【摘 要】
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仿生扑翼飞行器涉及到多学科的交叉融合,包括空气动力学、机械设计与机械原理以及仿生学等,是微型飞行器领域的研究重点。依据仿生学原理,扑翼飞行方式在理论上具有很高的能量利用率,但鉴于非定常空气动力学的复杂性,其在实际应用中远未达到最优性能。目前扑翼飞行器的研究,多在设计与制作的不断迭代和完善中,逐步提升其综合性能。本文主要设计了一款小型扑翼飞行器,采用曲柄导杆机构实现扑动传动。为解决气动负载下,实际扑
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（项目批准号:61973159）； 陆军装备预研项目；
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仿生扑翼飞行器涉及到多学科的交叉融合,包括空气动力学、机械设计与机械原理以及仿生学等,是微型飞行器领域的研究重点。依据仿生学原理,扑翼飞行方式在理论上具有很高的能量利用率,但鉴于非定常空气动力学的复杂性,其在实际应用中远未达到最优性能。目前扑翼飞行器的研究,多在设计与制作的不断迭代和完善中,逐步提升其综合性能。本文主要设计了一款小型扑翼飞行器,采用曲柄导杆机构实现扑动传动。为解决气动负载下,实际扑动频率低于设计扑动频率的难题,以扑翼惯性力最小为目标函数,利用Matlab对扑动机构尺寸进行非线性优化,使实际扑动频率提高8%;设计了简单复用结构,用单个舵机实现飞行器的飞行转向控制与地面行走功能;最后,受鸟类肌腱功能的启发,设计一款具有涡卷弹簧储能功能的电磁驱动机构,实现了机翼在下扑时储能、上扑时释能,有望提高扑翼效率。为定量评估扑翼飞行器性能,采用XFlow对其进行流场仿真。模型的三维结构参数和双翼运动特征与实物相同。对于优化后的样机,当来流速度为3m/s,飞行迎角为25°,扑动频率为10Hz时,扑翼飞行器能够克服自重飞行。进一步在低速风洞中对优化前后的两架样机分别进行实验测试,结果表明优化后样机的峰谷差减小约5%,从而具有更好的飞行稳定性。最后制作了扑翼飞行器样机,其起飞重量为14.6g,负载能力6.6g,为自重的45.2%。该样机实现了空中飞行与地面行走功能展示,并可利用实时图像回传开展第一视角飞行控制下的侦察工作。
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