CN112009722B - 一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扑翼微型飞行器气动及机械效率测量装置。该装置包含扑翼微型飞行器、真空装置、测量设备及支撑架。本发明测量装置可通过分步测试，将扑翼微型飞行器机构功耗、惯性功耗和气功功耗有效拆分并精准测量，并且可以同步实现对扑翼微型飞行器的多状态量的观测。基于本发明测试装置的方法有利于评估扑翼微型飞行器机构设计和气动设计性能，对扑翼微型飞行器优化具有指导意义。

Description

一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置。

背景技术

微型飞行器是一种尺寸小、重量轻、具有一定负载能力和自主飞行能力的新概念飞行器。自上世纪末微型飞行器的概念提出以来，由于其潜在的军事领域和民用领域的用途，微型飞行器成为了各国科研者关注的重点。

微型飞行器尺寸小的特点使其未来应用场景更多集中在执行狭小空间内的各项任务，如探险救灾、军事侦察、辅助救援等。为此，微型飞行器多期望具有悬停飞行能力。当前可悬停微型飞行器主要有旋翼微型飞行器和扑翼微型飞行器两类。可悬停的扑翼微型飞行器受重量和尺寸的限制，在当前设计技术条件下其电源利用率较低且能源负载可携带量有限，这显然难以满足微型飞行器续航需求。因此，为提高扑翼微型飞行器在有限能源条件下的负载能力和续航能力，扑翼微型飞行器设计时必须尽可能提高其能量利用效率。

扑翼微型飞行器的功耗主要分为机械功耗、惯性功耗和气动功耗三部分，前两者为无用功耗，主要消耗在机构往复运动和机构摩擦上，后者为有用功耗，主要用于维持升力和力矩产生。为提升飞行器的效率，不仅需要减小飞行器的机械功耗，提高传动效率，而且还应提高飞行器气动效率，实现消耗较小的气动能耗产生更高的升力。从扑翼微型飞行器设计的角度，准确获得扑翼飞行器的机械功耗和气动功耗，以此为依据评估机构设计和气动设计性能，并据此进行设计改进有着极为重要的意义。

目前扑翼微型飞行器性能评估主要集中在气动力或惯性力的测量，很少关注飞行器效率。但从飞行器设计角度而言，仍有必要开发一套用于准确测量扑翼微型飞行器机械效率和升力效率的装置。扑翼微型飞行器工作时翼高频往复拍动，因此在拍动过程中同时有机械功耗、惯性功耗及气动功耗且三种功耗成分紧耦合在一起，通常很难在测量过程中予以分开，在发明上述测量装置时应着重考虑这一问题。

发明内容

本发明针对现有扑翼微型飞行器性能评估主要集中在力测量，很少关注飞行器效率的测量，且飞行器效率在测量过程中难以有效区分机械功耗、惯性功耗和气动功耗的问题，提出了一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置；利用该发明，可实现扑翼微型飞行器机械功耗、惯性功耗和气动功耗的准确测量，实现对传动效率和气动效率的计算评估，相关测量和计算结果可为扑翼微型飞行器效率评估与优化提供指导。

所述一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置包括扑翼微型飞行器、真空装置、测量设备及支撑架。

所述扑翼微型飞行器为测量设备的测量对象，由电机提供动力的双扑翼、四扑翼、扑旋翼等各类扑翼微型飞行器均可以使用本发明装置测量飞行器气动效率和机械效率；所述扑翼微型飞行器包括底座、机翼、动力装置，扑翼微型飞行器的底座留有安装孔以便安装所述扑翼微型飞行器和所述扑翼支撑架，并按照悬停产生升力的方向竖直向上放置；所述动力装置在测量时由稳压电源直接供电驱动，以便测量过程中调节动力装置的输入功率。

