撲翼非定常氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究及相關(guān)應(yīng)用探索.pdf

1、昆蟲高超的飛行本領(lǐng)一直是仿生研究關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。昆蟲飛行研究可分為機(jī)理研究與應(yīng)用研究:機(jī)理研究通過理論分析，活體觀測，模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等手段來揭示撲翼運(yùn)動(dòng)的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)機(jī)理；應(yīng)用研究通過設(shè)計(jì)和研制人造撲翼機(jī)構(gòu)來模擬昆蟲的飛行能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)撲翼微飛行器等仿生應(yīng)用。目前機(jī)理與應(yīng)用研究都得到了很好的發(fā)展:對(duì)撲翼飛行的高升力機(jī)理的認(rèn)識(shí)在不斷深入和細(xì)化，具有實(shí)用價(jià)值的撲翼微飛行器也在嶄露頭角。但撲翼研究的探索與實(shí)踐過程也表明，關(guān)于昆蟲飛行仍

2、有不少尚未解決的問題需要探討。本文立足于實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)活體觀測，模型實(shí)驗(yàn)和撲翼微飛行器研制等問題進(jìn)行了一系列研究。
　　 本文針對(duì)活體觀測研究中海量昆蟲圖像的形態(tài)學(xué)特征自動(dòng)識(shí)別難題提出了一種新的“幀間差別法”。該方法通過巧妙地利用相鄰三幀圖像間的運(yùn)算和昆蟲內(nèi)在特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)特征的自動(dòng)提取。多組虛擬和真實(shí)昆蟲運(yùn)動(dòng)圖像的測試結(jié)果表明:這種方法能夠較好的適應(yīng)昆蟲這種復(fù)雜變形體運(yùn)動(dòng)；并能夠在翼面透明，昆蟲身體有遮擋，高速攝影本底噪聲大的環(huán)

3、境中順利地自動(dòng)提取二值圖并分析形態(tài)學(xué)特征。此方法無需人工干預(yù)，不針對(duì)特定昆蟲，運(yùn)算量也較小，識(shí)別結(jié)果可靠。這給昆蟲圖像形態(tài)學(xué)特征自動(dòng)識(shí)別提供了一個(gè)切實(shí)可行的解決方法，極大的節(jié)省了昆蟲撲翼運(yùn)動(dòng)圖像的分析時(shí)間。
　　 研制了一種由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的大比例鷹蛾撲翼模型。舵機(jī)控制方便，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，結(jié)合所設(shè)計(jì)的控制程序使得計(jì)算機(jī)能夠智能、便捷地精確控制該模型實(shí)現(xiàn)所需撲翼運(yùn)動(dòng)。此模型與鷹蛾在運(yùn)動(dòng)學(xué)和形態(tài)學(xué)上都較好地滿足相似，能夠直接在空氣里

4、進(jìn)行撲翼實(shí)驗(yàn)，這更好的模擬了昆蟲飛行環(huán)境。使用該模型進(jìn)行的鷹蛾懸停飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:攻角與揮拍角間的相位差顯著地影響氣動(dòng)力的產(chǎn)生，適當(dāng)?shù)某跋辔唤怯兄讷@得懸停飛行所需的氣動(dòng)力:撲翼運(yùn)動(dòng)曲線本身對(duì)氣動(dòng)力的影響也很重要:真實(shí)鷹蛾運(yùn)動(dòng)曲線比簡化方式的運(yùn)動(dòng)曲線氣動(dòng)力特性要好，更有利于懸停飛行；鷹蛾懸停飛行中翼面的扭轉(zhuǎn)變形并不顯著影響其氣動(dòng)力；過度超前的相位對(duì)平均升力的提升很有限且會(huì)增加氣動(dòng)功耗。鷹蛾撲翼方式本身在所研究的情況中已經(jīng)接近最優(yōu)，這

5、在一定程度上揭示了昆蟲飛行的內(nèi)在機(jī)制。
　　 針對(duì)超微型撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大、加工代價(jià)高的特點(diǎn)，本文提出并驗(yàn)證了一種新型的“電磁驅(qū)動(dòng)翼面”機(jī)構(gòu)。該微型撲翼機(jī)構(gòu)把驅(qū)動(dòng)裝置與翼面合二為一，只需要對(duì)薄膜翼面線圈進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)。此外，針對(duì)平面撲翼機(jī)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)揮拍角與攻角精確控制的問題，本文設(shè)計(jì)了“平行曲柄連桿”撲翼機(jī)構(gòu)。通過對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化和氣動(dòng)力測量表明，這種撲翼機(jī)構(gòu)能夠很好地模擬昆蟲撲翼運(yùn)動(dòng)，并能提供昆蟲自重相當(dāng)?shù)纳?/p>