仿蝴蝶扑翼飞行器:研究进展、挑战与未来发展

以昆虫为灵感设计的仿生扑翼飞行器在近三十余年来的时间里发展迅速,而蝴蝶作为众多昆虫中极富特色的一种也得到了许多研究者的关注。国内外以蝴蝶为研究对象进行了许多的仿生学研究和仿生飞行器研制,尤其是近十年来仿蝴蝶扑翼飞行器的设计与制造取得了较大的进展。对这一热点领域的研究进行了综述。首先从仿蝴蝶扑翼飞行器(BIFAV)的升力机制研究、结构设计与制造以及驱动与控制方面,综述近年来所取得的研究成果;其次指出仿蝴蝶扑翼飞行器目前在大小尺度、飞行灵活性、续航时间、控制鲁棒性以及仿生的逼真性方面仍然存在研究挑战;最终表明其未来的研究将朝着更小的尺寸、更灵活的飞行与更可靠的控制、更高的仿生程度等方向进一步完善。     

基于雁阵变换的微型扑翼飞行机器人集群行为控制方法

为了解决微型扑翼飞行机器人集群编队目标搜索覆盖效率、避障通过性和多机控制等难题,实现扑翼飞行机器人集群编队的智能控制,提出了基于雁阵变换的扑翼飞行机器人集群行为控制方法。利用仿生集群行为控制函数的参数化特性,实现了飞行机器人编队的队形变换和角度控制;搭建了多扑翼飞行机器人实验系统,并在多种情况下设计基于仿生行为的多扑翼飞行机器人集群控制方法实验。最终的实验结果验证了方法的可行性和有效性。与传统的多飞行机器人实时控制方法相比,所提方法大幅提升了集群编队的搜索覆盖效率和避障通过率,在某些作业环境条件下,搜索覆盖率可提升50%以上,障碍通过率可提升60%以上。同时,创新点体现在将雁阵变换应用于多扑翼飞行机器人集群编队控制和将仿生集群行为控制应用于扑翼飞行机器人集群控制两个方面。     

可悬停扑翼飞行器研究现状与关键技术

可悬停扑翼飞行器模仿自然界定点滞空昆虫和鸟类的飞行特点,隐蔽性高、灵活机动、应用环境多样,具有突出的理论和实用价值,引起了世界范围的广泛关注。对可悬停扑翼飞行器的研究现状和发展方向进行了综合评述。首先总结了近年来最突出的研究成果,按照微扑翼尺寸分类分别介绍MAV、NAV、PAV尺度下可悬停扑翼微飞行器的样机构型、动力系统、质量分配与飞行性能,统计了升力、翼展、质量、扑翼幅值等重要参数,介绍了电机、压电和电磁驱动扑翼微飞行器最具代表性的研究工作;然后针对目前飞行器研究运用的升力产生原理、飞行稳定性分析、功耗效率优化、续航能力等关键技术进行了分析和总结;最后讨论了扑翼飞行器亟待突破的技术难题和未来发展方向。     

突风扰动下的扑翼气动功耗和效率变化

针对突风对扑翼飞行器气动性能的影响,开展了前向、侧向和竖直方向突风中扑翼的气动功耗和效率变化研究。首先基于简化的生物翅几何和运动模型,构建了不同方向、强度的突风模型。之后采用计算流体力学方法获得了突风方向及强度对扑翼气动力、功耗及效率的影响。最终结果表明,在所研究的突风强度范围内,前向突风引起的扑翼瞬时气动功耗增幅可达33%,但突风对扑翼平均气动功耗和效率的影响不大;从翼根到翼尖的侧向突风相比反方向的侧向突风所引起的气动功耗增加和气动效率降低更加明显;向下的突风尽管能够降低扑翼的气动功耗,但也同时降低了扑翼的气动效率。此外,突风对扑翼平均气动功耗的影响可以用与突风方向相同、大小等于突风平均速度的定常来流进行模拟,它们对扑翼平均气动功耗的影响是相近的。     

甲虫后翅及其FWMAV可折叠翼仿生研究

对将甲虫后翅的研究应用于FWMAV仿生可折叠翼研制的前沿交叉领域进行了综合评述,并对其未来研究进行了展望。首先分析了甲虫后翅结构及其材料力学性能;其次讨论了后翅结构对其静力学和动力学性能的影响;然后概括了基于甲虫后翅建立的仿生翼及其力学特性研究现状;最后对仿生可折叠翼力学性能的研究做出了总结并对其重点研究方向给出建议。综述表明:甲虫后翅的不同单元具有各异的力学性能,其不同结构可影响静力学和动力学特性;依据后翅制造的可折叠柔性翼具有明显的尺寸优势,既有助于双翼产生高升力,又可抵抗部分耦合冲击以提高飞行稳定性。未来以甲虫后翅为仿生原型研制适用于FWMAV的可折叠柔性翼,应着眼于柔性翼骨架结构和机翼翼膜材料属性的各向异性,以期制造出可折叠、易扭转、高弹性的微飞行器机翼。     

空投UUV入水冲击有限元仿真

空投无入水下航行器(简称UUV)在入水的过程中,会受到水的强烈的冲击作用.掌握UUV在不同工况入水时所受冲击力的情况,对研究空投UUV壳体强度设计和安全入水方法都有着非常重要的作用.建立了UUV入水有限元仿真模型,并利用MSC.Dytran对UUV在多种工况下入水时所受冲击力的情况进行了计算.仿真结果表明,随着入水速度...     

扑翼UUV前肢驱动机构设计

通过对海龟前肢运动特点的分析和研究,对扑翼进行受力分析,充分利用惯性与流体力的作用,基于Unigraphics软件,实现前肢扑翼驱动机构的虚拟样机设计,简述此机构的周期运动过程,通过计算与仿真得出其粗略的推进力曲线及驱动电机参数,验证了机构的合理性。     

高空远程滑翔UUV减速段弹道仿真与分析

高空远程滑翔UUV技术是一种集高空滑翔与水下航行于一体的综合技术研究,减速段弹道是高空远程滑翔UUV弹道流程中的重要部分.通过建立高空滑翔UUV的六自由度数学模型,在Matlab/Simulink环境下对减速段弹道进行了运动仿真与分析.采用火箭反推减速方案对UUV进行减速,根据UUV入水条件要求设置初始条件,仿真结果显示UUV能满足入水条件要求,证明了此方案的可行性.并对影响减速段弹道的因素:反推力的大小、反推力作用时间、反推火箭安装位置进行了仿真与分析,对以后的进一步研究具有指导意义.     

高空远程滑翔UUV的升阻特性风洞实验

为探索高空远程滑翔UUV空气动力学基本特性,针对高空远程滑翔UUV详细设计了风洞试验模型,并通过试验分析了攻角和导流罩对高空远程滑翔UUV亚音速滑翔时升阻特性的影响,得到了高空远程滑翔UUV升阻特性的基本规律,为高空远程滑翔UUV总体、气动的进一步设计提供了依据.     

基于集对分析方法的UUV威胁评估

UUV威胁评估问题是典型的不确定性军事问题,构建了多因素影响条件下的UUV威胁等级评估层次框架,利用集对分析方法以定量的形式对威胁评估问题进行了研究,针对UUV执行某种特定战术任务的简化情形进行了仿真计算,结果具有相当的可信性。