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超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计.doc

超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计

刚哥
2012-07-13 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计doc》,可适用于其他资料领域

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TheDesignofControlSystemforBionicFlappingwingMicrominiatureAirVehicleABSTRACTBionicFlappingwingMicrominiatureAirVehicle(FMAV)arenewconceptualairvehiclesthatmimictheflyingmodesofbirdsandinsectsThestudyofbionicsandaerodynamicsindicatesthattheMAVwhichthecharacteristicdimensionalmostequatetobirdorinsect,theflappingflightisprecedetofixedandrotatoryMAVTheobjectofstudyinthepaperisFMAVthathavedrivingmechanismsofsinglecrankanddoublerocker,andlaunchedtheworksurroundingthegoalofenhancingthesymmetryofthewings’movementanewsolutionofFMAVwithdrivingmechanismsofsinglecrankanddoublerockeroftentilttowardtheleftortherightandfallinthecourseofflightwasproposedinthepaperBasedonthebiologicalflightmechanismofbirds,anewmechanismofFMAVaffectedbyforceswasproposedinviewofcompositionofforces,andthereasonofthephenomenainforcewasexplainedundertheusingthenewmechanismTheforceonwingsinafullcyclewascomputednewmechanismwhentherewasonlyflapping,anditscurveissimilartothecurvetunneltestThewholesimulationmodelofFMAVwasestablishedinADAMS,thentheprecomputedforcewasloadtothemodel,andtheangularvelocityofbothwingsinaerodynamicsituationwasgained,whichpavedthewaytothedynamicsoptimizationofthedrivingmechanismsThepositioncontrolsystemwasdesignedbyPIDinthepaperThepositioncontrolmodeisresearchdeeplybyMATLABandADAMSResultsindicatethatthispositioncontrolsystemisefficientKeywords:FMAVbionicPIDsimulation超小型仿生扑翼飞行器扑动控制设计厉 敏 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。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。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”号试飞成功标志着人类翱翔蓝天的梦想得以真正实现。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。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(BionicFlappingwingMicrominiatureAirVehicle,FMAV)是世纪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。