仿鸟扑翼飞行器建模分析

　　引 言

　　由于微小型扑翅式飞行器具有自身尺寸小、飞行速度低等特点，造成了扑翼飞行器空气动力学的低雷诺数效应十分明显，使得在飞行过程中扑翼的附面层容易分离,只要有较小迎角扰动就可能发生失速。另外，扑翼飞行器的空气动力学非线性特性十分明显[1-2]，这就决定了作用在扑翼飞行器机体上的力必须穿过其质心并且与重力大小相等，方向相反才能保证它的稳定飞行，致使对扑翼飞行器的气动建模与常规飞行器明显不同，而且在现有科技水平的条件下，对其实现精确建模还存在一定难度[3]。从气动建模分析，微小型仿鸟扑翼飞行器与固定翼与旋转翼微小型飞行器最主要的不同是它不需要外部动力源驱动与控制，它的驱动力主要来自拍动的机翼。因此，对扑翼飞行器的研究，首先必须对其产生气动力的扑动系统建模。

　　本文对所在实验室现有扑翼飞机进行气动力分析，在一定假设的基础上建立了小型仿鸟扑翼飞行器较为完整的空气动力学模型，分析了其运动学与动力学方程。此模型可以为仿鸟扑翼飞行器气动力算法的设计和验证提供一定的理论基础，并可以为今后对仿鸟扑翼飞行器控制方法的研究提供良好的试验平台。

　　1 仿鸟扑翼飞行器结构分析

　　本文所研究的扑翼飞机主要由机体和翅膀两部分组成，它依靠机身安装的小电机提供动力迫使其翅膀上下扑动，为扑翼机提供了飞行所需升力和前向推力，从而克服机体重力和飞行阻力来实现其空中飞行。该扑翼机的实际图像如图1所示，参数分布见表1。

　　图1 扑翼机样机

　　针对该扑翼机，可以将其抽象成为由气动力模块、动力学模块、能量使动模块、飞行控制模块、外界作用模块五个模块组成的有机整体[4]，图 2 表示了各个模块的相互关系。各个模块的作用与实现的功能如下：

　　1) 能量使动模块：根据控制信号提供的信息，提供能量迫使扑翼机的翅膀以需要的频率扑动，为其飞行提供动力。

　　2) 气动力计算模块：以翅膀扑动时扑动角的变化，计算在某一时刻翅膀产生的瞬时升力与推力，以及在整个时间周期内产生的平均升力与平均推力。

　　3) 动力学模块：通过建立扑翼机在飞行过程中的欧拉方程，求取扑翼机在地面坐标系中的位置与姿态以及速度信息，为其飞行控制模块提供实时数据。

　　4) 飞行控制模块：在扑翼机由遥控状态切换为自主飞行状态后，通过动力学模块提供的状态信息，产生控制信号，控制扑翼机在空中实现姿态保持和航迹跟踪。

　　5) 外界作用模块：模拟实际飞行中的大气环境，包括空气密度、黏度、阻力系数、以及形成的气流扰动，使建模模型更精确。