CN108132133A - 一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法 - Google Patents

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CN108132133A CN201711261029.5A CN201711261029A CN108132133A CN 108132133 A CN108132133 A CN 108132133A CN 201711261029 A CN201711261029 A CN 201711261029A CN 108132133 A CN108132133 A CN 108132133A
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王胜超
邓梦璐
王文健
朱岩
章苗红
汤斌
吴惠明
肖彬
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Abstract

本发明涉及一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，属于扑翼飞行器性能测试技术领域。包括气动特性综合测量平台和扑翼飞行器机翼运动发生机构。二者通过柔性联杆连接，不同测量方位的测力传感器测得的力值通过一定的数学模型解算出3维气动力、3维气动力矩。本发明以单分量悬臂梁测力传感器为核心，提出组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，测力装置结构简单、关键部件价格低廉、具有良好的可计量性。将多个单分量悬臂梁测力传感器按照一定的测量原理有机地结合起来，有效地利用传感器之间的组合提升测试装置及方法的适用性，同时测量范围可根据单分量悬臂梁测力传感器测力范围进行扩展，可以满足多种场合测量需求。

Description

一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法
技术领域
本发明涉及一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，属于扑翼飞行器性能测试技术领域。
背景技术
扑翼飞行器属于新型仿生航空飞行器，具有体积小、机动灵活、环境适应性强等特点。扑翼飞行器飞行动力明显区别于传统航空器，通过机身两侧对称机翼周期性上下扑动与空气相互作用产生，所以扑翼飞行器气动性能和飞行控制品质均与机翼的性能参数直接相关。
在扑翼飞行器气动力测量中，多分量测力传感器的测量精度和各分量之间的耦合特性是矛盾的，高精度多分量测力传感器测力分量越多，传感器结构越复杂，与之对应的标定和解耦工作越困难。另一方面，高精度多分量测力传感器需根据扑翼飞行器相应气动测试要求和气动结构定制，大大增加了新型无人机研制成本和研发周期，通用性差，不利于推广应用。同时高精度多分量测力传感器校准工作需要专用多分量力校准装置和设备，后期计量校准难度大，无法实施有效的全寿命周期计量保障。因此寻求解决多分量力和测试方法复杂程度的有效统一，解决扑翼飞行器多维气动力和气动力矩测量瓶颈问题，实现扑翼飞行器机翼气动性的合理表征，是十分重要的研究任务。
单分量悬臂梁测力传感器目前已经广泛应用于科研、生产与日常生活中测力需求，具有价格低廉、操作简便、测量精度高等特点。但由于其测力原理和传感器结构的局限，单个传感器无法满足目前扑翼飞行器多维气动力和气动力力矩测量的需要。以单分量悬臂梁测力传感器为核心，提出组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，将多个单分量悬臂梁测力传感器按照一定的测量原理有机地结合起来，有效地利用单分量悬臂梁测力传感器之间的组合提升测试方法的适用性，解决研发过程中扑翼飞行器机翼气动特性(即六维气动力和气动力矩，如图1)测量技术难题。
发明内容
本发明的目的是为了降低扑翼飞行器研发周期内机翼气动特性测试成本，同时保证气动力和气动力矩测量保持高分辨力、准确度及可计量性，提出一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，具体步骤如下：
步骤一、通过扑翼飞行器机翼运动发生机构控制被测扑翼飞行器机翼周期上下扑动运动，需保证扑翼飞行器机翼运动发生机构为被测扑翼飞行器机翼气动特性测试提供稳定可靠的动力输出，同时扑翼飞行器机翼运动发生机构的运动输出可以根据不同型号被测扑翼飞行器机翼气动参数相应调整调整；
步骤二、采用八只单分量悬臂梁测力传感器在正交轴系内对称布置，实现组合测量被测扑翼飞行器机翼扑动过程中产生的六维气动力和气动力矩；
步骤三、将步骤二所得各单分量悬臂梁测力传感器测量方向上的增量值通过公式(1)进行计算，能够解算出被测扑翼飞行器机翼的气动特性，即其周期性扑动运动过程中产生的六维气动力和气动力矩；
