CN104568373B - 一种微型扑翼飞行器气动力测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型扑翼飞行器气动力测试装置及测试方法，所述气动力测试装置包括微型扑翼飞行器、真空箱壳体、旋片式真空泵、支撑杆、测力安装板、测力传感器、传感器安装板等。使微扑型飞行器在真空箱中扑翼，通过测力传感器检测飞行器在真空状态下和常规状态下竖直方向上所受到的作用力之差得到气动力。基于本发明测试装置的方法有利于定量测试扑翼扑动时产生的准确气动力，能够在给定扑动频率的情况下实时测量力的变化。

Description

一种微型扑翼飞行器气动力测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于航空航天领域，涉及一种微型扑翼飞行器气动力测试装置和方法，以获得飞行器在扑动时的气动力。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器，与固定翼和旋翼相比，扑翼飞行器将上升、悬停和推进集于一个扑动系统，仅需要较小的能量损耗即可完成长距离飞行，扑翼翅膀在高频状态下的扑动和扭转使其获得无与伦比的机动性。

昆虫和鸟类的体型比常规飞机小得多，产生的气动力绝对值非常小，且扑动频率高，所以其周围流场呈现尺度小，变化快的特点；现有的实验设备和理论主要用于常规飞行器的测量，所以研制针对扑翼飞行器的气动力测试装置尤为重要。现有测量气动力的方法有通过比例扑翼机构在液体中扇动翅膀时产生升力，但在空气中应用时该方法是否需要改进需要进一步验证。

目前关于扑翼飞行的实验研究主要有两个方面：流场显示和气动力测量。流场显示一般将扑翼放至低速风洞中，在给定来流速度及俯仰角情况下，布撒示踪粒子，经PIV系统发射激光及高速相机捕捉图像，定性估测扑翼的流场显示。测力主要是测量系留飞行和自由飞行的昆虫和飞鸟的气动力，但是由于只能通过动物身体来测量力的变化情况，带来诸多不确定因素，使得区分气动力和扑翼产生的气动力变得十分困难。因此，设计了微型扑翼飞行器气动力测试方法和装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种微型扑翼飞行器气动力测试装置及测试方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种微型飞行器气动力测试装置，其特征在于，包括微型扑翼飞行器、真空箱壳体、旋片式真空泵、支撑杆、测力安装板、测力传感器、传感器安装板、智能真空负压显示控制器、供电调理器、数据采集器、PC端、电源、信号线、第一电源线和第二电源线；

所述真空箱壳体的顶面、侧面均开有观察窗，真空箱壳体的前盖能打开，前盖上设置有观察窗；真空箱壳体的顶面开有抽气口和进气口，抽气口通过PVC透明钢丝管与旋片式真空泵连接；智能真空负压显示控制器安装在真空箱壳体上，智能真空负压显示控制器实时检测并控制真空箱壳体内的真空度；微型扑翼飞行器、测力安装板、测力传感器、传感器安装板依次连接，测力安装板通过螺栓与微型扑翼飞行器的重心位置固定，传感器安装板固定在支撑杆上端，测力传感器上端与测力安装板固定，下端与传感器安装板固定，支撑杆下端固定在真空箱壳体内；真空箱壳体安装有接线法兰，信号线、第一电源线和第二电源线穿过接线法兰，第一电源线的一端与测力传感器相连，另一端与供电调理器相连，信号线的一端与测力传感器相连，另一端与数据采集器相连、第二电源线一端与无刷无感直流电机相连，另一端与电源相连；供电调理器与电源相连，电源给供电调理器、测力传感器和无刷无感直流电机供电；数据采集器与PC端相连，测力传感器将微型扑翼飞行器在扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器竖直方向上受到的力的大小。

所述微型扑翼飞行器，包括机身、无刷无感直流电机、固定板、两个齿轮组、第一连接臂支座、第二连接臂支座、第三连接臂支座、第四连接臂支座、翼身连接臂、扑动翼、两个球头连杆和电子调速器；固定板竖直安装在机身内，电子调速器和无刷无感直流电机均安装在机身内的重心位置，且电子调速器与无刷无感直流电机输入端相连；机身上开有两个限位行程槽；

两个齿轮组分别安装在固定板的左右两侧，所述齿轮组包括第一级主齿轮、第一级副齿轮、第二级主齿轮和第二级副齿轮，且第一级主齿轮、第一级副齿轮、第二级主齿轮、第二级副齿轮的齿数之比为：9：58：8：64；第一级主齿轮与无刷无感直流电机相连，第一级主齿轮与第一级副齿轮啮合，第二级主齿轮与第一级副齿轮同轴固定，第二级主齿轮与第二级副齿轮啮合；第一级主齿轮带动第一级副齿轮转动，第一级副齿轮带动第二级主齿轮以相同角速度转动、第二级主齿轮带动第二级副齿轮转动；

