CN110263398B - 一种基于piv的模型昆虫翅的驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置，包括模型翅、模型翅驱动机构、油箱、油介质、示踪粒子、PIV成像装置；模型翅安装于模型翅驱动机构上，并架设在油箱上方，模型翅驱动机构的一部分和模型翅浸入油介质中，驱动机构的电机和舵机以水平垂直转动和平动耦合的方式使模型翅模拟真实昆虫的扑翼轨迹，按照设定的速度进行扑动，油介质对模型翅的反作用力驱动模型翅向前推进，采用PIV成像装置照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统摄取扑翼动作过程中两次或多次曝光的示踪粒子图像。本发明基于雷诺数相等的原理，设计模型翅的尺寸和拍动速度，以及合适的油介质，便于研究昆虫实际飞行过程的动力学原理，易于观察。
Description
技术领域
本发明属于航空工程的仿生技术领域，具体是涉及一种基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置。
背景技术
扑翼飞行器(ornithopter)，是指像鸟类或昆虫—样通过机翼主动运动拍打空气的反力作为升力和推力的飞行器，通过机翼及尾翼的位置改变进行机动飞行。其基于仿生学原理设计制造，与固定翼和旋翼相比，扑翼的主要特点是将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，同时，具有较强的机动性。目前扑翼飞行器的发展逐渐向模拟鸟类或者模拟昆虫两个方向发展，其中，模拟昆虫飞行的微型扑翼飞行器在民用和国防领域有十分重要而广泛的应用，并能完成许多其他飞行器所无法执行的任务，如生化探测与环境监测，以及用于战场侦察、巡逻、突袭、信号干扰及进行城市作战等。
目前所研究的仿生微型扑翼飞行器，主要在结构和扑动方式上模仿扑翼昆虫，但其推进效率远远低于实际的扑翼昆虫，而对于实际昆虫扑翼动作及其对空气的扰动作用，目前的研究还不够深入。但因为昆虫翅膀小，在空气中运动，很难观察翅膀在运动过程中周围的空气流动情况，继而得到昆虫飞行过程中的高升力机理。
发明内容
为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置。为了保证雷诺数相等，把昆虫翅膀放大，拍动频率变小，本发明应用粒子图像测速技术，在流体中投放示踪粒子，用高速摄像机摄取模型翅拍打过程中周围粒子的图像。
本发明完整的技术方案包括：
一种基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置，其特征在于，包括模型翅、模型翅驱动机构、油箱、油介质、示踪粒子、PIV成像装置；
所述模型翅安装于模型翅驱动机构上，并架设在油箱上方，油箱中装有油介质，使模型翅驱动机构的一部分和模型翅浸入油介质中，模型翅驱动机构驱动模型翅模拟昆虫的扑翼动作，同时投放示踪粒子，并采用PIV成像装置照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统摄取扑翼动作过程中两次或多次曝光的示踪粒子图像；
所述的模型翅驱动机构包括最上方对称设置的左右横梁，所述横梁上设有滑槽，连接支架卡入滑槽并可沿着滑槽水平移动，带动模型翅进行水平运动，以模拟模型翅的往前飞的状态，拍动机构与连接支架相连，可实现模型翅的拍动，所述拍动机构包括电机，所述电机位于连接支架上，并通过轴承端盖和角接触轴承，与连接轴相连；电机通过轴承端盖和角接触轴承驱动连接轴围绕垂直轴线进行转动；转动机构位于连接轴下方，可以实现模型翅的转动，转动机构包括第一舵机，驱动模型翅进行上下平动，第二舵机驱动模型翅围绕水平轴线转动，第二舵机与转轴相连，转轴上连接有模型翅，第一舵机与第二舵机的轴线相交；连接轴通过法兰带动下面整个转动机构的运动；
所述油介质采用如下方法确定：根据雷诺数相等与PIV的原理，通过如下公式：
