超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计

上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计1摘要超小型仿生扑翼飞行器(FMAV)是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。仿生学和空气动力学研究均表明，对于特征尺寸相当于鸟或者昆虫的微型飞行器来说，扑翼飞行要优于固定翼和旋翼飞行器。本文以采用单曲柄双摇杆驱动机构的超小型仿生扑翼飞行器为研究对象,以提高其运动对称性为目的进行优化设计，为解决该类飞行器在飞行过程中发生向左或者向右倾斜、栽落的问题提出一种新的解决方案。在对鸟类扑翼飞行生物学原理研究的基础上，从合力作用与分解的角度提出了一种气动力对超小型仿生扑翼飞行器作用的机理，解释了超小型仿生扑翼飞行器在试飞过程中倾斜栽落的力学原因。同时根据该机理和条带理论计算了超小型仿生扑翼飞行器作一维拍动时上下方向受到的气动力，最后将计算结果与风洞实验所得到的升力曲线进行了比较，二者的结果比较接近。用ADAMS建立超小型仿生扑翼飞行器虚拟样机，将气动力计算结果加载到虚拟样机上，仿真得到动力学状态下两翼扑动角速度曲线图；位置控制系统应用PID控制技术，借助MATLAB和ADAMS进行联合仿真，结果显示该控制系统设计合理，为超小型仿生扑翼飞行器的研制奠定了基础。关键词：扑翼飞行器，仿生，PID控制，仿真上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计2TheDesignofControlSystemforBionicFlapping-wingＭicrominiatureAirVehicleABSTRACTBionicFlapping-wingMicrominiatureAirVehicle(FMAV)arenewconceptualairvehiclesthatmimictheflyingmodesofbirdsandinsects.ThestudyofbionicsandaerodynamicsindicatesthattheMAVwhichthecharacteristicdimensionalmostequatetobirdorinsect,theflappingflightisprecedetofixedandrotatoryMAV.TheobjectofstudyinthepaperisFMAVthathavedrivingmechanismsofsingle-crankanddouble-rocker,andlaunchedtheworksurroundingthegoalofenhancingthesymmetryofthewings’movement.anewsolutionofFMAVwithdrivingmechanismsofsingle-crankanddouble-rockeroftentilttowardtheleftortherightandfallinthecourseofflightwasproposedinthepaper.Basedonthebiologicalflightmechanismofbirds,anewmechanismofFMAVaffectedbyforceswasproposedinviewofcompositionofforces,andthereasonofthephenomenainforcewasexplainedundertheusingthenewmechanism.Theforceonwingsinafullcyclewascomputednewmechanismwhentherewasonlyflapping,anditscurveissimilartothecurvetunneltest.ThewholesimulationmodelofFMAVwasestablishedinADAMS,thentheprecomputedforcewasloadtothemodel,andtheangularvelocityofbothwingsinaerodynamicsituationwasgained,whichpavedthewaytothedynamicsoptimizationofthedrivingmechanisms.ThepositioncontrolsystemwasdesignedbyPIDinthepaper.ThepositioncontrolmodeisresearchdeeplybyMATLABandADAMS.Resultsindicatethatthispositioncontrolsystemisefficient.上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计3Keywords:FMAV，bionic，PID，simulation上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计4超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计厉敏0811051750引言自古以来，人们就梦想着在天空自由翱翔。在上亿年进化历史中，经过不断适应环境和优化选择，鸟类及昆虫的飞行技巧达到了几乎完美的程度，如昆虫利用其薄如蝉翼的翅膀高频振动，能够实现前飞、倒飞、侧飞及倒着降落等特技飞行，其载重能力是自身重量的两倍[7]。鸟类与昆虫出色的飞行技能很早就引起了人类的注意,激发起人类的飞行梦想。人类的飞行史，就是模仿飞行生物（鸟类及昆虫）进行仿生飞行的历史。人们通过研究鸟类滑翔的原理，成功制成了滑翔机，初步实现了飞行的梦想。1903年莱特兄弟在滑翔机基础上加装自制内燃机制成的“飞行者”1号试飞成功，标志着人类翱翔蓝天的梦想得以真正实现[1]。在以后的一百年中航空科学迅猛发展，固定翼飞机从第一代已经发展到了第四代，旋翼飞机也得到长足的发展和应用[16]。近几十年来，随着纳米科技以及微电子机械技术(MEMS)等出现及高速发展，飞行器的小型化、微型化越来越受到人们的重视。进入21世纪后，飞行器的微型化技术已经成为衡量各国航空业水平的又一重要标志。