微型扑翼柔性翅翼变形及其气动力特性实验研究

论文摘要

微型扑翼飞行器是一种仿鸟或仿昆虫的新型飞行器,通过一个扑动系统产生推力和升力,有着高机动性、低能耗和低噪音等优点,在侦察和勘测等领域有着广泛的应用前景。翅翼柔性是鸟类和昆虫的重要特征,大量研究表明翅翼柔性对扑翼飞行性能有着重要影响,但柔性翅翼翼型、扑动轨迹参数和翅翼柔性变形参数等因素对扑翼气动特性的影响机制尚不明晰。本文通过实验的方法,研究微型扑翼悬停飞行状态下的气动力特性,旨在探究翼型扑动变形参数测量方法、不同柔性翅翼气动力特性和柔性翅翼非对称扑动对气动力的影响,为微型仿生扑翼飞行器的设计提供数据参考和控制策略。研制了一款用于实验的微型仿生扑翼飞行器样机,通过Matlab完成了对该样机的机构运动学仿真分析。采用RealSense深度相机搭建了扑翼飞行器翅翼三维形貌测量实验平台,通过该测量平台重建了实验样机悬停飞行状态下翅翼的动态三维形貌,测量了翅翼的扑动参数和最大拱度,分析对比了不同柔性翅翼变形过程。结果表明具有较小刚度的翅翼在扑动过程中翅翼变形呈不规则自适应情况,产生较大的拱形变形。搭建了微型扑翼气动力测量实验平台,研究了翅翼柔性、扑动频率和不同上挥下扑角组合对实验样机悬停飞行状态下气动力和气动力矩的影响。设计了四种结构尺寸相同但材料不同的柔性翅翼,并对摇杆改进设计,使其在最大扑动角不变的情况下,实现六种上挥下扑角组合的时间非对称扑动。实验结果表明,翅翼的柔性会影响产生升力的大小,不同柔性的翅翼对推力幅值影响较小,但会影响产生推力的方向;柔性翅翼在扑动过程中更容易保持自身平衡稳定,翅翼的柔性变形会使扑翼飞行器具有一定的稳定自适应。不同的上挥下扑角组合会影响升力产生的方向和大小;侧向力主要与扑动模式和实验样机结构对称性有关,非对称扑动对其影响较小。本文的工作为研究扑翼飞行器翅翼柔性变形和扑动参数测量提供了一个新的思路,相关实验成果能在一定程度上指导扑翼飞行器的设计和优化。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 气动力实验研究进展

1.2.2 翅翼柔性变形研究进展

1.3 课题主要研究内容

第2章微型扑翼实验样机设计制作

2.1 引言

2.2 微型扑翼总体规划和设计目标

2.2.1 总体规划

2.2.2 设计目标

2.3 扑动机构设计分析

2.3.1 扑动机构

2.3.2 曲柄摇杆机构几何数学关系

2.4 微型扑翼仿生学设计

2.5 扑动机构计算和运动分析

2.5.1 曲柄摇杆机构尺寸计算

2.5.2 曲柄摇杆机构运动分析

2.6 微型扑翼驱动机构设计

2.7 微型扑翼整体结构设计

2.7.1 结构设计

2.7.2 控制元器件

2.8 本章小结

第3章柔性翅翼变形参数测量分析

3.1 引言

3.2 柔性翅翼结构

3.3 翅翼三维形貌测量方案

3.4 RealSense深度相机数据流获取

3.5 柔性翅翼动态三维形貌分析

3.5.1 柔性翅翼拱形变形对比分析

3.5.2 柔性翅翼不同截面扑动角分析

3.5.3 柔性翅翼扑动过程对比分析

3.6 实验过程中的思考

3.7 本章小结

第4章不同柔性翅翼气动力特性分析

4.1 引言

4.2 四种柔性翅翼

4.3 微型扑翼气动力测量实验平台搭建

4.3.1 测力传感器

4.3.2 数据采集

4.3.3 微型扑翼支撑固定架设计

4.3.4 样机坐标系建立

4.4 气动力实验测量和结果分析

4.4.1 实验场景

4.4.2 实验数据分析

4.5 本章小结

第5章柔性翅翼非对称扑动气动力特性分析

5.1 引言

5.2 摇杆机构改进设计

5.3 非对称扑动气动力实验分析

5.3.1 瞬时气动力分析

5.3.2 非对称扑动时均气动力分析

5.3.3 不同柔性翅翼非对称扑动比较分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 袁杰

导师: 周超英

关键词: 微型扑翼飞行器,翅翼柔性,动态三维形貌重建,气动力特性,非对称扑动

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,航空航天科学与工程,航空航天科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: V211;V276

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001859

总页数: 72

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