扑翼机器人机载视觉避障系统设计

扑翼机器人是一种高仿生度的飞行器,它可以执行军事侦察和民用监测任务。在执行这些任务时,避障是一种确保扑翼机器人安全的必要功能。本文设计了一种基于单目视觉的扑翼机器人自主避障系统,其中所有图像的处理计算均使用机载处理器实现。在这个系统中,机载处理器的质量被减至48 g,以便于扑翼机器人可以携带它稳定飞行。该系统的工作流程可以分为以下几步:首先,图像采集模块获取周围环境的视频图像;然后,机载处理器通过处理扑翼机器人第一视角的光流信息来计算方向舵角度和转弯方向;最后,飞控板接收计算结果并控制扑翼机器人避开障碍物。地面站对扑翼机器人飞行过程进行实时监测,实验结果验证了本文所设计的避障系统的有效性。

仿绿头鸭扑翼飞行器的低速飞行气动特性仿真研究

针对仿绿头鸭扑翼飞行器,在刚性扑动基础上引入了展向弯折和弦向扭转两种运动方式,提出了4种不同扑动路径的描述方程,并对其低速飞行气动特性进行了研究。首先,根据绿头鸭翼翅外形选择NACA 6411翼型并对其弯度和长度进行修正,通过放样创建扑翼几何构型。之后,基于动网格技术构建扑翼流场网格模型,包含刚性扑动、机翼弯折和机翼扭转等3种不同扑动形态。最后,使用Fluent进行瞬态仿真,基于压力耦合求解器和k-ω湍流模型得到不同扑动形态下飞行速度为2 m/s时的气动特性。结果表明,在低速飞行时,非对称扑动效应、展向弯折效应和弦向扭转效应均可起到增加升力、降低阻力的效果。所提出的3个扑动模型相对传统的对称刚性扑动模型分别能提高3.89%、14.78%、24.44%的升力,其中弯扭组合形式的扑动提供的推力能够抵消前飞时的空气阻力。

一种悬浮扑翼机器人的视觉自主避障方法研究

提出了一种基于视觉感知的悬浮扑翼机器人自主避障方案,以满足室内障碍物环境中低速、安全和长航时飞行要求。首先,借鉴鸟类视觉避障原理,提出了一种基于光流视觉检测的避障方法,用于识别动、静态障碍物;其次,设计了一种氦气球与扑翼结合的飞行机器人,利用氦气浮力提供主要升力,扑翼运动提供推进力和次要升力,并设计了飞行控制方法以满足稳定飞行及避障的要求;最后,制作了机器人样机,测试了其飞行性能和自主避障能力,并与其他障碍物检测算法进行了对比。结果表明,样机的直飞航向偏移为5.52°,转弯速度可达23°/s,并以6.1 ms的单帧检测时间达到77%的避障成功率,证明其能够实现低速悬浮飞行和自主避障,为其开展室内探测任务奠定了基础。

基于高仿生形态布局的仿鸽扑翼飞行机器人系统设计

针对现有扑翼飞行机器人存在的飞行形态与实际鸟类相差较大,以及翅膀、尾翼布局和俯仰、转向控制方式仿生度较低的问题,提出一种形态布局与鸽子相仿的扑翼飞行机器人系统设计及实现方案.通过设计弧面-折翼-后掠翅膀、仿鸟扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式,使扑翼机器人飞行形态更加接近真实鸟类,提高扑翼机器人的形态仿生度.在此基础上,设计结合下扑角调控无需尾翼大角度上翘的俯仰控制方式,以及不依赖于尾翼的翅膀收缩转向控制方式,在提高仿生度的同时保证飞行控制的有效性.在具体设计过程中,首先参考鸽子翅膀型式选择不同类型翅膀并进行风洞测试,确定出下扑角变化时仍能保持较优升推力性能的翅膀设计方案;其次,对各种尾翼型式进行分析和比较,结合鸽子尾翼特点进行仿鸽尾翼及俯仰、转向控制机构设计,并通过风洞测试验证;最后,设计飞控系统并装配整机,进行外场飞行测试,验证仿鸽扑翼飞行机器人平台的稳定性和可控性.

