CN108163229A - 扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法，其中检测系统包括转台机构、二维力传感器、扑翼机器人、三维视觉系统、数据采集箱以及PC机；转台机构包括底座、连接件、伸缩臂一、伸缩臂二、配重一、驱动机构以及固定台，连接件设置在所述底座上并与驱动机构连接，驱动机构带动连接件转动；伸缩臂一和伸缩臂二分别连接在连接件的两侧；固定台连接在伸缩臂一的端部；配重一连接在伸缩臂二的端部。本发明方法能够在线实时同步检测扑翼机器人的升力、推力，以及翅膀运动的位移、速度、加速度和变形信息，可为扑翼机器人的翅膀结构设计、材料选型和扑动控制规律优化提供快速检测和验证手段。

Description

扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法，属于机械学、机器人学、仪器科学、计算机科学、传感器技术、控制技术等的交叉领域。
背景技术
由于地球资源的过度开采，环境污染的进一步加剧，近年来各种极端气候天气较多，旱涝灾害、地震、泥石流、海啸等自然灾害频发；随着城市发展的步伐加快，城市拥挤等现象较多，楼房坍塌、火灾等人为灾害时有报道；目前虽然世界范围内和平为主调，但局部战争不断，特别是城市巷战、丛林战争等较多，战争趋于远程化、信息化和无人化发展；此外，国际反恐形势近年来极其严峻，恐怖组织核生化威胁加剧。以上这些情况往往造成人员受伤和人民生命财产损失等。针对这些危险环境的信息获取是对于进行预防和救援至关重要，此外在发生危险事故后需要进行快速救援。而这些情况下，现场环境恶劣危险，人员进入难度大，因此需要一种灵活快捷的无人设备进入，参与现场环境信息的快速获取并参与救援。
对于以上这些应用场景，传统轮式移动平台往往难以进入完成复杂作业。自然界的生物采用步行、攀爬、飞行等的运动方式可以适应各类复杂环境。采用扑翼式运动具有三维大空间的信息获取能力，具有非常广阔的应用前景。扑翼式机器人模仿鸟类和昆虫的飞行运动功能而研制成的，与固定翼和旋翼飞行器相比，具有快速性、敏捷性、高效性等优点，可以广泛应用于军事、农业、林业等领域，也能满足危险环境下的搜救任务需求。
扑翼运动的前期研究结果表明，鸟类和昆虫低雷诺数，产生高启动效率和高升力推力的机理中，除了翅膀上下扑动外，还伴随有翅膀绕展向的扭转运动，这些运动功能与它们翅膀的柔性、运动驱动结构和感知控制能力密不可分。目前对于飞行器空气动力学的实验研究主要基于风洞实验，而风洞实验成本高、耗时长，给简单的定性和定量试验研究带来不便。发明专利(CN102338690B)提出一种扑翼三自由度转动驱动机构及扑动的力和力矩特性检测系统，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机器人的升力、推力测量，并且不能同步检测翅膀的运动和变形信息，很难为翅膀形状和结构、翅膀材料、扑动控制等方面的优化改进的提供量化指导。发明专利(CN104198152B)提出一种仿生扑翼飞行器升力测试装置及其测试方法，通过检测角度信息，结合数学模型可以估算出升力的大小，但是该发明方案只能检测到升力信息，而无法检测到推力信息，以及翅膀的运动和变形信息，也不能同步获取翅膀运动规律与变形特定对升力和推力影响的关系，为扑翼机器人的进一步优化提供支撑。发明专利(CN104482967B)提出一种微小型扑翼飞行器的飞行参数测试装置，通过六轴力传感器检测机器人的力和力矩信息，通过激光二维扫描传感器检测翅膀的变形，但是其激光二维扫描传感器需要在翅膀扑动过程中沿着支架导轨移动扫描才能检测到翅膀的二维信息，因此无法获得同一时刻整个翅膀翼面的位置、速度，以及变形信息，并且无法与力和力矩信息同步采集，获得任意时刻整个翅膀的位置、速度，以及变形信息与扑翼机器人的升力和推力信息的对应关系，该专利方案的另一个缺陷是其所需要的场地较大，测试时间长度较短，并且测试时间长度和扑翼机器人水平滑动速度都受到滑台导轨长度的限制。
为了解决以上扑翼机器人测试方案存在的不足，实现长时间和长距离同步记录扑翼机器人模拟飞行过程中翅膀的运动位置、速度和变形信息，以及所翅膀运动产生的升力和推力信息，为建立翅膀的各种参数(材料和翼型等)和运动控制参数与产生的升力和推力的对应关系数据库提供技术手段，并为建立扑翼升力和推力受到的影响因素的关系模型打下基础，为进一步的改进扑翼机器人的翅膀设计和控制策略提供支撑，本专利提出一种扑翼机器人升力、推力和翅膀运动及变形信息同步采集系统及方法。首先是设计了转台机构驱动扑翼机器人的圆周运动代替其平动；其次设计了一款机械解耦的组合式二维力传感器，具有结构简单和低成本的优点；再次设计了基于三个相机的视觉系统检测扑翼翅膀的位置检测系统；最后设计了数据采集箱和处理方法同步获取数据并自动获取关系模型。
