现有仿生扑翼飞行器大多针对单一飞行模式进行设计与研究,无法实现复杂多变的飞行姿态。文中根据鹰的飞行特性,以空间RSSR机构和多连杆机构为出发点,设计了一种扑动-折叠-扭转的仿鹰扑翼机构,以实现多飞行模式。首先,通过鹰的仿生学研究,根据总体设计目标提出多飞行模式扑翼飞行器功能设计要求;其次,基于XFLR5建立了多飞行模式扑翼的气动力模型,分析了起飞、巡航、降落3种典型飞行模式下的翅翼气动力的变化规律;最后,根据飞行参数建立了机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑翼在不同飞行模式下的运动变化规律及翼尖轨迹曲线。证明该扑翼机构具有良好的仿生运动特性和气动特性,为多飞行模式微型扑翼飞行器提供了设计参考。

针对目前扑翼驱动机构无法以简单结构实现复杂仿生运动问题,由空间四杆机构出发,引入柔性杆件设计思路,设计了一种柔性空间扑翼驱动机构。在单驱动条件下,实现了翅翼的扑动-扭转-挥摆耦合运动。建立了机构的运动学和气动力计算模型,求解了机构在运动过程中扑动角、扭转角、挥摆角以及翅翼所受的气动力变化。根据机构特性,在Adams中建立了考虑动力学特性与机构强度的刚柔耦合模型,分析了机构的运动轨迹、运动特性及柔性杆件的应力变化情况。结果表明,该驱动机构具有运动对称性与稳定性,翅翼实现了扑动-扭转-挥摆的耦合仿生运动,同时又满足了柔性机构的强度设计要求。

针对现有扑翼飞行器的扑翼机构结构单一、无法实现灵巧高效的仿生运动等缺点,在单驱动方式的基础上,设计了一种能够同时实现扑动和两级折叠运动的新型扑翼机构,据此提出一种三段式扑翼机构分析模型,并建立了机构的运动学和气动力计算模型。分析了扑翼机构在一个运动周期中翅翼的折叠角度及升力变化规律,证明上述机构符合仿生设计要求,并且有较好的气动力特性。分析了在三种典型飞行状态下内、中、外三段翅翼所受的气动力变化,并与两段式扑翼模型进行了比较。相较于单段式与两段式扑翼,三段式扑翼机构具有更好的仿生运动特性和气动性能。