CN104198152B - 仿生扑翼飞行器升力测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿生扑翼飞行器升力测试装置及测试方法，属于扑翼飞行器技术领域。该发明主要包括连接轴、摆杆、斜杆、支架、大齿轮、小齿轮、立柱、底盘、传感器、发送器等；其中：连接轴、摆杆和立柱的轴线位于同一平面内，连接轴固定在摆杆的下端，摆杆的上端与斜杆下端铰接，斜杆上端与大齿轮固定联接，大齿轮由轴承支承在支架的立轴上，并与电机轴端的小齿轮保持啮合，支架、立柱和底盘连接形成固定机架，发送器安装在传感器的尾部。传感器测量摆杆相对于斜杆的角位移，由数学模型计算出对应的升力。本发明具有结构紧凑，占用空间小测量范围大，测量准确度高，测试时模型安装方便，操作简单等优点。

Description

仿生扑翼飞行器升力测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于扑翼飞行器升力测试技术领域，具体涉及一种仿生扑翼飞行器升力测试装置及测试方法。

背景技术

仿生扑翼飞行器是基于半转机构提出的一种新型类扑翼飞行器，不同于鸟翅或昆虫翼的拍动，其翼片的运动是连续的公转与自转的复合运动，两个翼片相距较远时的运动类似鸟翅的拍动，相距较近时的运动具有昆虫翅的急张与急拍作用。为了研究该飞行器的高升力机制和较高扑动频率下的升力大小,需要测量低速飞行时不同扑动频率下的升力。

常用的升力测量装置由风洞和测量天平组成，测试模型固定在测量天平上，如机械天平，模型与天平支承件置于风洞中，可以测量升力、推力、侧向力、滚转力矩、偏航力矩、俯仰力矩。这种基于风洞的测量装置虽然机械天平测量灵敏度高，稳定性好，但是风洞和机械天平结构复杂，制造费用大。公知的旋翼动态试验装置(CN103954426A)将试验模型安装在运动的机座上，可以测量旋翼在不同运动工况下的升力变化，省去了风洞装置。

一种三自由度扑翼综合实验平台(CN102338690B)是针对扑翼三自由度转动而设计的，可以测量扑翼扑动的力和力矩特性，虽然其结构简单，适用于复杂扑翼运动规律的风洞实验分析和验证，但不适用于仿生扑翼飞行器的升力测量。

发明内容

为了解决现有升力测试装置存在的结构复杂和适用性差的问题，本发明提供一种仿生扑翼飞行器升力测试装置及其测试方法。该装置将仿生扑翼飞行器模型固定在可以回转的摆杆上，用摆杆的回转运动来模拟飞行器的前进运动，用摆杆的倾角变化来计算升力变化。该测试装置具有结构简单，能适应仿生扑翼飞行器的升力测量。

本发明升力测试装置，包括连接轴、摆杆、斜杆、支架、大齿轮、小齿轮、电机、立柱、底盘、发送器、传感器、轴套、轴、十字孔套；所述连接轴和摆杆轴线位于同一平面内且保持垂直，连接轴固定在摆杆的下端；所述摆杆的上端与十字孔套固接，十字孔套和摆杆的轴线同平面且保持垂直；所述轴通过轴承支承在轴套的孔中，其左端与传感器的输入轴固定联接，右端与十字孔套固定联接，轴和十字孔套轴线保持同轴；所述传感器的外壳与轴套固定联接；所述斜杆下端与轴套固定联接，斜杆上端与大齿轮固定联接，斜杆和轴套的轴线垂直且同平面，斜杆与大齿轮的轴线垂直且同平面，轴套和大齿轮的轴线垂直交叉；所述立柱的上端与支架固定，下端与底盘固定，立柱轴线为铅垂线；所述大齿轮由轴承支承在支架的立轴上，并与固定于电机轴端的小齿轮保持啮合，电机固定在支架上；所述发送器安装在传感器的尾部。

静态测量时，飞行器仅在原地飞行。飞行器模型固定在连接轴上，并使升力方向与连接轴的轴线方向相同，无升力作用时，摆杆轴线自然下垂，传感器输出角度为0；升力作用时，摆杆摆动，记录传感器的角位移输出值，通过已知数学模型计算获得飞行器静态飞行时的升力大小。

动态测量时，飞行器以不同前进速度飞行。启动电机运行，通过小齿轮和大齿轮的啮合传动，斜杆带动摆杆及飞行器模型绕立柱转动，转动的线速度作为飞行器的前进速度，改变电机的转速可以改变飞行器的飞行速度。通过发送器和无线接收器记录传感器的角位移输出值，通过已知数学模型计算获得飞行器飞行器动态飞行时的升力大小。

本发明的科学原理如下：

由于摆杆相对于斜杆的摆动只有一个转动关节，并用滚动轴承支承，摆杆的摆动阻力矩小，升力方向垂直于摆杆，升力使摆杆转动的力臂大，且可调节，因此，摆杆转动处产生的摩擦力矩对升力测量的影响小，测量精度高。

动态测量时，模型及摆杆的运动会产生气动阻力，由于该气动阻力的方向平行于摆杆转动副的轴线，理论上不产生使摆杆转动的附加力矩。因此，模型及摆杆的气动阻力不影响升力的测量。

