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(jī)理實(shí)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(qiáng),易于微型化,同時(shí)具有極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)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(dòng)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(shí)間短且范圍大等問題,本文從研制微型撲翼飛行器樣機(jī)入手,對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)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(jī)載控制器,并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證。本文針對(duì)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(jī)作為后續(xù)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。參考鳥類飛行參數(shù)與自身質(zhì)量的關(guān)系,確定樣機(jī)的各項(xiàng)飛行參數(shù),并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)整;設(shè)計(jì)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)周期性的上下?lián)鋭?dòng),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(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的初步可控飛行。建立微型撲翼飛行器樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)樣機(jī)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,獲得了樣機(jī)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真,分析樣機(jī)在不同撲動(dòng)頻率和不同撲動(dòng)傾角下的氣動(dòng)特性;建立了樣機(jī)尾翼的力矩模型;根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了樣機(jī)可懸停飛行的控制方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)微型撲翼飛行器姿態(tài)及高度的控制。設(shè)計(jì)開發(fā)了機(jī)載控制器,對(duì)微型撲翼飛行器在飛行過程中的姿態(tài)及高度信息進(jìn)行采集輸出。該控制器硬件平臺(tái)采用了STM32處理器,同時(shí)搭載由MPU6050、磁力計(jì)、氣壓計(jì)等傳感器組成的10軸傳感器模塊,通過互補(bǔ)濾波算法融合不同傳感器的測(cè)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(duì)樣機(jī)在不同撲動(dòng)頻率和不同俯仰角下的氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn),對(duì)比仿真分析的結(jié)果,驗(yàn)證了懸停飛行控制方案的可行性。樣機(jī)安裝機(jī)載控制器進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了機(jī)載控制器的有效性,搭載微型直線舵機(jī)進(jìn)行試飛實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)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(jí)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(dòng)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(shí)到微型飛行器的重要性，開始對(duì)微型飛行器的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。隨著撲翼飛行空氣動(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛行控制及氣動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)力，續(xù)航能力最長(zhǎng)可達(dá) 20 分鐘，可攜帶微型攝像頭進(jìn)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(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)飛行和精準(zhǔn)懸停。

開微型撲翼飛行器氣動(dòng)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(shí)到微型飛行器的重要性，開始對(duì)微型飛行器的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。隨著撲翼飛行空氣動(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛行控制及氣動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)力，續(xù)航能力最長(zhǎng)可達(dá) 20 分鐘，可攜帶微型攝像頭進(jìn)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(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)飛行和精準(zhǔn)懸停。

在空氣動(dòng)力學(xué)、仿生結(jié)構(gòu)、飛行姿態(tài)控制等方面進(jìn)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(shí)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(hào)的微型共軸雙撲翼飛行器，如圖 1-6所示，并在空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)翼設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等方面[23-25]做了大量研究。飛行器采用 X 型撲翼布局，可實(shí)現(xiàn)前飛到懸停的轉(zhuǎn)換，三代樣機(jī)的尺寸不斷縮小，

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本文編號(hào)：2813377