式中：
ZS、XS和YS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的升力、推力和侧向力，N；
MXS、MYS和MZS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩，Nm；
KS1、KS2、KS3和KS4分别为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；
KS5、KS6、KS7和KS8分别为水平面内相对正交轴系对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；
ΔuS1、ΔuS2、ΔuS3、ΔuS4、ΔuS5、ΔuS6、ΔuS7和ΔuS8分别为各单分量悬臂梁测力传感器对应测量方向气动载荷的输出增量值；
L1为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离；
L2为水平面内相对正交轴系对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离。
实现一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置，包括：气动特性综合测量平台和扑翼飞行器机翼运动发生机构；
所述气动特性综合测量平台包括：第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器、第四单分量悬臂梁测力传感器、第五单分量悬臂梁测力传感器、第六单分量悬臂梁测力传感器、第七单分量悬臂梁测力传感器、第八单分量悬臂梁测力传感器、水平方向测力传感器安装支架、测力传感器固定端定位安装块、测力传感器测力端定位安装块、支撑杆安装块、支撑杆、水平方向力传递块、垂直方向力传递块、力传递框架、安装基座和调平机构；
气动特性综合测量平台连接关系：第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器和第四单分量悬臂梁测力传感器沿安装基座几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量垂直方向上的气动载荷；第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器和第四单分量悬臂梁测力传感器一端通过测力传感器固定端定位安装块固定安装在安装基座上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块、支撑杆安装块和支撑杆固定连接后与力传递框架接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆受力轴线之间的距离为L1；
第五单分量悬臂梁测力传感器、第六单分量悬臂梁测力传感器、第七单分量悬臂梁测力传感器和第八单分量悬臂梁测力传感器沿安装基座几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量水平方向上的气动载荷；第五单分量悬臂梁测力传感器、第六单分量悬臂梁测力传感器、第七单分量悬臂梁测力传感器和第八单分量悬臂梁测力传感器一端通过测力传感器固定端定位安装块固定安装在与安装基座固定连接的水平方向测力传感器安装支架上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块、支撑杆安装块和支撑杆固定连接后与力传递框架接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆受力轴线之间的距离为L2；
力传递框架在垂直气动载荷测量方向上固定安装有垂直方向力传递块与支撑杆在外界负载作用力下浮动点接触；力传递框架在水平气动载荷测量方向上固定安装有水平方向力传递块与支撑杆在外界负载作用力下浮动点接触；
安装基座底部固定安装调平机构，以保证安装基座基准水平。
所述扑翼飞行器机翼运动发生机构包括：驱动电机、电机安装支架、小齿轮、大齿轮、可调连杆、机翼安装摇杆、机翼安装摇杆支架、机构安装基座、被测扑翼飞行器机翼；
扑翼飞行器机翼运动发生机构连接关系：驱动电机固定于电机安装支架；小齿轮与驱动电机输出轴固定连接，且只与一个大齿轮啮合；两个大齿轮相互啮合；大齿轮通过销轴与机构安装基座活动连接，可实现回转运动；可调连杆一端活动连接在大齿轮上，另一端活动连接在机翼安装摇杆支架上；电机安装支架和机翼安装摇杆支架均与机构安装基座固定连接，提供运动支撑。
