仿枫树种子微型飞行器的总体与飞行控制设计

通过模拟枫树种子独特的自旋飞行方式,设计了一种仿枫树种子的新型微型飞行器。参考枫树种子的外形与重量分布来完成该微型飞行器的总体布局设计,同时采用动态网格非定常流场方法计算分析了该飞行器不同转速下的飞行工况。根据这种飞行器独特的飞行方式,基于地磁场的方位定标,设计了这类自身无固定参考系飞行器的飞行控制方法,最后制造了样机进行飞行试验。结果表明:仿枫树种子微型飞行器具有良好的气动效率,所设计的操纵方案有效可靠,大大增加了这种飞行器的可控性和实用性。

种子叶片自旋下落过程涡系的PIV实验研究

本文利用粒子图像测速技术研究种子叶片自由旋转下落过程中不同涡系的相互作用机理。以典型枫树种子叶片为研究对象,通过对比不同叶片长度、叶面厚度、叶面宽度、下落锥角、自旋角速度、下落速度和下落初始角度等参数对过渡期和稳定期的影响,分析了诱发叶片自旋的外形特征和空间特性。结合特征参数分析,对叶片自旋稳定期开展了PIV流场测量实验,解析了无干扰下种子叶片下落过程中涡系的产生和演化机理。实验结果表明:稳定期气流在叶尖正面位置产生前缘涡(沿展向呈圆锥状结构),后缘位置产生反方向的后缘涡;两个涡发生相互耦合运动,前缘涡的强度大于后缘涡,从而导致叶面产生锥角。在前缘和叶尖前方观测到较高的速度向上的区域,而在后缘和叶根附近则出现较高的速度向下的区域,从而对种子产生向上的升力,使叶片实现自旋稳定下落。通过枫叶种子自由下落的无干扰PIV测量,初步获得了贴近叶片表面前缘涡的运动性状,验证了后缘涡的存在,结论对单翼型旋转叶片的设计有一定指导意义。

类Samara飞行器的曲线跟踪控制

Samara飞行器是洛克希德·马丁公司在枫树种子的启发下研发的一款单桨旋翼机,它具有体积小、重量轻、气动效率高和隐蔽性强的特点。但是Samara飞行器的控制依赖于独立的视觉跟踪系统,该系统无法机载且价格昂贵,所以对Samara的研究一直处于实验室阶段。本课题组在此背景下,自行设计并制造了一款类Samara飞行器。它摒弃了Samara的视觉传感系统,使用普通民用的传感器和飞控板来进行控制。本文针对类Samara飞行器的曲线跟踪问题,提出了一种基于控制的建模方案,给出了曲线跟踪控制律。仿真结果表明,所设计的跟踪控制律能够使类Samara飞行器以较高的精度跟踪预设轨迹曲线。