研究背景与意义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),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。图达·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:年由法国人Pénaud设计的以橡皮筋为动力的扑翼机模型,如图所示。图法国人Pénaud设计的扑翼机模型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。自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。超小型扑翼飞行器超小型扑翼飞行器的定义与特点超小型仿生扑翼飞行器(FlappingWingMicroAirVehicle,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年代发展起来的一种新型飞行器。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。它的特点是:翼展和长度小于英寸(毫米)总重量约为~克有效载荷约克左右续航时间~分钟飞行速度约为~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。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:()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。()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。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:()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()通信中继、检测和维护通信线路()对城市街道的交通状况进行监测()飞进失火或出事故的建筑物中寻找有毒和危险的源头()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:()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()实施突袭()城市作战可在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()信号干扰能非常靠近敌方雷达、通信设备工作区实施干扰。超小型扑翼飞行器的研制难点和关键技术在超小型扑翼飞行器这个微系统中,涉及到很多学科的专业知识,有众多问题需要突破。超小型扑翼飞行器研究中的难点和关键技术包括~:()非定常气动和高升力机制。鸟类和昆虫在飞行时其气动效率很高而能量消耗很低远远优于按常规气动理论算出的结果。这说明它们一定有其他产生高升力的机制和方法。目前已知的产生高升力的方法主要有:翼的非定常运动、翼的弦向和展向的弯扭变形、开裂式翼尖或锯齿状后缘扑动机制等。对这些高升力机制的研究将是扑翼飞行器研制的关键。()高效动力、能源系统。扑翼运动过程中所承受的气动力和惯性力都是随时间变化的通常需要按照外载荷峰值来设计动力系统输出功率这势必造成动力系统功率冗余和体积重量过大。较好的解决方案是在扑翼飞行器布局设计和动力系统设计时加入载荷平衡和能量储存机制。较成熟的驱动机构形式仍然是曲柄连杆机构但这种形式效率较低并且难于控制。()超小型扑翼飞行器的控制策略与控制系统实现。扑翼飞行的控制方式不同于常规固定翼飞行器,其姿态的控制主要依靠扑翼运动方式的改变,并配合尾翼的辅助调节。研究关键包括超小型扑翼飞行器被动与主动飞行控制的相关基础理论、策略和技术问题,飞行增稳与控制器件与系统的设计及实施方案等。()仿生扑翼运动与扑翼驱动机构研究。鸟类和昆虫在飞行过程中翅膀并不是单纯的上下扑动,而是具有复杂的运动规律。在研究鸟类与昆虫扑翼运动的基础上,进行仿生扑翼运动学与动力学研究,为扑翼机构的实现奠定理论基础。设计与实现高效合理的仿生扑翼驱动机构,在运动规律上要满足扑翼飞行的需要,如适当的扑翼角度与扑翼频率,合理的上下扑翼角度之比,尽可能小的两翼偏差角等,此外还应确保机构运转的可靠与高效率。()超小型扑翼飞行器风洞试验方法研究。风洞试验结果可以为设计提供可靠的原始数据,也可以验证理论和方法的正确性。对于超小型扑翼飞行器来说,由于理论方法的不完善,风洞试验尤其显得重要。目前试验方法最大的问题在于飞行器的气动力较小,但干扰大,如电机的振动、飞行器本身的惯性力等,其量级和气动力差不多,有的甚至更大,造成试验结果偏差大另一个难点是扑翼飞行器的气动力是随时间变化的(动态的),这是它与固定翼飞行器的不同之处,也是测量中的难点。