一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置的工作过程：扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架固定连接，力传递框架将扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的多维气动力和气动力矩传递到气动特性综合测量平台支撑杆，扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架作为整体以自重作为垂直方向布置第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器、第四单分量悬臂梁测力传感器的预载；
力传递框架水平方向上的预载力通过钢丝绕导向滑轮悬挂标准砝码的方式施载；钢丝与力传递框架固定连接，固定连接点的位置为力传递框架对角线上的两个角点，以保证水平方向上力传递框架与支撑杆接触；
导向滑轮支架为导向滑轮提供支撑，一端与导向滑轮活动连接，另一端与安装基座固定连接。
工作过程：将被测扑翼飞行器机翼与机翼安装摇杆固定连接，被测扑翼飞行器机翼的安装角度根据具体气动特性测试要求确定。以被测扑翼飞行器机翼气动参数为基础选取合适的标准砝码进行悬挂预载，以保证水平方向上力传递框架与支撑杆接触，在确保第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器、第四单分量悬臂梁测力传感器、第五单分量悬臂梁测力传感器、第六单分量悬臂梁测力传感器、第七单分量悬臂梁测力传感器和第八单分量悬臂梁测力传感器均产生稳定的初始测量值之后进行被测扑翼飞行器机翼气动特性测试工作。扑翼飞行器机翼运动发生机构由驱动电机提供动力，驱动电机带动小齿轮转动，进而与对称反向旋转的一对大齿轮中的一个齿轮啮合传动，大齿轮之间反向啮合传动实现同步对称反向旋转；大齿轮、可调连杆、机翼安装摇杆和机翼安装摇杆支架构成双曲柄摇杆机构，以实现安装于机翼安装摇杆末端被测扑翼飞行器机翼周期性上下扑动运动。扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架固定连接，被测扑翼飞行器机翼扑动与空气相互作用产生气动力，通过力传递框架和支撑杆传递到对应测量方向上的第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器、第四单分量悬臂梁测力传感器、第五单分量悬臂梁测力传感器、第六单分量悬臂梁测力传感器、第七单分量悬臂梁测力传感器和第八单分量悬臂梁测力传感器上。单分量悬臂梁测力传感器返回电信号，电信号经放大后采集至上位机，根据公式(1)计算六维气动力和力矩，即可获得被测扑翼飞行器机翼的气动特性数据。
上述扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼扑动频率参数调整是通过调节驱动电机输入的PWM波占空比来实现对驱动电机转速调节；
上述扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼攻迎角参数调整，通过调节机翼安装摇杆末端机翼安装角度(即被测扑翼飞行器机翼与水平面夹角)来实现；
上述扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼扑动幅度参数调整，通过调节可调连杆长度尺寸来实现；
上述气动特性综合测量平台中支撑杆为高细长比的金属杆，主要起到消扰作用，气动力测量过程中径向为受力变形主方向，轴向刚度远大于径向弯曲刚度；
上述气动特性综合测量平台中气动力矩的测量通过力与力臂乘积间接获得。
有益效果
1、本发明的一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法以单分量悬臂梁测力传感器为核心测量元器件，提出组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，测力装置结构简单、关键部件价格低廉、具有良好的可计量性；
2、本发明的一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，将多个单分量悬臂梁测力传感器按照一定的测量原理有机地结合起来，可以有效地利用传感器之间的组合提升测试方法的适用性，同时测量范围可根据单分量悬臂梁测力传感器测力范围进行扩展，可以满足多种场合测量需求；
3、本发明的一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，采用扑翼飞行器机翼运动发生机构作为搭载机翼进行性能测试的驱动装置，可适用于不同形状尺寸的机翼的测试需求，同时可实现扑翼飞行器机翼气动参数的调节。
附图说明
图1为本发明的测试方法中多维气动力定义示意图；
图2为本发明的气动特性综合测量平台示意图；
图3为本发明单分量悬臂梁测力传感器布局示意图；
图4为本发明扑翼飞行器机翼运动发生机构示意图；
其中，图4a)为扑翼飞行器机翼运动发生机构侧视图；图4b)为扑翼飞行器机翼运动发生机构轴测图；
