单自由度扑翼飞行器和小型鸟类室内平飞运动学特性研究

作     者：陈远航 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：双丰

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 

主      题：单自由度扑翼机 小型鸟类 运动捕捉 斯特劳哈尔数 空间非对称性 关节旋转 

摘      要：自然界中的鸟类基于结构复杂的羽翼,能灵活的采用不同的飞行模式以达到不同的目的,同时兼具高效。观察和研究鸟类以及扑翼机不同扑翼运动及其飞行效率,有益于搭建扑翼机的运动学仿真模型和设计扑翼飞行控制器。本论文首次对单自由度扑翼机平飞时斯特劳哈尔数、翅翼拍打轨迹的空间非对称性以及飞行器扑翼攻角之间的关系进行了解析分析,并给出了三者的理论模型,同时进行了实验验证。我们使用光学运动捕捉系统采集单自由度扑翼飞行器水平安定面不同挡位下的飞行轨迹,结果表明斯特劳哈尔数、空间非对称性以及扑翼攻角实际值与理论曲面贴合良好,证明理论模型可靠。我们还采集了信鸽、红耳鹎、虎皮鹦鹉、白头鹎、绿豆鸟、八哥6种翅翼形变较小、运动模式与单自由度扑翼机类似的小型鸟类室内平飞或者亚平飞时翅翼运动轨迹,并做对比分析。结果表明,以上模型同样适用于这几种小型鸟类,当扑翼机平飞时攻角较小且翅翼上下拍打空间轨迹趋于对称时,其斯特劳哈尔数值接近真实鸟类。更进一步的,本论文对体型稍大的鸽子平飞时翅翼复杂运动也进行了实验研究和运动学解析。使用运动捕捉系统采集了鸽子在室内平飞时翅翼肩关节、肘关节、腕关节、指尖的运动轨迹。实验观察显示鸽子在室内飞行时翅翼上的这些关节点的旋转情况符合一个六自由度仿生机械臂模型。基于此种假设,我们使用一种通过空间几何解析和坐标变换就能较为简便的逆解出三个关节旋转变换的算法,解算出了鸽子在室内平飞时翅翼关节旋转变换情况并做了分析说明。