CN109204884B - 微型扑翼飞行器实验平台及基于其的飞行数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微型扑翼飞行器实验平台及基于其的飞行数据采集方法，至少包括：六轴力传感器、频率仪、示波器和上位计算机，可测飞行数据包括气动力、气动力矩、扑翼频率、扑翼功率，能够最大限度满足扑翼式飞行器的实验需求，模拟出真实的飞行状态；并且将飞行器固定支架设计为口字型结构，可广泛适用于不同尺寸的微型扑翼飞行器的飞行实验测试；本发明还包括姿态转换接头，可以实现微型扑翼飞行器的多姿态实验测试；本发明的固定底座支持三自由度位置调节，能够实现对光电传感器多角度、多方位的调节。

Description

微型扑翼飞行器实验平台及基于其的飞行数据采集方法

技术领域

本发明属于机械、实验测量技术、数据采集及处理技术领域，特别涉及一种微型扑翼飞行器实验平台。

背景技术

近年来，微型飞行器的研发愈发受到各个国家的重视，微型飞行器被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，配置有相应传感器及通讯设备的微型飞行器也可以广泛应用于民用领域。而扑翼式微型飞行器凭借其高度机动性和灵活性以及低噪性，使其在低空侦查、地形勘察、灾害搜救等任务中更具优势，进而成为了该领域的研究热点。

由于微型扑翼飞行器是一个较为复杂的系统，其研究涉及到结构学、空气动力学、运动学和能源等多方面问题，目前还难以用单一的数学方法准确地描述其飞行状态，并且不断涌现的新型扑翼飞行器对扑翼飞行特性的研究与实验提出了更高的要求。因此，搭建一个能够满足各式微型扑翼飞行器测试需要的实验平台成为了研发过程中的迫切需求。然而当前关于扑翼式飞行器的实验平台相对缺乏，或者并不能完全满足扑翼式飞行器飞行实验的需求，导致相关飞行实验存在实验精度低、周期长、通用性差等问题，很大程度上影响了微型扑翼式飞行器的研发进程。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种微型扑翼飞行器实验平台及基于其的飞行数据采集方法，本发明的实验平台结合了微型扑翼飞行器的设计特点以及实验需要，通过该实验平台对飞行数据进行采集、处理，可以基本模拟出微型扑翼飞行器在自由飞行下的飞行状态，一定程度上代替了微型扑翼飞行器的实际飞行测试。

本发明采用的技术方案之一为：一种微型扑翼飞行器实验平台，包括：飞行器固定支架、直流电源供应器、光电传感器、固定底座、六轴力传感器、频率仪、示波器和上位计算机；微型扑翼飞行器通过碳棒与六轴力传感器相连，六轴力传感器固定在飞行器固定支架上，且六轴力传感器与上位计算机连接；光电传感器安装在固定底座上，且光电传感器与频率仪相连；直流电源供应器与微型扑翼飞行器连接，示波器与微型扑翼飞行器连接。

飞行器固定支架呈口字型结构，微型扑翼飞行器机翼穿过该口字型结构的开口。

本发明的实验平台还包括姿态转换接头，姿态转换接头包含两组插孔，其中一组插孔用于连接微型扑翼飞行器，另一组插孔用于连接六轴力传感器，通过改变两组插孔之间的夹角实现飞行姿态的转换。

本发明的固定底座至少包括：沿水平方向与竖直方向的滑槽；光电传感器固定安装在水平方向或竖直方向的滑槽任意位置。

本发明的另一技术方案为：基于上述实验平台的飞行数据采集方法，包括：

S1、通过光电传感器对微型扑翼飞行器机翼的扑动运动进行光反射计数，从而采集到扑翼频率信号，并通过频率仪显示实时的扑翼频率；

S2、通过六轴力传感器测量得到微型扑翼飞行器在扑动机翼时产生的气动力和气动力矩，并将测量得到的气动力和气动力矩实时传送给上位计算机；

S3、通过示波器采集微型扑翼飞行器在做扑翼运动时的实时电压和电流信号，并将采集到的电压、电流信号传送给上位计算机；

S4、上位计算机对扑翼频率、气动力、气动力矩、电压以及电流信号进行识别处理，并将示波器采集到的电压信号转化为扑翼功率并保存，最终得到扑翼频率、气动力、气动力矩、扑翼功率四组数据和各自随时间变化的周期曲线。

