仿生飞行器非定常气动优化设计研究进展与挑战

从气动建模、设计变量参数化和优化方法策略等方面,论述了仿生飞行器非定常气动优化设计技术的应用和发展,总结了不同优化设计方法的优缺点,分析了发展趋势和未来的研究重点,为进一步开展仿生飞行器气动优化设计研究提供参考。

微小型仿生飞行机器人柔性翅的仿生设计与实验研究

自然界昆虫和小鸟翅膀柔性在提高气动效率和飞行稳定性方面具有很大优势,因而翅的柔性仿生研究将成为目前微小型仿生飞行机器人的重要方向。以昆虫翅膀为基础,进行了柔性翅的仿生机械设计,并重点对其柔性进行了分析和实验研究。实验结果表明,柔性翅的展弦比和前缘梁刚度对升力有较大的影响,其中变刚度前缘梁和大展弦比有益于升力的产生。

一种仿生飞行机器人装配及运动动画的研究与制作

采用Solidworks软件自带插件Animator,对一种仿生机电蜻蜓的装配动画和运动动画进行研究与制作,将该仿生机电蜻蜓的结构特点、功能特征以及运动特性完整展现出来,使人们对其运动学、结构学内涵有了更深刻的理解,提高了对该仿生机电蜻蜓的认识水平和把握能力,可帮助人们在更深层次上采用计算机软件仿真分析技术开展对各种仿生机电产品的科学研究。

翼龙仿生飞行的过往与前路

随着飞行器领域不断发展,仿生学也被更多的囊括入相关研究内容之中,但其中多为仿昆虫与鸟类飞行,如仿昆虫的微小飞行器,运用于海上勘察的仿海鸥飞行器。最主要的原因在于二者便于捕捉实物,这使得至今关于扑翼飞行的研究多以鸟类、昆虫为模型。然而科学界也意识到了需拓宽思路,向更大翼展的扑翼飞行模式发起挑战,翼龙仿生飞行应运而生。翼龙的研究缺少活体实物、局限于化石,所以一些学者也曾尝试制作翼龙仿生飞行器,但均未达到完备。翼龙仿生飞行还存在较大发展空间,其暗藏的研究价值尚待开发。

法国研制出蝴蝶仿生飞行器

据悉,法国航空工程师Edwin Van Ruymbeke研制出一款蝴蝶仿生飞行器MetaFly。MetaFly拥有一对宽大的翅膀以及轻盈的身体,用户只需轻轻向前一抛,其便会像蝴蝶一样展翅飞翔。MetaFly身长19cm,整体重量不到10g,翼展最长可达29cm。

仿生飞行器

作为最常见的飞行器--飞机与普通的飞行生物体--鸟类在飞行方式上存在极大差别。但从现在的情形来看，未来的飞机也可以像鸟类一样振翅飞翔，随飞行条件的变化，不断地调整自己的“羽翼”。那便是——

一种双段式扑翼仿生飞行器设计

选取海鸥作为仿生对象,进行了模仿鸟类飞行的双段式扑翼飞行器的设计,对鸟类扑翼飞行的姿势进行研究,基于SolidWorks构建仿生扑翼鸟的3D模型以及在ANSYS软件下对特定部位进行受力源分析。在已有模型基础上,进行材料选择和零件定制,组装成双段式扑翼鸟。从电路控制、结构设计、仿真分析、样机实验等方面研究得出一种可以灵活扑动、仿真性高、在各个领域有着广阔应用前景的双段式扑翼鸟。

仿生扑翼飞行器姿态稳定控制设计与实验

针对扑翼飞行器在飞行过程中姿态调整控制问题,提出了一种快速响应的自动姿态稳定控制方法。利用牛顿定律和动量矩定理建立扑翼飞行器数学模型,结合扑翼飞行器姿态变化工作原理,研究飞行过程中姿态调整控制方案策略。采用串级PID控制算法设计姿态调整内环和外环控制器,以扑翼飞行器欧拉角为输出,对扑翼飞行器姿态调整过程进行了仿真计算以及外场飞行实验。通过对扑翼飞行器姿态角的响应仿真分析及外场飞行实验数据分析,验证了扑翼飞行器数学模型的准确性及姿态控制器的有效性。结果表明:在阶跃信号输入下,姿态角能快速响应并快速趋于稳态,外场飞行中扑翼飞行器俯仰角保持15°,飞行加速度保持1 m/s^(2),可以较好地自动保持姿态稳定。