因此,需要研究气动实验设备和探索新的试验原理和方法。国内外研究现状超小型扑翼飞行器设计制作国外对超小型扑翼飞行器的研究始于年代初,目前研究工作包括仿生学原理、超小型扑翼飞行器的设计与研制、材料及单个部件研究等方面。国外各科研机构在研究仿生飞行机理的前提下都提出或设计了各具特色的超小型仿生扑翼飞行器模型比较典型的扑翼驱动方式有以下几种:如图所示,美国佐治亚理工学院研制了一种名为“Entomopter”的仿昆虫微型飞行器。这种微型飞行器有着与蝴蝶翅膀相似的机翼机翼用特殊的结构和材料制成用往复式化学肌肉(ReciprocatingChemicalMuscle,RCM)来驱动。RCM实际上是一种不通过燃烧反应就可将化学能转化为动能的机构它具有较高的能量转换效率。这种微型飞行器装备有两对前后串列的扑翼不但可以飞行也可以在地面上爬行。图Entomopter超小型扑翼飞行器由加州理工学院(Caltech)、航空环境公司(AeroEnvironment)等机构联合研制的“微型蝙蝠”(Microbat)是世界上第种手掌大小的电动扑翼机其重量仅克,见图。它由重克的镍镉电池驱动微型电动机通过齿轮机构、双连杆机构驱动类似蜻蜓的机翼作上下扇动。图电池驱动的Microbat由SRI国际公司和多伦多大学合作研究的Mentor其重量为克,见图。机翼由一种电致伸缩聚合物EPAM(ElectrostrictivePolymerActuatedMuscle)驱动。在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变,称为电致伸缩(Electrostriction)。EPAM通过快速改变电压值来实现收缩和伸长这种装置尤其适用于快速摇摆运动如扑翼运动。图“Mentor”采用的电致伸缩聚合物EPAM驱动机构国内对超小型扑翼飞行器的研究直到近几年才成为热点部分高等院校和科研机构已经开展了这方面的研究工作由于一些相关技术与国外存在较大差距目前的研究还处于仿制和起步阶段。东南大学研制的超小型扑翼飞行器采用锂电池为动力源微型电动机驱动、机械式减速和传动装置、碳纤维机架和柔性机翼。目前该样机已进行了风洞实验和多次室外放飞试验。上海交通大学正在研究翼展~毫米的基于电磁和基于压电驱动的扑翼MAV方案。西北工业大学目前也正在研制超小型扑翼飞行器飞机采用聚合物锂电池和微型电动机驱动碳纤维机架柔性机翼全机重量约克扑翼频率~Hz由于受电池容量限制飞行时间约~秒。试验样机已经在低速风洞中进行了风洞试验。控制技术研究超小型扑翼飞行器要想发挥其在各领域的比较优势取得实用化就必须使超小型扑翼飞行器像鸟类和昆虫一样有出色的飞行能力有较好的飞行稳定性、鲁棒性、自适应性这就需要为飞行器配备较为完善的控制系统随时感应、调整飞行器的飞行姿态并具有良好的自适应及导航能力。对超小型扑翼飞行器控制系统的研究是以昆虫和鸟类出色的飞行能力为模仿对象与最终目标的,但由于人们对鸟类和昆虫的飞行控制机理尚不清楚,对超小型扑翼飞行器控制技术的研究仍处于起步阶段,并且由于各种技术条件的限制,目前大部分的控制系统实现仅仅集中在某一特定的功能方面,无法做到整体集成和完成多项功能。加州大学伯克利分校针对其研制的翼展在~mm的微型飞行昆虫(MFI)作了大量控制技术方面的研究工作。J·Yan和R·J·Wood最先提出了一种低层次的翅膀运动控制方案,来获得翅膀上所受力的大小和位置轨迹。在此基础上L·Schenat建立了机翼的空气动力学模型和控制方程,计算出飞行器机翼上所受的力和力矩,从理论上分析了可以通过改变机翼的可变参数来调整升力和前向推力的大小从而实现前飞和悬停运动,作为特例,设计了飞行器定点悬停运动控制器,进行了仿真试验,并构架了一个自上而下的分级控制系统,如图所示。在随后的工作中,L·Schenat等又详细研究了扑翼MAV的稳定性,解释了有一对两自由度(扑动和扭转)翅膀的昆虫模型在悬停和前向运动中能保持稳定的原因并根据一个振翅周期内的平均力和力矩将飞行器模型简化为一个离散的时不变系统设计了机翼的简单的鲁棒控制器。为了建立更精确的数学模型,获得更好的控制效果,X·Deng等将胸腔制动器的动力模型和传感器模型引入闭环控制系统,得到了悬停运动的状态空间线性时不变(LTI)模型,提出了的姿态控制方法,发展了一种新的翅膀运动参数化的方法来产生可行的翅膀运动,并设计了线性二次高斯(LQG)优化控制器,在一定程度上完善了控制方法。波兰的MLasek等人比较了扑翼与旋翼控制的相似点,提出将扑翼频率、扭转频率和相位移作为扑翼MAV系统的控制输入,并提出了控制系统框图如图所示。随后又主要在理论上研究了MAV柔性扑翼机动性的控制问题,分析了将成熟的传统飞行器设计理论移植到仿鸟飞行器技术的可能性,重点讨论了扑翼MAV整体结构建模和现代控制方法。图MFI控制单元结构图超小型扑翼飞行器控制系统国内方面因对扑翼研究的起步较晚,成果较少,清华大学的于婷、王文渊在对可进化的实际生物模型简化后提出了扑翼模型。