采用非接触式的角位移传感器，传感器内部的摩擦阻力矩小，测量分辨率高。角位移测量值与升力及模型和摆杆的离心力成正比，而与模型和摆杆的质量成反比，由于模型和摆杆的自重较小且易于调节，因此，在给定的测量精度下，可以获得较大的升力测量范围。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用模型定轴转动来模拟实际飞行，省去了风洞设备，使实验装置结构紧凑，占用空间小；

2、适用于仿鸟或仿昆虫飞行器的升力测量，测量范围大，测量准确度高；

3、本装置结构简单，测试时模型安装方便，操作简单，也适用于其它微小型扑翼机升力的测量。

附图说明

图1是仿生扑翼飞行器升力测试装置装配示意图。

图2是图1中A-A剖视的放大图。

图中：1、连接轴；2、摆杆；3、斜杆；4、支架；5、大齿轮；6、小齿轮；7、电机；8、立柱；9、底盘；10、发送器；11、传感器；12、轴套；13、轴；14、十字孔套。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例详述本发明。

如图1和图2所示，连接轴1通过螺钉固定在摆杆2的下端，摆杆2的上端与十字孔套14通过螺钉固接，十字孔套14和摆杆2的轴线同平面且保持垂直；轴13通过轴承支承在轴套12的孔中，轴13左端与传感器11的输入轴通过螺钉固定联接，轴13右端与十字孔套14经螺钉固定联接，轴13和十字孔套14轴线保持同轴；传感器11的外壳与轴套12经沿圆周分布的四个螺钉固定联接；斜杆3下端与轴套12固定联接，斜杆3上端与大齿轮5固定联接，斜杆3和轴套12的轴线垂直且同平面，斜杆3与大齿轮5的轴线垂直且同平面，轴套12和大齿轮5的轴线垂直交叉；立柱8的上端与支架4固定，下端与底盘9固定，立柱8轴线为铅垂线；大齿轮5由轴承支承在支架4的立轴上，并与通过螺钉固定于电机7轴端的小齿轮6保持啮合，在支架4上螺钉保证轴承的轴向定位，电机7固定通过螺钉在支架4上。发送器10安装在传感器11的尾部。

静态工作时，飞机器仅在原地飞行。飞行器模型固定在连接轴1上，飞行器无前进运动，升力的方向与连接轴1的轴线方向相同。在升力作用时，摆杆2摆动，记录传感器11输出值，通过已知数学模型计算获得的飞行器静态飞行时的升力。

动态工作时，电动机7转动，通过小齿轮6和大齿轮5的啮合传动，斜杆3带动摆杆2及飞行器模型绕立柱8转动，转动的线速度作为飞行器的前进速度，改变电机7的转速可以改变飞行器的飞行速度。通过传感器11的记录值和数学模型，得到飞行器动态工作时的升力。

Claims (3)

1.仿生扑翼飞行器升力测试装置，其特征在于，该测试装置包括连接轴(1)、摆杆(2)、斜杆(3)、支架(4)、大齿轮(5)、小齿轮(6)、电机(7)、立柱(8)、底盘(9)、发送器(10)、传感器(11)、轴套(12)、轴(13)、十字孔套(14)；所述连接轴(1)的轴线和摆杆(2)的轴线位于同一平面内且保持垂直，连接轴(1)固定在摆杆(2)上的下端；所述摆杆(2)的上端与十字孔套(14)固接，十字孔套(14)的轴线和摆杆(2)的轴线同平面且保持垂直；所述轴(13)通过轴承支承在轴套(12)的孔中，其左端与传感器(11)的输入轴固定联接，右端与十字孔套(14)固定联接，轴(13)的轴线和十字孔套(14)的轴线保持同轴；所述传感器(11)的外壳与轴套(12)固定联接；所述斜杆(3)是一平面折杆，其下端与轴套(12)固定联接，而上端与大齿轮(5)固定联接，斜杆(3)下端的轴线和轴套(12)的轴线垂直且同平面，斜杆(3)上端的轴线与大齿轮(5)的轴线垂直且同平面，轴套(12)的轴线和大齿轮(5)的轴线垂直交叉；所述立柱(8)的上端与支架(4)固定，下端与底盘(9)固定，立柱(8)轴线为铅垂线；所述大齿轮(5)由轴承支承在支架(4)的立轴上，并与固定于电机(7)轴端的小齿轮(6)保持啮合，电机(7)固定在支架(4)上；发送器(10)安装在传感器(11)的尾部。

2.如权利要求1所述的仿生扑翼飞行器升力测试装置的测试方法,其特征在于，当静态测量时，飞行器仅在原地飞行；飞行器模型固定在连接轴(1)上，并使升力方向与连接轴(1)的轴线方向相同，无升力作用时，摆杆轴线自然下垂，传感器(11)输出角度为0；升力作用时，摆杆(2)摆动，记录传感器(11)的角位移输出值，通过已知数学模型计算获得飞行器静态飞行时的升力大小。

3.如权利要求1所述的仿生扑翼飞行器升力测试装置的测试方法,其特征在于，当动态测量时，飞行器以不同前进速度飞行；启动电机(7)运行，通过小齿轮(6)和大齿轮(5)的啮合传动，斜杆(3)带动摆杆(2)及飞行器模型绕立柱(8)转动，转动的线速度作为飞行器的前进速度，改变电机(7)的转速可以改变飞行器的飞行速度；通过发送器(10)和无线接收器记录传感器(11)的角位移输出值，通过已知数学模型计算获得飞行器动态飞行时的升力大小。