CN113295376A - 一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，包括风洞洞体、风机、扑翼机模型调节模块、采集模块、以及控制模块。本发明的风洞洞体为直流式风洞，适于对微型扑翼机的扑翼运动、变形和气动力之间关系进行实验研究；通过扑翼机模型调节模块能够调节扑翼机模型飞行的攻角，通过控制扑翼机模型的工作电压能够控制扑翼机模型的扑动频率，通过风机能够调整气流流速，通过采集模块能够实时采集风洞内部气流参数、扑翼机受力和扑翼机机翼的变形的图像，进行后续数据分析，不仅可以用于微型扑翼机的气动力研究，同样适用于微型旋翼机和固定翼飞机的气动力研究。

Description

一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统

技术领域

本发明涉及微型扑翼飞行器领域，尤其涉及一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统。

背景技术

自然界飞行物如昆虫和小鸟都是借助扑翼方式实现自主飞行,在微型飞行器雷诺数范围内，扑翼机相比于固定翼和旋翼具有稳定好的优势，因此基于昆虫仿生的微型扑翼飞行器研究得到了快速发展。与固定翼和旋翼不同，微型扑翼飞行器依靠扑翼运动和柔性薄膜翅形变产生升力和推进力，因此针对固定翼和旋翼设计的气动性能风洞对微型扑翼机的扑翼运动、变形和气动力之间关系进行分析针对性不强。

风洞实验平台主要用于空气动力学实验，利用了相对运动的原理，一般将研究的模型固定不动，通过改变洞体内的空气的流动速度来模拟自然条件下的飞行状态，并且通过相应的实验仪器来研究飞行器的气动力以及周围空气的流动状态等参数，对于空气动力学的相关研究有很大帮助。

现有实验平台没有针对微型扑翼飞行器进行专门的设计，针对性不强，有的实验平台仅仅是定性的演示装置，无法测量数据，也无法进行风速的调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，能够提供可连续调节并保持稳定的气流，能够调节微型扑翼机飞行迎角，调节扑翼机的扑动频率，采集扑翼变形的图像，适于对微型扑翼机的扑翼运动、变形和气动力之间关系进行实验研究，自动化程度高，操作简便，适用性广。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，包括风洞洞体、风机、扑翼机模型调节模块、采集模块、以及控制模块；

所述风洞洞体为两端开口的管道，其下设有若干用于支撑其使其水平设置的支撑架；

所述风洞洞体从上游至下游包含依次密闭相连的收缩段、稳定段、实验段、扩散段、动力段；

所述收缩段的截面沿着气流方向逐渐缩小；

所为稳定段、实验段为截面相同的直管，其中，所述稳定段的入口处设有蜂窝器，出口处设有第一阻尼网，且稳定段在蜂窝器和第一阻尼网之间还设有第二阻尼网，用于降低气流的紊流度；所述实验段采用透明材质制成，用于放置扑翼机模型进行风洞实验；所述实验段上设有操作口以及用于打开和关闭所述操作口的透明操作盖；

所述扩散段的截面沿着气流方向逐渐扩大，用于把气流的动能转变为压力能，利用摩擦损失降低实验段的速度；

所述动力段为直管；所述风机设置在动力管内，用于产生稳定气流；

所述扑翼机模型调节模块包含活动杆、调节杆、支撑杆和固定销；

所述实验段下壁设有供所述支撑杆穿入的通孔；所述支撑杆竖直设置，上端从实验段下壁的通孔穿入实验段内；

所述活动杆设置在实验段内，其一端用于固定扑翼机模型，另一端和所述支撑杆的上端铰接，能够相对支撑杆自由上下转动；

所述支撑杆上部设有若干定位孔；

所述调节杆上设有若干和支撑杆上定位孔相配合的调节孔，调节杆的上端和所述活动杆的杆身铰接；所述调节杆通过所述固定销将调节杆上的某一调节孔和支撑杆上的某一定位孔锁死来调节扑翼机模型的迎角；

所述采集模块包含多轴力传感器、信号放大电路、数据采集卡、皮托管风速传感器、风速变送器、温湿度传感器和高速相机；

所述多轴力传感器一端和外界固连，另一端和所述支撑杆下端固连，且多轴力传感器依次经信号放大电路、数据采集卡和所述控制模块电气相连，用于采集扑翼机模型的升力和牵引力；

所述皮托管风速传感器通过风速变送器和所述控制模块电气相连，用于测量实验段内气流的速度；

所述温湿度传感器和所述控制模块电气相连，用于测量实验段内的温度和湿度；

所述高速相机通过支架固定在所述实验段上并和所述控制模块电气相连，用于俯拍扑翼机模型的翅翼变形；

所述控制模块还通过风速控制电路和所述风机电气相连，用于存储接收到的各个信号，根据高速相机拍摄的图片计算扑翼机模型的扑动姿态和扑动频率，并控制风机的转速以调节实验段内气流的流速和湍流度。

