仿鸟扑翼飞行器气动力学建模精度测试

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27525

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

仿鸟扑翼飞行器气动力学建模精度测试

郑和超¹, 王建辉², 胡紫阳¹, 张忠海³, 何广平¹()

^1.北方工业大学机械与材料工程学院，北京　100144
^2.北京工业大学材料与制造学部，北京　100124
^3.北京航天测控技术有限公司，北京　100041

收稿日期:2022-05-27 修回日期:2022-06-13 接受日期:2022-08-10 出版日期:2022-09-01 发布日期:2022-08-31
通讯作者: 何广平 E-mail:hegp55@ncut.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2019QY（Y）0402);北京市自然科学基金(KZ202010009015);国家自然科学基金(61801456)

Test of aerodynamic modeling accuracy of bird⁃scale flapping⁃wing vehicles

Hechao ZHENG¹, Jianhui WANG², Ziyang HU¹, Zhonghai ZHANG³, Guangping HE¹()

^1.School of Mechanical and Material Engineering，North China University of Technology，Beijing 　100144，China
^2.Faculty of Materials and Manufacturing，Beijing University of Technology，Beijing 　100124，China
^3.Beijing Aerospace Measurement & Control Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 　100041，China

Received:2022-05-27 Revised:2022-06-13 Accepted:2022-08-10 Online:2022-09-01 Published:2022-08-31
Contact: Guangping HE E-mail:hegp55@ncut.edu.cn
Supported by:
National Key R&D Program(2019QY（Y）0402);Natural Science Foundation of Beijing(KZ202010009015);National Natural Science Foundation of China(61801456)

摘要/Abstract

摘要：

对气动力学建模精度的测试研究，有助于进一步设计仿鸟扑翼飞行控制器和对系统运动进行稳定性分析。传统各向同性气动力系数建模方法精度不足，很难用于仿鸟扑翼飞行器试验样机气动力性能的定量预报。通过对不同刚度弹性平板机翼气动力测试，对基于伪稳态气动理论的扑翼气动力建模精度进行了分析。基于飞行器机体位置固定条件下静态扑翼气动力的测试结果，将气动力解析计算模型的气动力系数进行修正，修正后的气动力系数考虑了弹性平板翼弦向刚度且展现出各向异性的特征。通过对试验样机进行拉杆动态飞行测试，验证了修正后扑翼气动力建模方法的精度和有效性。所述工作对开展仿鸟扑翼飞行器优化设计和加快试验样机改进具有参考价值。

关键词: 扑翼, 空气动力学, 飞行器, 升力, 推力

Abstract:

The test of aerodynamic modeling accuracy is helpful in the further design of the controller of bird-scale flapping-wing vehicles and the analysis of motion stability of the system. The traditional modeling method based on isotropic aerodynamic coefficients is not accurate enough to quantitatively predict the aerodynamic performance of experimental prototypes of bird-scale flapping-wing vehicles. The accuracy of the aerodynamic modeling of the flapping wing based on the pseudo steady state aerodynamic theory is tested by testing and analyzing the aerodynamic forces of the elastic flat wings with different stiffness. Based on the static aerodynamic test results of the flapping wing with fixed body position，the aerodynamic coefficients in the analytical calculation model are modified. The revised aerodynamic coefficients take into account the chordal stiffness of the elastic flat wing and show anisotropic characteristics. The accuracy and effectiveness of the modified flapping wing aerodynamic modeling method are verified by dynamic flight test of the experimental prototype. The above work has reference value for to the optimization design of flapping-wing vehicles and the improvement of experimental prototype.

Key words: flapping-wing, aerodynamics, vehicle, lift, thrust

中图分类号:

V276

郑和超, 王建辉, 胡紫阳, 张忠海, 何广平. 仿鸟扑翼飞行器气动力学建模精度测试[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 127525-127525.

Hechao ZHENG, Jianhui WANG, Ziyang HU, Zhonghai ZHANG, Guangping HE. Test of aerodynamic modeling accuracy of bird⁃scale flapping⁃wing vehicles[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(10): 127525-127525.