超小型仿生扑翼飞行器(BionicFlapping-wingMicrominiatureAirVehicle,FMAV)是20世纪90年代发展起来的一种新型飞行器,由于具有特殊的用途(如侦察、电子干扰、搜救等)而倍受关注。从现有的研究情况上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计5来看，超小型飞行器按其飞行方式可分为固定翼(FixedWings)、旋翼(RotaryWings)和扑翼(FlappingWings)三类。超小型固定翼飞行器与旋翼超小型飞行器是固定翼飞机和旋翼飞机微型化的产物，其飞行原理分别与传统的固定翼飞机和直升机相同；超小型扑翼飞行器在构造上是模拟自然界鸟类或昆虫的拍翼飞行的机构,如同鸟类或昆虫利用拍翅同时产生升力与推力。固定翼式和旋翼式超小型飞行器的研究迄今为止都达到了一定的水平,但是纵观自然界的飞行生物无一例外均采用扑翼的飞行方式来飞行，所以研究者普遍认为,扑翼是生物进化的最优飞行方式。因此,有关扑翼飞行的机理及其在超小型飞行器上的应用又成为这一领域的一个研究热点。随着人们对鸟类和昆虫生理结构和飞行机理研究的深入以及空气动力学和新型材料等的快速发展，如今的扑翼飞行器已越来越灵巧且逐渐小型化,离实用也越来越近。本文主要针对这一类超小型扑翼飞行器进行研究。1研究背景与意义1.1扑翼飞行器发展历程人类的飞行梦想最早是从模仿鸟类的形态开始的，早在中国汉朝时期就有人模拟鸟类进行扑翼飞行活动的记载。西汉时期《鸿书》记载“公输般(鲁班)制木莺以窥宋城”；王莽时代曾有人用鸟羽做成翅膀试验过“飞人”,与中国相似,中世纪的欧洲也流传着不少有关飞行的神话和传说。十五世纪意大利科学家和艺术家达·芬奇做了扑翼机的设计(见图1.1),但没有取得成功，但该设计在驱动机构方面显示出很高的工程技巧[2]。上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计6图1.1达·芬奇设计的扑翼机达·芬奇之后，仍然有很多人尝试以扑翼的方式飞上天空，但基本上都以失败而告终。直到19世纪中期，科学家们才重新开始考虑扑翼机，并把它作为一种飞行器来研究，英国人哈尔格莱夫和德国人李林塔尔对扑翼机理论所作的研究及实践成为扑翼飞行器发展史上重要的里程碑。这一时期最主要成果是制成最早的有记载能够飞行的扑翼飞行器：1874年由法国人Pénaud设计的以橡皮筋为动力的扑翼机模型,如图1.2所示[3]。图1.2法国人Pénaud设计的扑翼机模型20世纪初，在经历一系列的失败后，科学家们被迫重新进行计算和设计，通过对试飞实践和所积累的理论资料的仔细分析，认识到:之前那些上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计7仅靠人体自身肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。由此至20世纪中后期，人类历经艰辛才发明了扑翼滑翔飞行器和动力扑翼飞行器[3]。自20世纪中后期以来，鉴于仿生扑翼飞行器潜在的应用前景，其在短时间内就吸引了许多研究者的关注，对于较大尺寸及超小型扑翼的空气动力学研究也逐渐成为热点。扑翼飞行器正在从大型向微型,从自由飞行向可控飞行发展。1.2超小型扑翼飞行器1.2.1超小型扑翼飞行器的定义与特点超小型仿生扑翼飞行器(Flapping-WingMicroAirVehicle,简称FMAV)是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念微型飞行器。微型飞行器是上世纪90年代发展起来的一种新型飞行器。1992年，美国国防高级研究计划局(DARPA)召开了关于未来军事技术的研讨会，第一次提出了微型飞行器MAV(MicroAirVehicle)的概念，并提出其量级与昆虫及小鸟相似[4]。它的特点是:翼展和长度小于6英寸（152毫米），总重量约为10～100克，有效载荷约20克左右，续航时间20～60分钟，飞行速度约为30～60公里/小时，具有实时成像、导航及通信能力。此外还要求其造价低廉、便于携带、操作简单、伪装性能好、更重要的是要能完成一定的任务[7]。自MAV的概念出现后，便成为各国研究的热点。从现有的研究情况看，微型飞行器按其飞行方式可分为固定翼布局、旋翼布局和仿生扑翼式布局3类。固定翼式和旋翼式微型飞行器的研究迄今为止都达到了相当的水平，上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计8但是它们的高能耗、低机动性、低灵活性和稳定性差的缺点也日益凸显出来。仿生学和空气动力学研究均表明,对于特征尺寸相当于鸟或者昆虫的微型飞行器来说,扑翼飞行器要优于固定翼和旋翼飞行器：（1）与固定翼和旋翼飞行器相比,扑翼飞行器的主要特点是将举升、悬停和推进功能集成于一个扑翼系统,依靠扑翼运动方式的改变可以快速有效地改变飞行器的姿态,具有较强的机动性与灵活性。（2）扑翼飞行器的扑翼可以在水平位置锁定,在高空进行翱翔以利用势能,故比起直升机螺旋桨必须不停旋转来说可以节省能量。同时扑翼产生推力的效率高,可用很小的能量进行长距离飞行,更适于在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务[5]。1.2.2超小型扑翼飞行器的用途超小型扑翼飞行器具有尺寸小、便于携带、行动灵活、隐蔽性好和飞行费用低廉等特点，能完成许多其它飞行器所无法执行的任务，在民用和国防领域有着十分广泛的应用。在民用方面的用途有：(1)生化探测与环境监测。进入生化禁区执行任务，实时监测森林、草原和农田虫灾、火灾以及空气污染等生态环境；(2)通信中继、检测和维护通信线路；(3)对城市街道的交通状况进行监测；(4)飞进失火或出事故的建筑物中，寻找有毒和危险的源头；(5)在田野上空飞翔，咬死害虫或观察灌溉情况。在军事方面的用途有：(1)低空侦察，可在数米至数百米范围内贴近目标实施侦察，尤其是对地势险要或人员无法到达的地区进行侦察，能够实时准确地把侦察到的信息传送回来；(2)实施突袭；(3)城市作战，可在上海工程技术大学毕业设计（论文）超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计9建筑物中以缓慢速度飞行，绕过障碍，探测建筑物内部目标或恐怖分子活动情况；(4)信号干扰，能非常靠近敌方雷达、通信设备工作