式中，c为真实昆虫的弦长，U为昆虫飞行速度，μ为空气的动力学粘度，ρ为空气密度，将模型翅的展长尺寸变大到20cm，速度变为1m/s，通过调配相应粘度和密度的油介质，使模型翅在油中运动的雷诺数与真实昆虫在空气飞行的雷诺数相等。
在本发明的一些实施方式中，还包括前处理系统，所述前处理系统采集昆虫的实际飞行动作，并应用于模型昆虫翅及其驱动装置上，使模型翅按照昆虫的实际扑翼轨迹和速度进行拍动。
在本发明的一些实施方式中，所述前处理系统进行昆虫运动采集的方法包括：
(1)三台高速摄像机正交布置，其视场相交于飞行箱体的中部一小块飞行区域内，当昆虫飞入这一区域后触发拍摄，从三个不同视图同步捕获多个昆虫飞行周期时的图像序列；
(2)昆虫形态学数据的测量，通过高精度天平称量昆虫身体及翅膀的质量，并扫描昆虫身体和翅膀的尺寸信息以获得昆虫轮廓信息；
(3)图像匹配，依次加载五个周期以上的拍摄照片与昆虫轮廓，通过上下，左右，运动，转动昆虫轮廓，与拍摄照片进行匹配，分别计算得到出昆虫运动的三个欧拉角；
(4)通过重构匹配后的各照片的欧拉角数据，得到昆虫的运动行为。
在本发明的一些实施方式中，基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置进行粒子图像测速操作的方法为，将模型翅放入油介质中，撒入示踪粒子，开启PIV成像装置，按照前处理得到的昆虫扑翼轨迹和速度参数，启动电机和舵机，以绕水平轴线转动、绕垂直轴线转动、上下平动三种运动方式耦合的方式使模型翅的运动轨迹模拟真实昆虫的扑翼轨迹，模型翅按照昆虫实际扑翼轨迹，并按照设定的速度进行扑动，作用于油介质，油介质对模型翅的反作用力驱动模型翅沿着滑槽向前推进，在此过程中PIV成像装置摄取两次或多次曝光的示踪粒子图像，形成PIV实验图像，再利用图像互相关方法分析PIV图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维速度。
通过使用本发明的模型昆虫翅的驱动装置，获得了如下有利的技术效果：
1.基于雷诺数相等的原理，把昆虫翅膀放大，拍动频率变小，并使模型翅的扑翼动作符合实际昆虫的飞行动作，选择合适粘度和密度的油介质，使模型翅与实际昆虫扑翼与周围介质的作用力相同，应用粒子图像测速技术，在流体中投放示踪粒子，用高速摄像机摄取模型翅拍打过程中周围粒子的图像。既高度符合了实际的运动规律，便于研究昆虫实际飞行过程的动力学原理，又易于观察。
2.前处理系统通过拍摄、昆虫形态学数据的测量，图像匹配，重构，得到了参数化的昆虫运动行为细节描述，并从多个运动的维度描述昆虫的运动行为。对微型扑翼飞行器的结构和扑动方式设计上具有重要的参考和借鉴意义。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的模型昆虫翅驱动装置整体结构示意图；
图2为装置局部示意图；
图3为装置又一局部示意图；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行描述，且只适用于对发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明内容对本发明进行作一些非本质的改进和调整。
PIV方法的原理是在流场中散播一些适当的示踪粒子，用脉冲激光片光照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统摄取两次或多次曝光的粒子图像，形成PIV实验图像，再利用图像互相关方法分析PIV图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维速度。
由于真实昆虫在空中飞行时，周围的空气流动不易观察。本发明基于上述原理，采用对模型昆虫翅及其驱动装置进行设计的方式进行研究。该装置是为了模拟昆虫悬停与前飞的装置。该装置包括模型翅、模型翅驱动机构、油箱、油介质、示踪粒子、PIV成像装置，在一种优选的实施方式中，还包括前处理系统。