所述真空装置由密封平板、真空罩、排气阀、真空泵、软管和数字气压计组成；所述密封平板为40mm厚的亚力克板，密封平板上开有四个圆形通孔，分别为排气阀安装孔、排线孔、激光测频仪支架固定孔和扑翼支架固定孔，分别用于固定排气阀、通过真空罩内设备外接线、固定激光测频仪支撑架和固定扑翼固定支架；所述真空罩为一透明的半球形壳体，由丙烯酸塑料注塑制成，至少可承受一个大气压差；所述真空罩扣于密封平板上，真空罩与密封平板接触的平面周围用密封胶进行密封；所述排气阀为一圆柱形管，用于连接真空腔体与真空泵，所述排气阀的外部直径略大于所述密封平板上的排气阀安装孔，所述排气阀一端过盈配合插入排气阀安装孔中，另一端依靠过盈配合插入软管的内壁，并分别涂抹密封胶密封；所述真空罩内空气经软管由真空泵抽出，所述真空泵置于真空罩外；所述真空泵上有两个接口，一个接口通过软管与排气阀连接用于抽吸空气，另外一个接口与数字气压计连接，用于显示真空罩内实时气压；真空状态测量前，利用真空泵抽吸真空罩内空气，使得真空罩与密封平板之间的封闭空间的气压近似真空状态，所述近似真空状态为真空罩内封闭区间的气压<5kPa。

所述测量设备包括激光测频仪、高精度测力传感器、数据采集器、电脑和稳压电源；所述激光测频仪和高精度测力传感器置于真空罩内；所述数据采集器、电脑和稳压电源置于真空罩外；所述激光测频仪用于测量扑翼微型飞行器的拍动频率，所述激光测频仪的探头为激光输出和接收端，所述探头正对扑翼微型飞行器的左摇臂输出端朝下；所述高精度测力传感器用于测量扑翼微型飞行器的三轴力与力矩，所述高精度测力传感器测的测力表面与所述支撑架的扑翼连接架连接，所述高精度测力传感器的底座与所述支撑架的测力传感器固定架连接，所述数据采集器通过数据线与测力传感器信号线连接，所述数据采集器获得的力和力矩数据由所述电脑实时处理和记录；所述稳压电源通过导线直接与扑翼微型飞行器的动力装置连接，用于提供飞行器拍动动力以及记录飞行器实时输入电压与电流。

所述支撑架包括激光测频仪支撑架和扑翼固定支架；所述激光测频仪支撑架由两根钢柱、十字交叉支柱夹具和测频仪夹具组成，其中一根钢柱下端通过盈配合竖直插入所述密封平板的激光测频仪支架固定孔中，上端套入所述十字交叉支柱夹具中；所述十字交叉支柱夹具的另一孔位水平插入另一根钢柱，形成直角支架；所述测频仪夹具由3D打印而成，一端留有孔位插入钢柱中与所述直角支架固定，另一端通过方形孔位与激光测频仪形成过盈配合，从而固定住激光测频仪；所述扑翼固定支架包含测力传感器固定架和扑翼连接架，所述测力传感器固定架和扑翼连接架皆为3D打印而成；所述测力传感器固定架下端通过过盈配合插入密封平板的扑翼支架固定孔中，上端与高精度测力传感器下底面通过螺钉固连；所述扑翼连接架的下端与高精度测力传感器测力表面通过螺钉固连，所述扑翼连接架的上端预留有安装空腔，用于固定扑翼微型飞行器。

所述一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置的搭建和使用实施过程如下：

(1)将密封平板置于一平面上，依次将测力传感器固定架、激光测频仪支撑架和排气阀固定于密封平板上，再将激光测频仪通过测频仪夹具固定于激光测频仪支撑架上，将高精度测力传感器、扑翼连接架和未装机翼的扑翼微型飞行器依次固定于测力传感器固定架上；

(2)将软管一端接在排气阀的输出口，另一端接到真空泵上，并分别用铁缠绕加固密封；将数字气压计插在真空泵的端口上；将电脑、数据采集器和测力传感器依次通过数据线连接；用导线将稳压电源与扑翼微型飞行器的动力装置连接；将激光测频仪、高精度测力传感器、扑翼微型飞行器的动力装置的电源线和数据线穿过排线孔；

