一种扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台的制作方法

本发明涉及扑翼微型飞行器领域，具体来说，是一种扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台。

背景技术：

自二十世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断成熟和微电子技术的大幅进步，微型飞行器被提出并快速发展。微型飞行器具有体积小、重量轻和机动性强等特征，在国家安全和国民经济建设方面具有广泛的应用前景，适用于复杂环境下的侦查、勘探和协助救援等工作。随着人们对自然生物飞行的不断探索，仿生学设计被越来越多的应用于微型飞行器领域，开始出现模仿昆虫飞行的扑翼微型飞行器。

扑翼微型飞行器的升力和升力产生效率是初始设计阶段最重要的参数且二者均与翼在拍动过程中攻角的变化密切相关。在飞行器初始设计阶段，需要对飞行器平均升力和翼运动参数进行测量，一方面验证飞行器的升力产生能力，另一方面观察翼是否运动时攻角处于高升力和高气动效率的范围内。从这一需求出发，在该阶段需要一个能够简单且快速获取飞行器平均升力和运动变化的同步测量实验平台。而现有的有关扑翼微型飞行器运动测量和气动力测量的专利，通常只能进行气动力测量或只能进行运动参数测量，或虽然能同时进行气动力和运动参数的测量但过于复杂。如专利“一种高扇翅频昆虫飞行运动参数测量装置”(zl200410086565.2)只具备用高速摄像机进行拍摄昆虫运动测量其运动参数这一功能，而不能进行气动力测量,且需要组合四面镜和多个平面外反射镜配合来避免观测盲区和遮挡；专利“一种高速图像与力数据同步采集系统”(zl201210054671.7)虽然可以对昆虫飞行时的姿态及飞行力进行同步测量，但飞行力测量部分侧重于对昆虫拍动产生的气动力的精确测量，需采用力传感器、信号调理模块和力学数据采集处理计算机进行力学数据采集，结构复杂。因此，需要一种能满足气动力和运动测量需求且结构简单、操作方便的扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台。

技术实现要素：

本发明为了解决快速获得扑翼微型飞行器翼运动变化和平均升力的问题，发明了一种扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台，该平台既可以快速、较为准确的测量扑翼微型飞行器的平均升力，同时通过三台高速摄像机观测扑翼微型飞行器的运动参数和扑翼翻转情况，快速得到扑翼微型飞行器的拍动角、攻角、机翼扭曲变形情况。

所述一种扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台包括光学平台、支撑杆、支撑杆连接件、飞行器夹具、电子秤、挡风板和3台高速摄像机及相机固定支架。所述光学平台置于地面，所述光学平台上放置所述电子秤，扑翼微型飞行器通过安装在所述光学平台上的支撑杆上固定在所述电子秤的上方；所述电子秤放置在所述光学平台上且位于所述扑翼微型飞行器正下方，所述电子秤、所述挡风板与所述扑翼微型飞行器电机中心对齐，成一条线；测量平均升力时，直接读取所述电子秤的读数，获得平均升力大小；秤面距离所述扑翼微型飞行器下缘的高度差为2.5倍至3倍的扑翼微型飞行器翼弦长，以保证平均升力测量结果的准确性；所述3台高速摄像机通过所述相机固定支架分别布置在所述飞行器的垂直正上方、水平侧方以及水平前方。

所述光学平台为实验平台基座，表面光滑平整，台面阵列螺纹孔用来与带有螺纹的所述支撑杆相连接；

所述支撑杆为两端带螺纹的实心不锈钢长杆，其中一根竖直支撑杆经螺纹固定到所述光学平台上，安装后所述竖直支撑杆与所述光学平台紧密连接，且不会晃动；另一根水平支撑杆经所述支撑杆连接件与所述竖直支撑杆固定连接；

所述支撑杆连接件为金属连接件，其上开有两个相互垂直的贯通孔，孔直径与所述支撑杆直径相同；所述竖直支撑杆与所述水平支撑杆相互垂直，采用螺丝锁紧的方式固定；

所述飞行器夹具上开有两个互相垂直的孔，其中一个水平通孔与所述水平支撑杆直径相同；另一个是垂直通孔，与扑翼微型飞行器电机直径相同且深至少1cm；所述飞行器夹具通过热熔胶与所述水平支撑杆以及所述扑翼微型飞行器电机固定在一起；

