基于ACP理论的微型扑翼飞行器的姿态控制

微型扑翼飞行器(Flapping wing micro aerial vehicle,FWMAV)因飞行效率高、质量轻、耗能低、机动性强等显著优点,在飞行器研究和应用中占据重要地位.目前,FWMAV姿态控制成为飞行器控制研究领域的研究热点.针对FWMAV姿态控制问题,基于平行智能理论框架提出了一种FWMAV抗扰动姿态控制器.通过建立人工系统(Artificial systems,A)、计算实验(Computational experiments,C)、平行执行(Parallel execution,P)三个过程,得到一个能够有效解决FWMAV姿态控制过程中扰动问题的控制器,并通过理论分析和数值仿真证明了该控制器的有效性.

微型扑翼飞行器风洞试验初步研究

为了对微型扑翼飞行器空气动力学基本特性进行定量研究,利用西北工业大学微型飞行器专用风洞对微型扑翼飞行器机翼进行初步风洞吹风试验。试验中进行了扑动频率、风速、迎角、机翼平面形状、翼型弯度对机翼气动特性影响的研究。通过试验得出了微型扑翼飞行器升力、推力产生的基本规律,为微型扑翼飞行器总体设计和气动设计提供了参考。

微型扑翼飞行器推力特性试验

通过进行微型扑翼飞行器低速风洞试验,研究了扑动翼展弦比、刚度和弯度对其推力特性的影响.制作了展弦比为2,4.5和7以及带弯度与不带弯度的矩形扑动翼,并对三种不同刚度大小的矩形扑动翼进行了结构变形分析;试验风速变化范围从4 m/s到10 m/s,扑动频率从4 Hz到8 Hz.风洞试验结果表明适当的增大扑动翼展弦比或减小扑动翼刚度有助于提高扑翼飞行器的推进效率;而扑动翼翼型弯度的增加不利于推力特性的提高.

微型扑翼飞行器机翼气动特性研究

依据微型扑翼飞行器产生升力和推力的机理,设计了一套能够快速、有效求得扑翼飞行器机翼气动特性的计算方法。计算程序通过V isual Basic和Fortran语言混合编程来实现,核心部分是利用改进的片条理论方法估算扑翼机翼的气动性能。计算结果与在西北工业大学微型飞行器专用风洞中所进行的吹风试验结果吻合良好,证明了该方法的正确性和有效性。在此基础上,研究了不同机翼平面形状、不同展弦比、不同上下扑时间比对微型扑翼飞行器机翼气动性能的影响,这些参数对微型飞行器的设计有一定的指导和参考意义。

微型扑翼飞行器升力特性研究

为了对微型扑翼飞行器升力机理进行探索性研究,本文利用西北工业大学微型飞行器专用风洞进行了扑动翼频率、风速、迎角、扑动翼弯度对其升力特性影响的研究。并且利用示波器对扑动翼扑动相位角和产生升力大小之间的关系进行了研究。试验结果表明升力特性的研究为微型扑翼飞行器总体设计和气动布局设计提供了一定的工程指导。

微型扑翼的推进特性实验研究

为了研究微型扑翼的推力和推进效率特性,研制了基于虚拟仪器(VI)的微型扑翼风洞实验系统。该系统以西北工业大学现有微型风洞为基础,采用了高精度六分量天平、角度传感器、新型机翼扑动机构、可编程电源、工控机等设备,利用基于虚拟仪器(VI)的LabView软件对上述设备进行集中控制与数据处理。利用上述实验系统研究了风速、扑动频率、展弦比、根稍比及机翼扑动幅度对微型扑翼推力和推进效率的影响,总结出了微型扑翼推力及推进效率的基本规律,为微型扑翼飞行器机翼设计及飞行控制方式提供了参考。

虚拟微型扑翼飞行器建模仿真

针对扑翼飞行控制算法设计和验证需要,研究了扑翼飞行器数学建模和仿真系统建立问题。构造了一个虚拟微型扑翼飞行器(VFMAV:Virtual Flapping wing Micro Air Vehicle),基于非定常空气动力学原理,用修正的准定常气动力计算模型估算出了翅膀扑动产生的高升力。分析惯性力的基础上建立了扑翼飞行器的状态空间方程,进而基于Matlab语言和Simulink环境设计了虚拟微型扑翼飞行器仿真系统(VFMAVS:Virtual Flapping wing Micro Air Vehicle Simulator),并给出了相应的仿真结果。

