仿生微型飛行器若干關(guān)鍵問題的研究.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、操作簡單、較低的制造成本、隱蔽性好、機(jī)動靈活等特點(diǎn)，因此無論是在軍事領(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研究微型飛行器的飛行機(jī)理與樣機(jī)制作；通過查閱文獻(xiàn)中對自然界中昆蟲翅膀運(yùn)動的觀察與測量，獲取了昆蟲翅膀的運(yùn)動方程；采用UG建模技術(shù)，建立昆蟲的幾何模型；采用

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

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刻的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。 通過對昆蟲飛行機(jī)理的研究，建立了昆蟲撲翼飛行時的數(shù)學(xué)模型；模型包括翅膀運(yùn)動學(xué)方程、空氣動力學(xué)模型、姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程以及質(zhì)心的動力學(xué)方程等，是從仿生的角度去建立模型，即采用數(shù)學(xué)工具來描述昆蟲飛行時的運(yùn)動特征，如采用高速攝像機(jī)來獲取昆蟲飛行時翅膀的運(yùn)動參數(shù)，采用曲線擬合的方法建立翅膀的運(yùn)動學(xué)方程；運(yùn)用CFD方法來模擬昆蟲在飛行時周圍的空氣

4、流場及昆蟲的升阻力系數(shù)；通過經(jīng)典力學(xué)建立昆蟲的姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程和質(zhì)心動力學(xué)方程，并采用模糊控制策略對昆蟲姿態(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內(nèi)容之一，它主要是通過把接收到的地面指令轉(zhuǎn)換為飛行任務(wù)，通過自身對環(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，來完成預(yù)定的任務(wù)。本文通過對自然界中昆蟲飛行時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)雜控制問題轉(zhuǎn)換為簡

5、單的層與層之間的控制問題，通過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不僅存在靜態(tài)障礙物，同時也存在動態(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)動物體只要根據(jù)局部探測到的信息，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)自然界中昆蟲飛行的特點(diǎn)和和結(jié)構(gòu)

6、特征，我們簡化了昆蟲模型，采用UG建模技術(shù)和微機(jī)械加工方法，對撲動機(jī)構(gòu)、翅膀以及胸腔和尾翼進(jìn)行設(shè)計，制造了完整的撲翼飛行樣機(jī)，然后對其性能進(jìn)行測試，并對仿生微型飛行器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計；在此基礎(chǔ)上，對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程中周圍的流場，我們設(shè)計了小型的風(fēng)洞模型，進(jìn)行了相應(yīng)的PIV試驗(yàn)，研究了撲翼拍打過程中周圍