基于该模型,构造了一个神经网络控制方案,用于分析和研究生物的学习过程。仿真结果显示此系统具有逐层构建的特点,可完成复杂的控制任务。但该模型仅是一个雏形,对扑翼模型的简化方法有待改进。综上所述超小型扑翼飞行器的控制系统已引起了各国的关注与相应的研究,并取得了初步的理论和试验成果,积累了研发经验。但是从总体上来说超小型扑翼飞行器控制系统的研制还处于初级阶段:这些研究都还建立在假设和简化的基础上无法较好地反映真实环境下的状态大都只是对控制的某一方面进行探索缺乏对整个系统的精确建模对提出的一些控制方法还需进一步试验研究方法也偏重于传统的控制方法这些方法本身的局限性使其不能成功地应用于超小型扑翼飞行器而适合于超小型扑翼飞行器的新的控制理论、方法还处于构想阶段无法在短时间内取得突破。本文的研究工作课题来源及意义本课题为上海工程技术大学校基金资助项目《超小型仿生扑翼飞行器扑动装置研究》课题研究的子课题。超小型仿生扑翼飞行器的研究涉及到多个学科是一综合性很强的项目要想取得成功必须在机械科学、微电子技术、流体力学、飞行力学、控制及仿生科学等方面都要有较深的研究才行。随着研究的深入超小型仿生扑翼飞行器离实用飞行阶段越来越近迫切需要解决飞行控制系统的问题。扑翼飞行器在飞行中受到非定常气流的影响且飞行条件瞬息万变因此需要快速的控制系统来满足稳定飞行和导航的需要这已成为影响超小型仿生扑翼飞行器独立飞行的一个重要因素。因此超小型仿生扑翼飞行器控制系统的研究对最终实现该类飞行器自主飞行具有极其重要的意义。本课题就是在这样的研究背景下对超小型仿生扑翼飞行器扑动控制进行一些探索性研究。主要研究内容本文力图通过分析现有的文献资料在原有对仿生扑翼飞行器的机理分析与实践研究的基础上利用已有的典型电机驱动扑翼飞行器翅翼扑动机构方案选择一种建立简化的扑翼飞行机构力学模型和虚拟样机进一步开展对控制系统研究工作研究方案如下:()通过现有的文献资料分析和比较两种典型电机驱动扑翼飞行器翅翼扑动机构方案(见图)的优劣选择其中一种方案作为本论文的物理模型。()根据已确定的扑动机构的方案用ADAMS软件建模用该力学模型分析扑动机构的扑动规律。()在掌握扑动规律的基础上初步确定扑动机构控制系统的设计方案建立虚拟样机,并用ADAMS和MATLAB软件进行联合仿真测试。()根据仿真测试的结果对原方案进行优化设计最终设计出合理可靠的电机驱动扑翼飞行器翅翼扑动机构的控制系统。(a)(b)图两种典型电机驱动扑翼飞行器扑动机构方案~预期达到水平通过对本课题的研究,力图提出一种尽可能合理的切实可行的控制系统模型,以求更接近实际应用要求。希望能对超小型仿生扑翼飞行器控制系统方面进行进一步的探索性研究,为后续研究提供一些参考。超小型仿生扑翼飞行器扑动机构建模扑翼飞行对扑翼飞行器扑动机构的要求对于扑翼飞行提供其飞行所需的升力和推力主要依靠机翼的上下扑动而机翼的扑动是由扑动机构来实现的即扑动机构的运动最终要实现飞行器的举升、悬停及推进进而使飞行器完成起飞、降落、悬飞、平飞、倒飞、转弯等复杂动作。因此扑动机构是仿生扑翼飞行器的核心部分它带动仿生扑翼进行周期性的高频、大幅度拍动是整个研究过程中的关键之一。扑翼飞行器扑动机构一般由机架、输入件、连接件及左右两个翅膀杆组成其最基本的设计要求为:()驱动扑翼进行周期性大振幅的高频拍动()驱动扑翼进行多自由度的运动如上下扑动、转动、折叠等()具有足够的输出力矩克服空气阻力()可以调整拍翅机构的运动参数。设计出高效可靠的扑动机构对扑翼飞行器非常重要从尺寸和重量考虑平面机构是实现其运动的最简单机构目前在超小型扑翼飞行器研究中大多采用平面机构。超小型扑翼飞行器扑翼系统除了扑动机构外还要实现运动的控制。由于超小型扑翼飞行器对整机的体积和重量有特殊的要求使其扑动机构的设计受到许多限制。基于平面连杆机构的扑翼机构原理分析国内外仿生扑翼飞行器的研究现状表明,除了应用微电子机械技术(MEMS)加工的扑翼机构之外,其它样机都是采用平面扑翼机构,且大都以连杆机构居多。通过连杆机构的运动来实现仿生翼的扑动,为确保扑翼机构的可靠性,其扑翼机构的设计将受到机构的外型构造及运动方式的限制,即扑翼机构外型构造要左右对称,左、右翅膀杆要对称并同步扑翼动作。因此,基于连杆的扑翼机构的设计应保证:()扑翼机构的自由度为一()需要有一杆件作为固定机架()需要有一杆件作为输入杆()需要有不同的两个杆件作为左、右翅膀杆()需使左、翅膀杆和机架连接,能产生左、右对称的扑翼动作,即要求左、右翅膀杆扑动动作要同步()机架有多接头来连接其他杆件()输入杆可为曲柄或者滑块,且输入杆和机架只能以转动副或移动副连接()左、右翅膀杆件都为摇杆,必须都与机架连接,且接头只有转动副,以保证翅膀杆在扑动过程中长度不变()左、右翅膀杆的运动要有急回特性,使仿生翼具有更好的气动性能,来获得有效升力()要有尽可能少的杆件,以保证扑翼机构的紧凑、轻巧。平面扑翼机构采用的连杆机构有四杆五接头、五杆七接头、六杆七接头、七杆九接头等机构形式。