【摘要】：撲翼飛行器是模仿鳥或昆蟲飛行特性的飛行器,具有較好隱身性,在各個方面都具有廣闊前景。目前對于柔性撲翼飛行器的研究主要集中在柔性翼的數(shù)值模擬分析方面;仿鳥類飛行器多采用單段翼或兩段翼形式來實現(xiàn)鳥類翅膀的運動,難以模擬真實鳥類翅膀的折展運動,整體柔性效果不明顯。針對這些問題本文設(shè)計了一種具有柔性翼的仿生撲翼飛行器,研制了柔性翼樣機,并進行了實驗研究。針對現(xiàn)有飛行器存在的缺陷,提出了一種柔性翼仿生撲翼飛行器設(shè)計方案。對鳥類翅膀結(jié)構(gòu)以及飛行時翅膀各階段的基本運動進行了分析,提出了飛行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。該方案中采用三個四連桿串聯(lián)形式實現(xiàn)翅膀的柔性特征。同時,根據(jù)鳥類的尺度規(guī)律確定了柔性撲翼飛行器方案設(shè)計的外形參數(shù)以及部分運動參數(shù)�；诳傮w機構(gòu)設(shè)計方案,建立了柔性撲翼飛行器機構(gòu)運動方程,進行了機構(gòu)參數(shù)設(shè)計和仿真分析。根據(jù)柔性翼運動參數(shù),對柔性翼各段翼進行了機構(gòu)參數(shù)設(shè)計,并且對曲柄搖桿機構(gòu)進行了優(yōu)化,保證了曲柄搖桿的傳動性能;根據(jù)幾何關(guān)系,建立了運動學(xué)方程,直觀分析了機構(gòu)速度以及角加速度的變化特性。在此基礎(chǔ)上,建立了柔性翼的運動模型,利用條帶理論對翅膀柔性翼氣動力進行理論計算;對機構(gòu)進行動力學(xué)仿真,分析各鉸點受力情況,保證了機構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度。設(shè)計了樣機整體機構(gòu),并對樣機進行加工制作。根據(jù)動力學(xué)仿真結(jié)果和翅膀撲動頻率,選取合適的驅(qū)動電機,設(shè)計了減速傳動比;提出了空間四連桿機構(gòu),實現(xiàn)了翅膀折展-扭轉(zhuǎn)動作;通過檢測角度傳感器的輸出電壓來控制扭轉(zhuǎn)舵機,保證了翅膀攻角的主動實時變化。為了得到柔性翼飛行器氣動力特性,搭建了二維力測試平臺并進行了測試。在Labview下編寫數(shù)據(jù)采集以及傳感器標(biāo)定軟件;根據(jù)不同條件下采集到的數(shù)據(jù),分析了柔性翼飛行器的升力與推力變化趨勢。同時,測量了兩段翼飛行器在不同撲動頻率下的升力和推力,并與柔性翼飛行器相關(guān)數(shù)據(jù)進行了對比分析。
【圖文】：

者仿昆蟲是仿生撲翼飛行器研究的兩個重要方向。昆蟲類飛行器具有較小的體積，極高的隱蔽性的特點，但是其負(fù)載較小，續(xù)航時間較短。仿鳥類飛行器整體尺寸較大，負(fù)載較大，，續(xù)航時間較長。它們都主要包含驅(qū)動器、機械結(jié)構(gòu)以及仿生翅翼等幾部分，具有便于攜帶，操作方便，可實時傳輸數(shù)據(jù)等優(yōu)點[1]，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[2-5]。仿生撲翼飛行器在生活各個方面的優(yōu)勢越來越明顯，人們越來越重視對于撲翼飛行器的研究和應(yīng)用。在理論研究方面，北京航空航天大學(xué)孫茂團隊[6-8]、南京航空航天大學(xué)昂海松等人采用流體力學(xué)計算方法研究了模型昆蟲翅翼氣動特性[9,10]，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)實使用驗方法研究了昆蟲翅翼的運動特征，國外 Dickinson 等人證實了提供高升力前緣渦的存在[11,12]。在軍事上，飛行器因攜帶方便、隱身性好，可以很好的完成對敵方設(shè)備設(shè)施進行偵查、雷達電子產(chǎn)品干擾、移動目標(biāo)的追蹤、生化取樣等任務(wù)[13-15]；在民用上，飛行器可以搭載相關(guān)儀器對設(shè)備進行檢測、對地震、洪水等災(zāi)情進行監(jiān)控、對城市、林場等復(fù)雜地形的區(qū)域進行巡視和對人員難以進入的區(qū)域進行測繪等工作，如圖 1-1所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文類撲翼飛行器，翅膀的研究主要集中在單段翼上，并且其前緣主要使用碳纖維桿，難以模擬真實鳥類翅膀的折展和變形，這使得撲翼飛行器在氣動力性能方面下降，影響其在市場上的應(yīng)用。柔性翼飛行器具有更好的抗風(fēng)能力和更高的氣動效率[16]。在向上撲動過程時，柔性翼減小受力面積，減小負(fù)升力，增加整體升力，同時增強水平方向作用力，在不同的飛行姿態(tài)下獲得更好的飛行效率[17-20]，自動適應(yīng)外界環(huán)境的變化，減小對自身飛行的影響[21-23]。柔性翼的結(jié)構(gòu)更加精細(xì)、運動方式也較為復(fù)雜，實現(xiàn)難度更加大，目前對柔性翼的研究相對較少，因此研究仿鳥柔性翼撲翼飛行器更加具有意義。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V276

【參考文獻】

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本文編號：2701436