发明内容
技术问题：
本发明所要解决的技术问题在于，克服现有的扑翼式机器人运动性能测试不方便的难题，设计一种机械解耦的二维力传感器，以及一种扑翼机器人的运动性能测试系统和测试方法，实现主动和被动运动性能测试，为快速测试设计方案的合理性和有效性提供技术支撑。
技术方案：
一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，包括转台机构、二维力传感器、扑翼机器人、三维视觉系统、数据采集箱以及PC机；
所述转台机构包括底座、连接件、伸缩臂一、伸缩臂二、配重一、驱动机构以及固定台，所述连接件设置在所述底座上并与所述驱动机构连接，所述驱动机构带动所述连接件转动；所述伸缩臂一和伸缩臂二分别连接在所述连接件的两侧；所述固定台连接在所述伸缩臂一的端部；所述配重一连接在所述伸缩臂二的端部；
所述二维力传感器包括测试架、位于测试架上的滑竿、位于所述滑竿上的传感器连接件以及连接在传感器连接上的水平拉压力传感器、竖直拉压力传感器；所述水平拉压力传感器设置在所述传感器连接件侧面与测试架滑竿安装板之间；所述竖直拉压力传感器设置在所述感器连接件的上端，在所述竖直拉压力传感器上设置有机器人-力传感器连接件；
所述的扑翼机器人包括机架、前缘骨架、翅膀、LED灯和色标，所述机架安装在所述机器人-力传感器连接件上；所述前缘骨架为两个且分别安装在所述机架两边，在每个前缘骨架上安装一个所述翅膀；所述LED灯和所述色标用于翅膀位移、速度和变形的测试；所述LED灯为2P个，安装在两个前缘骨架上；所述色标为2P，安装在两个所述翅膀上下表面靠近后缘边上，P的大小根据测量精度确定；
所述三维视觉系统包括相机一、相机二、相机三和配重二组成；所述相机一安装在所述伸缩臂一上，并面向扑翼机器人的侧面；所述相机二安装在所述固定台上，并面向扑翼机器人的正前方；所述相机三安装在所述固定台上，面向扑翼机器人的正下方。
所述数据采集箱固定在所述连接件上，所述数据采集箱包括中央控制处理器、数据采集卡、无线收发模块和数据存储模块；所述中央控制处理器控制扑翼机器人翅膀扑动角速度ω，转台机构的转动角速度ψ，以及二维力传感器和三个相机的同步工作；所述数据存储模块用于记录力、视频信息以及时间信息；所述数据采集卡用于二维力传感器数据的采集；所述无线收发模块用于中央控制处理器和PC机的通信；
所述PC机用于操作者设计转台机构和扑翼机器人的控制规律，发送操作者的命令给无线收发模块；PC机还用于接收无线收发模块发来的力和运动信息数据，进行实时信息的图形化显示，平均升力F1和平均推力Ft模型的实时建立；所述模型表示为：
其中，α是扑翼机器人的迎角，A是扑翼机器人翅膀的面积，λ是展弦比，η表示翅膀的变形情况，v＝ψR是扑翼机器人相对于空气的运动速度，ω是扑翼机器人翅膀扑动角速度，a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、b0、b1、b2、b3、b4、b5和b6是需要拟合得到的系数，R是扑翼机器人在水平面内转动的半径。
所述转台机构还包括轴承座和推力球轴承；所述轴承座上表面有凹坑，中间有安装孔，固定在所述底座上表面的中间位置；所述的推力球轴承安装在轴承座的凹坑里面；所述伸缩臂一包括伸缩管一固定座、伸缩管一以及伸缩管二，所述伸缩管一固定座连接在所述连接件上，所述伸缩管一一端与所述伸缩管一固定座连接，所述伸缩管一另一端与所述伸缩管二连接，所述固定台固定在所述伸缩管二的另一端。
所述驱动机构包括法兰轴承、电机座、步进电机、联轴器、主动齿轮和被动齿轮；所述电机座固定在所述底座的底部，所述步进电机固定在所述电机座上，所述联轴器固定在所述步进电机的输出轴上；所述主动齿轮通过联轴器固定在步进电机输出轴上；所述被动齿轮固定在连接件底部凸台穿过底座下部的位置，并与主动齿轮啮合。
所述伸缩臂二包括伸缩管三固定座及伸缩管三，所述伸缩管三固定座固定在所述连接件上；所述伸缩管三的一端固定在所述伸缩管三固定座上；所述配重一固定在所述伸缩管三的另一端，用于平衡二维力传感器、扑翼机器人和三维视觉系统的重力。