对于平面连杆机构研究的切入点为最简单的四杆机构其他形式的平面连杆机构都是在此基础上的拓扑和衍生。但其中多数机构都不能完全满足以上提到的十点要求例如图(a)所示的单曲柄双摇杆机构。超小型仿生扑翼飞行器要求符合结构紧凑、重量轻等原则,所以在设计中要采用尽可能少的杆件,同时要完全满足以上十点设计条件。鉴于扑翼机构主要是将往复运动和旋转运动转换成扑翼运动,输入构件的特点决定了采取何种输入方式来产生对称同步的扑翼运动。如图(b)所示的双曲柄双摇杆机构,当扑翼机构的输入件是杆件时,可以用具有回转运动特性的机构来驱动,比如齿轮。如图所示的曲柄滑块机构,而当输入件是滑块时,则是通过往复移动来驱动。图曲柄滑块机构单曲柄双摇杆机构原理分析如图(a)所示,这是一个典型的平面四杆机构,曲柄通过连杆带动两边的摇杆上下扑动。这种单曲柄双摇杆驱动机构是目前最常用的超小型扑翼驱动机构类型,也是我们采用最多的一种方案即通过使用镍氢充电电池给微电机供电,微电机经过两级齿轮减速驱动曲柄,曲柄通过连杆带动两边的摇杆上下扑动。其优点是运动实现形式简单,效率高重量轻容易微小化。同时该驱动机构具有结构对称性,即左右连杆和摇杆的长度都一样,左右的安装角度也一样。缺点也显而易见由于该驱动机构左右两边的扑翼动作不完全对称,有一个相位差因此该类型的超小型扑翼飞行器在试飞过程中时常发生向左或者向右倾斜、栽落的现象。不过这一缺点可以通过适当的机构尺寸设计使得两边的偏差角尽可能的小来克服。由于这种机构形式显示了诸多的优越性,因此是超小型扑翼飞行器驱动机构设计中采用最多的一种方案。双曲柄双摇杆机构原理分析如图(b)所示小齿轮驱动两边的齿轮同时同向运动,两边的齿轮均相当于一个曲柄,再驱动自方的连杆摇杆实现扑翼运动。该机构本质为两个曲柄摇杆机构其输入为相互啮合的一对齿轮形式两齿轮模数及尺寸相同与两翅膀杆一样关于机身对称布置齿轮的旋转将带动翅膀杆的往复拍动。该驱动方案的优点是采用齿轮驱动便于与齿轮减速机构联接能较好的满足驱动机构的要求不仅能实现扑翼的完全对称扑动且传动效率较高传动可靠。缺点是微小化较困难。本文所选用的方案鉴于单曲柄双摇杆驱动机构方案的成熟性、优点以及前人的成功经验并且该方案的缺点可以通过有效的设计克服再结合作者目前的研究条件因此选择单曲柄双摇杆驱动机构方案作为本文超小型扑翼飞行器虚拟样机的扑动机构方案。单曲柄双摇杆驱动机构的双重建模数学建模仿生学与空气动力学的研究表明:超小型扑翼飞行器产生的升力随着扑动角幅值的增大而增加,同时还随着扑动频率的变大而升高~。可见扑动角、扑动角速度是与扑翼气动力有关的重要参数,左右扑动角之差与角速度之差是与超小型扑翼飞行器运动对称性有关的重要参数,这个参数都是由扑翼驱动机构决定的,也是设计扑翼驱动机构时必须考虑的因素。本文虚拟样机所采用的单曲柄双摇杆扑动机构是目前最常用的扑翼驱动机构,但该类型的超小型扑翼飞行器在试飞过程中常发生向左或者向右倾斜栽落的现象,这是由于左右扑翼动作的不完全对称性引起的。为了克服该类超小型扑翼驱动机构的缺点充分发挥其优越性必须首先建立单曲柄双摇杆扑动机构相关运动参数的数学模型为以后的扑动机构优化设计奠定基础。图单曲柄双摇杆扑动机构运动简图如图所示为单曲柄双摇杆扑动机构运动简图曲柄逆时针转动设电机转速恒定,大小为rmin,传动比为,支点O、O、O、为运动机构在支板上的定位点安装角是右下(或左下)两支点与水平线的夹角,是曲柄长度,是连杆长度,是摇杆长度(摇杆与连杆连接点到支点处的长度),为支点间距离。则曲柄角速度为:………………………………………………………………()设右摇杆的扑翼角和角速度分别为、,左摇杆的扑翼角和角速度分别为、。以两支点OO连线重合处为曲柄转动的零初始位置起角线,当曲柄与起角线夹角为时,通过速度瞬心法~,可得到一个运动周期内左右摇杆的扑翼角(摇杆与水平线的夹角)和角速度分别为:=()…………………()=()…………………()=…………………………………………()=……………………………………()左右摇杆的扑翼角之差表达式和角速度之差表达式分别为:==()()…………………………………()==…………………()其中:B=………………………………………………………()……………………………………………()…………………………………………()…………………………()…………………………()…………………………()为了建模的方便与数学模型的简洁,驱动机构的数学模型是以曲柄转动时所在位置相对于起角线对应的角度为自变量,但这与以时间作自变量是完全一致的曲柄转动一周为一个扑翼周期,所以曲柄在~°内的每一个度数都对应着扑翼周期内的一个时刻。为了克服采用单曲柄双摇杆扑动机构的超小型扑翼飞行器在试飞过程中发生向左或者向右倾斜栽落的现象,设计翼展在mm的超小型仿生扑翼飞行器的扑动机构,本文从其两边扑翼动作的不对称性着手,在一定的约束条件下,对数学模型()、()两式进行优化设计,使得优化后的机构尺寸能让驱动机构两边的扑翼角之差、角速度之差的幅值在运动周期内尽可能的小,以达到提高超小型扑翼飞行器扑翼动作对称性的目的。