图5为本发明组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置总体示意图；
图6为扑翼飞行器机翼气动特性测试试验数据图。
其中，图6a)为扑翼飞行器机翼气动特性测试升力数据；图6b)为扑翼飞行器机翼气动特性测试推力数据；图6c)为扑翼飞行器机翼气动特性测试侧向力数据；图6d)为扑翼飞行器机翼气动特性测试滚转力矩数据；图6e)为扑翼飞行器机翼气动特性测试俯仰力矩数据；图6f)为扑翼飞行器机翼气动特性测试偏航力矩数据
其中，1—第一单分量悬臂梁测力传感器、2—第二单分量悬臂梁测力传感器、3—第三单分量悬臂梁测力传感器、4—第四单分量悬臂梁测力传感器、5—第五单分量悬臂梁测力传感器、6—第六单分量悬臂梁测力传感器、7—第七单分量悬臂梁测力传感器、8—第八单分量悬臂梁测力传感器、9—水平方向测力传感器安装支架、10—测力传感器固定端定位安装块、11—测力传感器测力端定位安装块、12—支撑杆安装块、13—支撑杆、14—水平方向力传递块、15—垂直方向力传递块、16—力传递框架、17—安装基座、18—调平机构、19—驱动电机、20—电机安装支架、21—小齿轮、22—大齿轮、23—可调连杆、24—机翼安装摇杆、25—机翼安装摇杆支架、26—机构安装基座、27—被测扑翼飞行器机翼、28—钢丝、29—导向滑轮、30—滑轮支架和31—标准砝码。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，气动特性所对应的六维气动力和气动力矩定义如附图1，具体步骤如下：
步骤一、通过扑翼飞行器机翼运动发生机构控制被测扑翼飞行器机翼周期上下扑动运动，需保证扑翼飞行器机翼运动发生机构为被测扑翼飞行器机翼气动特性测试提供稳定可靠的动力输出，同时驱动装置的运动输出可以根据不同型号被测扑翼飞行器机翼气动参数相应调整调整；
步骤二、采用八只单分量悬臂梁测力传感器在正交轴系内对称布置，实现组合测量被测扑翼飞行器机翼扑动过程中产生的六维气动力和气动力矩；
步骤三、将步骤二所得各单分量悬臂梁测力传感器测量方向上的增量值通过公式(1)进行计算，能够解算出被测扑翼飞行器机翼的气动特性，即其周期性扑动运动过程中产生的六维气动力和气动力矩；
式中：
ZS、XS和YS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的升力、推力和侧向力，N；
MXS、MYS和MZS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩，Nm；
KS1、KS2、KS3和KS4分别为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；
KS5、KS6、KS7和KS8分别为水平面内相对正交轴系对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；
ΔuS1、ΔuS2、ΔuS3、ΔuS4、ΔuS5、ΔuS6、ΔuS7和ΔuS8分别为各单分量悬臂梁测力传感器对应测量方向气动载荷的输出增量值；
L1为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离；
L2为水平面内相对正交轴系对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离。
实现一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置，包括：气动特性综合测量平台和扑翼飞行器机翼运动发生机构；
所述气动特性综合测量平台，如附图2包括：第一单分量悬臂梁测力传感器1、第二单分量悬臂梁测力传感器2、第三单分量悬臂梁测力传感器3、第四单分量悬臂梁测力传感器4、第五单分量悬臂梁测力传感器5、第六单分量悬臂梁测力传感器6、第七单分量悬臂梁测力传感器7、第八单分量悬臂梁测力传感器8、水平方向测力传感器安装支架9、测力传感器固定端定位安装块10、测力传感器测力端定位安装块11、支撑杆安装块12、支撑杆13、水平方向力传递块14、垂直方向力传递块15、力传递框架16、安装基座17和调平机构18；
其中气动特性综合测量平台所采用单分量悬臂梁测力传感器均为中航电测同一型号传感器，具体参数如表1；安装基座17为边长450mm的正方形，气动特性测量坐标系原点位于安装基座17几何中心点；垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离L1＝250mm；水平面内相对正交轴系对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离L2＝300mm；气动特性综合测量平台中气动力矩的测量通过力与力臂乘积间接获得，因此根据公式(1)以及单分量悬臂梁测力传感器额定测量载荷即可计算得气动特性综合测量平台技术指标，如表2。