第一连接臂支座和第二连接臂支座安装在固定板左侧，第三连接臂支座和第四连接臂支座安装在固定板的右侧，且第一连接臂支座和第三连接臂支座位于一个限位行程槽下方，第二连接臂支座和第四连接臂支座位于另一个限位行程槽下方；每个连接臂支座均安装有翼身连接臂，同侧的两个翼身连接臂与一个扑动翼固定；球头连杆一端与第二级副齿轮固定，另一端与一个翼身连接臂相连；第二级副齿轮转动，通过球头连杆带动翼身连接臂上下运动，使得扑动翼上下扑动；

进一步地，所述微型扑翼飞行器还包括电子调速器，电子调速器与无刷无感直流电机的输入端相连。

一种微型飞行器气动力测试方法，该方法在上述微型飞行器气动力测试装置上实现，该方法包括以下步骤：

(1)打开前盖，将微型扑翼飞行器、测力安装板、测力传感器、传感器安装板依次固定安装在支撑杆上端；

(2)关闭前盖和进气口，打开旋片式真空泵，将真空箱壳体抽成真空状态，智能真空负压显示控制器实时检测并控制真空箱壳体内的真空度；

(3)打开电源，电源给测力传感器和微型扑翼飞行器供电，微型扑翼飞行器扑动；

(4)测力传感器将微型扑翼飞行器在真空状态下扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器竖直方向上受到的力的大小；

(5)关闭旋片式真空泵、打开进气口，卸载真空箱壳体中的真空；

(6)测力传感器将微型扑翼飞行器在费真空状态下扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器竖直方向上受到的力的大小；

(7)将步骤6得到的力减去步骤4得到的力，得到微型扑翼飞行器扑动时准确的气动力。

本发明的有益效果是：微型扑翼飞行器相比于现有的固定翼飞机，能源利用效率高，基于仿生学设计，日后可广泛用于军事侦察，机场驱鸟等不同场合；微型扑翼飞行器气动力测试装置相比于现有技术，能够定量测试扑翼扑动时产生的准确气动力，这种测试方法相比于现有技术，将每个系统进行模块化设计，简便了实验开展的流程，提高实验的成功率。

附图说明

图1是微型扑翼飞行器的结构示意图；

图2是微型扑翼飞行器内部的结构示意图；

图3是齿轮组的结构示意图；

图4为微型飞行器气动力测试装置的结构示意图；

图5为数据采集和供电系统的流程示意图；

图中，真空箱壳体1、旋片式真空泵2、微型扑翼飞行器3、支撑杆4、测力安装板5、测力传感器、传感器安装板6、抽气口7和进气口8、智能真空负压显示控制器9、螺栓10、接线法兰11、机身101、固定板102、第二级副齿轮103、第二级主齿轮104、第一级主齿轮105、第一级副齿轮106、第一连接臂支座107、第二连接臂支座108、第三连接臂支座109、第四连接臂支座110、翼身连接臂111、扑动翼112、限位行程槽113、球头连杆114。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种微型扑翼飞行器，包括机身101、无刷无感直流电机、固定板102、第二级副齿轮103、第二级主齿轮104、第一级主齿轮105、第一级副齿轮106、第一连接臂支座107、第二连接臂支座108、第三连接臂支座109、第四连接臂支座110、翼身连接臂111、扑动翼112、限位行程槽113、球头连杆114；其中无刷无感直流电机可以采用新西达公司的2208系列电机；

如图2所示，固定板102竖直安装在机身101内，无刷无感直流电机安装在机身101内的重心位置；其中，机身101的设计参照自然界中常见的鸟类红隼，由光敏树脂激光照射3D打印而成，用于固定固定板102和无刷无感直流电机；机身101上开有两个限位行程槽113；

如图3所示，两个齿轮组分别安装在固定板102的左右两侧，所述齿轮组包括第一级主齿轮105、第一级副齿轮106、第二级主齿轮104和第二级副齿轮103，各个齿轮的齿数如下表所示，第一级主齿轮105与无刷无感直流电机相连，第一级主齿轮105与第一级副齿轮106啮合，第二级主齿轮104与第一级副齿轮106同轴固定，第二级主齿轮104与第二级副齿轮103啮合；第一级主齿轮105带动第一级副齿轮106转动，第一级副齿轮106带动第二级主齿轮104以相同角速度转动、第二级主齿轮104带动第二级副齿轮103转动；由于无刷无感直流电机的转速大，扭矩小，通过齿轮组可以实现速度向扭矩传递由下表可以看出，通过齿轮组的减速，减速比达到51.6，有利于保证扑动时的扭矩。

