撲翼非定常氣動力實驗研究及相關(guān)應(yīng)用探索.pdf

1、昆蟲高超的飛行本領(lǐng)一直是仿生研究關(guān)注的一個熱點。昆蟲飛行研究可分為機理研究與應(yīng)用研究:機理研究通過理論分析，活體觀測，模型實驗和數(shù)值計算等手段來揭示撲翼運動的非定?？諝鈩恿W機理；應(yīng)用研究通過設(shè)計和研制人造撲翼機構(gòu)來模擬昆蟲的飛行能力，進而實現(xiàn)撲翼微飛行器等仿生應(yīng)用。目前機理與應(yīng)用研究都得到了很好的發(fā)展:對撲翼飛行的高升力機理的認識在不斷深入和細化，具有實用價值的撲翼微飛行器也在嶄露頭角。但撲翼研究的探索與實踐過程也表明，關(guān)于昆蟲飛行仍

2、有不少尚未解決的問題需要探討。本文立足于實驗手段，對活體觀測，模型實驗和撲翼微飛行器研制等問題進行了一系列研究。
　　 本文針對活體觀測研究中海量昆蟲圖像的形態(tài)學特征自動識別難題提出了一種新的“幀間差別法”。該方法通過巧妙地利用相鄰三幀圖像間的運算和昆蟲內(nèi)在特點來實現(xiàn)運動特征的自動提取。多組虛擬和真實昆蟲運動圖像的測試結(jié)果表明:這種方法能夠較好的適應(yīng)昆蟲這種復(fù)雜變形體運動；并能夠在翼面透明，昆蟲身體有遮擋，高速攝影本底噪聲大的環(huán)

3、境中順利地自動提取二值圖并分析形態(tài)學特征。此方法無需人工干預(yù)，不針對特定昆蟲，運算量也較小，識別結(jié)果可靠。這給昆蟲圖像形態(tài)學特征自動識別提供了一個切實可行的解決方法，極大的節(jié)省了昆蟲撲翼運動圖像的分析時間。
　　 研制了一種由舵機驅(qū)動的大比例鷹蛾撲翼模型。舵機控制方便，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，結(jié)合所設(shè)計的控制程序使得計算機能夠智能、便捷地精確控制該模型實現(xiàn)所需撲翼運動。此模型與鷹蛾在運動學和形態(tài)學上都較好地滿足相似，能夠直接在空氣里

4、進行撲翼實驗，這更好的模擬了昆蟲飛行環(huán)境。使用該模型進行的鷹蛾懸停飛行實驗結(jié)果表明:攻角與揮拍角間的相位差顯著地影響氣動力的產(chǎn)生，適當?shù)某跋辔唤怯兄讷@得懸停飛行所需的氣動力:撲翼運動曲線本身對氣動力的影響也很重要:真實鷹蛾運動曲線比簡化方式的運動曲線氣動力特性要好，更有利于懸停飛行；鷹蛾懸停飛行中翼面的扭轉(zhuǎn)變形并不顯著影響其氣動力；過度超前的相位對平均升力的提升很有限且會增加氣動功耗。鷹蛾撲翼方式本身在所研究的情況中已經(jīng)接近最優(yōu)，這

5、在一定程度上揭示了昆蟲飛行的內(nèi)在機制。
　　 針對超微型撲翼機構(gòu)設(shè)計難度大、加工代價高的特點，本文提出并驗證了一種新型的“電磁驅(qū)動翼面”機構(gòu)。該微型撲翼機構(gòu)把驅(qū)動裝置與翼面合二為一，只需要對薄膜翼面線圈進行控制即可實現(xiàn)撲翼運動。此外，針對平面撲翼機構(gòu)難實現(xiàn)揮拍角與攻角精確控制的問題，本文設(shè)計了“平行曲柄連桿”撲翼機構(gòu)。通過對該機構(gòu)進行多參數(shù)優(yōu)化和氣動力測量表明，這種撲翼機構(gòu)能夠很好地模擬昆蟲撲翼運動，并能提供昆蟲自重相當?shù)纳?/p>