作为本发明一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统进一步的优化方案，所述风洞洞体在其收缩段、稳定段、实验段、扩散段、动力段的截面均为方形。

作为本发明一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统进一步的优化方案，所述风洞洞体的收缩段、稳定段、扩散段、动力段均采用不锈钢制成，实验段采用透明亚克力板制成。

作为本发明一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统进一步的优化方案，所述蜂窝器采用铝合金制成。

作为本发明一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统进一步的优化方案，所述操作盖通过两个铰链和实验段相连。

作为本发明一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统进一步的优化方案，所述活动杆上设有扑翼机模型的电源接口，用于调整扑翼机模型的供电电压以控制其扑动的频率。

作为本发明一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统进一步的优化方案，所述控制模块采用计算机。

作为本发明一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统进一步的优化方案，所述收缩段的收缩曲线采用双三次曲线。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明提供了一种针对微型扑翼飞行器设计的直流式风洞，能够调节飞行器的迎角，调整气流流速，控制扑翼机扑动频率，采集扑翼机运动图像，操作简便，成本较低，针对性强；克服了传统风洞实验成本高昂、实验门槛高、操作复杂、占地面积大、针对性不强的缺点；

2. 通过调整风机的转速，能够实现不同气流速度的调节，模拟不同的自然风速条件；通过扑翼机模型调节模块能够调扑翼机模型的迎角，研究不同俯仰角条件下扑翼机模型的受到的气动力变化；通过外接电源的方式，能够稳定扑翼机模型的电压，从而使扑翼机模型的转速保持稳定，同时也能够通过改变电压来改变扑翼机模型的扑动频率，同时，也适用于微型旋翼机和固定翼飞机的气动力实验研究；

3. 通过数据采集及控制系统的设置，利用高速相机能够连续拍摄微型扑翼机模型的姿态变化，再接入计算机系统计算其扑动频率；利用皮托管风速传感器能够采集洞体内部风速的实时变化，接入计算机通过显示面板实时显示，作为控制风机转速的标准；利用温湿度传感器来测量洞体内部的温度和湿度，通过计算机计算出空气密度，为扑翼机空气动力学各个参数的关系研究提供参数；利用风机控制电路，能够通过计算机直接控制风机的转速，提高了系统内自动化程度。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明中收缩段的结构示意图；

图3为本发明中稳定段的剖视图；

图4为本发明中实验段的剖视图；

图5为本发明中扑翼机调节模块的结构示意图;

图6为本发明中电气连接的示意图。

图中，1-收缩段，2-稳定段，3-实验段，4-扩散段，5-动力段，6-支撑架，7-蜂窝器，8.1-第一阻尼网，8.2-第二阻尼网，9-温湿度传感器，10-实验段上供所述支撑杆穿入的通孔，11-扑翼机模型，12-扑翼机调节模块，12.1-活动杆，12.2-调节杆，12.3-支撑杆，12.4-固定销，13-多轴力传感器，14-皮托管风速传感器，15-高速相机的支架，16-高速相机，17-铰链，18-风机，19-信号放大电路，20-数据采集卡，21-风速变送器，22-控制模块，23-风速控制电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明克服了传统风洞实验成本高昂、实验门槛高、操作复杂、占地面积大，针对性不强的特点，提供了一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，能够调节扑翼机模型的迎角、调整气流流速、控制扑翼机模型的扑动频率、采集扑翼机运动图像，操作简便，成本较低，针对性强并通过对力和运动图像采集与处理的方法，对微型扑翼机的扑翼运动、变形和气动力之间关系进行实验研究。

本系统是针对微型扑翼机设计的实验平台，实验段的尺寸设置为0.4m*0.4m*0.6m,可以用于翼展小于0.3m，长度小于0.4m，重量小于300g的微型扑翼机飞行器进行实验，凡可以在这个尺寸下进行实验的扑翼飞行器均属于本发明所述的“微型”。

如图1所示，本发明包括风洞洞体、风机、扑翼机模型调节模块、采集模块、以及控制模块；

所述风洞洞体为两端开口的管道，其下设有若干用于支撑其使其水平设置的支撑架；

所述风洞洞体从上游至下游包含依次密闭相连的收缩段、稳定段、实验段、扩散段、动力段；

如图2所示，所述收缩段的截面沿着气流方向逐渐缩小；

所为稳定段、实验段为截面相同的直管，其中，如图3所示，所述稳定段的入口处设有蜂窝器，出口处设有第一阻尼网，且稳定段在蜂窝器和第一阻尼网之间还设有第二阻尼网，用于降低气流的紊流度；所述实验段采用透明材质制成，用于放置扑翼机模型进行风洞实验；所述实验段上设有操作口以及用于打开和关闭所述操作口的透明操作盖，如图4所示；