表1单分量悬臂梁测力传感器型号参数
型号 额定载荷kg 精度 综合误差
L6D-C3-2.5kg-0.4B 2.5 C3 ±0.02％FS
表2气动特性综合测量平台技术指标
测量目标量 测量范围 测量不确定度
升力 100N ±0.05％FS
推力 50N ±0.04％FS
侧向力 50N ±0.04％FS
滚转力矩 10Nm ±0.5％FS
俯仰力矩 10Nm ±0.5％FS
偏航力矩 15Nm ±0.5％FS
气动特性综合测量平台连接关系：第一单分量悬臂梁测力传感器1、第二单分量悬臂梁测力传感器2、第三单分量悬臂梁测力传感器3和第四单分量悬臂梁测力传感器4沿安装基座17几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量垂直方向上的气动载荷；第一单分量悬臂梁测力传感器1、第二单分量悬臂梁测力传感器2、第三单分量悬臂梁测力传感器3和第四单分量悬臂梁测力传感器4一端通过测力传感器固定端定位安装块10固定安装在安装基座17上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块11、支撑杆安装块12和支撑杆13固定连接后与力传递框架16接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆13受力轴线之间的距离为L1＝250mm，如附图3；
第五单分量悬臂梁测力传感器5、第六单分量悬臂梁测力传感器6、第七单分量悬臂梁测力传感器7和第八单分量悬臂梁测力传感器8沿安装基座17几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量水平方向上的气动载荷；第五单分量悬臂梁测力传感器5、第六单分量悬臂梁测力传感器6、第七单分量悬臂梁测力传感器7和第八单分量悬臂梁测力传感器8一端通过测力传感器固定端定位安装块10固定安装在与安装基座17固定连接的水平方向测力传感器安装支架9上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块11、支撑杆安装块12和支撑杆13固定连接后与力传递框架16接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆13受力轴线之间的距离为L2＝300mm，如附图3；
力传递框架16在垂直气动载荷测量方向上固定安装有垂直方向力传递块15与支撑杆13在外界负载作用力下浮动点接触；力传递框架16在水平气动载荷测量方向上固定安装有水平方向力传递块14与支撑杆13在外界负载作用力下浮动点接触；
气动特性综合测量平台中支撑杆13为高细长比的金属杆，主要起到消扰作用，气动力测量过程中径向为受力变形主方向，轴向刚度远大于径向弯曲刚度；
安装基座17底部固定安装调平机构18，以保证安装基座17基准水平，安装基座17的水平度通过长城精工GWP-91A水平尺测量保证。
所述扑翼飞行器机翼运动发生机构如附图4，包括：驱动电机19、电机安装支架20、小齿轮21、大齿轮22、可调连杆23、机翼安装摇杆24、机翼安装摇杆支架25、机构安装基座26、被测扑翼飞行器机翼27；
可调连杆23几何长度可实现65mm、85mm和100mm的定向调整，具体调整通过可调连杆23前端螺旋旋入的长度，所对应被测扑翼飞行器机翼27上下周期扑动的幅度为15゜、25゜、30゜；
驱动电机19为捷胜42GA775无刷直流电机，电机输出轴固定连接小齿轮21，通过小齿轮21和大齿轮22相互啮合将扭矩传递给双曲柄摇杆机构，减速比可达到50，具体参数指标如表3，以保证机翼低频有力扑动；
表3捷胜42GA775无刷直流电机参数指标
品牌型号 功率/W 电机尺寸/mm 转速r/min
捷胜42GA775 35 65*30 4500
扑翼飞行器机翼运动发生机构连接关系：驱动电机19固定于电机安装支架20；小齿轮21与驱动电机19输出轴固定连接，且只与一个大齿轮22啮合；两个大齿轮22相互啮合；大齿轮22通过销轴与机构安装基座26活动连接，可实现回转运动；可调连杆23一端活动连接在大齿轮22上，另一端活动连接在机翼安装摇杆支架25上；电机安装支架20和机翼安装摇杆支架25均与机构安装基座26固定连接，提供运动支撑。
小齿轮21与大齿轮22相互啮合，起到减速变向的效果，具体设计参数如表4，经过齿轮副减速后，对应机翼安装摇杆24的扑动频率为0～25Hz。
表4小齿轮21与大齿轮22设计参数