图/表 26

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

表1

表2

图 8

图 9

表3

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

参考文献 25

1	YANG X W， SONG B F， YANG W Q，et al. Study of aerodynamic and inertial forces of a dovelike flapping-wing MAV by combining experimental and numerical methods［J］. Chinese Journal of Aeronautics，2022，35（6）：63-76.
2	昂海松. 微型飞行器的设计原则和策略［J］. 航空学报，2016，37（1）：69-80.
	ANG H S. Design principles and strategies of micro air vehicle［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2016，37（1）：69-80 （in Chinese）.
3	王国彪，陈殿生，陈科位，等. 仿生机器人研究现状与发展趋势［J］. 机械工程学报，2015，51（13）：27-44.
	WANG H B， CHEN D S， CHEN K W，et al. The current research status and development strategy on biomimetic robot［J］. Journal of Mechanical Engineering，2015，51（13）：27-44 （in Chinese）.
4	LANE P， THRONEBERRY G， FERNANDEZ I，et al. Towards bio-inspiration，development，and manufacturing of a flapping-wing micro air vehicle［J］. Drones，2020，4（3）：39.
5	TANGUDOMKIT K， SMITHMAITRIE P. Aerodynamic experimental investigation and analysis of the flow and thrust generation of the flexible flat flapping wing robot［C］ ∥ 2021 Second International Symposium on Instrumentation，Control，Artificial Intelligence，and Robotics（ICA-SYMP）. Piscataway： IEEE Press， 2021： 1-6.
6	刘晶，汪超，谢鹏，等. 基于PD控制的仿昆虫扑翼样机研制［J］. 航空学报， 2020， 41（9）： 223678.
	LIU J， WANG C， XIE P，et al. Development of insect-like flapping wing micro air vehicle based on PD control［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（9）： 223678 （in Chinese）.
7	张弘志，宋笔锋，孙中超，等. 扑翼飞行器驱动机构回顾与展望［J］. 航空学报，2021， 42（2）： 024024.
	ZHANG H Z， SONG B F， SUN Z C，et al. Driving mechanism of flapping wing aircraft：Review and prospect［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2021，42（2）： 024024 （in Chinese）.
8	董二宝，许旻，李永新，等. 单曲柄双摇杆机构同步性能优化［J］. 机械工程学报，2010，46（7）：22-26.
	DONG E B， XU M， LI Y X，et al. Synchronization optimum design of single-crank and double-rockers mechanism［J］. Journal of Mechanical Engineering，2010，46（7）：22-26 （in Chinese）.
9	HE G P， SU T T， JIA T M，et al. Dynamics analysis and control of a bird scale underactuated flapping-wing vehicle［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2020，28（4）：1233-1242.
10	NGUYEN T A， VUPHAN H， AU T K L，et al. Experimental study on thrust and power of flapping-wing system based on rack-pinion mechanism［J］. Bioinspiration & Biomimetics，2016，11（4）：46001.
11	WU P， IFJU P， STANFORD B. Flapping wing structural deformation and thrust correlation study with flexible membrane wings［J］. AIAA Journal，2010，48（9）：2111-2122.
12	MUELLER D， BRUCK H A， GUPTA S K. Measurement of thrust and lift forces associated with drag of compliant flapping wing for micro air vehicles using a new test stand design［J］. Experimental Mechanics，2010，50（6）：725-735.
13	COLMENARES D， KANIA R， ZHANG W，et al. Compliant wing design for a flapping wing micro air vehicle［C］ ∥ 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems（IROS）. Piscataway：IEEE Press， 2015： 32-39.
14	FU J J， LIU X H， SHYY W，et al. Effects of flexibility and aspect ratio on the aerodynamic performance of flapping wings［J］. Bioinspiration & Biomimetics，2018， 13（3）： 036001.
15	PARAG D， AMRUT M. Experimental investigation of fluid-structure interaction in a bird-like flapping wing［J］. Journal of Fluids and Structures，2019，91：102712.
16	YANG W Q， XUAN J L， SONG B F. Experimental study on flexible deformation of a flapping wing with a rectangular planform［J］. International Journal of Aerospace Engineering，2020，2020：1-13.
17	MANTIA M L， DABNICHKI P. Effect of the wing shape on the thrust of flapping wing［J］. Applied Mathematical Modelling，2011，35（10）：4979-4990.
18	YANG W Q， SONG B F， SONG W P，et al. The effects of span-wise and chord-wise flexibility on the aerodynamic performance of micro flapping-wing［J］. Chinese Science Bulletin，2012，57（22）：2887-2897.
19	LIN T， XIA W， HU S. Effect of chordwise deformation on propulsive performance of flapping wings in forward flight［J］. The Aeronautical Journal，2021，125（1284）：430-451.
20	ZHAO L， HUANG Q F， DENG X Y， et al. Aerodynamic effects of flexibility in flapping wings［J］. Journal of the Royal Society Interface， 2010， 7（44）： 485-497.
21	TONG W W， YANG Y， WANG S Z. Estimating thrust from shedding vortex surfaces in the wake of a flapping plate［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2021， 920： A10.
22	CHEN Y， GRAVISH N， DESBIENS A L，et al. Experimental and computational studies of the aerodynamic performance of a flapping and passively rotating insect wing［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2016， 791： 1-33.
23	年鹏，宋笔锋，宣建林，等. 扑翼飞行器动力系统建模方法［J］. 航空学报，2021，42（9）： 224646.
	NIAN P， SONG B F， XUAN J L，et al. Modeling method for propulsion system of flapping wing vehicles［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2021，42（9）： 224646 （in Chinese）.
24	JIAO Z X， ZHAO L F， SHANG Y X，et al. Generic analytical thrust-force model for flapping wings［J］. AIAA Journal，2017， 56（2）： 581-593.
25	DENG X Y， SCHENATO L， WU W C，et al. Flapping flight for biomimetic robotic insects：Part I-System modeling［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2006， 22（4）： 776-788.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

