摘要
近年来无人机飞行器在军事和民事领域的应用不断增加。扑翼飞行器是一种通过机翼扑动产生升力与推力从而模仿自然界飞行生物的新型飞行器。其具有噪音小、隐蔽性好、飞行稳定、机动性灵活、推进效率高等特点，研究扑翼飞行器对未来无人机飞行器领域具有重要的意义。 本文基于仿生学原理，对自然界飞行生物的飞行机理进行研究，以苍鹰为仿生设计对象，完成仿生扑翼飞行器整机系统设计、空气动力学研究、运动学及动力学分析、样机强度分析与校核，在此基础上对样机进行材料与器件选型、加工及试验。具体研究内容如下： 对自然界飞行生物中鸟类及昆虫的翅膀结构、飞行方式进行分析，探究气动力产生机理。总结现有扑翼飞行器基于叶素理论的气动建模机理，基于鸟类飞行机理确定仿生目标及参数需求，根据尺度律公式初步估算仿生尺寸参数。 对仿生扑翼飞行器的机翼、尾翼进行设计与建模，利用XFlow计算流体力学仿真平台，研究机翼翼型、翼面形状、翼展长度对气动力的影响，考虑材料资源及机翼重力，选取最优气动特性的机翼结构。结合五种常见尾翼，对飞行器水平、俯仰、偏航运动方式进行整机分析，根据实际飞行需求选取合适的飞行器尾翼。建立仿生扑翼飞行器机翼扑动频率、扑动幅值、上下扑动时间比等运动学参数与机翼几何参数的耦合分析。结果表明，合理的运动参数耦合设置有利于气动力的产生，研究结果与分析为扑翼飞行器的系统设计提供了有益的指导。 基于气动力分析结果，选取仿生扑翼飞行器驱动方案及扑动机构，设计传动机构、尾翼机构。对扑动机构进行参数定义及运动学建模，设计机构尺寸参数。利用ADAMS多体动力学仿真平台，对仿生扑翼飞行器进行运动学、动力学仿真分析。结果表明，所设计的扑动机构满足运动需求，仿真分析结果将为仿生扑翼飞行器的器件选型、机构优化、结构强度及样机研制提供指导。 确定仿生扑翼飞行器器件、材料、加工图纸及工艺，进行样机的研制与试验。为验证扑翼飞行器机翼强度，对样机翅脉进行设计有限元分析。结果表明，改进的仿生翅脉具有足够的结构强度及可控变形。基于无线控制方案，搭建扑翼飞行器控制系统，完成样机的装配与测试试验。
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