一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置如附图5，连接关系：扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架16固定连接，力传递框架16将扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼27运动过程中产生的多维气动力和气动力矩传递到气动特性综合测量平台支撑杆13，扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架16作为整体以自重作为垂直方向布置第一单分量悬臂梁测力传感器1、第二单分量悬臂梁测力传感器2、第三单分量悬臂梁测力传感器3、第四单分量悬臂梁测力传感器4的预载；
力传递框架16水平方向上的预载力通过钢丝28绕导向滑轮29悬挂标准砝码31的方式施载；钢丝28与力传递框架16固定连接，固定连接点的位置为力传递框架16对角线上的两个角点，以保证水平方向上力传递框架16与支撑杆13接触；
标准砝码31为标准二级计量砝码，净重2.5kg；
导向滑轮支架30为导向滑轮29提供支撑，一端与导向滑轮29活动连接，另一端与安装基座17固定连接。
工作过程：将被测扑翼飞行器机翼27与机翼安装摇杆24固定连接，被测扑翼飞行器机翼27的安装角度根据具体气动特性测试要求确定。以被测扑翼飞行器机翼27气动参数为基础选取合适的标准砝码31进行悬挂预载，以保证水平方向上力传递框架16与支撑杆13接触，在确保第一单分量悬臂梁测力传感器1、第二单分量悬臂梁测力传感器2、第三单分量悬臂梁测力传感器3、第四单分量悬臂梁测力传感器4、第五单分量悬臂梁测力传感器5、第六单分量悬臂梁测力传感器6、第七单分量悬臂梁测力传感器7和第八单分量悬臂梁测力传感器8均产生稳定的初始测量值之后进行被测扑翼飞行器机翼27气动特性测试工作。扑翼飞行器机翼运动发生机构由驱动电机19提供动力，驱动电机19带动小齿轮21转动，进而与对称反向旋转的一对大齿轮22中的一个齿轮啮合传动，大齿轮22之间反向啮合传动实现同步对称反向旋转。大齿轮22、可调连杆23、机翼安装摇杆24和机翼安装摇杆支架25构成双曲柄摇杆机构，以实现安装于机翼安装摇杆24末端被测扑翼飞行器机翼27周期性上下扑动运动。扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼扑动频率参数调整是通过调节驱动电机19输入的PWM波占空比来实现对驱动电机19转速调节。扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼攻迎角参数调整，通过调节机翼安装摇杆24末端机翼安装角度(即被测扑翼飞行器机翼与水平面夹角)来实现。扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼扑动幅度参数调整，通过调节可调连杆23长度尺寸来实现。扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架16固定连接，被测扑翼飞行器机翼27扑动与空气相互作用产生气动力，通过力传递框架16和支撑杆13传递到对应测量方向上的第一单分量悬臂梁测力传感器1、第二单分量悬臂梁测力传感器2、第三单分量悬臂梁测力传感器3、第四单分量悬臂梁测力传感器4、第五单分量悬臂梁测力传感器5、第六单分量悬臂梁测力传感器6、第七单分量悬臂梁测力传感器7和第八单分量悬臂梁测力传感器8上。单分量悬臂梁测力传感器返回电信号，电信号经放大后采集至上位机，根据公式(1)计算六维气动力和力矩，即可获得被测扑翼飞行器机翼27的气动特性数据，其中气动特性综合测量平台中气动力矩的测量通过力与力臂乘积间接获得。
本实施例针对SY-01型扑翼飞行器机翼进行了气动特性测试，具体气动特性测试参数设置如表5，被测扑翼飞行器机翼27气动特性即六维气动力和气动力矩的测量值如图6所示。
表5扑翼飞行器机翼气动特性测试参数
型号 扑动频率/Hz 攻仰角/° 扑动幅度/° 测试时间/s 流场条件
SY-01 5 -5 30 5 室内无风
试验数据表明本发明的一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法可以准确测量扑翼飞行器机翼周期性扑动过程中产生的六维气动力和气动力矩，气动特性测试方法具有良好的可行性，所对应的装置结构简单、关键部件价格低廉，性能可靠。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、通过扑翼飞行器机翼运动发生机构控制被测扑翼飞行器机翼周期上下扑动运动，需保证扑翼飞行器机翼运动发生机构为被测扑翼飞行器机翼气动特性测试提供稳定可靠的动力输出，同时扑翼飞行器机翼运动发生机构的运动输出可以根据不同型号被测扑翼飞行器机翼气动参数相应调整调整；
步骤二、采用八只单分量悬臂梁测力传感器在正交轴系内对称布置，实现组合测量被测扑翼飞行器机翼扑动过程中产生的六维气动力和气动力矩；
步骤三、将步骤二所得各单分量悬臂梁测力传感器测量方向上的增量值通过公式(1)进行计算，能够解算出被测扑翼飞行器机翼的气动特性，即其周期性扑动运动过程中产生的六维气动力和气动力矩；
