微型撲翼式仿生飛行器

內(nèi)容概要

微型飛行器(Micro Aerial Vehicle，MAV)具有攜帶方便、操作簡單、制造成本低、隱蔽性好、機(jī)動靈活等特點，因此無論在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，都有十分誘人的應(yīng)用前景。本書從仿生的角度來研究MAV的飛行機(jī)理與樣機(jī)制作；通過文獻(xiàn)中對自然界中昆蟲翅膀運動的觀察與測量，獲取了昆蟲翅膀的運動方程；采用UG建模技術(shù)，建立昆蟲的幾何模型；采用網(wǎng)格劃分方法，獲取昆蟲在流場運動時的三維網(wǎng)格；運用CFD(計算流體力學(xué))方法模擬翅膀運動時周圍的流場，獲取昆蟲運動時的升阻力特性，進(jìn)而來研究昆蟲的飛行機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)有可用的材料加工制作仿生MAV。    本書可作為從事MAV研究及其應(yīng)用的科技人員和高等學(xué)校有關(guān)專業(yè)教師的參考書，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生、本科高年級學(xué)生和工程技術(shù)人員的科研參考資料。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1  微飛行器研究啟動計劃  1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  1.3  微飛行器的飛行方式    1.3.1  固定翼飛行方式    1.3.2  旋翼飛行方式    1.3.3  撲翼飛行方式    1.3.4  三種飛行方式的特點    1.3.5  微飛行器飛行方式的選擇  1.4  MAV研究的關(guān)鍵問題    1.4.1  微飛行器在低雷諾數(shù)下的空氣動力學(xué)問題    1.4.2  微型動力裝置技術(shù)    1.4.3  機(jī)載元器件的MEMS化技術(shù)    1.4.4  光電傳感技術(shù)    1.4.5  微飛行器的飛行控制和數(shù)據(jù)傳輸    1.4.6  MDO方法的進(jìn)一步研究  1.5  微飛行器應(yīng)用前景  1.6  微飛行器的現(xiàn)實意義  1.7  本章小結(jié)第2章  低雷諾數(shù)下昆蟲的飛行機(jī)理  2.1  昆蟲飛行機(jī)理研究  2.2  坐標(biāo)系定義及翅膀的運動方程    2.2.1  慣性坐標(biāo)系Oxgygzg    2.2.2  昆蟲體坐標(biāo)系Oxyz    2.2.3  翅膀平面坐標(biāo)系Ox’y’z’  2.3  昆蟲懸飛時的邊界條件  2.4  計算網(wǎng)格的生成  2.5  求解方法  2.6  計算結(jié)果的分析與討論    2.6.1  昆蟲懸飛時周圍的流場    2.6.2  昆蟲懸飛時的非穩(wěn)態(tài)渦和軸向流    2.6.3  昆蟲懸飛時產(chǎn)生的升阻力  本章小結(jié)第3章  仿生飛行的數(shù)學(xué)建模與仿真  3.1  MAV的建模方法    3.1.1  物理結(jié)構(gòu)建模法    3.1.2  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模法    3.1.3  系統(tǒng)辨識建模法  3.2  昆蟲飛行的運動學(xué)建模    3.2.1  昆蟲飛行時的坐標(biāo)系表示    3.2.2  翅膀相對于昆蟲體的運動方程    3.2.3  撲翼昆蟲的姿態(tài)運動方程  3.3  昆蟲的空氣動力學(xué)模型    3.3.1  昆蟲翅膀的空氣動力及力矩    3.3.2  昆蟲體的空氣動力及力矩    3.3.3  昆蟲飛行時質(zhì)心的動力學(xué)方程    3.3.4  昆蟲運動的姿態(tài)動力學(xué)方程  3.4  仿生飛行的模型仿真    3.4.1  仿真模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計    3.4.2  仿真模型的控制器設(shè)計    3.4.3  仿真結(jié)果分析  3.5  本章小結(jié)第4章  仿生微飛行器的設(shè)計  4.1  仿生微飛行器的驅(qū)動形式    4.1.1  壓電驅(qū)動的撲動機(jī)構(gòu)    4.1.2  電磁驅(qū)動的撲動機(jī)構(gòu)    4.1.3  形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動的撲動機(jī)構(gòu)    4.1.4  人造肌肉驅(qū)動的撲動機(jī)構(gòu)    4.1.5  微馬達(dá)驅(qū)動的撲動機(jī)構(gòu)  4.2  撲翼微飛行器撲翼機(jī)構(gòu)原理及設(shè)計    4.2.1  現(xiàn)有撲翼微飛行器中的撲翼機(jī)構(gòu)    4.2.2  曲柄搖桿機(jī)構(gòu)原理    4.2.3  平面四桿機(jī)構(gòu)的位置分析    4.2.4  撲翼機(jī)構(gòu)原理    4.2.5  減速齒輪設(shè)計    4.2.6  撲翼機(jī)構(gòu)的三維建模  4.3  撲翼機(jī)構(gòu)的仿真與優(yōu)化    4.3.1  撲翼機(jī)構(gòu)的UG建模    4.3.2  仿真模型的建立    4.3.3  仿真結(jié)果及分析  4.4  本章小結(jié)第5章  撲翼微飛行器的翅膀研究  5.1  研究思路及方法  5.2  平面剛性翅脈的仿真研究    5.2.1  翅脈形貌變化對撲翼機(jī)構(gòu)性能的影響    5.2.2  翅脈材料屬性變化對撲翼機(jī)構(gòu)性能的影響    