(3)打开稳压电源，调节稳压电源使得扑翼微型飞行器扑动至额定拍动频率；记录此时稳压电源的输出电压和输出电流、测力传感器测得的力与力矩和激光测频仪显示的拍动频率；此时稳压电源输出的功率等于机械功耗，记为功耗一；

(4)关闭稳压电源，安装扑翼微型飞行器机翼；

(5)重复步骤3，此时稳压电源输出的功率等于机械功耗、惯性功耗和气动功耗之和，记为功耗二；

(6)扣上真空罩，在真空罩与密封平板接触的平面周围、密封平板的四个通孔周围用密封胶进行密封；

(7)打开真空泵，将真空罩内腔体抽至近似真空状态，所述近似真空状态为真空罩内封闭区间的气压<5kPa；

(8)重复步骤3，在近似真空状态下，扑翼微型飞行器无气动力产生，记录稳压电源输出的功率，即机械功耗和惯性功耗，记为功耗三；

(9)关闭所有设备，测量结束；

(10)功耗和效率计算，功耗一为机械功耗，功耗三减去功耗一即为惯性功耗，功耗二减去功耗三即为扑翼微型飞行器气动功耗；升力与气动功耗之比为气动效率；气动功耗与惯性功耗的和与功耗二之比为机械效率。

本发明的优点在于：

1、一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置，利用所述测试装置分步测试，可将扑翼微型飞行器机械功耗、惯性功耗和气功功耗有效拆分并精准测量，有利于评估扑翼微型飞行器机构设计和气动设计性能，对扑翼微型飞行器优化具有指导意义。

2、一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置，通过所述测量装置，可以同步实现对扑翼微型飞行器的多状态量进行观测，包括拍动频率、三轴力与力矩、整机耗功、机械耗功、惯性耗功、气动耗功。

附图说明

图1是本发明一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置的整体示意图；

图2是本发明一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置的真空设备示意图；

图3是本发明一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置的测量设备示意图；

图4是本发明一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置的支撑架示意图；

图中：

1-扑翼微型飞行器 2-真空装置 3-测量设备

4-支撑架

201-密封平板 202-真空罩 203-排气阀

204-真空泵 205-软管 206-数字气压计

301-激光测频仪 302-高精度测力传感器 303-数据采集器

304-电脑 305-稳压电源

401-钢柱一 402-十字交叉支柱夹具 403-钢柱二

404-测频仪夹具 405-测力传感器固定架 406-扑翼连接架

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

本发明一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置，如图1所示，包括扑翼微型飞行器1、真空装置2、测量设备3和支撑架4。

如图1所示，所述扑翼微型飞行器1为测量设备的测量对象，由电机提供动力的双扑翼、四扑翼、扑旋翼等各类扑翼微型飞行器均可以使用本发明装置测量飞行器气动效率和机械效率；所述扑翼微型飞行器1包含有底座、机翼、动力装置，扑翼微型飞行器的底座留有安装孔以便安装扑翼微型飞行器1和所述扑翼支撑架4，并按照悬停产生升力的方向竖直向上放置；所述扑翼微型飞行器1的动力装置在测量时由稳压电源305直接供电驱动，以便测量过程中调节动力装置的输入功率。