式中：
ZS、XS和YS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的升力、推力和侧向力，N；
MXS、MYS和MZS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩，Nm；
KS1、KS2、KS3和KS4分别为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；
KS5、KS6、KS7和KS8分别为水平面内相对正交轴系对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；
ΔuS1、ΔuS2、ΔuS3、ΔuS4、ΔuS5、ΔuS6、ΔuS7和ΔuS8分别为各单分量悬臂梁测力传感器对应测量方向气动载荷的输出增量值；
L1为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离；
L2为水平面内相对正交轴系对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离。
2.实现如权利要求1所述的一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置，包括：气动特性综合测量平台和扑翼飞行器机翼运动发生机构；
所述气动特性综合测量平台包括：第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)、第四单分量悬臂梁测力传感器(4)、第五单分量悬臂梁测力传感器(5)、第六单分量悬臂梁测力传感器(6)、第七单分量悬臂梁测力传感器(7)、第八单分量悬臂梁测力传感器(8)、水平方向测力传感器安装支架(9)、测力传感器固定端定位安装块(10)、测力传感器测力端定位安装块(11)、支撑杆安装块(12)、支撑杆(13)、水平方向力传递块(14)、垂直方向力传递块(15)、力传递框架(16)、安装基座(17)和调平机构(18)；
第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)和第四单分量悬臂梁测力传感器(4)沿安装基座(17)几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量垂直方向上的气动载荷；第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)和第四单分量悬臂梁测力传感器(4)一端通过测力传感器固定端定位安装块(10)固定安装在安装基座(17)上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块(11)、支撑杆安装块(12)和支撑杆(13)固定连接后与力传递框架(16)接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆(13)受力轴线之间的距离为L1；
第五单分量悬臂梁测力传感器(5)、第六单分量悬臂梁测力传感器(6)、第七单分量悬臂梁测力传感器(7)和第八单分量悬臂梁测力传感器(8)沿安装基座(17)几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量水平方向上的气动载荷；第五单分量悬臂梁测力传感器(5)、第六单分量悬臂梁测力传感器(6)、第七单分量悬臂梁测力传感器(7)和第八单分量悬臂梁测力传感器(8)一端通过测力传感器固定端定位安装块(10)固定安装在与安装基座(17)固定连接的水平方向测力传感器安装支架(9)上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块(11)、支撑杆安装块(12)和支撑杆(13)固定连接后与力传递框架(16)接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆(13)受力轴线之间的距离为L2；
力传递框架(16)在垂直气动载荷测量方向上固定安装有垂直方向力传递块(15)与支撑杆(13)在外界负载作用力下浮动点接触；力传递框架(16)在水平气动载荷测量方向上固定安装有水平方向力传递块(14)与支撑杆(13)在外界负载作用力下浮动点接触；
安装基座(17)底部固定安装调平机构(18)，以保证安装基座(17)基准水平；
所述扑翼飞行器机翼运动发生机构包括：驱动电机(19)、电机安装支架(20)、小齿轮(21)、大齿轮(22)、可调连杆(23)、机翼安装摇杆(24)、机翼安装摇杆支架(25)、机构安装基座(26)、被测扑翼飞行器机翼(27)；
