舉升、懸停和推進(jìn)等功能集于一個撲翼系統(tǒng)，使其在飛行過程中保持較高機動性的同時具有較低的能量消耗[4,5]。除此之外，仿生微型撲翼飛行器隱蔽性強、噪音小的優(yōu)點使其在偵察和勘測等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景[6-8]。

a) 撲翼樣機 b) 翼面結(jié)構(gòu)圖 1-2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)仿鷹蛾撲翼飛行器[32]396目前有關(guān)撲翼飛行實驗研究手段等方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，諸多有關(guān)撲翼飛行器氣動力測量方法和實驗裝置相繼提出。通過總結(jié)以上氣動力實驗相關(guān)研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步深入研究還有許多問題有待改善和解決，其中包括實驗測量形式單一，一般僅限于固定形式撲翼飛行器測試實驗，缺少在自由飛行狀態(tài)下的氣動力測量實驗研究；無法同時測量氣動力和氣動力矩，缺少模擬不同飛行環(huán)境下的氣動力測量實驗研究等。解決以上問題，需要系統(tǒng)的且能夠兼容多種飛行狀態(tài)的氣動力測量實驗平臺，需要眾多科研工作者不斷推進(jìn)，而開展這些系統(tǒng)的研究對測量評估撲翼飛行器飛行性能和優(yōu)化設(shè)計有著重要的應(yīng)用價值。1.2.2 翅翼柔性變形研究進(jìn)展傳統(tǒng)測量機翼彈性變形的方法為在機翼上貼應(yīng)變片，而微型撲翼飛行器的翅翼具有輕、薄和動態(tài)撲動的特點，采用貼應(yīng)變片的方式將不能適用于微型撲

a) 實驗場景b) 翅翼標(biāo)記特征點 c) 翅翼三維形貌重建圖 1-3 Dong 的實驗場景與蜻蜓翅翼三維重建[34]2除了采用多個像機拍攝，特征匹配重構(gòu)三維形貌的方法，即數(shù)字?jǐn)z影測量法，也有研究者采用投影光柵法重建撲翼三維形貌。2017 年，Li 等[36]采用高速高分辨率數(shù)字光柵投影法重建了穩(wěn)定撲動過程中機器鳥翅翼的三維形貌，其結(jié)合相移法和傅里葉變換法的優(yōu)點，將機身和翅翼分離并分別采用相移法和傅里葉變換法進(jìn)行相位展開，在 5000 Hz 的圖像采集速度下，完成翅翼撲動過程的高質(zhì)量拓?fù)淙S形貌重建，翅翼撲動頻率高達(dá) 21 Hz。研究表明該方法能夠有效獲取高頻撲動翅翼的三維形貌，其恢復(fù)的翅翼三維形貌如圖 1-4 所示。國內(nèi)研究者在針對昆蟲和仿生撲翼飛行器三維形貌動態(tài)監(jiān)測的研究方面也做了相關(guān)工作。2002 年，王浩等人[37]采用梳狀光柵條紋投影法（ProjectedComb-Fringe Technique Combined with the Landmarks Procedure，PCFL）監(jiān)測蜻蜓在前飛和轉(zhuǎn)彎飛行情況下的姿態(tài)，圖 1-5 a)為 PCFL 系統(tǒng)原理圖。
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本文編號：2837961