仿鸟类扑翼飞行器研究进展

仿生扑翼飞行器有着优异的气动性能和灵活的飞行能力,在军民领域均有广泛的应用前景,学者们在原理样机研制、扑翼气动机理、驱动机构、飞行控制等多领域取得了一系列重要进展.本文从总体设计方法、驱动机构设计与优化、气动机理等方面综述了仿鸟类扑翼飞行器技术的发展历程与研究进展.首先,从扑翼总体设计方法入手,总结了仿鸟类扑翼飞行器仿生构型,归纳了总体设计参数估算方法;其次,综述了多种构型曲柄连杆机构在扑翼驱动中的应用与优缺点;接着总结了扑翼气动机理研究的实验方法与数值计算方法,分析了不同扑翼气动算法针对不同应用场景在计算成本和准确度方面的优劣情况;最后,对仿鸟类扑翼飞行器系统设计研究现状进行总结,针对原理样机研制过程提出展望.

仿生扑翼结构优化设计及动力学仿真分析

针对目前飞行器结构复杂、效率低下及动作单一等问题,设计一种新型仿生扑翼飞行机构,仅通过单驱动装置即可实现机构扑翼的扑动、折叠、扭转等运动。依据生物尺度率设计扑翼机构的结构尺寸并对机构参数进行优化;通过SolidWorks构建仿生三维模型并基于ANSYS Workbench对扑翼机构进行有限元分析,得到扑翼齿轮组、曲柄、主翼杆等主要部件的总形变、应力、等效应变及主、副翼动力学运动参数,为仿生样机研制提供理论支持。

仿蝙蝠飞行器扑翼结构设计与运动仿真

基于大耳蝙蝠飞行时翅膀的飞行姿态和运动轨迹,对翅膀结构进行简化处理,模仿设计了一种二自由度的仿蝙蝠飞行器扑翼,能够实现上下扑动和收放动作。借助MATLAB/UG软件完成扑翼尺寸参数求解、结构三维建模、关键节点运动轨迹生成及上下扑动机构和收放机构的运动仿真分析。结果表明:节点角位移变化曲线连续不间断,未出现角度突变,不会造成瞬时冲击,翼尖关节之间运动不产生干涉,验证了扑翼运动的可行性,同时为后续优化设计提供理论依据。

仿生扑翼飞行器研究现状与发展前景分析

介绍了扑翼飞行器的研究方向和相关研究进展,简述了扑翼飞行器相关方向的发展趋势。并且从机械结构方面简要介绍了当前世界上仿生扑翼飞行器的研究方向与成果。总结了仿生扑翼飞行器的发展方向,最后进行了讨论与展望。

适用于扑翼飞行器的双滤波电子稳像方法

针对扑翼飞行器航拍视频抖动问题,提出一种基于角点检测的双滤波电子稳像算法。首先使用FAST角点检测算法和KLT算法,求解图像内特征点的局部运动矢量,并通过最小二乘法拟合得到帧间的全局运动矢量,然后采用Kalman滤波和Savitzky-Golay滤波相结合的双滤波算法,从全局运动参数中提取出需要保留的主动运动参数,之后利用相邻帧补偿方法对图像进行运动补偿,接着通过裁剪法修复未定义区,最终得到相对稳定的视频。实验结果表明,上述方法能够有效减小扑翼飞行器航拍视频的抖动现象。

面向扑翼飞行机器人的飞行控制研究进展综述

近十年来,研究人员从飞行生物的飞行机理着手分析,对扑翼飞行机器人的姿态控制、位置控制设计以及系统稳定性分析展开了深入研究,基于鲁棒控制、神经网络等技术,提出了诸多控制方法实现扑翼飞行机器人的自主飞行,其中,姿态控制通过自适应等控制器并结合线性化方法来实现,位置控制则通过搭建层级架构的控制器等方法来完成,并通过设计扰动观测器等来处理系统的不确定性,以提高系统稳定性能.通过对相关研究工作进行总结,可以看出目前扑翼飞行机器人的飞行控制研究仍大多处于理论阶段,还需要进一步结合工程应用中的实际需求,推进扑翼飞行机器人的应用与推广.最后,探讨了扑翼飞行机器人飞行控制未来的研究方向.