微型仿生扑翼飞行器机载单目视觉系统的设计

近年来仿生扑翼飞行器利用视觉系统自主飞行成为一个具有广泛前景的研究方向,然而,其有限的带载能力对视觉传感器的类型、尺寸和重量提出了严格要求。目前商用图像处理模块的尺寸和重量较大,且需要回传图像信息至地面控制系统处理,文章旨在设计一款轻量化机载单目视觉系统,帮助微型仿生扑翼飞行器获取外界信息并实现智能自主的飞行。相比于其他图像处理模块,此系统以国产高算力芯片K210为核心进行设计,可脱离电脑端完成图像处理,尺寸仅为2.2 cm×2.3 cm,重量仅为3 g,内部兼容轻量化网络模型实现分类识别,通过串口进行信息交互,控制扑翼飞行器实现手势识别和目标追踪。

仿生微型扑翼飞行器中的空气动力学问题研究进展与挑战

对仿生微型扑翼飞行器相关的空气动力学问题的研究进展进行了综述,并分析了未来发展面临的机遇与挑战。与自然界的飞行生物相比,目前仿生扑翼飞行器的飞行能力还很笨拙,距离高仿生还有较大距离。其中,所涉及的低雷诺数非定常空气动力学问题成为研究者在深入研究时面临的一个主要难题,关键在于数值模拟和风洞实验均难以准确模拟飞行中的实际状态。具体面临的难题主要包括:(1)仿生微型扑翼飞行器所处的雷诺数为103~105量级,属于对转捩与湍流非常敏感的区域,相关的气动机理复杂;(2)柔性翼在飞行中密切相关的动气动弹性问题;(3)高机动飞行导致的动气动弹性耦合飞行力学问题;(4)扑翼飞行的复杂姿态对飞控系统的挑战及反馈耦合算法的设计等。这些层层深入的多学科耦合难题导致了目前具备的研究手段难以为仿生扑翼飞行器的研究提供定量的分析与改进设计。在解决上述难题的基础上,未来可进一步在高机动灵活飞行姿态方面进行深入研究,对仿生柔性翼的刚度分布开展详细设计,使仿生扑翼飞行器具有像自然界飞行生物一样的主动变形能力,可在复杂的环境下具备高机动飞行能力,最终实现高仿生外形和性能的人造飞鸟或人造飞虫。

仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究

模仿昆虫和小鸟飞行的扑翼飞行机器人将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统,与固定翼和旋翼完全不同,因此研究只能从生物仿生开始。生物飞行的极端复杂性使得进行完整和精确的扑翼飞行分析非常复杂,因此本文在仿生学进展基础上,通过一些合适的假设和简化,建立了仿生翅运动学和空气动力学模型,并以此为基础研制了多种翅型。研制了气动力测量实验平台,对各种翅型进行了实验研究。实验结果表明,研制的翅型都能产生一定的升力,其中柔性翅具有较好的运动性能和气动性能,并且拍动频率和拍动幅度对升力有较大影响。

仿生扑翼飞行机器人柔性翅试验研究及其理论解释

以柔性翅为研究对象,在自行研制的气动力测量试验平台上进行升力试验研究,旨在为柔性翅的理论研究提供依据。试验结果表明,柔性翅能产生较之刚性翅更大的升力,说明柔性翅将更适合仿生飞行。针对翅变形对昆虫飞行高升力有贡献的试验结果,给出了一种基于柔性楔形效应的升力机制的理论解释。

仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的研究现状及展望

随着仿生扑翼飞行器的微型化,当扑翼飞行器达到昆虫量级的时候,任何复杂的运动系统都将面临难以实现的问题,翅翼的驱动方式也将面临新的挑战。本文从仿生飞行的历史与现状出发,论述了国内、外各类仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的研究状况。基于将昆翅视为柔性翅的观点,提出了仿生扑翼飞行器未来的研究前景:翅翼在自适应变形状态下施以简单的节律运动将是仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的发展趋势之一。

