仿生微型飞行器动态特性和飞行控制的理论研究与数值模拟

Flapping flight micro aerial vehicles, namely micromechanical flying insects (MFI), is a growing field of new micro aerial vehicles. Dynamic character and flight control are a challenging key technology in the MFI study, the further and systematic research is proposed. This research plan to presents and studies as following: the relationship between structural layout and dynamic character based on theory; simulation of controllable flight of MFI under various flight conditions; discussions on stability and controllability of MFI flight and fluid dynamic mechanisms; optimal design of structural layout and control algorithm based on design requirements of flight stability and control. This research will lay a foundation for MFI design and manufacture.

仿生微型飞行器，即“机器昆虫”（MFI）概念的拍动翼微型飞行器是微型飞行器的新兴发展方向。动态特性和飞行控制问题作为其设计和制造中的难点和关键点，亟需进行更系统和深入的研究。本研究拟采用理论研究的方法，明确结构布局和控制变量与动稳定性、操纵性等动态特性之间的作用关系，比较不同控制策略的优劣；结合数值模拟的方法实现各种飞行条件下可控飞行仿真；探讨仿生微型飞行器飞行的稳定和可控性，并揭示其中的流体力学机理；根据微型飞行器的稳定性与控制设计要求，优化设计飞行器的结构布局、控制策略，并数值模拟加以验证；为仿生微型飞行器的设计和制造奠定基础。

本项目针对仿生微型飞行器，即“机器昆虫”概念的拍动翼微型飞行器中的关键问题：动态特性和飞行控制问题进行了更系统和深入研究。研究中以昆虫和仿生微型飞行器的悬停飞行作为研究对象，首先采用了模态理论分析方法，在已有的稳定性分析基础上进行可控性分析。在理论分析结果的指导下，建立了稳定性可控飞行控制模型和飞行仿真平台，最终采用流体力学方程和飞行动力学方程耦合求解方法直接数值模拟实现了各种飞行条件下可控飞行仿真，并进行分析、揭示其中的力学机理。研究结果表明，虽然昆虫或仿生微型飞行器的悬停飞行是固有动不稳定的，但是能够采用飞行状态变量反馈改变拍动模式的方法，在一种自动稳定机制下进行稳定的可控飞行。其中悬停稳定可控飞行的物理机制在于拍动模式的改变抑制了导致昆虫或仿生微型飞行器悬停飞行固有动不稳定的气动力矩的产生。项目研究结果、项目研究过程中的分析方法、以及在相关的仿生流体力学和仿生飞行动力学等领域的探索成果已经整理为研究论文，为仿生微型飞行器的设计和制造奠定理论基础。