本发明的有益效果：本发明的实验平台，可以基本模拟出微型扑翼飞行器在自由飞行下的飞行状态，一定程度上代替了微型扑翼飞行器的实际飞行测试，降低了微型扑翼飞行器进行飞行实验的时间和成本，对微型扑翼飞行器研发阶段的设计优化、模块测试等起到了明显的辅助作用；本发明的平台及数据采集方法具备以下优点：

(1)本发明的实验平台包括六轴力传感器、频率仪、示波器以及上位计算机；可测飞行数据包括气动力、气动力矩、扑翼频率、扑翼功率，能够最大限度满足扑翼式飞行器的实验需求，模拟出真实的飞行状态；

(2)本发明的飞行器固定支架采用口字型结构，微型扑翼飞行器机翼穿过该口字型结构的开口，使得本发明的实验平台可广泛适用于不同尺寸的微型扑翼飞行器的飞行实验测试；

(3)本发明的实验平台还包括飞行姿态转换接头，可以实现微型扑翼飞行器的多姿态实验测试，拓展了现有只能进行单一姿态测试的实验平台；

(4)本发明的实验平台固定底座支持三自由度位置调节，可以调节光电传感器的检测方向和距离，实现多角度、多方位的调节，可根据实际扑翼机构和实验需求选择合适的配置方式，通用性强；

(5)本发明的实验平台包括独立的扑翼频率采集装置频率仪，可以实时显示扑翼频率的变化情况，提高了频率调节的精确性和简便性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微型扑翼飞行器实验平台的示意图。

图2是本发明实施例提供的进行飞行实验数据测试的流程示意图。

图3是本发明实施例提供的姿态转换接头结构示意图。

图4是本发明实施例提供的光电传感器可调节固定底座结构示意图。

图5是本发明实施例提供的应用本发明进行飞行能耗测试的方法示意图。

其中，1为光电传感器，2为固定底座，3为上位计算机，4为示波器，5为直流电源供应器，6为频率仪，7为飞行器固定支架，8为微型扑翼飞行器，9为六轴力传感器，10为实验辅助电阻。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明是一种针对微型扑翼飞行器的实验平台，如图1所示，包括：光电传感器1、固定底座2、上位计算机3、示波器4、直流电源供应器5、频率仪6、飞行器固定支架7、微型扑翼飞行器8、六轴力传感器9；其中飞行器固定支架7固定在桌面或者其他平面上，六轴力传感器9安装在飞行器固定支架7横梁的中部，微型扑翼飞行器8通过碳棒与六轴力传感器9相连，进而与飞行器固定支架7连接在一起；光电传感器1通过螺母安装在固定底座2上，其中光电传感器1又通过连线与频率仪6相连；直流电源供应器5用连线与微型扑翼飞行器8的驱动电机连接，同时示波器4接入微型扑翼飞行器8的机载电路；示波器4通过数据线与上位计算机3连接，实现信息交互。

本发明中提到的微型扑翼飞行器8，可以为任意的采用扑翼作为飞行主要动力的微型扑翼式飞行器，包括单扑翼式飞行器、双扑翼式飞行器、复扑翼式飞行器，或多扑翼式飞行器，以及采用其他布局的扑翼式飞行器。

本发明飞行器固定支架呈口字型结构，微型扑翼飞行器的两侧机翼穿过该口字型结构的开口，因此即使修改了机翼尺寸，因为飞行器固定支架呈口字型结构，其两侧是开放式的，可使得本发明的实验平台可广泛适用于不同尺寸的微型扑翼飞行器的飞行实验测试；本领域的技术人员应注意，这里提到的口字型结构，其尺寸必定大于微型扑翼飞行器机身长度。

本实施例中提供飞行器固定支架的一种实现方式，具体为：飞行器固定支架包括：底板、立柱和横梁三部分；立柱分为两根，分别垂直安装在底板两端，两立柱距离为所述横梁的长度；所述横梁安装在两立柱的顶端，与两根立柱及底板形成口字型结构；在横梁的中间设有力传感器安装孔。