所述测试架包括固定件、左固定架以及右固定架所述左固定架和右固定架分别固定在所述固定件的两侧；所述滑竿包括左滑竿和右滑竿；所述左滑竿和右滑竿相互平行且水平固定在所述的左固定架和右固定架之间；所述水平拉压力传感器的两端分别水平安装在所述左固定架和传感器连接件上；所述的左滑块和右滑块内孔安装有直线轴承，分别安装在左滑竿和右滑竿上，可以相对于左滑竿和右滑竿滑动。
一种基于所述扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统的检测方法，其特征在于，包括：
S1：操作者在PC机软件界面设定转台机构转动角速度ψ和扑翼机翅膀扑动角速度ω的上、下限[Φ1，Φ2]和[Ω1，Ω2]，ψ和ω的细分数目M和N，二维力传感器和相机的采集频率K1和K2，输入扑翼机器人迎角α、翅膀面积A、展弦比λ，初始化循环控制参数i＝1，j＝1；
S2：PC机发送转台机构转动角速度ψ＝Φ1+[(Φ2-Φ1)(i-1)/(M-1)]和扑翼机翅膀扑动角速度ω＝Ω1+[(Ω2-Ω1)(j-1)/(N-1)]给中央控制处理器；
S3：中央控制处理器控制转台和扑翼机器人运动以设定好的加速度A1和A2开始加速，等转台机构和扑翼机速度分别达到ψ和ω后，中央控制处理器触发二维力传感器和相机采集数据；
S4：中央控制处理器处理相机视频截取的帧图计算扑翼机器人翅膀位置θ、速度ω、加速度σ和变形量[μ1，μ2，μ3，μ4]，并将这些信息和采集到的扑翼升力和推力等数据发送给PC机，并将这些数据保存进数据存储模块；
S5：PC机软件界面以曲线图形式显示测到的升力F1、推力Ft，以及扑翼机器人翅膀的位置θ、速度ω、加速度σ和变形信息[μ1，μ2，μ3，μ4]，驱动扑翼机器人虚拟模型的运动，并将这些数据存进数据库；
S6：操作者通过软件界面观察升力、推力、翅膀位置、速度、加速度和变形信息，PC机软件检测升力和推力是否超过传感器的量程；
S7：若超出二维力传感器检测的量程，PC机发送停止命令给中央控制处理器，控制扑翼机器人减速停止扑动，控制转台机构减速停止转动；若未超出量程，则开始判断i＝M且j＝N是否成立，若成立PC机也发送停止命令给中央控制处理器，若不成立，则j＝j+1，并开始判断j＞N是否成立，若成立则i＝i+1、j＝1，并进入步骤S2，若j＞N不成立则直接进入S2；
S8：通过S1-S7步骤得到扑翼机器人不同参数下的平均升力和平均推力数据，对模型公式(1)两边取对数：
转换成多元线性拟合的形式，采用多元线性回归方法拟合得到平均升力F1和平均推力Ft模型的系数a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、b0、b1、b2、b3、b4、b5和b6。
所述翅膀位置θ获取方法为：中央处理器从相机二视频中获取每一帧的图像计算前缘骨架上接近翅根的LED灯的位置(xLli，zLli)和接近翼尖的LED灯的位置(xLNi，zLNi)；
翅膀位置θi＝arctan[(zLNi-zLli)/(xLNi-xL1i)]；速度ωi＝(θi-θi-1)/T；其中i为采样点，T为采样周期，θ0为翅膀初始角度，ω1＝0；加速度σi＝(ωi-ωi-1)/T，σ1＝0；所述翅膀变形量μ＝[μ1，μ2，μ3，μ4]，其中：
μ1＝[μ11，…，μ1k，…，μ1(N-2)]T，反映的是翅膀前缘骨架的变形，μ1k＝arctan[(zL(k+2)i-zL(k+1)i)/(xL(k+2)i-xL(k+1)i)]-arctan[(zL(k+1)i-zLki)/(xL(k+1)i-xLki)]，其中(xLki，zLki)是检测到的固定在翅膀前缘骨架上第k个LED灯的位置；
μ2＝[μ21，…，μ2k，…，μ2(N-2)]T，反映的是翅膀的扭转变形，μ2k＝arctan[(zSki-zLki)/(ySki-yLki)]，其中，(yLki，zLki)是相机一检测到的翅膀前缘骨架第k个LED灯的位置，(ySki，zSki)是相机一检测到的固定在翅膀翼面后缘第k个色标的位置；
μ3＝[μ31，…，μ3k，…，μ3(N-2)]T，反映的是翅膀的扭转变形后缘运动不同步变形情况，μ3k＝arctan[(zS(k+2)i-zS(k+1)i)/(xS(k+2)i-xS(k+1)i)]-arctan[(zS(k+1)i-zSki)/(xS(k+1)i-xSki)]，其中(xSki，zSki)是相机二视频中获得的第k个色标的位置；
