风场环境中扑翼机器人的滑翔轨迹优化

摘要

信天翁可以利用海面的梯度风场实现无动力滑翔上千公里.这种风能利用行为对采用相似飞行方式的扑翼机器人非常有借鉴价值.为探究扑翼机器人实现风能利用的可能性，本文针对信天翁等鸟类特有的大展弦比、高升阻比等滑翔特性，对自主开发的仿生扑翼机器人进行滑翔性能改进.并根据风能利用研究的模态切换需求，基于棘轮止动机构和扑动相位检测器设计了一种扑动/滑翔模态切换装置.然后，对改进后的仿生扑翼机器人进行气动仿真，得到不同迎角下的升阻力系数.并结合梯度风场模型和滑翔姿态运动学模型开展轨迹优化研究，得到仿生扑翼机器人不同航迹角下的最优滑翔轨迹.最后，选取–30°、0°、30°和60°航迹角对应轨迹的在真实风场中进行飞行实验.实验结果表明相同距离下滑翔飞行能耗显著低于扑动飞行，证明扑翼机器人在梯度风场中可以通过合理的规划滑翔轨迹实现风能利用，提升自身续航能力.

关键词

扑翼飞行机器人 / 梯度风场 / 轨迹优化 / 动态滑翔 / 风能利用

基金资助

国家自然科学基金资助项目（62225304,62427813,62103038）