驱动电机(19)固定于电机安装支架(20)；小齿轮(21)与驱动电机(19)输出轴固定连接，且只与一个大齿轮(22)啮合；两个大齿轮(22)相互啮合；大齿轮(22)通过销轴与机构安装基座(26)活动连接，可实现回转运动；可调连杆(23)一端活动连接在大齿轮(22)上，另一端活动连接在机翼安装摇杆支架(25)上；电机安装支架(20)和机翼安装摇杆支架(25)均与机构安装基座(26)固定连接，提供运动支撑；
扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架(16)固定连接，力传递框架(16)将扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼(27)运动过程中产生的多维气动力和气动力矩传递到气动特性综合测量平台支撑杆(13)，扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架(16)作为整体以自重作为垂直方向布置第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)、第四单分量悬臂梁测力传感器(4)的预载；
力传递框架(16)水平方向上的预载力通过钢丝(28)绕导向滑轮(29)悬挂标准砝码(31)的方式施载；钢丝(28)与力传递框架(16)固定连接，固定连接点的位置为力传递框架(16)对角线上的两个角点，以保证水平方向上力传递框架(16)与支撑杆(13)接触；
导向滑轮支架(30)为导向滑轮(29)提供支撑，一端与导向滑轮(29)活动连接，另一端与安装基座(17)固定连接。
3.如权利要求2所述装置，其特征在于：装置的工作过程为：将被测扑翼飞行器机翼(27)与机翼安装摇杆(24)固定连接，被测扑翼飞行器机翼(27)的安装角度根据具体气动特性测试要求确定；以被测扑翼飞行器机翼(27)气动参数为基础选取合适的标准砝码(31)进行悬挂预载，以保证水平方向上力传递框架(16)与支撑杆(13)接触，在确保第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)、第四单分量悬臂梁测力传感器(4)、第五单分量悬臂梁测力传感器(5)、第六单分量悬臂梁测力传感器(6)、第七单分量悬臂梁测力传感器(7)和第八单分量悬臂梁测力传感器(8)均产生稳定的初始测量值之后进行被测扑翼飞行器机翼(27)气动特性测试工作；扑翼飞行器机翼运动发生机构由驱动电机(19)提供动力，驱动电机(19)带动小齿轮(21)转动，进而与对称反向旋转的一对大齿轮(22)中的一个齿轮啮合传动，大齿轮(22)之间反向啮合传动实现同步对称反向旋转；大齿轮(22)、可调连杆(23)、机翼安装摇杆(24)和机翼安装摇杆支架(25)构成双曲柄摇杆机构，以实现安装于机翼安装摇杆(24)末端被测扑翼飞行器机翼(27)周期性上下扑动运动；扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架(16)固定连接，被测扑翼飞行器机翼(27)扑动与空气相互作用产生气动力，通过力传递框架(16)和支撑杆(13)传递到对应测量方向上的第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)、第四单分量悬臂梁测力传感器(4)、第五单分量悬臂梁测力传感器(5)、第六单分量悬臂梁测力传感器(6)、第七单分量悬臂梁测力传感器(7)和第八单分量悬臂梁测力传感器(8)上；单分量悬臂梁测力传感器返回电信号，电信号经放大后采集至上位机，根据公式(1)计算六维气动力和力矩，即可获得被测扑翼飞行器机翼(27)的气动特性数据。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼扑动频率参数调整是通过调节驱动电机(19)输入的PWM波占空比来实现对驱动电机(19)转速调节。
5.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼攻迎角参数调整，通过调节机翼安装摇杆(24)末端机翼安装角度(即被测扑翼飞行器机翼与水平面夹角)来实现。
6.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼扑动幅度参数调整，通过调节可调连杆(23)长度尺寸来实现。
7.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述气动特性综合测量平台中支撑杆(13)为高细长比的金属杆，主要起到消扰作用，气动力测量过程中径向为受力变形主方向，轴向刚度远大于径向弯曲刚度。
8.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述气动特性综合测量平台中气动力矩的测量通过力与力臂乘积间接获得。
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