撲翼飛行器有著良好的隱蔽性、機(jī)動(dòng)性以及低能耗性,在許多方面有著廣泛的應(yīng)用前景。近30年來,研究人員為了研制撲翼飛行器對昆蟲和鳥類的飛行機(jī)理進(jìn)行了大量的研究,其研究成果為撲翼飛行器的研制提供了有力的支持。相較于單翅的鳥類和昆蟲,復(fù)翅昆蟲的飛行有著更好的平穩(wěn)性和機(jī)動(dòng)性,但其氣動(dòng)機(jī)理也更加復(fù)雜。在復(fù)翅情況下,多參數(shù)之間耦合對氣動(dòng)力有著不可忽視的影響,本文以蜻蜓為參考建立復(fù)翅撲翼模型,對多個(gè)撲動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)之間的耦合在懸停時(shí)對氣動(dòng)力的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,以期為復(fù)翅撲翼飛行器的研制提供參考。本文首先研制了一套能夠模擬復(fù)翅昆蟲懸停飛行的撲翼模型,并搭建了能夠測量多參數(shù)之間耦合對氣動(dòng)力影響的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含復(fù)翅撲動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、底層和上層程序、測力傳感器四個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)裝置中的撲翼模型按照文獻(xiàn)中復(fù)翅昆蟲懸停時(shí)的觀測數(shù)據(jù),在單片機(jī)的控制下完成撲動(dòng)運(yùn)動(dòng),并測量了該模型的運(yùn)動(dòng)擬合精度。在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,首先針對撲動(dòng)頻率、撲動(dòng)幅值以及前后翅相位差等三個(gè)撲動(dòng)參數(shù)之間耦合對氣動(dòng)力的影響開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三個(gè)撲動(dòng)參數(shù)之間耦合對平均升力系數(shù)有著較大的影響,隨著撲動(dòng)頻率的增大,平均升力系數(shù)隨著撲動(dòng)幅值的增大而減小;而三個(gè)撲動(dòng)參數(shù)之間耦合對平均推力系數(shù)的影響較小。接著針對前后翅間距和撲動(dòng)參數(shù)之間耦合對氣動(dòng)力影響開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明前后翅間距和撲動(dòng)參數(shù)之間耦合對平均升力系數(shù)的影響較小,而對平均推力系數(shù)的影響較大。前后翅間距存在一個(gè)合理間距,當(dāng)前后翅間距在該范圍內(nèi)時(shí),平均推力系數(shù)隨撲動(dòng)幅值的增大而增大;當(dāng)前后翅間距大于或者小于該范圍內(nèi)時(shí),平均推力系數(shù)隨撲動(dòng)幅值的增大先增大后減小。本文的研究揭示了仿生復(fù)翅撲翼飛行器多參數(shù)之間的耦合對氣動(dòng)力的干擾,研究成果對制作撲翼樣機(jī)提供一定的理論參考。
【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】：V211.59
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論1.1 課題背景及研究的目的和意義人類對天空的向往一直推動(dòng)著人類對飛行器的深入探索，自然界中的昆蟲和鳥類都采用了撲動(dòng)的飛行方式，然而撲動(dòng)飛行這種最古老的飛行方式由于其異常的復(fù)雜性卻是人類了解最少的飛行方式。微型飛行器的概念[1]是上世紀(jì)九十年代由美國蘭德公司提出的，并將微型飛行器定義為：特征尺寸不超過 15cm，重量小于 100 g，時(shí)速 30-60 km/h[2]。如圖 1-1 所示，微型飛行器主要有三種，分別是：微型固定翼飛行器、微型旋翼飛行器、微型撲翼飛行器[3-4]。固定翼飛行器的氣動(dòng)機(jī)理明確，應(yīng)用的最早，實(shí)際應(yīng)用中飛行速度高，但也同時(shí)存在微型化難、能耗大等缺點(diǎn)；旋翼飛行器優(yōu)點(diǎn)是小型化容易，飛行速度較慢，常用于各類航拍，但是存在著噪音較大，能耗較高等問題。相較于前面的兩種飛行器，微型撲翼飛行器的優(yōu)勢更加明顯，其具有良好的隱蔽性，小型化容易，噪音更低，但是升力產(chǎn)生的機(jī)理更加復(fù)雜，理論基礎(chǔ)尚不明確[5-7]。

a) Mentor 飛行器[8]b) 蜂鳥機(jī)器人[9]c) FESTO 仿生蜻蜓[11]圖 1-2 微型撲翼飛行器樣機(jī)傳統(tǒng)的微型撲翼飛行器大多采用左右單翅翼的設(shè)計(jì)方案，但是隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)復(fù)翅布局微型撲翼飛行器具有更多的優(yōu)點(diǎn)。自然界中典型的復(fù)翅昆蟲就是蜻蜓，蜻蜓可以實(shí)現(xiàn)前飛、后退、懸停以及滑翔等飛行方式，并且飛行效率更高，能耗更低，但是目前類似蜻蜓這種復(fù)翅布局的撲翼飛行器的氣動(dòng)機(jī)理尚不明確，尤其是多參數(shù)之間的耦合效應(yīng)尚不清楚，而相關(guān)研究也非常的欠缺。綜上所述，研究復(fù)翅撲翼飛行器參數(shù)之間耦合對氣動(dòng)力的影響對撲翼飛行器的研制十分必要。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀仿生撲翼飛行器氣動(dòng)機(jī)理的研究通常有數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)值計(jì)算研究的優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)定理想的計(jì)算環(huán)境，容易改變條件，不需要搭建復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但數(shù)值計(jì)算往往會(huì)提出一些假設(shè)以及簡化條件，而實(shí)際情況更加復(fù)雜，需要考慮的因素更多，所以基于數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果大多需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。實(shí)驗(yàn)研究的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)測量的條件較理論計(jì)算更接近真實(shí)的情況，所以實(shí)驗(yàn)測

撲階段在翅翼前緣產(chǎn)生了強(qiáng)烈的前緣渦，該前緣渦在整個(gè)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)中不會(huì)，這對昆蟲的高升力產(chǎn)生機(jī)理提出了一種解釋，隨后該實(shí)驗(yàn)結(jié)果就被其他值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證，并稱之為“不失速機(jī)制”[14-17]。圖 1-3 煙霧活體實(shí)驗(yàn)[13]如圖 1-4 所示，美國加州大學(xué)的 Dickinson[18]設(shè)計(jì)一對模擬果蠅在低雷洛動(dòng)的撲動(dòng)機(jī)構(gòu)，并在礦物油罐中開展了實(shí)驗(yàn)研究，得出了如下結(jié)論：昆蟲延遲失速、旋轉(zhuǎn)環(huán)流和尾跡捕獲的共同作用而獲得較大的升力。assembly
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本文編號：2861667