μ4＝[μ41，…，μ4k，…，μ4(N-2)]T，从另一角度反映翅膀的变形，μ4k＝arctan[(xS(k+2)i-xS(k+1)i)/(ys(k+2)i-ys(k+1)i)]-arctan[(xs(k+1)i-xSki)/(yS(k+1)i-yski)]，其中(xski，yski)是相机三视频中获得的第k个色标的位置。
所述检测方法包括静态扑翼测试、被动扑翼测试和主动扑翼测试；静态扑翼测试是电机静止不转动，转台机构静止不动，控制扑翼机器人翅膀扑动，记录产生的扑翼升力和推力，以及翅膀的位移、速度、加速度和变形数据；被动扑翼测试是指转台机构在电机的驱动下转动，同时控制翅膀的扑动，并记录产生的扑翼升力和推力，以及翅膀的位移、速度、加速度和变形数据，通过控制转台的转速可以调节扑翼机器人相对于气流的速度；主动扑翼测试是指将电机拆除后，转台可以自由转动，在此配置下控制翅膀的扑动，并记录产生的扑翼升力和推力，以及翅膀的变形视频，通过对比三种测试方法下的数据，分析扑翼机器人的气动性能以及影响气动性能的因素。
有益效果：
(1)本发明的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统及方法能够在线实时同步检测扑翼机器人的升力、推力，以及翅膀运动的位移、速度、加速度，以及变形信息，从而为扑翼机器人的气动性能确定，以及影响升力、推力的因素，特别是翅膀的运动控制规律和柔性变形等对推力和升力的影响有直观和定量化的研究数据，可为扑翼机器人的翅膀结构设计、材料选型和扑动控制规律优化提供快速检测和验证手段。
(2)本发明设计的组合式二维力传感器用于飞行器升力和推力测量，通过机械结构解耦设计，可以提高力检测精度，并且该设计方案具有简单、经济实用等优点。
(3)本发明方案采用三个相机的检测系统，结合设计的位置、速度、加速度和翅膀变形检测方法，以及图形化人机交互显示界面，可以快速得到这些信息，与升力和推力的同步记录可以直观反映翅膀的运动状态对升力和推力的影响，为后续优化提供支持。
附图说明
图1是本发明实施例的测试系统整体组成机构示意图。
图2是本发明实施例的转台机构组成示意图1。
图3是本发明实施例的转台机构组成示意图2。
图4是本发明实施例的转台机构组成示意图3。
图5是本发明实施例的二维力传感器组成示意图1。
图6是本发明实施例的二维力传感器组成示意图2。
图7是本发明实施例的二维力传感器组成示意图3。
图8是本发明实施例的二维力传感器与扑翼机器人连接示意图。
图9是本发明实施例的扑翼机机器人色标布置示意图。
图10是本发明实施例的同步检测方法步骤图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的工作原理和工作过程作进一步详细说明。
实施例：参照附图1、一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，包括转台机构1、二维力传感器2、扑翼机器人3、三维视觉系统4，数据采集箱5，以及PC机6。
参照附图1、附图2、附图3和附图4，转台机构1包括底座1-1、轴承座1-2、推力球轴承1-3、连接件1-4、伸缩管一固定座1-5、伸缩管一1-6、伸缩管二1-7、固定台1-8、伸缩管三固定座1-9、伸缩管三1-10、配重一1-11、法兰轴承1-12、电机座1-13、步进电机1-14、联轴器1-15、主动齿轮1-16和被动齿轮1-17；底座1-1用于安装其它所有部件，其表面中心设置有圆孔；轴承座1-2上表面有凹坑，中间有安装孔，固定在底座1-1上表面中间位置；推力球轴承1-3安装在轴承座1-2的凹坑里面；连接件1-4的四方体左右两侧面有安装孔，下表面有圆柱凸台；伸缩管一固定座1-5通过螺丝固定在连接件1-4右侧面的安装孔上；伸缩管一1-6的后端固定在伸缩管一固定座1-5上；伸缩管二1-7的后端固定在伸缩管一1-6的前端，并且可以通过管壁上的一排安装孔的位置调节从而调节伸缩管一1-6和伸缩管1-7的整体长度；固定台1-8固定在伸缩管二1-7的前端，用于安装二维力传感器2、扑翼机器人3和三维视觉系统4；伸缩管三固定座1-9通过螺丝固定在连接件1-4左侧面的安装孔上；伸缩管三1-10的后端固定在伸缩管三固定座1-9上；配重一1-11固定在伸缩管三1-10的前端，用于平衡二维力传感器2、扑翼机器人3和三维视觉系统4的重力；法兰轴承1-12安装在轴承座1-2中间的安装孔内；连接件1-4下表面的圆柱凸台安装在推力球轴承和法兰轴承上，并穿过轴承座1-2和底座1-1中间的孔；推力球轴承1-3减小轴向的摩擦力，法兰轴承1-12减小径向的摩擦力；电机座1-13固定在底座1-1的底部，步进电机1-14固定在电机座1-13上，联轴器1-15固定在步进电机1-14的输出轴上；主动齿轮1-16通过联轴器固定在步进电机输出轴上；动齿轮1-17固定在连接件1-4底部凸台穿过底座下部的位置，并与主动齿轮1-16啮合；当步进电机1-14转动时，主动齿轮1-16驱动被动齿轮1-17转动，被动齿轮1-17转动带动连接件1-4转动，连接件1-4带动其上连接的其它部件在水平面内转动。