基于模糊评判与优化的微型扑翼飞行器扑动机构综合设计方法

针对微型扑翼飞行器曲柄摇臂扑动机构,提出了影响扑动机构综合性能的6项关键影响因素,利用模糊评判方法对多种曲柄摇臂扑动机构方案进行优选,并对获选方案进行优化设计,在此基础上形成了微型扑翼飞行器扑动机构综合设计方法。样机研制和外场试飞证明了文中方法对提高扑动机构综合性能是有效的。

微型扑翼飞行器机翼纵向力矩特性风洞试验研究

为了对微型扑翼飞行器机翼的纵向力矩特性进行研究,利用微型飞行器专用风洞对微型扑翼飞行器机翼进行了一系列吹风试验。试验中研究了迎角、扑动频率、风速对机翼的纵向力矩特性的影响。通过试验得到了关于微型扑翼飞行器机翼纵向力矩特性的基本规律,为进一步研究微型扑翼飞行器的稳定性和操纵性打下了基础,同时也为微型扑翼飞行器的总体设计提供参考。

微型扑翼飞行器控制系统的研究现状

微型扑翼飞行器作为一种新概念飞行器有着广泛的应用前景和市场需求。简要介绍了微型扑翼飞行器的概念、特点和应用,以及优势控制系统设计的技术难点;重点从控制理论与算法、控制元器件的设计、控制系统实现等三个方面概述了国内外微型扑翼飞行器控制技术的最新研究成果和发展趋势。在此基础上,总结出微型扑翼飞行器控制系统研究需要解决的关键技术和今后研究的重点。

微型扑翼飞行器空气动力学研究进展

微型扑翼飞行器(FMAV)作为一种新概念的航空器,有着广泛的功能和用途,已经受到了各国的高度重视.综述了国内外对微型扑翼飞行器的低雷诺数空气动力学问题的研究现状及未来的发展趋势,讨论了目前研究中需要解决的一些关键技术.在此基础上,总结出今后研究的重点,并为微型扑翼飞行器的设计提供了参考依据.

微型扑翼飞行器驱动系统工程设计方法

以微型扑翼飞行器研制为背景,从系统的角度提出了一种仿生扑翼驱动系统的工程设计方法。根据仿生尺度率原理,对微型扑翼飞行器的总体参数进行了初步设计,提出了驱动系统的设计目标。进行了扑动翼风洞实验,以实际能达到的飞行状态为标准对实验数据进行分析处理,获得了扑动参数的可行范围和功耗需求。对微型无刷电机进行了工作特性测试,得到了电机转速、转矩、输出功率、效率等的拟合关系。综合考虑扑动参数可行范围、功耗需求和电机特性等多个因素,对驱动系统的减速比分配、减速器优化和四连杆扑动机构计算等方面进行了设计,得到了具有良好系统匹配性能的微型扑翼驱动系统,并通过样机研制和飞行实验证明了设计方法的有效性与可行性。所得研究结论对微型扑翼飞行器的工程设计和研制有一定指导意义。

基于虚拟仪器的微型扑翼风洞实验系统研究

为了解决微型扑翼气动特性实验所面临的控制和测量参数多、气动力/力矩量值小、实时性强、耦合性高的困难,研制了基于虚拟仪器(V)I的微型扑翼飞行器风洞实验系统。该系统以西北某大学现有微型风洞为基础,采用高精度六分力天平、角度传感器、新型机翼扑动机构、可编程电源及工控机等设备,利用基于虚拟仪器(VI)的LabView软件对上述硬件设备进行集中控制及数据处理,可准确获得随时间变化的扑翼气动力/力矩、扑动角度/角速度、扑动输入/输出功率等数据。