所述高精度电子秤精度应达到0.01g，量程应大于500g，放置在光学平台上，扑翼微型飞行器正下方。平均升力测量时，高精度电子秤放置挡风板面积为30×30cm的挡风板，挡风板重量与扑翼微型飞行器的最大升力之和应小于高精度电子秤称重量程。高精度电子秤、挡风板、扑翼微型飞行器电机中心对齐，成一条线。平均升力测量时，直接从电子秤的读数上获得平均升力大小。

所述三台高速摄像机通过外部支架分别固定放置在扑翼微型飞行器的正上方、左侧方和正前方，高速摄像机的拍摄帧率至少应大于100倍的扑翼微型飞行器翼最大拍动频率，拍摄时间不少于10个拍动周期时长。拍摄扑翼微型飞行器运动过程时，手动或自动触发高速摄像机以设定好的帧数开始拍摄，拍摄图像在拍摄结束后保存在计算机上，之后通过图像处理获得拍动频率、拍动角、扑翼攻角等变化规律。

所述相机固定支架为铝型材搭建，将高速摄像机固定在光学平台上。

所述扑翼微型飞行器采用电机驱动，测试时采用稳压电源供电，电机长度大于1cm且可与所述飞行器夹具连接，所述扑翼微型飞行器全翼展小于30cm；沿翼展向方向均匀取3-5个截面，在每个截面处翼膜上均匀标记至少三个坐标点，以准确获得所述扑翼微型飞行器不同展向位置处的攻角变化规律和机翼变形。

所述一种扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台平均升力及翼运动测量方法为：

(1)准备好需要测试的扑翼微型飞行器、稳压电源以及测量平台，所述测量品台为扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台；

(2)搭建所述测量平台并保证所述光学平台水平，所述支撑杆固定在所述光学平台上且不发生晃动，用铅垂线保证所述电子秤、所述挡风板和扑翼微型飞行器中心对齐，所述挡风板与所述扑翼微型飞行器后缘的高度差设置为2.5倍至3倍弦长的高度；

(3)将所述扑翼微型飞行器的电机与稳压电源连接，所述电子秤归零，所述高速摄像机通过所述相机固定支架固定在光学平台上；固定好后调整镜头，使整个扑翼微型飞行器在拍摄区域中心，调整镜头光圈保证景深使拍动全过程中能拍摄到扑翼清晰图像，最后完成高速摄像机标定；

(3)稳压电源给电，待扑翼微型飞行器电机电压达到预期值且扑翼微型飞行器拍动稳定后，触发所述高速摄像机拍摄，目视读出所述电子秤示数，该参数即为扑翼微型飞行器的平均升力；

(4)保存高速摄像机图像至电脑，处理俯视摄像机拍摄得到的图像获得拍动角规律，具体做法为：将上拍极限位置图片作为起始图片，以该图像中机翼拍动轴和翼尖的连线为基准线，后续图像中机翼转轴和翼尖连线与基准线的夹角即为该时刻拍动角，连续处理一个拍动周期的图像即可得到拍动角在一个拍动周期内的运动规律；

(5)处理水平放置的两台所述高速摄像机的图像，根据相机标记结果获得翼上不同展向位置截面处标记点的坐标，据此计算展向位置处的当地攻角和机翼的扭曲变形情况。

本发明的优点在于：

1、本发明一种用于扑翼微型飞行器运动及气动力同步测试的实验平台，可以快速完成微型扑翼飞行器的测力、测频率以及获得各项运动参数的测量过程，且结果具有较高准确性。

2、本发明将两台高速摄像机置于水平位置进行拍摄，实现对待测微型扑翼飞行器在水平面上两个相互垂直方向的拍摄，更加全面地记录扑翼微型飞行器运动过程中翼运动姿态。

3、本发明通过合理调整待测扑翼微型飞行器与电子秤之间的距离，保证了平均升力测量结果的精确度；

4、本发明一种多功能的扑翼测试平台，使用光学平台和电子秤等常用工具，以及少量3d打印零部件，在保证较高精度的测量结果的同时，具有制造简单、成本低的技术效果。

附图说明

图1为本发明扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台的整体结构示意图；

图2为本发明多功能扑翼测试平台的支撑杆示意图；

图3为本发明多功能扑翼测试平台的支撑杆连接件放大图；

图4为本发明多功能扑翼测试平台的飞行器夹具放大图；

其中：

1-光学平台2-竖直支撑杆3-水平支撑杆4-支撑杆连接件

5-飞行器夹具6-电子秤7-挡风板8-高速摄像机a

9-高速摄像机b10-高速摄像机c11-相机固定支架a

12-相机固定支架b13-相机固定支架c14-扑翼微型飞行器

401-安装孔a402-安装孔b403-螺丝

具体实施例

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平均升力和翼运动同步测量平台，如图1所示，包括光学平台1、竖直支撑杆2、水平支撑杆3、支撑杆连接件4、飞行器夹具5、电子秤6、挡风板7、高速摄像机a8、高速摄像机b9、高速摄像机c10、相机固定支架a11、相机固定支架b12、相机固定支架c13、扑翼微型飞行器14。