如图2所示，所述真空装置2由密封平板201、真空罩202、排气阀203、真空泵204、软管205和数字气压计206组成；所述密封平板201为40mm厚的亚力克板，在密封平板201上开有四个圆形通孔，分别为排气阀安装孔、排线孔、激光测频仪支架固定孔和扑翼支架固定孔，分别用于固定排气阀203、通过真空罩内设备外接线、固定激光测频仪支撑架和固定扑翼固定支架。所述真空罩202为一透明的半球形壳体，由丙烯酸塑料注塑制成，至少可承受一个大气压差；所述真空罩202扣于密封平板201上，真空罩202与密封平板201接触的平面周围用密封胶进行密封；排气阀203为一圆柱形管，用于连接真空腔体与真空泵204，所述排气阀203的外部直径略大于所述密封平板201上的排气阀安装孔，排气阀203一端通过过盈配合插入排气阀安装孔中，另一端依靠过盈配合插入软管205的内壁，并分别涂抹密封胶密封；所述真空罩202内空气经软管205由真空泵204抽出，真空泵204置于真空罩202外；所述真空泵204上有两个接口，一个接口通过软管205与排气阀203连接用于抽吸空气，另外一个接口与数字气压计206连接，用于显示真空罩202内实时气压；真空状态测量前，利用真空泵204抽吸真空罩202内空气，使得真空罩202与密封平板201之间的封闭空间的气压近似真空状态，所述近似真空状态为真空罩内封闭区间的气压<5kPa。

如图3所示，所述测量设备3包括激光测频仪301、高精度测力传感器302、数据采集器303、电脑304和稳压电源305；所述激光测频仪301和高精度测力传感器302置于真空罩202内；所述数据采集器303、电脑304和稳压电源305置于真空罩202外；所述激光测频仪301用于测量扑翼微型飞行器1的拍动频率，所述激光测频仪301的探头为激光输出和接收端，所述探头正对扑翼微型飞行器1的左摇臂输出端朝下；所述高精度测力传感器302用于扑翼微型飞行器1的三轴力与力矩测量，所述高精度测力传感器302的测力表面与所述支撑架4的扑翼连接架406连接，所述高精度测力传感器302的底座与所述支撑架4的测力传感器固定架405连接，所述数据采集器303通过数据线与测力传感器信号线连接，所述数据采集器303获得的力和力矩数据由所述电脑304实时处理和记录；所述稳压电源305通过导线直接与扑翼微型飞行器1的动力装置连接，用于提供飞行器拍动动力以及记录飞行器实时输入电压与电流。

如图4所示，所述支撑架4包括激光测频仪支撑架和扑翼固定支架；所述激光测频仪支撑架由钢柱一401和钢柱二403、十字交叉支柱夹具402和测频仪夹具404组成，钢柱一401下端通过盈配合竖直插入所述密封平板201的激光测频仪支架固定孔中，上端套入所述十字交叉支柱夹具402中；所述十字交叉支柱夹具402的另一孔位水平插入钢柱二403，形成直角支架；所述测频仪夹具404由3D打印而成，一端留有孔位插入钢柱二403与所述直角支架固定，另一端通过方形孔位与激光测频仪301形成过盈配合，从而固定住激光测频仪301；所述扑翼固定支架包含测力传感器固定架405和扑翼连接架406，所述测力传感器固定架405和扑翼连接架406皆为3D打印而成；所述测力传感器固定架405下端通过过盈配合插入密封平板201的扑翼支架固定孔中，上端与高精度测力传感器302下底面通过螺钉固连；所述扑翼连接架406的下端与高精度测力传感器302测力表面通过螺钉固连，所述扑翼连接架406的上端预留有安装空腔，用于固定扑翼微型飞行器1。

所述一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置的搭建和使用实施过程如下：

(1)将密封平板201置于一平面上，依次将测力传感器固定架405、激光测频仪支架和排气阀203固定于密封平板201上，再将激光测频仪301通过测频仪夹具404固定于激光测频仪支架上，将高精度测力传感器302、扑翼连接架406和未装机翼的扑翼微型飞行器1依次固定于测力传感器固定架405上；

(2)将软管205一端接在排气阀203的输出口，另一端接到真空泵204上，并分别用铁缠绕加固密封；将数字气压计206插在真空泵204的端口上；将电脑304、数据采集器303和高精度测力传感器302依次通过数据线连接；用导线将稳压电源305与扑翼微型飞行器1的动力装置连接；将激光测频仪301、高精度测力传感器302、扑翼微型飞行器1的动力装置的电源线和数据线穿过排线孔；