参照附图5、附图6和附图7，二维力传感器2由固定件2-1、左固定架2-2、右固定架2-3、左滑竿2-4、左滑块2-5、右滑竿2-6、右滑块2-7、传感器连接件2-8、水平拉压力传感器2-9、竖直拉压力传感器2-10和机器人-力传感器连接件2-11组成；固定件2-1将二维力传感器固定在固定台1-8上；左固定架2-2和右固定架2-3分别固定在固定件2-1的两边；左滑竿2-4和右滑竿2-6为钢轴，相互平行且水平固定在左固定架2-2和右固定架2-3之间；左滑块2-5和右滑块2-7内孔安装有直线轴承，分别安装在左滑竿2-4和右滑竿2-6上，可以相对于左滑竿2-4和右滑竿2-6滑动；传感器连接件2-8安装在左滑块2-5和右滑块2-7上，限制左滑块2-5和右滑块2-7之间的相对运动；水平拉压力传感器2-9的两端分别水平安装在左固定架2-2和传感器连接件2-8上；竖直拉压力传感器2-10竖直放置，其下端安装在传感器连接件2-8上；机器人-力传感器连接件2-11安装在竖直拉压力传感器2-10的顶端。
参照附图1、附图8和附图9，扑翼机器人3由机架3-1、左前缘骨架3-2、右前缘骨架3-3、左翅膀3-4、右翅膀3-5、LED灯3-6和色标3-7组成；机架3-1安装在机器人-力传感器连接件2-11上，用于机器人性能测试；左前缘骨架3-2和右前缘骨架3-3分别安装在机架两边；左翅膀3-4和右翅膀3-5分别安装在左前缘骨架3-2和右前缘骨架3-3上；LED灯3-6为10个LED灯，安装在左前缘骨架3-2和右前缘骨架3-3上；色标3-7为10个色标，安装在左翅膀3-4和右翅膀3-5上下表面；LED灯3-6和色标3-7用于翅膀位移、速度和变形的测试。
参照附图1，三维视觉系统4由相机固定架4-1、相机一4-2、相机二4-3、相机三4-4和配重二4-5组成；相机固定架4-1安装在伸缩管一1-6上；相机一4-2安装在相机固定架4-1上，并面向扑翼机器人的右侧；相机二4-3安装在固定台1-8上，并面向扑翼机器人的前侧；相机三4-4安装在扑翼机器人正下方，面向扑翼机器人；配重二4-5安装在固定台1-8上。
参照附图1，数据采集箱5固定在连接件1-4顶部，二维力传感器2的电源和数据线沿着伸缩管一1-6和伸缩管二1-7进入到数据采集箱5；三维视觉系统4的三个相机的电源和数据线也沿着伸缩管一1-6和伸缩管二1-7进入到数据采集箱5。数据采集箱5包括中央控制处理器5-1、数据采集卡5-2、无线收发模块5-3、数据存储模块5-4和电源模块5-5；电源模块5-5为中央控制处理器5-1、数据采集卡5-2、无线收发模块5-3、二维力传感器2、以及三个相机供电；中央控制处理器5-1可以控制扑翼机器人3电机的运动规律，转台机构1的运动规律，以及二维力传感器2和三个相机的同步工作；数据存储模块5-4用于记录力、视频以及时间等信息；数据采集卡5-2用于二维力传感器2数据的采集；无线收发模块5-3用于中央控制处理器5-1和PC机6的通信；PC机6用于操作者设计转台机构1和扑翼机器人3的控制规律，发送操作者的命令给无线收发模块5-3，无线收发模块5-3接收到数据传输给中央控制处理器5-1，中央控制处理器5-1执行一定的操作；PC机6还用于接收无线收发模块5-3发来的力和运动信息数据，进行实时信息的图形化显示和模型的实时建立，为操作者调整转台机构1和扑翼机器人3运动的控制规律优化，以及后续翅膀结构和材料的优化提供支撑。
所述的PC机6用于操作者设计转台机构1和扑翼机器人3的控制规律，发送操作者的命令给无线收发模块5-3，无线收发模块5-3接收到数据传输给中央控制处理器5-1，中央控制处理器5-1执行一定的操作；PC机6还用于接收无线收发模块5-3发来的力和运动信息数据，进行实时信息的图形化显示，平均升力F1和平均推力Ft模型的实时建立，为操作者调整转台机构和扑翼运动的控制规律优化，以及后续翅膀结构和材料的优化提供支撑。所述的F1和Ft模型由下面公式表示
