扑翼飞行器动力系统建模方法

年鹏，宋笔锋，宣建林,2,*，王思琦

1. 西北工业大学 航空学院，西安 710072

2. 西北工业大学 长三角研究院，太仓 215400

扑翼飞行器作为一种模仿生物飞行的特殊飞行器，在军民用领域都具有独特的用途。近年来扑翼飞行器都是国内外的研究热点[1-3]，并且随着微电子、微机械技术的发展，一系列扑翼飞行器被成功研制出来[4-7]。扑翼飞行器的优势之一在于低雷诺数下优异的气动性能[8]，因此航时是扑翼飞行器的一项重要的性能指标。但由于扑翼飞行器具有独特的非定常空气动力学机理[9-11]，因此在扑翼飞行器的设计中直接采用数值计算的结果通常不会得到较为准确的飞行性能，如著名的扑翼飞行器Nano Hummingbird[12]和Delfly[13]的设计过程中都大量采用了实验研究的手段，包括气动力的测量实验和自由飞实验。

在改进扑翼飞行器的设计后，为准确评估扑翼飞行器的续航性能，目前多依靠实际外场试飞来采集数据，由于环境的不可控性，试飞结果重复性较差，且外场试飞费时费力，这在一定程度上阻碍了扑翼飞行器的研制。动力系统作为扑翼飞行器的主要功耗源直接影响扑翼飞行器的续航性能，因此有必要建立扑翼飞行器动力系统的仿真模型，利用仿真手段部分替代传统试飞测试的作用。在现有的研究中，Doman等[14]使用拉格朗日分析法建立了包含电机、驱动机构和弹性前缘梁的扑翼飞行器动力系统模型，通过实验验证了模型的精度，该模型可用于载荷与电机的匹配，但模型仅考虑了前缘梁的惯性载荷，而没有对扑动翼的气动载荷进行建模。……