如图2所示，所述微型扑翼飞行器实验平台的信息采集装置由三部分组成，包括光电传感器1、六轴力传感器9和示波器4；具体的：光电传感器1通过对机翼的扑动运动进行光反射计数，从而采集到扑翼频率信号；六轴力传感器9在飞行器机体进行力信号采集，从而采集到作用在飞行器机体上的气动力和气动力矩；示波器4检测飞行器机载电路上的电信号，从而采集到飞行器机载电路上的电流和电压；然后所有采集到的信号以数据格式传输至上位计算机3，上位计算机3进行数据识别和数据处理。

本发明的实验平台支持飞行实验中微型扑翼飞行器的姿态调整，由于扑翼式飞行器特殊的飞行机理，不同飞行姿态下的飞行特性有很大不同，因此微型扑翼飞行器在不同飞行姿态下的飞行实验测试十分必要，本发明的实验平台提供了姿态转换接头，其结构如图3所示，姿态转换接头可安装于微型扑翼飞行器8与六轴力传感器9之间，姿态转换接头包含两组插孔，一组用于连接微型扑翼飞行器8，一组用于连接六轴力传感器9，可以通过改变两组插孔之间的夹角可以实现飞行姿态的转换。

本发明的实验平台的固定底座2支持三自由度位置调节，由于不同的扑翼机构和不同的飞行姿态可能导致机翼频率捕捉点位置的改变，为了提高实验平台的通用性，实验平台提供了固定底座2，固定底座2至少包括：沿水平方向与竖直方向的滑槽；光电传感器固定安装在水平方向或竖直方向的滑槽任意位置。

本实施例中给出固定底座2的一种实现方式，具体如图4所示，包括：底板、带滑槽的竖板和带滑槽的横板三部分组成；底板中部设有安装孔；带滑槽的竖板通过螺钉安装于底板安装孔处；带滑槽的横板通过螺母垂直固定于带滑槽的竖板任意位置，光电传感器1可通过螺母安装在带滑槽的竖板或带滑槽的横板上的滑槽任意位置，通过调节光电传感器1在带滑槽的竖板和带滑槽的横板上的安装位置，来调整光电传感器1的检测方向和距离，实现对光电传感器1多角度、多方位的调节。

基于本发明实验平台的飞行数据采集的方法，包括以下几个步骤：

步骤一：确定飞行器实验姿态，将微型扑翼飞行器8通过碳棒连接上实验平台中的飞行姿态转换接头中相应姿态角定位孔，然后将飞行姿态转换接头连同微型扑翼飞行器8安装于飞行器固定支架7；

步骤二：将微型扑翼飞行器8通过连线连接上直流电源供应器5，直流电源供应器5向微型扑翼飞行器8提供稳压直流信号，通过调节直流电源供应器5可改变输入电信号的强弱，为了进一步提高调节精度，可以在粗调节后使用直流调速器进行细调节，飞行器驱动电机接收电信号驱动机翼进行扑动，并通过频率仪6实时显示飞行器的扑翼频率，飞行器扑动机翼从而产生相应的气动力和气动力矩，六轴力传感器9测量到微型扑翼飞行器8在扑动机翼时产生的力和力矩，并将力和力矩通过数据线实时传送给上位计算机3，上位计算机3将六轴力传感器9测量得到的气动力和气动力矩以数据的形式保存；

步骤三：将示波器4通过连线与飞行器机载电路硬件相连，示波器4测量到微型扑翼飞行器8在做扑翼运动时所需的实时电压和电流信号，并将电压、电流信号通过数据线传送给上位计算机3，上位计算机3将示波器4测量到的电压和电流信号以数据的形式保存；

步骤四：上位计算机4分别对气动力、气动力矩以及电信号数据进行识别，得到各个数据随时间变化的周期曲线以及各个数据之间的关系。频率仪6实时显示飞行器的扑翼频率在上位计算机处理时，可以根据需要，采用手动输入的方式输入上位计算机。