其中，α是扑翼机器人的迎角，A是扑翼机器人翅膀的面积，λ展弦比，η表示翅膀的变形情况，v＝ψR是扑翼机器人相对于空气的运动速度，ω是扑翼机器人翅膀扑动角速度，a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、b0、b1、b2、b3、b4、b5和b6是需要拟合得到的系数，R是扑翼机器人在水平面内转动的半径。
参照附图10，扑翼机器人3升力推力和翅膀运动信息同步检测方法步骤如下(定义扑翼机器人3的坐标系为以前缘架的翅根为原点，从扑翼机器人3前方看去，向右边为x轴正向，向后方为y轴正向，向上方为z轴正向)：
S1：操作者在PC机6的软件界面设定转台机构1转动角速度ψ和扑翼机器人3翅膀扑动角速度ω的上、下限[Φ1，Φ2]和[Ω1，Ω2]，ψ和ω的细分数目M和N，二维力传感器2和视觉系统4的采集频率K1和K2，输入扑翼机器人3的迎角α、翅膀面积A、展弦比λ，初始化循环控制参数i＝1，i＝1；
S2：PC机6发送转台机构1转动角速度ψ＝Φ1+[(Φ2-Φ1)(i-1)/(M-1)]和扑翼机器人3翅膀扑动角速度ω＝Ω1+[(Ω2-Ω1)(j-1)/(N-1)]给中央控制处理器5-1；
S3：中央控制处理器5-1控制转台机构1和扑翼机器人3运动以设定好的加速度A1和A2开始加速，等转台机构1和扑翼机器人3的速度分别达到ψ和ω后，中央控制处理器5-1触发二维力传感器2和视觉系统4采集数据；
S4：中央控制处理器处理相机视频截取的帧图计算扑翼机器人翅膀位置θ、速度ω、加速度σ和变形量[μ1，μ2，μ3，μ4]，并将这些信息和采集到的扑翼升力和推力等数据发送给PC机，并将这些数据保存进数据存储模块；
S5：PC机软件界面以曲线图形式显示测到的升力F1、推力Ft，以及扑翼机器人翅膀的位置θ、速度ω、加速度σ和变形信息[μ1，μ2，μ3，μ4]，驱动扑翼机器人虚拟模型的运动，并将这些数据存进数据库；
S6：操作者通过PC机6软件界面观察升力、推力、翅膀位置、速度、加速度和变形信息，PC机6软件检测升力和推力是否超过二维力传感器2的量程；
S7：若超出二维力传感器2检测的量程，PC机6发送停止命令给中央控制处理器5-1，控制扑翼机器人3减速停止扑动，控制转台机构1减速停止转动；若未超出量程，则开始判断i＝M且j＝N是否成立，若成立PC机6也发送停止命令给中央控制处理器5-1，若不成立，则j＝j+1，并开始判断j＞N是否成立，若成立则i＝i+1、j＝1，并进入步骤S2，若j＞N不成立则直接进入S2；
S8：通过S1-S7步骤得到扑翼机器人不同参数下的平均升力和平均推力数据，对模型公式(1)两边取对数：
转换成多元线性拟合的形式，将实验中使用的扑翼机器人的迎角α、翅膀的面积A、展弦比λ，带入到公式(2)，采用多元线性回归方法拟合得到平均升力F1和平均推力Ft模型的系数a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、b0、b1、b2、b3、b4、b5和b6。

Claims (8)

1.一种扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，包括转台机构、二维力传感器、扑翼机器人、三维视觉系统、数据采集箱以及PC机；
所述转台机构包括底座、连接件、伸缩臂一、伸缩臂二、配重一、驱动机构以及固定台，所述连接件设置在所述底座上并与所述驱动机构连接，所述驱动机构带动所述连接件转动；所述伸缩臂一和伸缩臂二分别连接在所述连接件的两侧；所述固定台连接在所述伸缩臂一的端部；所述配重一连接在所述伸缩臂二的端部；
所述二维力传感器包括测试架、位于测试架上的滑竿、位于所述滑竿上的传感器连接件以及连接在传感器连接上的水平拉压力传感器、竖直拉压力传感器；所述水平拉压力传感器设置在所述传感器连接件侧面与测试架滑竿安装板之间；所述竖直拉压力传感器设置在所述感器连接件的上端，在所述竖直拉压力传感器上设置有机器人-力传感器连接件；
所述的扑翼机器人包括机架、前缘骨架、翅膀、LED灯和色标，所述机架安装在所述机器人-力传感器连接件上；所述前缘骨架为两个且分别安装在所述机架两边，在每个前缘骨架上安装一个所述翅膀；所述LED灯和所述色标用于翅膀位移、速度和变形的测试；所述LED灯为2P个，安装在两个前缘骨架上；所述色标为2P，安装在两个所述翅膀上下表面靠近后缘边上，P的大小根据测量精度确定；