所述扩散段的截面沿着气流方向逐渐扩大，用于把气流的动能转变为压力能，利用摩擦损失降低实验段的速度；

所述动力段为直管；所述风机设置在动力管内，用于产生稳定气流；

如图5所示，所述扑翼机模型调节模块包含活动杆、调节杆、支撑杆和固定销；

所述实验段下壁设有供所述支撑杆穿入的通孔；所述支撑杆竖直设置，上端从实验段下壁的通孔穿入实验段内；

所述活动杆设置在实验段内，其一端用于固定扑翼机模型，另一端和所述支撑杆的上端铰接，能够相对支撑杆自由上下转动；

所述支撑杆上部设有若干定位孔；

所述调节杆上设有若干和支撑杆上定位孔相配合的调节孔，调节杆的上端和所述活动杆的杆身铰接；所述调节杆通过所述固定销将调节杆上的某一调节孔和支撑杆上的某一定位孔锁死来调节扑翼机模型的迎角；

所述采集模块包含多轴力传感器、信号放大电路、数据采集卡、皮托管风速传感器、风速变送器、温湿度传感器和高速相机；

所述多轴力传感器一端和外界固连，另一端和所述支撑杆下端固连，且多轴力传感器依次经信号放大电路、数据采集卡和所述控制模块电气相连，用于采集扑翼机模型的升力和牵引力；

所述皮托管风速传感器通过风速变送器和所述控制模块电气相连，用于测量实验段内气流的速度；

所述温湿度传感器和所述控制模块电气相连，用于测量实验段内的温度和湿度；

所述高速相机通过支架固定在所述实验段上并和所述控制模块电气相连，用于俯拍扑翼机模型的翅翼变形；

所述控制模块还通过风速控制电路和所述风机电气相连，用于存储接收到的各个信号，根据高速相机拍摄的图片计算扑翼机模型的扑动姿态和扑动频率，并控制风机的转速以调节实验段内气流的流速和湍流度。

所述风洞洞体在其收缩段、稳定段、实验段、扩散段、动力段的截面均优先采用方形；收缩段、稳定段、扩散段、动力段均采用不锈钢制成，实验段采用透明亚克力板制成；控制模块优先采用计算机。

所述操作盖通过两个铰链和实验段相连。

所述活动杆上设有扑翼机模型的电源接口，用于调整扑翼机模型的供电电压以控制其扑动的频率。

收缩段位于风洞的入口处，常用的收缩曲线有维辛斯基曲线、双三次曲线、五次方曲线，这里采用收缩曲线为双三次曲线，进口处收缩较平滑，无逆压梯度现象的出现，出口斜率与稳定段内壁斜率相切，收缩段入口和出口截面均为方形，收缩比为9:1，主要用来提高气流的均匀性，降低紊流度，与稳定段之间采用法兰密闭连接。

稳定段位于收缩段之后，其内的蜂窝器、第一阻尼网、第二阻尼网是为了让气流进入实验段之前变得均匀，降低紊流度，从而提高实验段的流场品质。蜂窝器采用铝制蜂窝器，孔眼形状为正六边形，孔眼内接圆的直径为12mm、长度为144mm。第一阻尼网、第二阻尼网之间间距为128mm,一般采用30目的钢丝纱网。

实验段位于稳定段之后，用于实验和观察。

扩散段位于实验段之后，扩散角为6°，沿着风向截面面积逐渐扩大，作用是把气流的动能变为压力能，利用摩擦损失降低实验段的速度。

动力段位于扩散段之后，其内风机转速可调，提供动力。

开启动力段中的风机，通过调节电机转动频率来调节风扇的转速，通过实验段内的皮托管风速传感器监测风速，根据设定的目标调节风速，风速范围为2—15m/s，气流从收缩段进入，经过收缩段调整之后进入稳定段，依次通过蜂窝器、第二阻尼网、第一阻尼网之后，进入稳定段的气流湍流度降低再进入实验段，实验段上透明的操作盖能够打开进行操作。扑翼机模型调节模块固定住扑翼机模型并调整其迎角，气流相对于扑翼机模型进行流动，此后气流经过扩散段，气流的动能变为压力能，最后经过动力段的风机离开风洞洞体。

