柔性翼仿生扑翼飞行器结构设计与实验研究

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扑翼飞行器是模仿鸟或昆虫飞行特性的飞行器,具有较好隐身性,在各个方面都具有广阔前景。目前对于柔性扑翼飞行器的研究主要集中在柔性翼的数值模拟分析方面;仿鸟类飞行器多采用单段翼或两段翼形式来实现鸟类翅膀的运动,难以模拟真实鸟类翅膀的折展运动,整体柔性效果不明显。针对这些问题本文设计了一种具有柔性翼的仿生扑翼飞行器,研制了柔性翼样机,并进行了实验研究。  针对现有飞行器存在的缺陷,提出了一种柔性翼仿生扑翼飞行器设计方案。对鸟类翅膀结构以及飞行时翅膀各阶段的基本运动进行了分析,提出了飞行器的总体结构设计方案。该方案中采用三个四连杆串联形式实现翅膀的柔性特征。同时,根据鸟类的尺度规律确定了柔性扑翼飞行器方案设计的外形参数以及部分运动参数。  基于总体机构设计方案,建立了柔性扑翼飞行器机构运动方程,进行了机构参数设计和仿真分析。根据柔性翼运动参数,对柔性翼各段翼进行了机构参数设计,并且对曲柄摇杆机构进行了优化,保证了曲柄摇杆的传动性能;根据几何关系,建立了运动学方程,直观分析了机构速度以及角加速度的变化特性。在此基础上,建立了柔性翼的运动模型,利用条带理论对翅膀柔性翼气动力进行理论计算;对机构进行动力学仿真,分析各铰点受力情况,保证了机构的结构强度。  设计了样机整体机构,并对样机进行加工制作。根据动力学仿真结果和翅膀扑动频率,选取合适的驱动电机,设计了减速传动比;提出了空间四连杆机构,实现了翅膀折展-扭转动作;通过检测角度传感器的输出电压来控制扭转舵机,保证了翅膀攻角的主动实时变化。  为了得到柔性翼飞行器气动力特性,搭建了二维力测试平台并进行了测试。在Labview下编写数据采集以及传感器标定软件;根据不同条件下采集到的数据,分析了柔性翼飞行器的升力与推力变化趋势。同时,测量了两段翼飞行器在不同扑动频率下的升力和推力,并与柔性翼飞行器相关数据进行了对比分析。
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