所述三维视觉系统包括相机一、相机二、相机三和配重二组成；所述相机一安装在所述伸缩臂一上，并面向扑翼机器人的侧面；所述相机二安装在所述固定台上，并面向扑翼机器人的正前方；所述相机三安装在所述固定台上，面向扑翼机器人的正下方。
所述数据采集箱固定在所述连接件上，所述数据采集箱包括中央控制处理器、数据采集卡、无线收发模块和数据存储模块；所述中央控制处理器控制扑翼机器人翅膀扑动角速度ω，转台机构的转动角速度Ψ，以及二维力传感器和三个相机的同步工作；所述数据存储模块用于记录力、视频信息以及时间信息；所述数据采集卡用于二维力传感器数据的采集；所述无线收发模块用于中央控制处理器和PC机的通信；
所述PC机用于操作者设计转台机构和扑翼机器人的控制规律，发送操作者的命令给无线收发模块；PC机还用于接收无线收发模块发来的力和运动信息数据，进行实时信息的图形化显示，平均升力F1和平均推力Ft模型的实时建立；所述模型表示为：
其中，α是扑翼机器人的迎角，A是扑翼机器人翅膀的面积，λ是展弦比，η表示翅膀的变形情况，v＝ΨR是扑翼机器人相对于空气的运动速度，ω是扑翼机器人翅膀扑动角速度，a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、b0、b1、b2、b3、b4、b5和b6是需要拟合得到的系数，R是扑翼机器人在水平面内转动的半径。
2.根据权利要求1所述的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，其特征在于：所述转台机构还包括轴承座和推力球轴承；所述轴承座上表面有凹坑，中间有安装孔，固定在所述底座上表面的中间位置；所述的推力球轴承安装在轴承座的凹坑里面；所述伸缩臂一包括伸缩管一固定座、伸缩管一以及伸缩管二，所述伸缩管一固定座连接在所述连接件上，所述伸缩管一一端与所述伸缩管一固定座连接，所述伸缩管一另一端与所述伸缩管二连接，所述固定台固定在所述伸缩管二的另一端。
3.根据权利要求1所述的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，其特征在于：所述驱动机构包括法兰轴承、电机座、步进电机、联轴器、主动齿轮和被动齿轮；所述电机座固定在所述底座的底部，所述步进电机固定在所述电机座上，所述联轴器固定在所述步进电机的输出轴上；所述主动齿轮通过联轴器固定在步进电机输出轴上；所述被动齿轮固定在连接件底部凸台穿过底座下部的位置，并与主动齿轮啮合。
4.根据权利要求1所述的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，其特征在于：所述伸缩臂二包括伸缩管三固定座及伸缩管三，所述伸缩管三固定座固定在所述连接件上；所述伸缩管三的一端固定在所述伸缩管三固定座上；所述配重一固定在所述伸缩管三的另一端，用于平衡二维力传感器、扑翼机器人和三维视觉系统的重力。
5.根据权利要求1所述的扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统，其特征在于：所述测试架包括固定件、左固定架以及右固定架所述左固定架和右固定架分别固定在所述固定件的两侧；所述滑竿包括左滑竿和右滑竿；所述左滑竿和右滑竿相互平行且水平固定在所述的左固定架和右固定架之间；所述水平拉压力传感器的两端分别水平安装在所述左固定架和传感器连接件上；所述的左滑块和右滑块内孔安装有直线轴承，分别安装在左滑竿和右滑竿上，可以相对于左滑竿和右滑竿滑动。
6.一种基于权利要求1-5任一所述扑翼机器人升力推力和翅膀运动信息同步检测系统的检测方法，其特征在于，包括：
S1：操作者在PC机软件界面设定转台机构转动角速度Ψ和扑翼机翅膀扑动角速度ω的上、下限[Φ1，Φ2]和[Ω1，Ω2]，Ψ和ω的细分数目M和N，二维力传感器和相机的采集频率K1和K2，输入扑翼机器人迎角α、翅膀面积A、展弦比λ，初始化循环控制参数i＝1，j＝1；
S2：PC机发送转台机构转动角速度Ψ＝Φ1+[(Φ2-Φ1)(i-1)/(M-1)]和扑翼机翅膀扑动角速度ω＝Ω1+[(Ω2-Ω1)(j-1)/(N-1)]给中央控制处理器；
S3：中央控制处理器控制转台和扑翼机器人运动以设定好的加速度A1和A2开始加速，等转台机构和扑翼机速度分别达到Ψ和ω后，中央控制处理器触发二维力传感器和相机采集数据；