如图2和3所示，第一连接臂支座107和第二连接臂支座108安装在固定板102左侧，第三连接臂支座109和第四连接臂支座110安装在固定板102的右侧，且第一连接臂支座107和第三连接臂支座109位于一个限位行程槽113下方，第二连接臂支座108和第四连接臂支座110位于另一个限位行程槽113下方；每个连接臂支座均安装有翼身连接臂111，同侧的两个翼身连接臂111与一个扑动翼112固定；

如图3所示，球头连杆114一端与第二级副齿轮103固定，另一端与翼身连接臂111相连；第二级副齿轮103转动，通过球头连杆114带动翼身连接臂111上下运动，使得扑动翼112上下扑动，实现垂直面上的动力传递，使得扑翼以设定频率扑动。

这种微型扑翼飞行器通过齿轮组将无刷无感直流电机的扭矩经两级齿轮减速后，传递至球头拉杆115带动扑动翼112，将电机转速转换为扑翼驱动力矩输出，实现不同频率下的扑动，获得不同频率下气动力的变化曲线，便于后续分析。

所述微型扑翼飞行器还包括电子调速器，电子调速器与无刷无感直流电机一起安装在飞行器的重心位置，与无刷无感直流电机的输入端相连。电子调速器接收来自接收机的信号，转化为PWM方波后，驱动直流无刷无感电机工作，实现扑动频率的无级调节。电子调速器型号可以采用好盈铂金30A电调。

如图4所示，一种微型飞行器气动力测试装置，包括微型扑翼飞行器3、真空箱壳体1、旋片式真空泵2、支撑杆4、测力安装板5、测力传感器、传感器安装板6、智能真空负压显示控制器9、供电调理器、数据采集器、PC端、电源、信号线、第一电源线和第二电源线；

所述真空箱壳体1的顶面、侧面均开有观察窗，真空箱壳体1的前盖能打开，前盖上设置有观察窗；真空箱壳体1的顶面开有抽气口7和进气口8，抽气口7过PVC透明钢丝管与旋片式真空泵2连接；智能真空负压显示控制器9安装在真空箱壳体1上，智能真空负压显示控制器9实时检测并控制真空箱壳体1内的真空度；微型扑翼飞行器3、测力安装板5、测力传感器、传感器安装板6依次连接，测力安装板5通过螺栓10与微型扑翼飞行器3的重心位置固定，传感器安装板6固定在支撑杆4上端，测力传感器上端与测力安装板5固定，下端与传感器安装板6固定，支撑杆4下端固定在真空箱壳体1内；真空箱壳体1安装有接线法兰11，信号线、第一电源线和第二电源线穿过接线法兰11，如图5所示，第一电源线的一端与测力传感器相连，另一端与供电调理器相连，信号线的一端与测力传感器相连，另一端与数据采集器相连、第二电源线一端与无刷无感直流电机相连，另一端与电源相连；供电调理器与电源相连，电源给供电调理器、测力传感器和无刷无感直流电机供电；数据采集器与PC端相连，测力传感器将微型扑翼飞行器3在扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器3竖直方向上受到的力的大小。

其中，测力传感器可以选用ATI公司NANO17型号产品，测力安装板5、测力传感器、传感器安装板6之间的具体安装关系可以参考测力传感器安装说明。供电调理器可以选用ATI公司IFPS型号产品、数据采集器可以选用ATI公司NI-USB 6210型号产品。

利用上述微型飞行器气动力测试装置测试气动力的步骤如下：

(1)打开前盖，将微型扑翼飞行器3、测力安装板5、测力传感器、传感器安装板6依次固定安装在支撑杆4上端；

(2)关闭前盖和进气口8，打开旋片式真空泵2，将真空箱壳体1抽成真空状态，智能真空负压显示控制器9实时检测并控制真空箱壳体1内的真空度；

(3)打开电源，电源给测力传感器和微型扑翼飞行器3供电，微型扑翼飞行器3扑动；

(4)测力传感器将微型扑翼飞行器3在真空状态下扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器3竖直方向上受到的力的大小。

(5)关闭旋片式真空泵2、打开进气口8，卸载真空箱壳体1中的真空；

(6)测力传感器将微型扑翼飞行器3在非真空状态下扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器3竖直方向上受到的力的大小。

(7)将步骤6得到的力减去步骤4得到的力，得到微型扑翼飞行器扑动时准确的气动力。

Claims (2)

1.一种微型飞行器气动力测试装置，其特征在于，包括微型扑翼飞行器（3）、真空箱壳体（1）、旋片式真空泵（2）、支撑杆（4）、测力安装板（5）、测力传感器、传感器安装板（6）、智能真空负压显示控制器（9）、供电调理器、数据采集器、PC端、电源、信号线、第一电源线和第二电源线；