(3)打开稳压电源305，调节稳压电源305使得扑翼微型飞行器1扑动至额定拍动频率；记录此时稳压电源305的输出电压和输出电流、高精度测力传感器302测得的力与力矩和激光测频仪301显示的拍动频率；此时稳压电源305输出的功率等于机械功耗，记为功耗一；

(4)关闭稳压电源305，安装扑翼微型飞行器1的机翼；

(5)重复步骤3，此时稳压电源305输出的功率等于机械功耗、惯性功耗和气动功耗之和，记为功耗二；

(6)扣上真空罩202，在真空罩202与密封平板201接触的平面周围、密封平板201的四个通孔周围用密封胶进行密封；

(7)打开真空泵204，将真空罩202内腔体抽至近似真空状态，所述近似真空状态为真空罩内202封闭区间的气压<5kPa；

(8)重复步骤3，在近似真空状态下，扑翼微型飞行器1无气动力产生，记录稳压电源305输出的功率，即机械功耗和惯性功耗，记为功耗三；

(9)关闭所有设备，测量结束；

(10)功耗和效率计算，功耗一为机械功耗，功耗三减去功耗一即为惯性功耗，功耗二减去功耗三即为扑翼微型飞行器1气动功耗；升力与气动功耗之比为气动效率；气动功耗与惯性功耗的和与功耗二之比为机械效率。

Claims (3)

1.一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置，其特征在于，包括扑翼微型飞行器、真空装置、测量设备及支撑架；

所述扑翼微型飞行器为所述测量装置的测量对象，包括底座、机翼、动力装置；所述底座留有安装孔以便安装所述扑翼微型飞行器和所述支撑架，并按照悬停产生升力的方向竖直向上放置；所述动力装置在测量时由稳压电源直接供电驱动，以便测量过程中调节动力装置的输入功率；

所述真空装置由密封平板、真空罩、排气阀、真空泵、软管和数字气压计组成；所述密封平板上开有四个圆形通孔，分别为排气阀安装孔、排线孔、激光测频仪支架固定孔和扑翼支架固定孔，分别用于固定排气阀、通过真空罩内设备外接线、固定激光测频仪支撑架和固定扑翼固定支架；所述真空罩为一透明的半球形壳体，至少可承受一个大气压差；所述真空罩扣于所述密封平板上，所述真空罩与所述密封平板接触的平面周围用密封胶进行密封；所述排气阀为一圆柱形管，用于连接真空腔体与所述真空泵，所述排气阀的外部直径略大于所述密封平板上的排气阀安装孔，所述排气阀一端过盈配合插入所述排气阀安装孔中，另一端依靠过盈配合插入所述软管的内壁，并分别涂抹密封胶密封；所述真空罩内空气经软管由真空泵抽出，所述真空泵置于真空罩外；所述真空泵上有两个接口，一个接口通过所述软管与所述排气阀连接用于抽吸空气，另外一个接口与所述数字气压计连接，用于显示真空罩内实时气压；真空状态测量前，利用所述真空泵抽吸真空罩内空气，使得所述真空罩与所述密封平板之间的封闭空间的气压近似真空状态，所述近似真空状态为真空罩内封闭区间的气压<5kPa；

所述测量设备包括激光测频仪、高精度测力传感器、数据采集器、电脑和稳压电源；所述激光测频仪和高精度测力传感器置于真空罩内；所述数据采集器、电脑和稳压电源置于所述真空罩外；所述激光测频仪用于测量扑翼微型飞行器的拍动频率，所述激光测频仪的探头为激光输出和接收端，所述探头正对扑翼微型飞行器的左摇臂输出端朝下；所述高精度测力传感器用于扑翼微型飞行器三轴力与力矩测量，所述高精度测力传感器的测力表面与所述支撑架的扑翼连接架连接，所述高精度测力传感器的底座与所述支撑架的测力传感器固定架连接，所述数据采集器通过数据线与测力传感器信号线连接，所述数据采集器获得的力和力矩数据由所述电脑实时处理和记录；所述稳压电源通过导线直接与扑翼微型飞行器的动力装置连接，用于提供飞行器拍动动力以及记录飞行器实时输入电压与电流；

