蝴蝶飞行机理及仿蝴蝶扑翼飞行器研究进展综述

仿生扑翼飞行器具有高机动性、高隐蔽性以及高效率等突出优势,在军事侦查、探险搜救等领域具有较好的应用前景,而其应用的基础是对生物飞行机理的深入探究.随着先进运动观测和实验技术的引入,对昆虫飞行行为的记录和分析更为便捷和准确.研究表明常见的昆虫拍打频率较高,在25~400 Hz之间,而蝴蝶较为特殊,其扑打频率较低,大约为10 Hz,对于蝴蝶的许多独特的飞行技能尚缺少足够的认识.蝴蝶前翼和后翼的翼面积都较大,身体同侧的前后翼几乎为同步拍打,且扑打幅度较大,甚至接近180°.蝴蝶飞行中身体有较大幅度的上下和俯仰震荡,翼和身体运动高度耦合.即便如此,蝴蝶仍具有敏捷的飞行能力,可以达到点对点的飞行目标,甚至上千公里的长途迁徙,是优秀的仿生学研究对象.因此,蝴蝶启发的仿生扑翼飞行器也得到了全世界研究人员的关注.蝴蝶的飞行机制相对于其他昆虫更加特殊,飞行行为和气动特性更为复杂,这使得仿蝴蝶扑翼飞行器的研制更加困难.目前对于仿蝴蝶飞行器的研制大多数对蝴蝶翼–身耦合的机理进行了简化,很少能实现受控的稳定飞行.最后,本文梳理了真实蝴蝶的飞行行为特点和飞行机理,指出了仿蝴蝶扑翼飞行器研制的关键技术,总结了该类飞行器未来的发展方向和应用前景.

基于特征运动观测的蝴蝶前飞规律及样机验证

为了研究蝴蝶扑翼飞行的原理,研制低频扑翼的仿生器,通过蝴蝶飞行运动的生物学观测,提出蝴蝶的3种特征运动状态,分析扑翼运动、胸部俯仰运动及腹部摆动运动之间的相位关系,构建蝴蝶前飞运动学模型。基于“杆-膜”仿生翼的新工艺和定制的机载飞控系统,研制轻量化的仿生蝴蝶扑翼飞行器样机,研究蝴蝶样机的飞行控制策略。通过六维力传感器对样机做地面动力学测试,利用高速摄像机对样机飞行进行运动学跟踪,证明了基于特征运动状态的蝴蝶前飞规律和原理样机研制的有效性。

飞行器相对姿态运动的静力学、运动学和动力学方法

文章系统地研究了飞行器相对姿态运动描述问题 ,提出了求解相对姿态运动的静力学方法、运动学方法和动力学方法 ,特别是在动力学方法中 ,提出了飞行器相对姿态运动的角加速度合成定理。所得结果可作为飞行器相对姿态运动的分析和数值仿真的理论基础 。

基于RS-LSSVM的AUV耦合控制方法

针对AUV不可避免的横滚运动引起的俯仰和偏航运动间的耦合效应,提出了基于RS-LSSVM的综合解耦控制方法。首先分析建立了AUV的俯仰-偏航模型,并构建了RS-LSSVM解耦控制模型,重点研究其解耦控制方法。以某型号的AUV为研究对象,着重对非零横滚角引起的俯仰与偏航间的耦合进行解耦控制仿真,其结果与标准PID解耦控制仿真结果对比表明,该方法有效地消除了俯仰和偏航运动的耦合,为AUV的解耦控制提供了一种新的方法。