根据优化设计后的计算结果该驱动机构参数为曲柄=mm,连杆=mm,摇杆=mm,支点距=mm,安装角=°另外,微电机转速为rmin,减速传动比=。ADAMS建模ADAMS即机械系统动力学自动分析软件(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)该虚拟样机分析软件集建模、求解、可视化技术于一体,可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析输出位移、速度和加速度等参数地仿真曲线是目前世界上使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件~。ADAMS的全仿真软件包是一个功能强大的建模和仿真环境它可以对任何机械系统进行建模、仿真、细化及优化设计应用范围从汽车、火车、航空航天器一直到盒式录像机等。使用ADAMS软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机真实地仿真其运动过程并且可以迅速地分析和比较多种参数方案直至获得优化的工作性能从而大大减少了昂贵的物理样机制造及试验次数提高了产品设计质量大幅度地缩短产品研制周期和费用。同时ADAMS软件将强大的分析求解功能与使用方便的用户界面相结合使该软件使用起来既直观又方便还可用户专门化成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。根据优化设计后的计算结果,得出实际制作的翼展为mm的超小型扑翼飞行器驱动机构的尺寸,并应用ADAMS软件来建立该驱动机构的虚拟样机模型。该驱动机构参数为曲柄=mm,连杆=mm,摇杆=mm,支点距=mm,安装角=°另外,微电机转速为rmin,减速传动比=。把曲柄的一端点放置于原点则其他各杆件的端点坐标也随之确定。如图所示,运行ADAMS后建立新文件设置建模区域和基本量的单位。在工作区内先取以下点:(),(,),(,),(,),(,),取点后从(,)点出发建立一个长度为mm的曲柄再以曲柄的销孔分别向(,),(,)方向分别建立一个长度为mm的连杆。再分别在两个连杆的端点向(,)(,)方向建立长度为mm的摇杆。至此驱动机构的虚拟样机模型己初步建立。在施加了约束和电机转速并且模型通过了调试以后就可以测量该驱动机构的参数在运动周期内的变化情况了。图超小型扑翼飞行器驱动机构虚拟样机模型应用ADAMS中建立的驱动机构虚拟样机模型后,对其进行仿真时间为一个周期(s)的运动学仿真可得到各参数的曲线图。在此之前笔者收集和阅读了大量超小型扑翼飞行器驱动机构地相关研究资料通过对资料中的理论与公式、图形和结论等方面的整理和分析。为了验证ADAMS仿真建模的正确性现在把虚拟样机模型的各参数仿真曲线图与参考资料中最具代表性的西北工业大学周凯实际制作的翼展为mm超小型扑翼驱动机构的资料上的曲线图做一番比较。图左右拍动角的仿真曲线图图文献左右拍动角的仿真曲线图图左右摇杆角速度的仿真曲线图图文献左右摇杆角速度仿真曲线图由于参考资料上驱动机构参数不同于笔者计算出的参数且公式()、()、()、()表明杆长的大小直接影响拍动角和左右摇杆角速度的大小因此对比虚拟样机模型的各参数仿真曲线图与引用资料上的曲线图是有一定的偏差但是两者的结果比较接近具有可比性验证了本文ADAMS仿真建模的正确性。超小型仿生扑翼飞行器动力学仿真鸟类扑翼飞行的机理扑翼飞行机理是设计和制作超小型仿生扑翼飞行器的前提同时也是对超小型仿生扑翼飞行器虚拟样机模型进行动力学仿真理论基础。扑翼飞行机理的研究是超小型扑翼飞行器研究中最困难的一个问题,虽然人们很早就对此展开了工作,但至今未能建立起系统而普适的理论。这时候对仿生对象鸟类和昆虫扑翼飞行机理的研究显得尤为必要。基于尺寸限制(外形尺寸在mm)在本文中我们所建立的模型的尺寸介于鸟和大的昆虫之间考虑到制作、加工等方面的因素其飞行机理更接近于鸟类。图鸟类翅膀的典型结构鸟类的翅膀是适应飞行的主要器官它由其前肢转化而来骨骼是中空的坚而轻骨骼表面附着发达的肌肉并有血管和神经贯穿其中在翅膀的表面还附生有羽毛。翅膀外形为上部表面凸起下面表面略凹空气在翅膀上部表面比在下部表面渡过快产生升力。图所示为鸟类翅膀的典型结构。通过对鸟类的研究资料的收集整理鸟类扑翼飞行的机理主要有:()鸟翼是一种轻巧的可变翼下扑时翼面积大以增大升力上扬时翼面积小可以减小阻力()鸟类通过羽毛和翅膀形状(展开、弯曲和折叠等)改变飞行姿态适应不同情况下的飞行()以腕骨为分界线鸟翼可分为内翼和外翼内翼主要产生升力而外翼产生推力和部分升力由此产生的净气动力分别形成向上飞行的升力和向前飞行的推力。图所示为鸟类的内翼模型剖面。图鸟类的内翼模型剖面鸟类在飞行过程中其翅膀归纳起来有四个自由度:上下扑动(flapping)、挥摆(lagging)、扭转(feathering)伸缩(spanning)。