所述支撑架包括激光测频仪支撑架和扑翼固定支架；所述激光测频仪支架由两根钢柱、十字交叉支柱夹具和测频仪夹具组成，其中一根钢柱下端通过盈配合竖直插入所述密封平板的激光测频仪支架固定孔中，上端套入所述十字交叉支柱夹具中；所述十字交叉支柱夹具的另一孔位水平插入另一根钢柱，形成直角支架；所述测频仪夹具由3D打印而成，一端留有孔位插入钢柱中与所述直角支架固定，另一端通过方形孔位与激光测频仪形成过盈配合，从而固定住激光测频仪；所述扑翼固定支架包含测力传感器固定架和扑翼连接架，所述测力传感器固定架和扑翼连接架皆为3D打印而成；所述测力传感器固定架下端通过过盈配合插入密封平板的扑翼支架固定孔中，上端与高精度测力传感器下底面通过螺钉固连；所述扑翼连接架的下端与高精度测力传感器测力表面通过螺钉固连，所述扑翼连接架的上端预留有安装空腔，用于固定所述扑翼微型飞行器。

2.如权利要求1一种扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置，其特征在于，所述扑翼微型飞行器为由电机提供动力的双扑翼、四扑翼、扑旋翼的各类扑翼微型飞行器；所述密封平板为40mm厚的亚力克板；所述真空罩由丙烯酸塑料注塑制成。

3.一种如权利要求1-2任意一项所述扑翼微型飞行器气动效率及机械效率测量装置的搭建和测量方法：

(1)将所述密封平板置于一平面上，依次将所述测力传感器固定架、激光测频仪支架和排气阀固定于密封平板上，再将所述激光测频仪通过测频仪夹具固定于激光测频仪支架上，将高精度测力传感器、扑翼连接架和未装机翼的扑翼微型飞行器依次固定于测力传感器固定架上；

(2)将所述软管一端接在排气阀的输出口，另一端接到所述真空泵上，并分别用铁缠绕加固密封；将所述数字气压计插在真空泵的端口上；将所述电脑、数据采集器和测力传感器依次通过数据线连接；用导线将所述稳压电源与扑翼微型飞行器的动力装置连接；将所述激光测频仪、测力传感器、扑翼微型飞行器的动力装置的电源线和数据线穿过所述排线孔；

(3)打开所述稳压电源，调节稳压电源使得扑翼微型飞行器扑动至额定拍动频率；记录此时所述稳压电源的输出电压和输出电流、测力传感器测得的力与力矩、激光测频仪显示的拍动频率；此时所述稳压电源输出的功率等于机械功耗，记为功耗一；

(4)关闭所述稳压电源，安装扑翼微型飞行器的机翼；

(5)重复步骤3，此时所述稳压电源输出的功率等于机械功耗、惯性功耗和气动功耗之和，记为功耗二；

(6)扣上所述真空罩，在所述真空罩与所述密封平板接触的平面周围、密封平板的四个通孔周围用密封胶进行密封；

(7)打开所述真空泵，将所述真空罩内腔体抽至近似真空状态，所述近似真空状态为真空罩内封闭区间的气压<5kPa；

(8)重复步骤3，在近似真空状态下，所述扑翼微型飞行器无气动力产生，记录稳压电源输出的功率，即机械功耗和惯性功耗，记为功耗三；

(9)关闭所有设备，测量结束；

(10)功耗和效率计算，功耗一为机械功耗，功耗三减去功耗一即为惯性功耗，功耗二减去功耗三即为扑翼微型飞行器气动功耗；升力与气动功耗之比为气动效率；气动功耗与惯性功耗的和与功耗二之比为机械效率。

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