仿鸟扑翼机器人气动力建模与分析

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1、万方数据第39卷第6期2011年6月华南理T大学学报(自然科学版)JoumalofSoumChinaUIliVerSit)，0f1kllIlology(NaturalScienceEdition)V01．39No．6June20ll文章编号：1000-565x(2011)06-0053．05仿鸟扑翼机器人气动力建模与分析枣陈亮1’2管贻生1张宪民1(1．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2．华南理工大学设计学院，广东广州510006)摘要：采用改进的叶素理论对仿鸟扑翼机器人的空

2、气动力学问题进行了研究，建立了低雷诺数、非定常条件下，仿中小尺度飞鸟扑翼机器人的扑动模型和扭转模型，并考虑非定常尾涡对展向气流的下洗效应，对飞行迎角进行了修正．在此基础上，建立了扑翼机器人的升力模型和推力模型．实验数据与仿真结果基本吻合，较好地揭示了气动力在下扑和上扑阶段的变化趋势．以该模型为基础，进一步分析了扑翼机器人的飞行机理和气动特性。发现升力由扑翼内、外翼段共同产生，而推力主要由外翼段产生，且改变扑翼频率对推力的影响要大于升力．结果表明，文中方法在仿鸟扑翼机器人的气动力分析方面是有效的．关

3、键词：仿鸟扑翼机器人；非定常空气动力学；低雷诺数；叶素理论中图分类号：TB17doi：10．3969／j．issn．1000．565x．2011．06．010扑翼飞行是几乎所有自然界具有飞行能力的生物普遍采用的飞行模式，与固定翼飞行相比，这种模式通过翼面的上下扑动同时产生升力和推力，具有效率高、尺寸小和重量轻的优点．自20世纪90年代以来，仿鸟、仿昆虫的微小扑翼飞行器逐渐成为研究的热点，并取得了一些成果【l。3J．但总体而言，对扑翼飞行的研究还处于初始阶段，这主要是由于扑翼飞行模式具有很低的雷诺数

4、(通常小于105)，在这种状态下，气流的粘性力大，升阻比小，对周围气流的微小扰动极其敏感，因此，传统的针对固定翼飞行器的定常空气动力学理论已经不能适用MJ．针对扑翼飞行的高升力机理，Garric∽’最早建立了非定常推力模型，Fai唧eve【6o将Garrick的模型拓展到求解非平面尾流和非正弦振荡的周期运动中，Jones【7o深人分析了非定常尾流的作用，在此基础上，DeIJaurierl81采用叶素理论对大型扑翼机机翼进行了气动力分析．该理论将机翼沿展向分为若干个带状单元，作用于每一个单元上的气动

5、力与该单元的上下扑动和扭转运动相关．1(im等【91将改进后的叶素理论与流体一结构分析法相结合，分析了扑翼的气动弹性性能，取得了较好的效果．文中对具有周期性扑动规律的中小尺度仿鸟扑翼机器人进行了运动分析，建立了扑动模型和扭转模型，采用改进的叶素理论对机器人进行了气动力建模，计算结果与实验结果基本吻合．在此基础上，分析了内外翼运动状态和扑动频率对气动性能的影响．1运动模型的建立鸟类翅膀的特殊生理结构以及长期自然进化的结果使鸟类的扑翼飞行具有极其复杂的运动模式，迄今为止人类还无法制造出具有和鸟类相同结

6、构的翅膀，也无法完全模拟出鸟类扑翼的各种飞行姿态．目前的研究主要将鸟类的扑翼运动分解为上下扑动、绕展向轴的扭转和翼面沿展向的折叠，其中翼面的折叠在机构实现上过于复杂，所以目前的扑翼机器人大都没有加以考虑．文中研究的仿鸟扑翼机器人的基本模型如图l收稿口期：20ll一0l—06

7、I基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目(50825504)；华南理工大学中央高校基本科研业务费资助项目(201lzM0108)作者简介：陈亮(1975-)，男，博士生，讲师，主要从事仿生机器人研究．E·眦il：earchen

8、@$cut．edu．cn万方数据华南理工大学学报(自然科学版)第39卷所示．翼面采用低速飞行条件下气动性能较好的半椭圆翼型，前缘为刚性杆，在驱动机构的带动下做周期性上下扑动，翼面材料为聚酯薄膜，具有一定的弹性变形能力，安装时与机身轴线保持一定角度．机翼后缘靠近机身处沿展向进行短距离固定，以减小后缘根部的扑动幅度，使前后缘之间产生扑动相位差，从而形成扭转变形．r图l仿鸟扑翼机器人的基本模型Fig．1B船icmodel‘叶bi伽imeticnapping—wingmbot针对以上模型，建立扑动角妒和扭

9、转角y随时间￡变化的运动方程：f妒(t)=妒。。cos(2以，卺)+妒o{，，(1)ly(￡)=÷[7。。cos(2兀乒)+70]。～‘，式中，妒一和y一分别为最大扑动角和最大扭转角，吼和y。分别为扑动中间位置处的初始扑动角和扭转角，厂为扑动频率，y为翼面展向位置，6为单个翼面的展长．扭转角的变化规律表明，在某一固定时刻，扭转角沿展向线性增大，翼尖处达到最大，这种变化与鸟在实际飞行中的翼面扭转变形一致．根据叶素理论，沿展向取一微小条带，若扑翼机器人以速度秒。做水平前飞，则该条带具有