微型扑翼飞行器仿生悬停原理研究

根据现有微型扑翼飞行器悬停技术的不足,研究了基于蜂鸟扑翼运动的仿生翻转翼悬停方式,提出了实现该种悬停方式的运动机构和控制方式,为实现微型扑翼飞行器高效悬停飞行及有效控制提供了依据。

微型扑翼飞行器气动机理风洞试验研究

为了对微型扑翼飞行器的气动机理进行研究,利用西北工业大学微型飞行器专用风洞进行了一系列吹风试验。试验中研究了迎角、扑动频率、风速对微型扑翼飞行器气动特性的影响。通过试验得到了关于微型扑翼飞行器气动特性的基本规律,为进一步研究微型扑翼飞行器的气动机理打下了基础,同时也可以为微型扑翼飞行器总体设计提供参考。

导电聚吡咯在微型扑翼飞行器中的应用

导电聚吡咯是一种新型智能材料,能够在低电压驱动下产生较大的弯曲变形,也能够在受到力和位移输入的情况下产生电流电压,这一特点使其既可应用于执行器中又可应用于传感器中.导电聚吡咯具有尺寸小、柔性高、灵敏度强等特点,尤其适合应用于微小型仿生机械结构中.介绍了导电聚吡咯的工作机理,归纳了导电聚吡咯执行与传感功能的研究现状.同时,以微型扑翼飞行器为应用背景,对导电聚吡咯的执行与传感应用开展了分析,并对导电聚吡咯的相关技术难点进行了总结.

微型扑翼飞行器气动力估算方法研究

微型扑翼飞行器是国际上的一个新的研究热点,但目前基于低雷诺数的非定常扑翼气动特性尚无精确的计算方法。本文在分析鸟类和昆虫飞行机理的基础上提出了一种新的计算扑翼飞行气动力的方法,这种方法原理简单,计算量不大,易于工程实现,为扑翼飞行器的设计、制作、应用提供了一定的理论依据。

微型扑翼飞行器虚拟设计与飞行仿真系统开发

介绍微型扑翼飞行器虚拟设计与仿真系统的总体结构和各功能模块的实现。根据拟合的仿生公式进行微扑翼飞行器的仿生学初步设计,进而建立了飞行器的三维结构模型,并根据飞行器的结构与扑翼运动规律进行了运动仿真。由飞行器的几种典型任务确定飞行模式,在建立飞行器动力学模型的基础上进行飞行姿态控制。采用随机分形技术生成具有真实感的地形,由此讨论了飞行器虚拟飞行过程中的静态与动态模拟方法。

一类微型扑翼飞行器的滑模自适应姿态控制

针对微型扑翼飞行器这类非线性时变系统,基于李雅普诺夫稳定性理论提出了滑模自适应控制算法,应对系统中的不确定性和抑制扰动,完成飞行器悬停阶段调整方位的姿态控制.在高频的扑翼状态下,系统模型利用摄动理论中的平均化法进行近似时不变处理.控制器的设计以滑模控制为主体,滑模面利用误差角三角函数和体角速度构造,来避免不必要的偏航控制,同时结合自适应控制方法,实时逼近无法准确计算的惯性张量和干扰力矩,缓解传统滑模控制中开关函数所带来的抖振问题.Simulink仿真结果表明,滑模自适应控制算法优于传统滑模控制,在正弦干扰气流的影响中有良好的鲁棒性,以此验证了算法的可行性.

微型扑翼仿生“0”字和“8”字形扑动方式气动特性研究

微型扑翼飞行器的气动特性由扑翼的运动规律所决定,为了研究复杂翼梢轨迹对扑翼气动特性的影响,通过对上下扑动、弦向扭转和前后掠动三个自由度的运动设计不同的参数,运用数值模拟方法研究微型扑翼采用仿生"0"字形和"8"字形运动时的气动特性。结果表明:相比于传统的扑动运动,增加了扫掠运动的"0"字形和"8"字形扑动可有效增加升力,特别是"8"字形扑动的增升效果更加显著,但同时也会造成阻力略增,可以通过调整扭转角度来增加推力。本文的研究结果可为复杂运动规律下微型扑翼飞行器设计提供参考。