[发明专利]扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法

说明书

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法。

背景技术

微型扑翼飞行器(Flapping Wing Micro Air Vehicle，简称FMAV)是一种载有微型传感器，用于侦察和监视，以扑动翼作为动力装置的体积小、重量轻的飞行器。微型扑翼飞行器在军事和民用中具有广泛应用前景，已成为近十年来各国微型飞行器研究领域的热门课题。随着对鸟类飞行机理研究的进步，相关微机电技术(MEMS)和新型材料等领域的快速发展，仿生扑翼飞行器的研究水平也在不断提高。

对扑翼飞行器进行仿真建模，并采用仿真方法研究扑翼飞行器飞行性能，属于扑翼飞行器研究中的重要途径之一。目前，所建立的扑翼飞行器仿真模型，仅能够仿真扑翼飞行器以恒定速度飞行的状态，而无法实现类似鸟类的扑动-滑翔等复合飞行状态，因此，现有技术所建立的扑翼飞行器仿真模型，其仿真度有限，不利于更为精确的研究扑翼飞行器飞行性能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，包括以下步骤：

步骤1，获取被研究的扑翼飞行器的基本参数，包括：参考面积、飞行器质量以及飞行器转动惯量；

步骤2，对扑翼飞行器进行风洞实验，基于风洞实验数据以及扑翼飞行器的基本参数，建立气动模型；其中，所建立的气动模型为多输入多输出系统，其输入变量包括实际飞行速度、实际扑动幅度、实际扑动频率、实际飞行攻角、实际机体角速率、实际舵量、参考面积和空气密度；其输出变量为作用在全机的力及力矩；

步骤3，基于刚体六自由度模型方程，对扑翼飞行器的动力学进行数学建模，得到动力学模型；其中，所述动力学模型为多输入多输出系统，其输入变量包括作用在全机的力及力矩、飞行器质量以及飞行器转动惯量；其输出变量包括实际飞行速度、实际飞行高度、实际飞行姿态、实际飞行攻角和实际机体角速率；

步骤4，建立复合飞行规划模块；所述复合飞行规划模块用于对复合飞行过程进行描述；

其中，对所述复合飞行过程进行描述具体指：对扑动-滑翔过渡过程、滑翔过程、滑翔-扑动过渡过程的各个不同时间节点的基准扑动幅度值和基准扑动频率值进行规划设计，从而使扑翼飞行器进行扑动-滑翔-扑动的复合飞行过程；

步骤5，基于风洞试验数据，通过二维线性插值，建立飞行功率与扑动频率、扑动幅度的关系，得到飞行能量消耗计算模型；

步骤6，建立控制率模型；

步骤7，根据所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型之间的逻辑关系，将所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型进行相互连接并整理，搭建得到最终的仿真模型。

优选的，步骤4中，所述复合飞行规划模块对所述复合飞行过程进行描述具体指：

第1过程：正常扑动飞行过程：给出扑动飞行过程的起始时间节点t0和结束时间节点t1，给出起始时间节点t0到结束时间节点t1之间的基准扑动频率和基准扑动幅度，在本过程中，设基准扑动频率的给定值为L1，基准扑动幅度的给定值为F1；

第2过程：扑动到滑翔的过渡过程：扑-滑过渡的起始时间即为t1，给出扑-滑过渡的结束时间t1+△t1；在扑-滑过渡过程△t1时间长度中，使基准扑动幅度从F1按一定的变化规律向0趋近；使基准扑动频率从L1按一定的变化规律向0趋近；

第3过程：滑翔过程：滑翔过程的起始时间即为t1+△t1，给出滑翔过程的结束时间t1+△t1+t2；在滑翔过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值均为0；

第4过程：滑翔到扑动的过渡过程，滑-扑过渡过程的起始时间即为t1+△t1+t2，给出滑-扑过渡过程的结束时间t1+△t1+t2+△t2+△t3；在滑-扑过渡过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值分别恒定为F1和L1；

第5过程：恢复到第1过程的扑动飞行过程。

优选的，还包括：

步骤8，按照所述复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程，进行仿真；仿真过程为：