仿生微型飛行器若干關(guān)鍵問(wèn)題的研究.pdf

1、微型飛行器(Micro Aerial Vehicle-MAV)和微型飛行機(jī)器人(Micro AerialRobot-MAR)具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、較低的制造成本、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，因此無(wú)論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，都有十分誘人的應(yīng)用前景。正是在這一背景下，本文從仿生的角度來(lái)研究微型飛行器的飛行機(jī)理與樣機(jī)制作；通過(guò)查閱文獻(xiàn)中對(duì)自然界中昆蟲(chóng)翅膀運(yùn)動(dòng)的觀察與測(cè)量，獲取了昆蟲(chóng)翅膀的運(yùn)動(dòng)方程；采用UG建模技術(shù)，建立昆蟲(chóng)的幾何模型；采用

2、網(wǎng)格劃分方法，獲取昆蟲(chóng)在流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的三維網(wǎng)格；運(yùn)用CFD方法模擬翅膀運(yùn)動(dòng)時(shí)周圍的流場(chǎng)，獲取昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的升阻力特性，進(jìn)而來(lái)研究昆蟲(chóng)的飛行機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)有可用的材料加工制作仿生微型飛行器。具體來(lái)講，文章的主要內(nèi)容如下： 在低雷諾數(shù)下對(duì)昆蟲(chóng)在懸飛過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了昆蟲(chóng)的幾何模型，通過(guò)模擬昆蟲(chóng)在懸飛過(guò)程中翅膀的運(yùn)動(dòng)，求解非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)下的N-S方程，獲得了昆蟲(chóng)在懸飛過(guò)程中周圍的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及翅膀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中分

3、布在翅膀表面及翅膀周圍的非穩(wěn)態(tài)渦和相應(yīng)的軸向流；并且獲得了翅膀在不同時(shí)刻的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。 通過(guò)對(duì)昆蟲(chóng)飛行機(jī)理的研究，建立了昆蟲(chóng)撲翼飛行時(shí)的數(shù)學(xué)模型；模型包括翅膀運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、空氣動(dòng)力學(xué)模型、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以及質(zhì)心的動(dòng)力學(xué)方程等，是從仿生的角度去建立模型，即采用數(shù)學(xué)工具來(lái)描述昆蟲(chóng)飛行時(shí)的運(yùn)動(dòng)特征，如采用高速攝像機(jī)來(lái)獲取昆蟲(chóng)飛行時(shí)翅膀的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，采用曲線擬合的方法建立翅膀的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；運(yùn)用CFD方法來(lái)模擬昆蟲(chóng)在飛行時(shí)周圍的空氣

4、流場(chǎng)及昆蟲(chóng)的升阻力系數(shù)；通過(guò)經(jīng)典力學(xué)建立昆蟲(chóng)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和質(zhì)心動(dòng)力學(xué)方程，并采用模糊控制策略對(duì)昆蟲(chóng)姿態(tài)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真研究。 自主飛行是仿生微型飛行器重要的研究?jī)?nèi)容之一，它主要是通過(guò)把接收到的地面指令轉(zhuǎn)換為飛行任務(wù)，通過(guò)自身對(duì)環(huán)境的感知，規(guī)劃出一條可行的飛行路徑，然后跟隨規(guī)劃出的路徑飛行，來(lái)完成預(yù)定的任務(wù)。本文通過(guò)對(duì)自然界中昆蟲(chóng)飛行時(shí)其自身控制特性的研究，概念性地提出了分層控制機(jī)理，把仿生微飛行器的復(fù)雜控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)

5、單的層與層之間的控制問(wèn)題，通過(guò)不同層控制單元的信息交互，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)；文中提出了在未知環(huán)境中航跡規(guī)劃算法，初步研究了仿生微型飛行器的自主飛行。仿生微型飛行器飛行時(shí)不僅存在靜態(tài)障礙物，同時(shí)也存在動(dòng)態(tài)障礙物，并且飛行的全局環(huán)境是未知的，這些條件增大了航跡規(guī)劃的難度，算法中運(yùn)動(dòng)物體只要根據(jù)局部探測(cè)到的信息，在當(dāng)前點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間進(jìn)行迭代運(yùn)算，可以保證每步運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)性，仿真結(jié)果表明了該算法的快速性和高效性。根據(jù)自然界中昆蟲(chóng)飛行的特點(diǎn)和和結(jié)構(gòu)

6、特征，我們簡(jiǎn)化了昆蟲(chóng)模型，采用UG建模技術(shù)和微機(jī)械加工方法，對(duì)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)、翅膀以及胸腔和尾翼進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造了完整的撲翼飛行樣機(jī)，然后對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)仿生微型飛行器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)獲取的仿生微型飛行器樣機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并且獲得了運(yùn)動(dòng)合理，結(jié)構(gòu)輕巧的仿生微飛行器的樣機(jī)。 為了更加深入的研究仿生微型飛行器在撲翼不斷拍打過(guò)程中周圍的流場(chǎng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了小型的風(fēng)洞模型，進(jìn)行了相應(yīng)的PIV試驗(yàn)，研究了撲翼拍打過(guò)程中周圍