这些运动使翅膀各个部分协调动作产生有效的升力和前进力。通过对飞鸟扑翼飞行动作的大量观察发现尽管它们的扑翼动作千姿百态但在正常平飞时翅膀扑动的一个周期大致可以分成下扑和上扑两个阶段。两阶段翅膀的受力如图所示(图中R为合力L为举升力T为推进力)。图鸟类翅膀扑动一个周期的受力情况下扑阶段是扑动的主要阶段也是产生升力的主要阶段。这一阶段占整个扑动周期的时间比例较大飞鸟扑动的主要力量也都用在这一阶段。这时由于飞鸟的主羽完全展开翼展和受力面积达到最大从而升力也达到最大提供了整个扑动周期的大部分升力。上扑阶段是为了使翅膀回复到最高点以便开始下一周期的扑动是一种被动的回复过程。所以飞鸟总是想方设法缩短这一阶段。这时飞鸟翅膀前端关节弯曲、收拢同时散开主羽使上下翼面空气可以沟通这样既能保持一定的推力又可减小上扑的阻力。超小型仿生扑翼飞行器气动力作用机理生物的飞行和传统的飞机的最大的区别在于:低雷诺数条件和无处不在的非定常空气动力学机理特别是后者增加了计算模拟的难度。因此基于传统定常流的空气动力学理论就不适应于扑翼飞行。同时,由于飞行生物的身体构造独特神经控制系统微妙飞行过程十分的复杂仿生扑翼设计不可能完全模仿鸟类而是应该在充分认识各种飞行机制对飞行力具体作用的基础上提取重点对其中涉及到的空气动力学理论进行简化和模型化。通过分析收集到的大量的扑翼气动力机理和气动力计算的相关研究资料发现仿鸟扑翼气动力的机理与计算问题比较复杂不同的计算模型与边界条件会有不同的结果。就气动力的性质而言各文献中提到的气动力一般是升力、阻力和推力这三种力。通过分析图所示的鸟类翅膀扑动一个周期的受力情况从合力作用与分解的角度来看不妨这样认为仿鸟超小型扑翼飞行器所受气动力作用的机理:把一个扑翼动作周期分为下扑和上扬两个过程每个过程以拍动为主可伴随有挥摆、扭转、折叠等动作。仿鸟超小型扑翼飞行器在下扑过程中空气总是对飞行器机翼有一个斜向上的作用合力在上扬过程中空气总是对飞行器机翼有一个斜向下的作用合力。这一个作用合力又可以按前后、上下两个方向分解为两种类型的力推力与升力。如果把前、上、作为它们的正向则两力的负值就是相应方向的阻力。这两个力分别对鸟的前飞、上下飞提供了相应的气动力。超小型仿生扑翼飞行器气动力计算与仿真本论文虚拟样机所采用的单曲柄双摇杆扑动机构从原理上讲该驱动机构只能实现上下方向的扑动动作。根据上面提出的气动力作用机理结合超小型扑翼飞行器的具体情况引用西北工业大学周凯的超小型扑翼飞行器气动力计算方法仅计算超小型扑翼飞行器作一维扑动时上下方向受到的气动力。所引用的计算方法是根据Delaurier的条带理论基于实际情况对超小型扑翼飞行器进行如下简化和假设:()与整机相比两翼的质量只有整机质量的左右忽略两翼质量且两翼围绕两翼中轴线上下扑动整机的质量集中于两翼中轴线处()由于机身所产生的升力和轮廓阻力比起机翼的气动力来要小得多计算时不考虑机身影响()仰角为零即机翼在水平面内上下扑动()电机匀速转动。图条带理论及气动中心示意图超小型扑翼飞行器的扑翼角、角速度等值的计算见公式公式()、()、()、()。距拍打轴为r处的翼型气动中心处的速度为:EMBEDEquationEMBEDEquation……………………………………………………… ()计算扑翼气动力的Delaurier条带理论示意图如图由于机翼的上下扑动而作用在单位长度机翼的上下方向上的气动力为:EMBEDEquation………………………………… ()其中为作用在机翼单元上的升力(或者说上下方向上的气动力)是空气密度是距两翼中轴线处机翼的弦长为翅膀拍动的速度为扑翼角为无量纲的升力系数可以表达为扑翼角的函数:………………………………()把距两翼中轴线r处机翼的弦长用平均弦长c代替把式()代入式()得,升力为:………………………………………()对r积分得:……………………………………………()式()即为超小型扑翼飞行器做一维拍动时的瞬时升力简化计算公式。代入节中超小型扑翼飞行器驱动机构的虚拟样机模型的相关参数,在ADAMS软件中进行仿真可得到一个周期内它受到的上下方向的气动力如图所示,该计算结果将用于下文中的动力学仿真。图一个周期内超小型扑翼飞行器受到的上下方向的气动力同类型超小型扑翼飞行器作了风洞实验得到的滤波后升力随时间的周期变化曲线如图所示。图滤波前后升力随时间的周期变化曲线分析仿真结果仅就一个扑翼周期内的升力曲线而言,不论是在数值大小还是在曲线图形上,都比较接近。并且两者扑翼周期T都约为s,升力基本上都主要产生在机翼的下扑阶段,这与年月日美国科学家在《自然》杂志上报告的“其他鸟类(除蜂鸟外)飞翔时所需的升力全部来自翅膀下扑”结论是一致的。超小型仿生扑翼飞行器动力学仿真仿生超小型扑翼飞行器在飞行时受到空气动力作用,进行动力学仿真目的是为了得到超小型扑翼飞行器两翼扑动角速度在动力学状态下的图形与数据,为将来驱动机构的动力学优化奠定基础。第二章气动力计算的对象是一架翼展为mm的超小型扑翼飞行器虚拟样机见图。