微型仿生扑翼飞行器的尺度效应分析

微型仿生扑翼飞行器是一种新概念的微型飞行器。但它不是对传统飞行器的简单几何缩小,当其特征尺度缩小到一定尺度时,系统内各种因素的相对影响将产生质的变化。针对微型仿生扑翼飞行器的机械扑翼系统,包括微驱动器、仿生翅、运动系统和动力源等,本文进行了尺度效应分析。分析结果表明,当尺寸减小时,仿生飞行更容易实现:通过共振能实现高频运动,微静电、电磁和压电驱动器都能满足扑翼系统功率需求。这为设计和研制微型仿生扑翼飞行器提供了理论依据。

多段式仿生扑翼飞行器动力学建模与气动特性分析

为了实现鸟类飞行过程中翅膀的折弯效果,以平面四杆机构为基础,设计一套能实现主动折弯并具有急回特性的扑动-折弯运动模型。采用ADAMS对其进行动力学仿真分析,结果显示该模型具有优良的动力学性能;采用ADAMS与XFlow联合仿真方法对其进行气动特性分析,结果显示该模型具有优良的气动特性;同时,得到翅膀的扑动速度对扑翼的气动特性起着至关重要作用的结论。

仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考

在成功研制仿生扑翼飞行机器人样机的基础上,提出仿生扑翼飞行机器人研究中值得思考的若干问题。有关低雷诺数问题,提出以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有合理性的观点;有关非定常微分方程问题,提出非定常微分方程并非解决一切问题之关键的观点;有关翅变形问题,提出采用柔性翅的模型翅膀进行研究的观点。

仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展

仿生扑翼飞行器的设计灵感来源于自然界中的鸟类、昆虫和蝙蝠的飞行模式,通过机翼的主动运动来产生飞行所需要的升力和推力.仿生扑翼飞行器具有隐蔽性好、机动性强等优点,成为近年来国内外飞行器研究的重点.但是仿生扑翼飞行器研究涉及到低雷诺数、非定常空气动力学等问题,与常规固定翼飞行器有很大的不同.仿生扑翼飞行器的研究方法一般分三种:气动计算、风洞实验和外场试飞.气动计算方面,非定常气动设计优化理论与方法目前仍存在不足;外场试飞的方法无法精确测量出飞行器复杂的气动力,难以对飞行器进行定量分析研究;风洞实验由于可以模拟飞行时的真实情况,获得的数据较为真实可靠,且可以定量分析研究,成为目前研究仿生扑翼飞行器非常有效的方法.国内外研究人员利用风洞进行了大量针对仿生扑翼飞行器的实验研究.在介绍了风洞组成和分类的基础上,详细阐述了仿鸟和仿昆虫扑翼飞行器风洞实验的研究现状,最后对仿生扑翼飞行器风洞实验未来可能的研究方向给出了建议.

仿生扑翼飞行器设计新进展

仿生扑翼飞行器是一种新型飞行器,其体积小、重量轻、隐蔽性好等特点在军事领域和民用领域受到广泛关注。文章综述了仿生扑翼飞行器的结构分类和升力产生机理,总结国内外研究的理论成果,并介绍现阶段研究所面临的困难,阐述仿生扑翼飞行器的发展前景。

仿生扑翼飞行器:空气动力、扑动与智能控制的完美结合——访长江学者特聘教授、飞行器设计专家宋笔锋

您从2001年就带领团队开展仿生扑翼飞行器研究,请谈谈仿生扑翼飞行器研究的难点是什么?仿生扑翼飞行器可像自然界中的鸟一样飞行,飞行效率高,其悬停盘旋能力、抗风能力、机动仿生扑翼飞行器:空气动力、扑动与智能控制的完美结合——访长江学者特聘教授、飞行器设计专家宋笔锋Flapping Flight Vehicle:Ideal Combination of Aerodynamic,Flapping and Intelligent Control性与被察觉性也均优于多旋翼和常规固定翼,是目前飞行器发展的一种颠覆性技术和热点方向,具有广泛的应用前景。

多自由度仿生扑翼飞行机器人结构设计与分析

旨在设计一种能够飞行的大型仿生扑翼飞行机器人,以海鸥作为设计原型进行飞行方式和运动规律分析,建立结构设计和数学模型,实现多自由度仿生扑翼飞行。对设计结构进行运动学分析,使仿生飞行结构更加合理且符合基本气动性能。通过建立三维模型,将其运动学仿真结果与理论结果进行对照分析,证明了理论分析的正确性和设计结构的合理性。