如图6所示，多轴测力传感器位于实验段下方，其下端和外界固连，上端与支撑杆相连，当位于动力段的风机打开使得气流流动时，扑翼机模型扑动会产生升力和牵引力，多轴力传感器将测得的升力和牵引力通过信号线传给信号放大电路，将信号放大几十到数百倍之后，接入数据采集卡，在通过数据线连接到计算机，通过计算机软件实时处理和显示在数据面板。

皮托管风速传感器将探头伸入实验段内部，测得扑翼机模型周围风速，并经过风速变送器传递至计算机通过计算机的显示界面显示。

温湿度传感器测量实验段内的温度和湿度并将信号传入计算机，能够计算出对应的的空气密度，实验开始后采集计算一次即可。

高速相机通过支架固定在实验段上部，实验开始前，安装好扑翼机模型之后，打开高速相机，进行对焦，确保镜头正对扑翼机模型，用于拍摄扑翼机模型扑动的视频，在此基础上进行计算能够进行扑翼机模型的扑动姿态和扑动频率的测量。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，其特征在于，包括风洞洞体、风机、扑翼机模型调节模块、采集模块、以及控制模块；

所述风洞洞体为两端开口的管道，其下设有若干用于支撑其使其水平设置的支撑架；

所述风洞洞体从上游至下游包含依次密闭相连的收缩段、稳定段、实验段、扩散段、动力段；

所述收缩段的截面沿着气流方向逐渐缩小；

所为稳定段、实验段为截面相同的直管，其中，所述稳定段的入口处设有蜂窝器，出口处设有第一阻尼网，且稳定段在蜂窝器和第一阻尼网之间还设有第二阻尼网，用于降低气流的紊流度；所述实验段采用透明材质制成，用于放置扑翼机模型进行风洞实验；所述实验段上设有操作口以及用于打开和关闭所述操作口的透明操作盖；

所述扩散段的截面沿着气流方向逐渐扩大，用于把气流的动能转变为压力能，利用摩擦损失降低实验段的速度；

所述动力段为直管；所述风机设置在动力管内，用于产生稳定气流；

所述扑翼机模型调节模块包含活动杆、调节杆、支撑杆和固定销；

所述实验段下壁设有供所述支撑杆穿入的通孔；所述支撑杆竖直设置，上端从实验段下壁的通孔穿入实验段内；

所述活动杆设置在实验段内，其一端用于固定扑翼机模型，另一端和所述支撑杆的上端铰接，能够相对支撑杆自由上下转动；

所述支撑杆上部设有若干定位孔；

所述调节杆上设有若干和支撑杆上定位孔相配合的调节孔，调节杆的上端和所述活动杆的杆身铰接；所述调节杆通过所述固定销将调节杆上的某一调节孔和支撑杆上的某一定位孔锁死来调节扑翼机模型的迎角；

所述采集模块包含多轴力传感器、信号放大电路、数据采集卡、皮托管风速传感器、风速变送器、温湿度传感器和高速相机；

所述多轴力传感器一端和外界固连，另一端和所述支撑杆下端固连，且多轴力传感器依次经信号放大电路、数据采集卡和所述控制模块电气相连，用于采集扑翼机模型的升力和牵引力；

所述皮托管风速传感器通过风速变送器和所述控制模块电气相连，用于测量实验段内气流的速度；

所述温湿度传感器和所述控制模块电气相连，用于测量实验段内的温度和湿度；

所述高速相机通过支架固定在所述实验段上并和所述控制模块电气相连，用于俯拍扑翼机模型的翅翼变形；

所述控制模块还通过风速控制电路和所述风机电气相连，用于存储接收到的各个信号，根据高速相机拍摄的图片计算扑翼机模型的扑动姿态和扑动频率，并控制风机的转速以调节实验段内气流的流速和湍流度。

2.根据权利要求1所述的用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，其特征在于，所述风洞洞体在其收缩段、稳定段、实验段、扩散段、动力段的截面均为方形。

3.根据权利要求1所述的用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，其特征在于，所述风洞洞体的收缩段、稳定段、扩散段、动力段均采用不锈钢制成，实验段采用透明亚克力板制成。

4.根据权利要求1所述的用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，其特征在于，所述蜂窝器采用铝合金制成。

5.根据权利要求1所述的用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，其特征在于，所述操作盖通过两个铰链和实验段相连。

6.根据权利要求1所述的用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，其特征在于，所述活动杆上设有扑翼机模型的电源接口，用于调整扑翼机模型的供电电压以控制其扑动的频率。

7.根据权利要求1所述的用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，其特征在于，所述控制模块采用计算机。

8.根据权利要求1所述的用于微型扑翼飞行器研究的小型风洞实验系统，其特征在于，所述收缩段的收缩曲线采用双三次曲线。

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