在ADAMS软件中该虚拟样机模型的支架固定在大地上(Addtoground)。制作的超小型扑翼飞行器机身和驱动机构主要材料是碳纤维,它的杨氏模量(弹性模量)约为泊松比密度约为。由于ADAMS软件的材料库中没有碳纤维材料可供选用所以按照上述数据定义了碳纤维材料以备虚拟样机中相应零件选用。曲柄、连架杆等分别选用了ADAMS软件材料库中的铝、铁等材料。图超小型扑翼飞行器虚拟样机整机仿真模型对超小型扑翼飞行器虚拟样机的左右机翼加载气动力气动力大小变化规律遵循如图所示的一个周期内超小型扑翼飞行器受到上下方向的气动力曲线由于一般认为两边机翼共同产生的总气动力且水平拍动时产生的气动力是相等的因此左右机翼加载的气动力大小为原来的一半。同时把气动力数据初始值和所建模型的曲柄初始位置调整为一致。这样才能在机翼下扑时加载上正确的升力数据在机翼向上扑动时加载上正确的阻力数据。仿真时是把气动力作为集中力加载到机翼气动中心上气动中心位置选在左右机翼的质心如图所示。上述工作准备就绪后可以进行超小型扑翼飞行器的动力学仿真了仿真的目的是得到左右摇杆(或者说左右机翼)的拍动角速度在受到气动力作用时的图形和数据仿真时间为一个扑翼周期如图、所示。仿真结果显示机翼角速度的测量曲线波动剧烈,不利于稳定飞行。造成这一结果的主要原因是曲柄不恒向转动也就是在某些位置与时刻曲柄是来回摆动而不是始终往一个方向转动。经过多次仿真与试验发现此问题主要是由曲柄转动处所施加的力矩大小不合适引起的。如果仿真时所施加的力矩大小不合适那么不管怎么改变其它参数设置曲柄总是存在不能恒向转动的现象。表现在曲柄角速度的测量上就是有正有负而且机翼角速度的测量曲线也显得杂乱施加合适的力矩会解决这个问题,这也为下文的控制系统设计提供了一个思路。图左扑翼角速度图右扑翼角速度超小型仿生扑翼飞行器控制系统设计及仿真为了充分发挥超小型扑翼飞行器在各种应用领域的比较优势除了仿生结构、空气动力学等方面进行研究外还需要为其设计完善的飞行控制系统。飞行控制系统是超小型扑翼飞行器的核心要研究其控制机理、设计制作微型控制设备。对超小型扑翼飞行器的飞行控制系统最基本的要求:具有自主适应和导航能力能根据外界条件的变化调整飞行高度、飞行姿态自动规避障碍物并且具有较好的稳定性和鲁棒性:具有较强的信号采集、图像识别能力能实时传回其所采集到的数据、图像。对于超小型扑翼飞行器飞行控制系统目前研究较少能够参考的资料十分有限~。由于这方面的研究资料很少和笔者的学识限制本章试图用传统的PID控制对超小型扑翼飞行器的控制系统进行研究并且通过MATLAB的SIMULINK组件设计出超小型扑翼飞行器的飞行控制系统然后与ADAMS软件中已建好的超小型扑翼飞行器虚拟样机相连接进行联合仿真测试再根据仿真测试的结果对原方案进行优化设计最终设计出合理可靠的电机驱动超小型扑翼飞行器翅翼扑动机构的控制系统。超小型仿生扑翼飞行器的控制策略本文应用传统的PID控制律设计超小型扑翼飞行器的控制系统其最终目的是对超小型扑翼飞行器的飞行状态进行控制。PID控制律是经典的控制方法它是基于测量信号的反馈加上以比例、积分、微分为基础的控制器其标准计算公式如下:……………………()PID控制技术的实质就是顺次的回路闭合其控制流程如图所示。经典的控制技术是过去多年来飞行控制系统设计的唯一有效的方法最大的优点就是容易实现并且可以根据一些直觉和经验的知识来选择系统的控制结构。系统设计时主要通过根轨迹、Bode图等实现。图经典PID控制流程图但是PID控制律也存在实际应用时有一些不足:超小型扑翼飞行器机体小难以建模控制律不好仿真控制参数难以确定只能靠经验参数和实验手段(试飞)。如果超小型扑翼飞行器控制舵面发生变化如加鸭翼去方向舵则控制律就得改变研究新的控制方法。超小型扑翼飞行器因为受自身尺寸的限制目前无法通过计算来获得超小型扑翼飞行器的精确数学模型只能通过大量风洞实验。对于本文而言使用PID控制律设计的控制系统仅对超小型扑翼飞行器虚拟样机驱动机构的、个参数进行控制以实现对其飞行姿态和飞行轨迹中的某一分量进行控制因此PID控制律的上述缺点不会对其构成太大影响。超小型仿生扑翼飞行器的控制方案研究飞行器控制系统可以依据其功能任务、结构原理和控制对象等不同有多种类型通常最基本的把飞行器控制系统分为两大类:姿态控制系统和位置控制系统。超小型扑翼控制系统主要是通过改变翅膀的运动参数(如扑翼角、角速度、扑动频率等)来改变扑动时气动力和气动力矩主要体现在两个方而:位置控制和速度控制、姿态控制和角速度控制。本文的超小型扑翼飞行器虚拟样机模型采用单曲柄双摇杆驱动机构驱动,在实际试飞过程中采用这类驱动机构的仿鸟超小型扑翼飞行器时常发生向左或者向右倾斜栽落现象。造成这种现象发生的主要原因是:飞行过程中驱动机构的运动不对称性导致左右两翼受力不平衡从而产生了侧力矩当侧力矩使超小型扑翼飞行器的倾角过大超出其飞行稳定性所能

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