扑翼飞行器的动力特性分析

扑翼飞行器的动力特性分析
发布时间：2021-04-12T10:17:47.717Z 来源：《文化研究》2021年4月下作者：段佳俊欧菀琦侯嘉朔[导读] 扑翼飞行器是一种模仿动物飞行的新型飞行器，其具有仿生性且飞行声音小、隐蔽性好、飞行效率高、噪声小、机动性能好等特点，因此无人机发展的一个重要方向便是仿生扑翼飞行器。

在现代的仿生扑翼飞行器的设计和制作当中,动力学性能和气动力学性能是影响其飞行性能的重要指标。

四川成都西华大学航空航天学院段佳俊欧菀琦侯嘉朔 610039
摘要：扑翼飞行器是一种模仿动物飞行的新型飞行器，其具有仿生性且飞行声音小、隐蔽性好、飞行效率高、噪声小、机动性能好等特点，因此无人机发展的一个重要方向便是仿生扑翼飞行器。

在现代的仿生扑翼飞行器的设计和制作当中,动力学性能和气动力学性能是影响其飞行性能的重要指标。

通过ADAMS运动学仿真分析可以有效针对扑翼飞行器的动力特性问题，结果显示该模型具有良好的动力学性能。

关键词：扑翼飞行器主动折弯动力学分析飞行控制地面站引言：研究人员对仿生扑翼飞行器通过不断的研究、设计和制造出各种结构形式的扑翼飞行器，并逐渐实现该飞行器的飞行模式。

目前，国内外研制的仿生扑翼飞机大多是以空间曲柄摇杆机构为驱动机构的单级扑翼飞机。

与飞机飞行和旋翼飞行器的飞行模式不同，扑翼最早的成果主要是模拟昆虫飞行的飞行器,其特征是单级扑翼飞行,比较著名的成果有佐治亚大学研制的昆虫翼飞行器以及加利福尼亚州理工大学的仿蝙蝠式飞行器。

为了解决传统的单级的缺点扑翼飞机气动特性较差,本文模仿海鸥的飞行特性,设计了一套多级仿生扑翼驱动机构与活跃的弯曲,通过改变翅膀的翼面形状来增加升力,依靠翅膀的主动变形来减小空气的阻力。

1.多段式仿生扑翼飞行器模型建立
通过观察海鸥的飞行规律，可以发现翅膀在一个拍动周期内表现出周期性运动规律。

当拍动时，翅膀被拉直，使翅膀的受力区域尽可能大。

在最低点时，外翅开始内收折叠，在升力阶段，翅膀不断折叠以减小升力阻力。

当它们到达最高点时，它们的翅膀迅速地展开，准备坠落。

建立多段式扑翼模型如下：
其中:l为扑翼截面展向位置;b为主翼长度; δ(t)为主副翼扑动角度函数;?4为海鸥翅膀折弯角 2.仿生扑翼的动力学分析
过去的仿生扑翼飞行器运动分析的方法是使用一个单独的CFD软件,通过编写UDF控制程序控制扑翼的运动,由于时间和段落之间的函数关系计算扑翼位置不准确,编写控制程序的流体仿真软件有一个巨大的错误,导致仿真结果和实际的差距。

运动学分析软件ADAMS精确分析系统组件的运动特征,将在UGNX中建好的导入到ADAMS虚拟样机是添加约束,驱动,最后主翼的虚拟样机,副翼MARKER_1, MARKER_2添加标记点,分别设置1 Hz的扑翼扑动频率,仿真时间是3 s,进行动力学分析。

MARKER_1和MARKER_2在一个周期内的位移分别为180 mm和250mm，这与海鸥翅膀的拍动位移一致。

当t=0 ~ 0.25s时，主翼开始颤振，副翼膨胀，标志点的MAEKER_2继续上升。

T = 0.25秒,副翼完全展开,标志点MARKER_2达到最高点;T = 0.25 ~ 0.55,副翼跟随主翼在一起;T = 0.55秒,主翼达到最低点,并开始上扑,副翼继续下扑;T = 0.65秒,标记点MARKER_2达到最低点;T = 0.65 ~ 1.0,副翼与主翼一起上扑,与此同时,副翼开始主动折叠;T = 0.8 ~ 1.0,主翼继续上扑,副翼开始展开，t= 1.0s时，主翼达到最高点，副翼继续展开。

机构的下冲程时间比上冲程时间长，具有明显的急回特性。

3.扑翼飞行器的飞行控制
PX4是一个开放源码的飞行控制软件，适用于多种车辆类型，支持车辆如单旋翼飞机、多旋翼飞机、固定翼飞机、无人驾驶车辆和直升机。

PX4的高度模块化设计为无人机应用提供了丰富和稳定的开发工具包，使无人机开发者可以轻松地基于PX4固件定制特定的飞机模型。

本文所实现的扑翼飞行器自主飞行控制采用基于PX4固件的串级PID实现。

其位置控制器(如图2所示)采用L1制导律进行制导，TECS(Total Energy Control System)同时控制飞机的空速和高度。

位置控制器输出扑翼飞行器所需的姿态角和节气门，然后输入姿态控制器对扑翼飞行器的姿态进行控制。

QGC地面站提供了对PX4固件的本地支持和高度模块化的软件架构，工程师可以基于本地代码轻松定制和修改。

4.结论
模仿海鸥的翅膀运动建立起的模型，在ADAMS中对其进行运动学分析，得到了主副翼标志点的位移变化曲线，结果证实了扑翼飞行器具有非常优良的动力学性能，并提高了学生对于扑翼飞行器怎样提供动力的认知和实践创造能力。

参考文献
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[2]张焱,侯悦民,王思琪.扑翼飞行器的动力特性及其气动性能[J].液压与气动,2020(12):81-88.
[3]邵伟平,郭梦辉,郝永平.多段式仿生扑翼飞行器动力学建模与气动特性分析[J].机床与液压,2020,48(08):144-148.。