上述步骤四中涉及到了上位计算机3对电信号的处理，原因是由于示波器4采集到的是电压和电流信号，而微型扑翼飞行器8在做扑翼运动时所需的能耗是扑翼飞行器研发中重点考虑的问题，因此针对飞行实验而言需要将电压和电流信号转化为功率信号，本实施例提供的转化过程如下：

参见图5，在对微型扑翼飞行器8工作时进行功率信号采集时需加入一个阻值为R_r的实验辅助电阻10，将其连入直流电源供应器5的输出正极与微型扑翼飞行器8机载电路之间，然后利用示波器4对实验辅助电阻10两端的电压进行双通道采集，再通过连线，将直流电源供应器5输出正极连入实验辅助电阻10与示波器4的通道Ⅰ之间，将直流电源供应器5输出负极连入实验辅助电阻10与示波器4的通道Ⅱ之间，通道Ⅰ和通道Ⅱ分别采集到的电压信号为V₁和V₂，即可通过式(1)计算可得到微型扑翼飞行器8做扑翼运动的工作功率：

公式(1)中T是扑翼运动的时间周期，t是时间变量，V₁(t)和V₂(t)分别是电源电压和驱动直流电机的输入电压。

上位计算机4通过上述过程对电信号进行处理分析，可得到微型扑翼飞行器8在扑翼频率不变的情况下一个扑翼周期内的平均功率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种微型扑翼飞行器实验平台，其特征在于，包括：飞行器固定支架、直流电源供应器、光电传感器、固定底座、六轴力传感器、频率仪、示波器和上位计算机；微型扑翼飞行器通过碳棒与六轴力传感器相连，六轴力传感器固定在飞行器固定支架上，且六轴力传感器与上位计算机连接；光电传感器安装在固定底座上，且光电传感器与频率仪相连；直流电源供应器与微型扑翼飞行器连接，示波器与微型扑翼飞行器连接；

还包括：姿态转换接头，所述姿态转换接头安装于微型扑翼飞行器与六轴力传感器之间；姿态转换接头包含两组插孔，其中一组插孔用于连接微型扑翼飞行器，另一组插孔用于连接六轴力传感器，通过改变两组插孔之间的夹角实现飞行姿态的转换；

飞行器固定支架呈口字型结构，微型扑翼飞行器机翼穿过该口字型结构的开口。

2.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器实验平台，其特征在于，固定底座至少包括：沿水平方向与竖直方向的滑槽；光电传感器固定安装在水平方向或竖直方向的滑槽任意位置。

3.根据权利要求2所述的一种微型扑翼飞行器实验平台，其特征在于，还包括：直流调速器，直流电源供应器通过直流调速器与微型扑翼飞行器连接。

4.根据权利要求3所述的一种微型扑翼飞行器实验平台，其特征在于，直流电源供应器用连线与微型扑翼飞行器的驱动电机连接。

5.基于权利要求4所述的一种微型扑翼飞行器实验平台的飞行数据采集方法，其特征在于，包括：

S1、通过光电传感器对微型扑翼飞行器机翼的扑动运动进行光反射计数，从而采集到扑翼频率信号，并通过频率仪显示实时的扑翼频率；

S2、通过六轴力传感器测量得到微型扑翼飞行器在扑动机翼时产生的气动力和气动力矩，并将测量得到的气动力和气动力矩实时传送给上位计算机；

S3、通过示波器采集微型扑翼飞行器在做扑翼运动时的实时电压和电流信号，并将采集到的电压、电流信号传送给上位计算机；

S4、上位计算机对扑翼频率、气动力、气动力矩、电压以及电流信号进行识别处理，并将示波器采集到的电压信号转化为扑翼功率并保存，最终得到扑翼频率、气动力、气动力矩、扑翼功率四组数据和各自随时间变化的周期曲线。

6.根据权利要求5所述的一种微型扑翼飞行器实验平台的飞行数据采集方法，其特征在于，步骤S4中，将示波器采集到的电压信号转化为扑翼功率的过程为：加入实验辅助电阻，通过将该实验辅助电阻连入直流电源供应器的输出正极与微型扑翼飞行器机载电路之间，采用示波器对实验辅助电阻两端的电压进行双通道采集；通过对采集到的实验辅助电阻两端的电压进行计算，得到扑翼功率。

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