模型翅安装于模型翅驱动机构上，并架设在油箱上方，油箱中装有油介质，使模型翅驱动机构的一部分和模型翅浸入油介质中，模型翅驱动机构驱动模型翅模拟昆虫的扑翼动作，同时投放示踪粒子，并采用PIV成像装置照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统摄取扑翼动作过程中两次或多次曝光的示踪粒子图像，形成PIV实验图像，再利用图像互相关方法分析PIV图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维速度。
由于实际昆虫的翅膀很小，同时周围空气的密度和粘度很小，拍动速度很快，导致难以观察。但如果放大倍数并减速，将导致模型翅的动作及其与周围介质的作用力发生变化，并由此导致周围介质的运动发生改变，因而得到的结果出现较大误差。因此，本发明提出了一种基于相同雷诺数的观测方法，根据雷诺数相等与PIV的原理，本发明把昆虫翅膀放大倍数，拍打频率变小，在一个粘性系数大的油箱里进行观测，旨在揭示昆虫的高升力机制。具体为通过如下公式：
式中，c为真实昆虫的弦长，U为昆虫飞行速度，μ为空气的动力学粘度，ρ为空气密度，在保证雷诺数相等的情况下，本发明中将模型翅的展长尺寸变大到20cm，速度变为1m/s，通过调配相应粘度和密度的油介质，使模型翅在油中运动的雷诺数与真实昆虫在空气飞行的雷诺数相等。
本发明的模型翅驱动装置通过三个电机，实现多个自由度的平动和转动耦合，以求最大程度上实现对昆虫的实际扑翼动作的仿真模拟，具体包括：最上方对称设置的左右横梁1，横梁上设有滑槽5，连接支架卡入滑槽，可以实现模型翅的水平运动，以模拟模型翅的往前飞的状态，拍动机构2是为了实现模型翅的拍动，转动机构3是为了实现转动功能。拍动机构2包括电机4，电机位于连接支架上，并通过轴承端盖和角接触轴承7，与连接轴6相连。
电机通过轴承端盖和角接触轴承驱动连接轴围绕垂直轴线进行转动；转动机构3位于连接轴下方，可以实现模型翅的转动，转动机构包括第一舵机8，驱动模型翅进行上下平动，第二舵机9驱动模型翅围绕水平轴线转动，第二舵机与转轴11相连，转轴上连接有模型翅，第一舵机与第二舵机的轴线相交，便于通过控制实现模型翅平动与转动；连接轴通过法兰10带动下面整个转动机构的运动；
在一种优选的实施方式中，本发明还包括前处理系统，通过前处理系统采集到昆虫的实际飞行动作，并应用于本发明的模型昆虫模型翅及其驱动装置上，使模型翅按照昆虫的实际扑翼轨迹和速度进行拍动，具体包括从三个不同视图同步捕获昆虫飞行时的图像序列。三台高速摄像机的视场相交于飞行箱体的中部一小块飞行区域内，当昆虫飞入这一区域后触发拍摄。三台摄像机的布置有效地防止了昆虫身体对翅膀的遮挡，确保昆虫在做任意动作时都至少有两台摄像机拍摄到同一翅膀，拥有足够的信息来重建其位置和姿态。
进行形态学数据的测量，主要通过高精度天平称量昆虫身体及翅膀的质量，并扫描身体和翅膀的轮廓来获得尺寸信息。
在后处理软件中，通过把五个周期以上的拍摄照片跟昆虫轮廓加载进去，昆虫轮廓通过上下，左右，运动，转动，匹配拍摄照片，算出昆虫运动的三个欧拉角，并重构上述信息，得到参数化的昆虫运动行为细节描述，并从多个运动的维度描述昆虫的运动行为。
欧拉角的计算公式为：
θ＝arcsin(-E(1,3)) (2)
θ为翅膀相对于拍动平面坐标系的俯仰角，
为翅膀相对于拍动平面坐标系的偏航角，φ为翅膀相对于拍动平面坐标系的翻滚角，其中E是坐标转换矩阵。
通过匹配后的各照片的欧拉角数据进行重构，得到昆虫的运动轨迹。
具体的粒子图像测速操作方法为：
将模型翅放入油介质中，撒入示踪粒子，开启PIV成像装置，按照前处理得到的昆虫扑翼轨迹和速度参数，启动电机和舵机，以绕水平轴线转动、绕垂直轴线转动、上下平动三种运动方式耦合的方式使模型翅的运动轨迹模拟真实昆虫的扑翼轨迹，模型翅按照昆虫实际扑翼轨迹，并按照设定的速度进行扑动，作用于油介质，油介质对模型翅的反作用力驱动模型翅向前推进，在此过程中PIV成像装置摄取两次或多次曝光的示踪粒子图像，形成PIV实验图像，再利用图像互相关方法分析PIV图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维速度。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (4)