振荡扑翼流场能量采集研究进展

振荡扑翼现象广泛存在于自然界和工程实际中,在风能和水流能量采集输出方面有巨大的应用潜力,揭示振荡扑翼能量采集机理,获得提高振荡扑翼输出功率和效率的方法对于新型振荡扑翼流场能量采集装置的开发应用至关重要。文中介绍了振荡扑翼能量采集基本理论及其机制,运动参数对振荡扑翼流场结构和气动力的演变以及能量采集效果的影响规律;然后重点介绍了扑翼形状、柔性扑翼、非正弦振型、新型振型、多排扑翼和流固耦合等因素对振荡扑翼能量采集效果的影响规律;最后展示了振荡扑翼能量采集装备的工程开发现状。有关振荡扑翼能量采集的研究虽然取得一定进展,但尚需要更深入的试验和数值研究,文中指出:对扑翼形状、柔性扑翼和新型振型等的研究和优化分析可以有效提高振荡扑翼输出功率,但目前的研究较为有限;对扑翼非正弦振型的数值研究较为深入,但还缺乏相应的实验验证和分析;对双排或多排扑翼的研究涉及到扑翼运动参数、相邻扑翼间的运动相位差和前排尾流涡与后排扑翼间气动耦合作用等复杂因素,目前的研究尚不够系统深入。进一步采用三维数值分析方法和开展相应的实验对振荡扑翼能量采集过程中的流固耦合效应进行研究,可以更加精确地分析振荡扑翼周围流场的三维流动效应和功率输出过程。

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GRU的扑翼非定常气动特性快速预测

为了克服传统计算流体力学代理模型不能有效模拟流体力学高度非线性系统的困难,解决现有基于深度学习的代理模型难以有效处理时间顺序信息的问题,以扑翼飞行器的二维翼型为研究对象,基于门控循环单元(GRU)与多层感知机,建立扑翼非定常气动参数的快速预测模型,实现对扑翼扑动时高度非定常、非线性气动参数的实时预测.使用计算流体力学方法获得扑翼二维翼型扑动时的气动参数,以该参数为样本训练预测模型.将扑翼的扑动振幅、频率、摆动角度与运动时间输入预测模型,快速得到扑翼在对应扑动状态下的升力、阻力与力矩.实验结果表明,所建立的预测模型精度高、计算速度快,能够实现对扑翼非定常气动参数变化的实时高精度预测.

基于雁阵变换的微型扑翼飞行机器人集群行为控制方法

为了解决微型扑翼飞行机器人集群编队目标搜索覆盖效率、避障通过性和多机控制等难题,实现扑翼飞行机器人集群编队的智能控制,提出了基于雁阵变换的扑翼飞行机器人集群行为控制方法。利用仿生集群行为控制函数的参数化特性,实现了飞行机器人编队的队形变换和角度控制;搭建了多扑翼飞行机器人实验系统,并在多种情况下设计基于仿生行为的多扑翼飞行机器人集群控制方法实验。最终的实验结果验证了方法的可行性和有效性。与传统的多飞行机器人实时控制方法相比,所提方法大幅提升了集群编队的搜索覆盖效率和避障通过率,在某些作业环境条件下,搜索覆盖率可提升50%以上,障碍通过率可提升60%以上。同时,创新点体现在将雁阵变换应用于多扑翼飞行机器人集群编队控制和将仿生集群行为控制应用于扑翼飞行机器人集群控制两个方面。

微纳扑翼飞行器前沿动态综述与启示建议

对微纳扑翼飞行器前沿动态发展进行了综合评述,并结合微纳飞行器当前发展态势,给出了微纳飞行器在未来发展的建设性意见。首先介绍了微纳扑翼飞行器的研究背景与基本概念,对微纳扑翼飞行方式的高升力产生机制和微纳扑翼飞行器的气动力学进行了简单的分析;其次分别讨论了国内外相关机构研制的微纳扑翼飞行器不同的传动结构、加工工艺以及能源驱动方式的机理特点;再次对微纳扑翼飞行器在军事和民生两方面的应用潜力和发展态势挑战进行了概括;最后对微纳扑翼飞行器未来在结构创新设计、加工制造低成本智能化、能源驱动高效以及自主智能控制等需要重点研究的方向给出建议。综述表明,微纳扑翼飞行器的设计、加工、能源和驱动都处于发展初期阶段,还需继续深入展开研究,其在军民方面具有巨大应用潜力,未来将会继续掀起对微纳飞行器的研究热潮。

