一种带翼型扑翼飞行机器人设计及飞行控制研究.pdf

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1、硕士学位论文一种带翼型扑翼飞行机器人设计及飞行控制研究THERESEARCHONDESIGNANDFLIGHTCONTROLSYSTEMOFWINGED-WINGFLAPPING-WINGAERIALVEHICLE刘军涛哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文一种带翼型扑翼飞行机器人设计及飞行控制研究硕士研究生：刘军涛导师：徐文福教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工

2、业大学ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:621AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringTHERESEARCHONDESIGNANDFLIGHTCONTROLSYSTEMOFWINGED-WINGFLAPPING-WINGAERIALVEHICLECandidate：LiuJuntaoSupervisor：Prof.XuWenfuAcad

3、emicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要扑翼飞行机器人由于具有飞行效率高、重量轻、抗干扰性能强、具备仿生隐蔽性等特点，非常适合于军事侦察、环境探测、反恐防爆等军用及民用领域。现有扑翼

4、飞行器的研究大多为仿昆虫或小型飞鸟的微型扑翼飞行机器人，飞行时间及载荷能力低；仿大中型鸟类的扑翼机器人少之又少，相关的研究成果也存在着实际飞行效率低、自主飞行性能不足甚至无自主飞行性能等缺点。为解决上述问题，本文充分考虑了大中型鸟类的气动特性，设计了带翼型的扑翼飞行机器人，研制样机并搭建了性能测试平台，开展实验研究。基于扑翼飞行气动特性及应用场景的分析，提出了一种带翼型的扑翼飞行机器人结构及机构方案，提高了扑翼机器人的气动特性。对鸟类飞行机理以及现有扑翼研究成果进行深入调研，开展了扑翼飞行机器人需求分析，以此为基础设

5、计了一种扑翼飞行机器人的系统框架，并对其传动机构和翅膀翼型开展详细设计。传动机构用于连接直流无刷电机和翅膀，在设计几种传动机构并开展实验比较的基础上，最终确定了效果最好的两级齿轮传动方案；翼型方面，在分析和比较常用翼型的升阻力特性后，确定了两种翼型，使用profili软件设计了扑翼飞行机器人的翅膀，并采用EPP进行注塑加工，实验表明该翅膀能够产生更大的升力而且加工方便；机体尾翼采用差动机构实现机体的平衡和转向。针对设计的扑翼机器人结构和机构特点，建立了扑翼飞行机器人的运动学模型并开发了机载的自主飞行控制器，实现了多传

6、感器信息融合和飞行姿态的实时估计。采用了互补滤波和扩展的卡尔曼滤波两种算法进行姿态数据的解算，得到准确的实时飞行姿态角。机载飞行控制器开发以开源飞控硬件PixhawkMini为硬件平台，软件设计上采用PX4固件作为整体框架，进行姿态的实时解算并采用串级PID方法对飞行器进行控制。研制了扑翼飞行机器人样机，搭建了室内测力平台，完成了气动特性测试及户外飞行实验，实验结果表明了本文设计的可行性。关键词：扑翼飞行机器人；翼型；传动机构；姿态估计；飞行控制-I-AbstractAbstractTheflapping-winga

7、erialvehicleareverysuitableformilitaryreconnaissanceenvironmentdetection,anti-terrorismexplosionandothermilitaryandcivilianfieldsbecauseofitshighflightefficiency,lightweight,stronganti-jammingcapabilityandbionicconcealment.Miniatureflapping-wingaerialvehicletha

8、tmimicinsectsorsmallbirdshavelowflighttimeandloadcapacity;therearefewflapping-wingaerialvehiclemimickinglargeandmedium-sizedbirds,andrelevantresearchresultsalsohavelowactual