技术参数	数值
总重量/g	13.3
机体长度/mm	178
翼展/mm	285
单翼面积/mm²	8 317.6
展弦比^［14］	4.9

标号	机翼示意图	单侧机翼重量/g
1）无骨架机翼（低刚度）		0.4
2）少骨架机翼（中等刚度）		0.45
3）多骨架机翼（较大刚度）		0.5

方向	量程/N	零漂/%F.S	采集误差/ %	分辨率/ N
X	-0.6~0.6	1.34	1.03	0.005
Y	-0.6~0.6	1.40	1.03	0.005
Z	-0.6~0.6	1.36	1.03	0.005

[1]	赵旭, 齐国元, 蔚昕晨, 胡建兵, 李霞. 补偿函数观测器及其在飞行器姿态控制中的应用[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327224-327224.
[2]	陈浩宇, 王彬文, 宋巧治, 李晓东. 热颤振地面模拟试验技术[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 227295-227295.
[3]	马印锴, 李祝飞, 黄琪, 杨基明. 宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 38-50.
[4]	李俊红, 靳旭红, 刘春风, 苗文博, 程晓丽. 临近空间高速飞行器微量气动力试验及计算[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127072-127072.
[5]	王梓伊, 张伟伟, 刘磊, 杨肖峰. 适用于复杂流动的热气动弹性降阶建模方法[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126807-126807.
[6]	韩荣, 刘伟, 杨小亮. 高超声速飞行器自适应减阻盘动态减阻机理[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126633-126633.
[7]	孙志坤, 史志伟, 张伟麟, 李铮, 孙琪杰. 等离子体激励器对高速翼型升阻特性的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 23-39.
[8]	李昊歌, 杨华, 杨雨欣, 陈伟芳. 高超声速升力体迎风面精细化降热优化设计[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 124-137.
[9]	宋威, 艾邦成. 多体分离动力学研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 25950-025950.
[10]	王新光, 毛枚良, 何琨, 陈琦, 万钊. 壁面函数在超声速湍流模拟中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 126153-126153.
[11]	刘雪城, 梁华, 宗豪华, 谢理科, 苏志. NACA0012翼型等离子体冰形调控试验[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 126283-126283.
[12]	郑辉, 邱雷, 袁慎芳, 杨晓飞, 卢绪龙, 薛兆鹏. C/C热防护结构高温气流损伤导波监测实验方法[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 225659-225659.
[13]	刘强, 涂国华, 罗振兵, 陈坚强, 赵瑞, 袁先旭. 延迟高超声速边界层转捩技术研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 25357-025357.
[14]	何宇廷. 飞行器广义生存性及评估方法[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526118-526118.
[15]	王晨, 杨洋, 沈星, 夏育颖. 用于变体飞行器的波纹板等效强度模型及其优化设计[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526146-526146.

仿鸟扑翼飞行器气动力学建模精度测试

Test of aerodynamic modeling accuracy of bird⁃scale flapping⁃wing vehicles

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 26

参考文献 25

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价