突风扰动下的扑翼气动功耗和效率变化

针对突风对扑翼飞行器气动性能的影响,开展了前向、侧向和竖直方向突风中扑翼的气动功耗和效率变化研究。首先基于简化的生物翅几何和运动模型,构建了不同方向、强度的突风模型。之后采用计算流体力学方法获得了突风方向及强度对扑翼气动力、功耗及效率的影响。最终结果表明,在所研究的突风强度范围内,前向突风引起的扑翼瞬时气动功耗增幅可达33%,但突风对扑翼平均气动功耗和效率的影响不大;从翼根到翼尖的侧向突风相比反方向的侧向突风所引起的气动功耗增加和气动效率降低更加明显;向下的突风尽管能够降低扑翼的气动功耗,但也同时降低了扑翼的气动效率。此外,突风对扑翼平均气动功耗的影响可以用与突风方向相同、大小等于突风平均速度的定常来流进行模拟,它们对扑翼平均气动功耗的影响是相近的。

面向柔性扑翼翼面形状和运动参数的优化设计

扑翼机具备仿鸟类的外形,能够隐蔽执行侦查监视任务,合理设计翼面形状和运动过程能够提升扑翼飞行气动效应。当前针对扑翼翼面设计问题,缺乏考虑流固耦合效应的优化设计研究,还未在设计阶段考虑改变柔性翼面形状对扑翼气动特性的影响,且现有研究只涉及对翼面形状或扑翼运动的单因素分析讨论,缺乏综合2种设计因素的优化设计。针对定速前飞的柔性扑翼翼面进行气动特性优化设计,采用Newmark-β方法求解结构响应,并与现成软件求解器的计算结果进行对比,验证结构动力学计算方法的准确性,用非定常涡格法(UVLM)计算扑翼气动力,搭建了高效的流固耦合计算框架。由于扑翼复杂设计空间具有多个局部最优点,采用与并行计算结合的细分矩形(DIRECT)全局优化算法,提高计算效率,对柔性扑翼翼面的形状和运动参数进行迭代优化,确定最大化推进效率的设计参数,并与刚性模型优化结果进行对比。结果表明:柔性扑翼翼面形状和运动优化设计能够获得更高的推进效率,与只采用形状优化相比最优推进效率提高了5.6%,比刚性模型优化结果提高了27.0%。

无来流扑翼气动力测量装置性能研究

为了研究仿鸟扑翼飞行器气动力设计了一种固定在新型悬臂梁式测量装置。在无来流的条件下,对直流电动机驱动传动机构使扑翼做往复运动时产生的气动力、影响扑翼升力和推力因素(电压、电源和电流)进行了研究。结果表明:锂电池电压减小,升力和推力扑动频率及推力曲线峰值减小;恒压源比锂电池电源对扑翼飞行器气动力影响较小;电流的变化对扑翼飞行器的气动力影响最大,电流大小是驱动扑翼拍动的关键参数。也证实了测量装置设计的合理性和适用性,并且具有高灵敏度,测量数据准确可靠,数值模拟实验原理简单,可为扑翼飞行器的机体和扑翼结构设计提供快捷的气动力测试数据支持及应用价值。

单驱动多模式扑翼飞行器设计及耦合动力学研究

针对目前扑翼飞行器扑翼运动模式单一,飞行灵活性和稳定性不高的问题,设计了一款基于空间连杆机构的单驱动多模式扑翼飞行器。建立了扑翼飞行器运动学模型,通过软件Matlab与Adams联合仿真对驱动机构进行分析,对比得出了扑翼飞行器的运动特性;建立了单驱动多模式扑翼飞行器气动力学模型,将求得的周期变化的迎风阻力施加在机翼上,分析了扑翼飞行器的动力学特性;通过联合机构运动学和气动力学耦合分析,得出扑翼飞行器的耦合动力学特性。为未来扑翼飞行器的飞行控制与性能提升提供了研究基础。

基于浸入边界法的扑翼飞行数值模拟

本文提出了基于浸入边界法的扑翼鸟建模与仿真,首先检验了数值方法的精确性,而后对NACA0012翼型的升沉运动与俯仰运动进行了研究,最后对三维扑翼的翅膀拍动时间非对称性进行了研究。结果表明:浸入边界法对拍动翼型的模拟能够很好地和文献结果吻合。升沉运动的推进能力由翼型前缘涡的大小和位置决定,升沉运动推进效率的峰值主要集中在0.3≤St≤0.4时。升沉运动耦合俯仰运动时,在俯仰角25°及相位差85°时,推进效率达到峰值。在三维模拟中,适当增加翅膀下拍速度,能提供更大的升力,同时耗能也更高。研究结果可以为微型扑翼飞行器的扑动参数设置提供参考。