[发明专利]一种仿蜂鸟扑翼微型飞行器悬飞下翅翼的设计方法

说明书

本发明公开了一种仿蜂鸟扑翼微型飞行器悬飞下翅翼的设计方法，包括建立仿蜂鸟扑翼微型飞行器翅翼的简化外形模型，并对翅翼的外形进行参数化表达，确定翅翼的分布式刚度；建立以翅翼能耗最小为目标函数的优化模型，求解翅翼形态学参数和运动学参数的优化值。本发明通过简化仿蜂鸟微型飞行器翅翼的外形，建立翅翼的形状和运动参数表达，运用最小二乘法通过理论计算的升力与样机实验测量的升力足够接近来确定翅翼分布式刚度，优化翅翼的形态学和运动学参数，对仿蜂鸟扑翼微型飞行器悬飞下的翅翼设计在减少能耗方面具有较高的理论支撑和工程实践意义。

技术领域

本发明涉及一种仿蜂鸟扑翼微型飞行器翅翼的设计方法。

背景技术

仿生扑翼微型飞行器是20世纪90年代提出的一种新型微型飞行器，因其可以实现快速起飞、加速、悬停，相比固定翼和旋翼飞行方式，扑翼飞行具有更高的机动性和灵活性。扑翼微型飞行器最初是为了模仿自然界鸟类或昆虫的飞行而研制出的一类具有仿生外形的飞行器，这在军事和民用方面都具有实践意义，例如低空侦查和监视、城市反恐作战、环境监测及地震搜救任务等。目前由于扑翼飞行方式的飞行机理研究处于初级阶段及飞行器体积小，各类仿生扑翼微型飞行器在空中飞行只能维持几分钟甚至是几十秒钟。飞行器可携带的能量过小及减少能量消耗会是未来研究的热点。

对于扑翼微型飞行器来说，翅翼是一个重要组成部分，它直接关乎飞行器的空气动力特性，包括升力、推力及力矩的产生。通过实验研究翅翼外形对升力及能耗产生的影响，这种方法可以确定一种较优的翅翼外形，但是由于实验只能研究特定形态下翅翼参数取若干离散点对样机运动特性的影响，缺乏全局性。需要一种针对仿蜂鸟扑翼微型飞行器悬飞下翅翼的高效节能设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿蜂鸟微型飞行器悬飞下翅翼的高效节能设计方法。简化翅翼的外形并进行参数化表达，运用空气动力学模型与仿蜂鸟微型飞行器样机的实验数据确定柔性翼的分布式翅翼刚度，优化翅翼的形态学和运动学参数，为翅翼的设计提供理论支撑。

本发明采用的技术方案是：一种仿蜂鸟扑翼微型飞行器悬飞下翅翼的设计方法，包括：

S1、对仿蜂鸟扑翼微型飞行器翅翼的外形进行参数化表达，确定翅翼的分布式刚度；

S2、建立以翅翼能耗最小为目标函数的优化模型，求解翅翼形态学参数和运动学参数的优化值。

进一步地，所述步骤S1包括：

S11、建立仿蜂鸟扑翼微型飞行器翅翼的简化外形模型，并对翅翼的外形进行参数化表达；

S12、选择准定常空气动力学模型应用于仿蜂鸟扑翼微型飞行器样机，将翅翼的分布式刚度作为未知变量并运用最小二乘法使得模型理论得到的升力与样机实验测量的升力足够接近，以此确定扑翼的分布式刚度。

更进一步地，所述步骤S12具体包括以下分步骤：

S121、选用一个参数含有翅翼的分布式刚度在内的准定常空气动力学模型，选取一组样机测升力的实验数据，对比实验样机模型的运动模式，确定部分参数值；

S122、将翅翼的分布式刚度作为设计变量，运用最小二乘法建立以空气动力学模型输出升力与实验测量升力差值最小为目标的优化模型；

S123、求解步骤S122建立的优化模型，得到实验样机翅翼的分布式刚度。

进一步地，所述步骤S2包括：

S21、将S1求解的翅翼的分布式刚度作为确定值，从翅翼的形态学参数和运动学参数中确定优化的设计变量，参考实验和昆虫外形及运动特性确定约束条件，建立翅翼在悬飞下以能耗最小为目标函数的优化模型；

S22、求解S21建立的优化模型，得到翅翼设计变量的优化值；