如图1所示，光学平台1自身重量13.3公斤，整体采用铝合金精加工，表面光滑平整，平面度误差不大于0.05毫米，台面阵列标准m6孔距25×25mm的螺纹孔，可以与如图2所示竖直支撑杆2的m6阳螺纹杆连接固定。

如图3所示，水平支撑杆3通过支撑杆连接件4与竖直支撑杆2垂直连接。连接方式为竖直支撑杆2穿入支撑杆连接件上的安装孔a401，并且通过螺丝403紧固，水平支撑杆3穿入安装孔b402，并且通过螺丝403紧固。通过两个支撑杆将扑翼微型飞行器14支撑在电子秤6的上方。

如图4所示，水平支撑杆3的另一端通过预留通孔与飞行器夹具5连接，通过另一预留孔与扑翼微型飞行器14的电机连接，此孔与电机等直径，考虑到电机的使用性能，不能使用过盈配合，在连接处用热熔胶加以固定，减小震动造成的误差。

将电子秤6固定在光学平台上，电子秤6上放置挡风板7，调节飞行器与电子秤6之间的距离，保证扑翼微型飞行器14的扑翼后缘与电子秤6之间距离在2.5倍到3倍弦长之间，保证测力精准度；如果距离过小，则会导致测得升力比真实升力大；如果距离过大，则会导致测得升力比真实升力小。之后，改变电子秤6、挡风板7的位置，保证电子秤6和挡风板7中心与扑翼微型飞行器14中心在一条直线上。

分别在扑翼微型飞行器14的正上方、正前方正左方放置高速摄像机a8、高速摄像机b9和高速摄像机c10，利用相机固定支架a11、相机固定支架b12、相机固定支架c13分别对高速摄像机a8、高速摄像机b9、高速摄像机c10进行固定，固定后进行相机标定。考虑到现今大部分扑翼微型飞行器的拍动频率在20hz左右，将三台高速摄像机帧率设置为2000fps，分辨率为1280×1024，若之后扑翼微型飞行器14的拍动频率提高，高速摄像机的帧率也相应的增加，保证帧率至少是100倍的扑翼微型飞行器14拍动频率。使用40mm定焦镜头，光圈大小根据景深要求设定为8。

所述扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台使用方法如下：

(1)准备好需要测试的扑翼微型飞行器14、稳压电源以及扑翼微型飞行器平均升力和翼运动同步测量平台各部件；

(2)搭建上述测量平台，并保证光学平台1水平，竖直支撑杆2固定在光学平台1上且不发生晃动，用铅垂线保证电子秤6、挡风板7和扑翼微型飞行器中心对齐，挡风板7和扑翼微型飞行器14翼后缘的高度差设置为2.5倍至3倍扑翼微型飞行器14翼弦长的高度；

(3)将扑翼微型飞行器14的电机与稳压电源连接，电子秤6归零，高速摄像机通过相机固定支架固定在光学平台上。固定好后调整镜头，使整个扑翼微型飞行器14在拍摄区域中心，调整镜头光圈保证景深使各个拍动全过程中能清晰看到扑翼清晰图像，最后完成高速摄像机标定；

(3)稳压电源给电，待扑翼微型飞行器14电机电压达到预期值且翼拍动稳定后，触发高速摄像机拍摄，目视读出电子秤示数，该参数即为扑翼微型飞行器14的升力；

(4)保存高速摄像机图像至电脑，处理俯视摄像机拍摄得到的图像获得拍动角规律，具体做法为：以上拍极限位置图片作为起始图片，以该图像中机翼拍动轴和翼尖的连线为基准线，后续图像中机翼转轴和翼尖连线与基准线的夹角即为该时刻拍动角，连续处理一个拍动周期的图像即可得到拍动角在一个拍动周期内的运动规律；

(5)处理水平放置的两台高速摄像机图像，根据相机标记结果获得翼上不同展向位置截面处标记点的坐标，据此计算展向位置处的当地攻角(定义为该展向位置标记点连线与水平面的夹角)和机翼的扭曲变形情况(定义为攻角随展向位移的变化规律)。