1.一种基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置，其特征在于，包括模型翅、模型翅驱动机构、油箱、油介质、示踪粒子、PIV成像装置；
所述模型翅安装于模型翅驱动机构上，并架设在油箱上方，油箱中装有油介质，使模型翅驱动机构的一部分和模型翅浸入油介质中，模型翅驱动机构驱动模型翅模拟昆虫的扑翼动作，同时投放示踪粒子，并采用PIV成像装置照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统摄取扑翼动作过程中多次曝光的示踪粒子图像；
所述的模型翅驱动机构包括最上方对称设置的左右横梁，所述横梁上设有滑槽，连接支架卡入滑槽并可沿着滑槽水平移动，带动模型翅进行水平运动，以模拟模型翅的往前飞的状态，拍动机构与连接支架相连，可实现模型翅的拍动，所述拍动机构包括电机，所述电机位于连接支架上，并通过轴承端盖和角接触轴承，与连接轴相连；电机通过轴承端盖和角接触轴承驱动连接轴围绕垂直轴线进行转动；转动机构位于连接轴下方，可以实现模型翅的转动，转动机构包括第一舵机，驱动模型翅进行上下平动，第二舵机驱动模型翅围绕水平轴线转动，第二舵机与转轴相连，转轴上连接有模型翅，第一舵机与第二舵机的轴线相交；连接轴通过法兰带动下面整个转动机构的运动；
所述油介质采用如下方法确定：根据雷诺数相等与PIV的原理，通过如下公式：
式中，c为真实昆虫的弦长，U为昆虫飞行速度，μ为空气的动力学粘度，ρ为空气密度，将模型翅的展长尺寸变大到20cm，速度变为1m/s，通过调配相应粘度和密度的油介质，使仿翅在油中运动的雷诺数与真实昆虫在空气飞行的雷诺数相等。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置，其特征在于，还包括前处理系统，所述前处理系统采集昆虫的实际飞行动作，并应用于模型昆虫仿翅及其驱动装置上，使仿翅按照昆虫的实际扑翼轨迹和速度进行拍动。
3.根据权利要求2所述的一种基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置，其特征在于，所述前处理系统进行昆虫运动采集的方法包括：
(1)三台高速摄像机正交布置，其视场相交于飞行箱体的中部一小块飞行区域内，当昆虫飞入这一区域后触发拍摄，从三个不同视图同步捕获多个昆虫飞行周期时的图像序列；
(2)昆虫形态学数据的测量，通过高精度天平称量昆虫身体及翅膀的质量，并扫描昆虫身体和翅膀的尺寸信息以获得昆虫轮廓信息；
(3)图像匹配，依次加载五个周期以上的拍摄照片与昆虫轮廓，通过上下，左右，转动昆虫轮廓，与拍摄照片进行匹配，分别计算得到出昆虫运动的三个欧拉角；
(4)通过重构匹配后的各照片的欧拉角数据，得到昆虫的运动行为。
4.一种采用权利要求3所述的基于PIV的模型昆虫翅的驱动装置进行粒子图像测速操作的方法，其特征在于，将模型仿翅放入油介质中，撒入示踪粒子，开启PIV成像装置，按照前处理得到的昆虫扑翼轨迹和速度参数，启动电机和舵机，以绕水平轴线转动、绕垂直轴线转动、上下平动三种运动方式耦合的方式使仿翅的运动轨迹模拟真实昆虫的扑翼轨迹，仿翅按照昆虫实际扑翼轨迹，并按照设定的速度进行扑动，作用于油介质，油介质对模型翅的反作用力驱动模型翅向前推进，在此过程中PIV成像装置摄取多次曝光的示踪粒子图像，形成PIV实验图像，再利用图像互相关方法分析PIV图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维速度。
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