5.2.3  翅脈初始安裝角變化對撲翼機(jī)構(gòu)性能的影響    5.2.4  仿真結(jié)果的分析和討論  5.3  平面翅脈的實驗驗證  5.4  本章小結(jié)第6章  仿生微飛行器的航跡規(guī)劃  6.1  仿生MAV的分層控制機(jī)理  6.2  仿生MAV任務(wù)規(guī)劃與控制  6.3  路徑規(guī)劃常用算法    6.3.1  全局路徑規(guī)劃    6.3.2  局部路徑規(guī)劃  6.4  未知環(huán)境中MAV的航跡規(guī)劃    6.4.1  航跡規(guī)劃問題描述    6.4.2  靜態(tài)未知環(huán)境中的航跡規(guī)劃及仿真    6.4.3  動態(tài)未知環(huán)境中的航跡規(guī)劃及仿真  6.5  本章小結(jié)第7章  撲翼MAV的風(fēng)洞實驗  7.1  原理樣機(jī)  7.2  風(fēng)洞實驗    7.2.1  現(xiàn)有典型風(fēng)洞測試方法    7.2.2  風(fēng)洞實驗PIV系統(tǒng)    7.2.3  風(fēng)洞實驗設(shè)備及裝置  7.3  風(fēng)洞撲動頻率測試實驗結(jié)果與分析  7.4  PIV風(fēng)洞實驗結(jié)果與分析    7.4.1  延遲拍攝方式    7.4.2  外部觸發(fā)拍攝方式  7.5  不同特征參數(shù)對升阻力的影響    7.5.1  撲翼攻角對升阻力系數(shù)的影響    7.5.2  撲翼的振幅對升阻力系數(shù)的影響    7.5.3  頻率對升阻力系數(shù)的影響    7.5.4  飛行速度對升阻力系數(shù)的影響    7.5.5  撲翼不同起始位置對升阻力系數(shù)的影響  7.6  本章小結(jié)第8章  總結(jié)與展望  8.1  研究內(nèi)容    8.1.1  理論建模    8.1.2  物理模型    8.1.3  仿生MAV試驗  8.2  創(chuàng)新點  8.3  建議與展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：美國在MAV的研制上投入大量的人力和財力，并且也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。世界上除美國外，其他的國家對MAV的研究也表現(xiàn)出濃厚的興趣，并且取得了一定的進(jìn)展。早在美國提出MAV的概念之前，英國劍橋大學(xué)（Cambridge IJniversity）的Charles P.Ellington研究小組已經(jīng)對昆蟲飛行的空氣動力學(xué)及昆蟲的飛行機(jī)理進(jìn)行了多年的研究，并且取得了若干研究成果。1997年Ellington曾建議并尋求英國DERA資助，但未獲得成功。與此相反，美國DARPA卻對Ellington的研究表現(xiàn)出了興趣，他們邀請劍橋大學(xué)動物學(xué)系的Ellington等9人研究小組加盟到以Rober·t Michelson任首席研究工程師的GTRI研究組中，并給予E1。lington 100多萬英鎊的資助。德國IMM公司的微型直升機(jī)是在1997年研制出來，曾經(jīng)是世界上最小的能飛行的直升機(jī)，其總長為24mm，高8mm，重O.4g；機(jī)身為鋁制材料，旋翼由圖漆紙制成，直徑為13mm，由直徑2mm，長5mm的微電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)起飛轉(zhuǎn)速為40000r／min，最高能達(dá)到100000r／min，在有限制的情況下，該直升機(jī)的離地飛行高度為134.6mm。日本東京大學(xué)利用MEMS技術(shù)研制的一種飛行裝置，其翼展為4mm，重1.6mg。該裝置的機(jī)翼、圓盤及玻璃棒作為一整體在交變磁場中靠磁力矩驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的頻率增大到438Hz時，整個裝置便飛起來。上海交通大學(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究院的微型直升機(jī)研究項目是在總裝備部的建議和支持下完成的。該微型直升機(jī)的旋翼直徑為14mm，旋翼和機(jī)身均由陶瓷材料制成，驅(qū)動裝置為上海交通大學(xué)研制和改進(jìn)的2mm電磁微電機(jī)，直升機(jī)總長18.8mm，寬2.5mm，高4.6mm，重106.7mg，其體積和重量均小于德國IMM公司的微型直升機(jī)，飛行時間為10s左右，高度為50ram。中國摩擦學(xué)國家重點實驗室研制的微小型固定翼飛機(jī)，飛機(jī)翼展為250mm，長250mm，空機(jī)重量150g，留空時間約為3min，采用0.8cc兩沖程活塞發(fā)動機(jī)。這是目前國內(nèi)率先研制成功的幾何尺寸最小、采用內(nèi)燃機(jī)作為動力、可操縱的微型圓盤形飛機(jī)。此外國內(nèi)其他大學(xué)也在進(jìn)行MAV的相關(guān)研究，如西北工業(yè)大學(xué)正在研制的撲翼MAV，采用聚合物鋰電池做電源，微型電動機(jī)做驅(qū)動源，碳纖維做骨架，采用柔性機(jī)翼，樣機(jī)重約15g，制作的撲翼MAV可以在15～20I-Iz左右的頻率下拍動；南京航空航天大學(xué)對固定撲翼MAV進(jìn)行了研究，設(shè)計制作了不同款式的幾種MAV，飛行時間可達(dá)5min；清華大學(xué)的固定翼飛行器分別為38cm和36cm，飛行時間可達(dá)20min；東南大學(xué)也對撲翼MAV進(jìn)行了相關(guān)研究。

編輯推薦

《微型撲翼式仿生飛行器》是由上海交通大學(xué)出版社出版的。

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