CN110334401A - 一种基于串列布置的双扑翼推进效能的优化方法 - Google Patents

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吴杰
陈一鑫
刘永华
张祥
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Abstract

本发明提供一种基于串列布置的双扑翼推进效能的优化方法，其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：步骤一，构建串列布置的两个扑翼；步骤二，调节双扑翼的相位差和间距，通过构建串列布置的两个扑翼，控制双扑翼的运动相位差和间距，可以显著提高扑翼的推进速度和效率。

Description

一种基于串列布置的双扑翼推进效能的优化方法
技术领域
本发明涉及仿生扑翼推进领域，更具体地说，本发明涉及一种可以显著提高扑翼推进效能的优化方法。
背景技术
近年来，微型飞行器和潜航器发展迅速，其在环境监测、灾害搜救等方面表现出非常大的应用前景。其中，微型化是其发展的趋势之一。随着机体的不断微型化，惯性力减小，微型飞行器和潜航器在航行过程中对周围流场的扰动将非常敏感。此时，由于雷诺数很小，传统的螺旋桨推进将难于提供足够的推力。如何设计更加高效的推进装置，是微型飞行器和潜航器进一步微型化发展所面临的关键问题之一。
鸟类、飞行昆虫和鱼类就是自然界的微型飞行器和潜航器。它们虽然尺寸小，但是在复杂环境中依然能保持优越的飞行和游动性能。和传统的螺旋桨推进相比，仿生扑翼具有效率高、机动性强、噪声小等优势。近年来，仿生扑翼越来越多地运用到了微型飞行器和潜航器的设计中。然而，与自然界生物扑翼相比，目前的人造仿生扑翼装置的推进效能依然很低。这在一定程度上限制了仿生扑翼的应用和微型飞行器和潜航器的发展。为了提高仿生扑翼的推进效能，目前主要是对单个扑翼的运动参数(频率、振幅、运动轨迹等)进行控制优化。比如，研究表明合理的非对称运动轨迹可以提高扑翼的升力和推力。然而，非对称运动轨迹对机器的航行稳定性会产生不利影响，并增加了姿态控制的难度。目前，仍然很有必要探究其他方法来进一步优化仿生扑翼的推进效能。
发明内容
[发明目的]
针对目前仿生扑翼推进效能的不足，本发明的目的在于提供一种可以显著提高扑翼推进效能的优化方法，通过构建串列布置的两个扑翼，控制双扑翼的运动相位差和间距，可以显著提高扑翼的推进速度和效率。
[技术方案]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：1)构建串列布置的两个扑翼，2)调节双扑翼的相位差和间距。
所述的技术方案1)具体为：如图1所示，将两个扑翼串列布置，其运动为沉浮和俯仰组合运动，沉浮运动和俯仰运动相位差是π/2，其运动控制均采用正弦变化模式。定义沉浮位置和俯仰角分别为h(t)和θ(t)，则沉浮和俯仰运动的数学表达式分别为：
h1(t)=h0sin(2πft)，θ1(t)＝θ0sin(2πft+π/2)
h2(t)＝h0sin(2πft+φ)，θ2(t)＝θ0sin(2πft+π/2+φ)
其中h0和θ0分别是扑翼沉浮运动和俯仰运动的幅值，f是扑翼的运动频率，t是时间，下标“1”和“2”分别表示前翼和后翼的运动，φ是前后翼运动的相位差。
所述的技术方案2)具体为：调节相位差φ和双翼水平间距G，可以实现提高扑翼推进效能的目的。经过一系列数值实验发现，当相位差和间距为φ＝0.1π和G＝0.15c时，扑翼可以获得最大速度；当相位差和间距为φ＝1.6π和G＝0.3c时，则可以获得最佳推进效率。
[有益效果]
本发明通过构建串列布置的两个扑翼，控制双扑翼的运动相位差和间距，实现了提高扑翼推进速度和效率的目的，有利于优化仿生扑翼飞行器和潜航器的推进效能。
附图说明
图1是二维情况下本发明的示意图。
图2是本发明所述扑翼的推进速度与相同参数的单扑翼比较。
图3是本发明所述扑翼的功率系数(双翼的平均值)与相同参数的单扑翼比较。
具体实施方式
本发明通过构建串列布置的两个扑翼，控制双扑翼的运动相位差和间距，可以显著提高扑翼的推进速度和效率。
扑翼运动为沉浮和俯仰组合运动，沉浮运动和俯仰运动相位差是π/2，其运动控制均采用正弦变化模式。定义沉浮位置和俯仰角分别为h(t)和θ(t)，则沉浮和俯仰运动的数学表达式分别为：
h1(t)＝h0sin(2πft)，θ1(t)＝θ0sin(2πft+π/2)
h2(t)＝h0sin(2πft+φ)，θ2(t)＝θ0sin(2πft+π/2+φ)
其中h0和θ0分别是扑翼沉浮运动和俯仰运动的幅值，f是扑翼的运动频率，t是时间，下标“1”和“2”分别表示前翼和后翼的运动，φ是前后双翼运动之间的相位差，俯仰轴固定在c/3处。
通过调节相位差φ的值和双翼水平间距G，可以提高扑翼的推进速度和效率。基于计算流体力学算法，本发明采用浸入边界法，经过一系列数值实验发现，当相位差和间距为φ＝0.1π和G＝0.15c时，扑翼可以获得最大推进速度；当相位差和间距为φ＝1.6π和G＝0.3c时，扑翼可以获得最优推进效率。
如图2所示，当双翼间相位差和间距为φ＝0.1π和G＝0.15c时，双翼的推进速度显著提高，相比于相同参数的单扑翼，此时双扑翼的推进速度提高了50.6％。如图3所示，虽然此时扑翼的能耗增加了，但是其推进效率依然优于单扑翼，推进效率提高了40.3％。
当双翼间相位差和间距为φ＝1.6π和G＝0.3c时，如图2所示，双翼的推进速度也得到了显著提高。相比于相同参数的单扑翼，此时双扑翼可将推进速度提高18.8％。如图3所示，此时扑翼的能耗明显降低了。相比于单扑翼，此时双扑翼的推进效率可以提高54.8％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于串列布置的双扑翼推进效能的优化方法，其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：
步骤一，构建串列布置的两个扑翼；
步骤二，调节双扑翼的相位差和间距。
2.根据权利要求1所述的一种基于串列布置的双扑翼推进效能的优化方法，其特征在于，将两个扑翼串列布置，其运动为沉浮和俯仰组合运动，所述沉浮运动和俯仰运动相位差是π/2，其运动控制均采用正弦变化模式。
3.根据权利要求2所述的一种基于串列布置的双扑翼推进效能的优化方法，其特征在于，定义沉浮位置和俯仰角分别为h(t)和θ(t)，则沉浮和俯仰运动的数学表达式分别为：
h1(t)＝h0sin(2πft)，θ1(t)＝θ0sin(2πft+π/2)
h2(t)＝h0sin(2πft+φ)，θ2(t)＝θ00sin(2πft+π/2+φ)
其中h0和θ0分别是扑翼沉浮运动和俯仰运动的幅值，f是扑翼的运动频率，t是时间，下标“1”和“2”分别表示前翼和后翼的运动，φ是前后翼运动的相位差。
4.根据权利要求2所述的一种基于串列布置的双扑翼推进效能的优化方法，其特征在于，所述步骤二中，当相位差φ和间距G为φ＝0.1π和G＝0.15c时，扑翼获得最大速度；当相位差和间距为φ＝1.6π和G＝0.3c时，获得最佳推进效率。
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