S4：中央控制处理器处理相机视频截取的帧图计算扑翼机器人翅膀位置θ、速度ω、加速度σ和变形量[μ1，μ2，μ3，μ4]，并将这些信息和采集到的扑翼升力和推力等数据发送给PC机，并将这些数据保存进数据存储模块；
S5：PC机软件界面以曲线图形式显示测到的升力F1、推力Ft，以及扑翼机器人翅膀的位置θ、速度ω、加速度σ和变形信息[μ1，μ2，μ3，μ4]，驱动扑翼机器人虚拟模型的运动，并将这些数据存进数据库；
S6：操作者通过软件界面观察升力、推力、翅膀位置、速度、加速度和变形信息，PC机软件检测升力和推力是否超过传感器的量程；
S7：若超出二维力传感器检测的量程，PC机发送停止命令给中央控制处理器，控制扑翼机器人减速停止扑动，控制转台机构减速停止转动；若未超出量程，则开始判断i＝M且j＝N是否成立，若成立PC机也发送停止命令给中央控制处理器，若不成立，则j＝j+1，并开始判断j＞N是否成立，若成立则i＝i+1、j＝1，并进入步骤S2，若j＞N不成立则直接进入S2；
S8：通过S1-S7步骤得到扑翼机器人不同参数下的平均升力和平均推力数据，对模型公式(1)两边取对数：
转换成多元线性拟合的形式，采用多元线性回归方法拟合得到平均升力F1和平均推力Ft模型的系数a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、b0、b1、b2、b3、b4、b5和b6。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：所述翅膀位置θ获取方法为：中央处理器从相机二视频中获取每一帧的图像计算前缘骨架上接近翅根的LED灯的位置(xLli，zL1i)和接近翼尖的LED灯的位置(xLNi，zLNi)；
翅膀位置θi＝arctan[(zLNi-zL1i)/(xLNi-xL1i)]；速度ωi＝(θi-θi-1)/T；其中i为采样点，T为采样周期，θ0为翅膀初始角度，ω1＝0；加速度σi＝(ωi-ωi-1)/T，σ1＝0；所述翅膀变形量μ＝[μ1，μ2，μ3，μ4]，其中：
μ1＝[μ11，…，μ1k，…，μ1(N-2)]T，反映的是翅膀前缘骨架的变形，μ1k＝arctan[(zL(k+2)i-zL(k+1)i)/(xL(k+2)i-xL(k+1)i)]-arctan[(zL(k+1)i-zLki)/(xL(k+1)i-xLki)]，其中(xLki，zLki)是检测到的固定在翅膀前缘骨架上第k个LED灯的位置；
μ2＝[μ21，…，μ2k，…，μ2(N-2)]T，反映的是翅膀的扭转变形，μ2k＝arctan[(zSki-zLki)/(ySki-yLki)]，其中，(yLki，zLki)是相机一检测到的翅膀前缘骨架第k个LED灯的位置，(ySki，zSki)是相机一检测到的固定在翅膀翼面后缘第k个色标的位置；
μ3＝[μ31，…，μ3k，…，μ3(N-2)]T，反映的是翅膀的扭转变形后缘运动不同步变形情况，μ3k＝arctan[(zS(k+2)i-zS(k+1)i)/(xS(k+2)i-xS(k+1)i)]-arctan[(zS(k+1)i-zSki)/(xS(k+1)i-xSki)]，其中(xSki，zSki)是相机二视频中获得的第k个色标的位置；
μ4＝[μ41，…，μ4k，…，μ4(N-2)]T，从另一角度反映翅膀的变形，μ4k＝arctan[(xS(k+2)i-xS(k+1)i)/(yS(k+2)i-yS(k+1)i)]-arctan[(xS(k+1)i-xSki)/(yS(k+1)i-ySki)]，其中(xSki，ySki)是相机三视频中获得的第k个色标的位置。
8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：所述检测方法包括静态扑翼测试、被动扑翼测试和主动扑翼测试；静态扑翼测试是电机静止不转动，转台机构静止不动，控制扑翼机器人翅膀扑动，记录产生的扑翼升力和推力，以及翅膀的位移、速度、加速度和变形数据；被动扑翼测试是指转台机构在电机的驱动下转动，同时控制翅膀的扑动，并记录产生的扑翼升力和推力，以及翅膀的位移、速度、加速度和变形数据，通过控制转台的转速可以调节扑翼机器人相对于气流的速度；主动扑翼测试是指将电机拆除后，转台可以自由转动，在此配置下控制翅膀的扑动，并记录产生的扑翼升力和推力，以及翅膀的变形视频，通过对比三种测试方法下的数据，分析扑翼机器人的气动性能以及影响气动性能的因素。
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