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1、第26卷第1期飞行力学Vol.26No.12008年2月FLIGHTDYNAMICSFeb.2008扑翼微型飞行器悬停状态的扑动模式设计夏风,杨旭,杨涤(哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:依据美国伯克利大学对微型扑翼飞行器空气动力学的研究成果,对翼展处于10~25mm(翼尖到翼尖)的扑翼微型飞行器的扑动模式进行了研究。设计了一种当飞行器处于悬停状态时,翼的扑动模式,使得飞行器可以通过改变扑动参数的大小来调节扑动力。仿真结果验证了设计方法的合理性。该研究为扑翼微型飞行器的飞行控制研究提供了一种手段和思路。
2、关键词:扑翼微型飞行器;扑翼模式;扑动参数中图分类号:V276文献标识码:A文章编号:10020853(2008)01002004引言在空气动力学特性方面与以往所了解的存在着较大的差别。根据Dickison等人的研究,扑翼飞行器的高升力机理包括:失速延迟、快速旋转和尾迹捕获。目前对微型扑翼飞行器的空气动力学研究已经把基于失速延迟和快速旋转机理的近似稳定状态方取得了相当的成果,但是对于扑翼飞行器飞行控制[1]程(QuasiSteadyStateEquation)得到的分析模型与的研究并没有取得相应的进展。本文依据美国伯由
3、实验数据估算气动参数所建立的经验模型相匹克利大学在低雷诺数空气动力学、扑翼飞行器结构配,就得到了一个动力学的数学模型。由于尾流捕和动力驱动装置上的研究成果,对扑翼微型飞行器(MicromechanicalFlyingInsec,tMFI)的扑动模式进获非常难以用近似稳定状态方程进行建模和描述,行研究。扑动模式即翼的运动方式,翼以这种方式所以这个数学模型没有考虑尾迹捕获。但是实验表明,当翼的运动方式为正余弦曲线时(目前广泛运运动时,可以通过改变扑翼运动的一些参数来调节[3]用),尾迹捕获的效应非常小,可以被忽略。图1飞行器的空气动力和空气动力矩,达到控制飞行
4、的需求。为翼的侧视图。由于微型扑翼飞行器的扑动非常复杂,本文设计的扑动模式为飞行器处于悬停时的扑翼模式,设定翼的运动为两个自由度的运动,即扑打(flapping)[2]与转动(rotation)。扑翼模式即翼的扑打和转动运动方式。扑翼微型飞行器在这种扑动模式下扑动,通过改变扑动参数可以达到调节飞行器的空气动力,为扑翼微型飞行器的飞行控制提供了一种手段。图1翼的侧视图1MFI空气动力失速延迟效应产生的力为:12Ftr,N=sign(Ucp)AwCNUcp211翼的气动力(1)12Ftr,T=sign(Ucp)AwCTUcpMFI的雷诺数介
5、于30~1000,这样低的雷诺数2收稿日期:20070314;修订日期:20070926作者简介:夏风(1982),男,河南南阳人,硕士研究生,主要从事飞行动力学与控制研究。第1期夏风等.扑翼微型飞行器悬停状态的扑动模式设计21其中:前为正。以右翼为例,右翼扑翼产生的力在右翼坐U^标系上的力为:cp=-rL+vbT1(Ucp0)Fw,r=[-FTrFNr0](3)sign(Ucp)=其在体坐标系上的分量为:-1(Ucp<0)-cosrsin∀rFTr-cosrcos∀rFNrCN=34sin2-cos∀04cos(2
6、)(0!!45∀)Fbr=rFTr+sin∀rFNr(4)CT=0(其它)-sinrsin∀rFTr-sinrcos∀rFNr式中,Ftr,N,Ftr,T分别为失速延迟产生的垂直于翼面其对机体的力矩为:的法向力和沿翼面方向的切向力;Ucp为翼的压心相cosrcos∀rFTr-cosrcos∀rFNr对于来流的速度;为空气密度;Aw为翼面积;CN和Mbr=r^Lsinrcos∀rFTr-sinrcos∀rFNr(5)^CT分别为法向和切向气动力系数;为翼的迎角;r-sin∀rFTr-cos∀rFNr为无量纲常数,为规格化的压力中心展长;L为翼的
7、长度;为扑动角速度;vb为飞行器的速度。2扑动模式的设计快速旋转效应产生的力为:1^经观察,昆虫在飞行过程中扑翼的频率变化很Frot,N=AwCrotccmUcp(2)2小(不超过10%),可以得出频率参数的改变对扑翼其中:[4]产生的力的影响不占主要地位,所以本文设定扑^Crot=2![(3/4)-x0]翼频率保持不变,设定的飞行状态为悬停,即vb=0。式中,Frot,N为快速旋转产生的旋转力,方向垂直于翼扑翼扑动由不变扑动和调节扑动组成。不变扑动为^面;Crot为旋转气动力系数;c为无量纲常数,是规格周期性扑动,两翼对称性的扑动产生悬停状
8、态稳定化的翼弦长;cm为最大翼弦长;为迎角的角速度;时所必需的