所述真空箱壳体（1）的顶面、侧面均开有观察窗，真空箱壳体（1）的前盖能打开，前盖上设置有观察窗；真空箱壳体（1）的顶面开有抽气口（7）和进气口（8），抽气口（7）通过PVC透明钢丝管与旋片式真空泵（2）连接；智能真空负压显示控制器（9）安装在真空箱壳体（1）上，智能真空负压显示控制器（9）实时检测并控制真空箱壳体（1）内的真空度；微型扑翼飞行器（3）、测力安装板（5）、测力传感器、传感器安装板（6）依次连接，测力安装板（5）通过螺栓（10）与微型扑翼飞行器（3）的重心位置固定，传感器安装板（6）固定在支撑杆（4）上端，测力传感器上端与测力安装板（5）固定，下端与传感器安装板（6）固定，支撑杆（4）下端固定在真空箱壳体（1）内；真空箱壳体（1）安装有接线法兰（11），信号线、第一电源线和第二电源线穿过接线法兰（11），第一电源线的一端与测力传感器相连，另一端与供电调理器相连，信号线的一端与测力传感器相连，另一端与数据采集器相连,第二电源线一端与无刷无感直流电机相连，另一端与电源相连；供电调理器与电源相连，电源给供电调理器、测力传感器和无刷无感直流电机供电；数据采集器与PC端相连，测力传感器将微型扑翼飞行器（3）在扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器（3）竖直方向上受到的力的大小；

所述微型扑翼飞行器（3），包括机身（101）、无刷无感直流电机、固定板（102）、两个齿轮组、第一连接臂支座（107）、第二连接臂支座（108）、第三连接臂支座（109）、第四连接臂支座（110）、翼身连接臂（111）、扑动翼（112）、两个球头连杆（114）和电子调速器；固定板（102）竖直安装在机身（101）内，电子调速器和无刷无感直流电机均安装在机身（101）内的重心位置，且电子调速器与无刷无感直流电机输入端相连；机身（101）上开有两个限位行程槽（113）；两个齿轮组分别安装在固定板（102）的左右两侧，所述齿轮组包括第一级主齿轮（105）、第一级副齿轮（106）、第二级主齿轮（104）和第二级副齿轮（103），且第一级主齿轮（105）、第一级副齿轮（106）、第二级主齿轮（104）、第二级副齿轮（103）的齿数之比为：9：58：8：64；第一级主齿轮（105）与无刷无感直流电机相连，第一级主齿轮（105）与第一级副齿轮（106）啮合，第二级主齿轮（104）与第一级副齿轮（106）同轴固定，第二级主齿轮（104）与第二级副齿轮（103）啮合；第一级主齿轮（105）带动第一级副齿轮（106）转动，第一级副齿轮（106）带动第二级主齿轮（104）以相同角速度转动，第二级主齿轮（104）带动第二级副齿轮（103）转动；

第一连接臂支座（107）和第二连接臂支座（108）安装在固定板（102）左侧，第三连接臂支座（109）和第四连接臂支座（110）安装在固定板（102）的右侧，且第一连接臂支座（107）和第三连接臂支座（109）位于一个限位行程槽（113）下方，第二连接臂支座（108）和第四连接臂支座（110）位于另一个限位行程槽（113）下方；每个连接臂支座均安装有翼身连接臂（111），同侧的两个翼身连接臂（111）与一个扑动翼（112）固定；球头连杆（114）一端与第二级副齿轮（103）固定，另一端与一个翼身连接臂（111）相连；第二级副齿轮（103）转动，通过球头连杆（114）带动翼身连接臂（111）上下运动，使得扑动翼（112）上下扑动。

2.一种微型飞行器气动力测试方法，其特征在于，该方法在权利要求1所述的微型飞行器气动力测试装置上实现，该方法包括以下步骤：

（1）打开前盖，将微型扑翼飞行器（3）、测力安装板（5）、测力传感器、传感器安装板（6）依次固定安装在支撑杆（4）上端；

（2）关闭前盖和进气口（8），打开旋片式真空泵（2），将真空箱壳体（1）抽成真空状态，智能真空负压显示控制器（9）实时检测并控制真空箱壳体（1）内的真空度；

（3）打开电源，电源给测力传感器和微型扑翼飞行器（3）供电，微型扑翼飞行器（3）扑动；

（4）测力传感器将微型扑翼飞行器（3）在真空状态下扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器（3）竖直方向上受到的力的大小；

（5）关闭旋片式真空泵（2）、打开进气口（8），卸载真空箱壳体（1）中的真空；

（6）测力传感器将微型扑翼飞行器（3）在费真空状态下扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器（3）竖直方向上受到的力的大小；

（7）将步骤6得到的力减去步骤4得到的力，得到微型扑翼飞行器扑动时准确的气动力。