微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统及观测方法，所述装置包括：观察箱，用于容纳观测对象与观测装置；微型扑翼飞行器，用于作为观测对象进行观测；气动力测试装置，用于记录微型扑翼飞行器扑动过程中气动力特性的各项参数；三维粒子图像测速装置，用于记录微型扑翼飞行器扑动过程中扑翼流场特性的各项参数；上位机，用于显示微型扑翼飞行器的升阻力参数、扑动频率参数以及流场特性分析图；所述方法包括：利用气动力测试装置进行的气动力特性观测步骤以及利用三维粒子图像测速装置进行的扑翼流场特性观测步骤。与现有技术相比，本发明具有设备完善、专用性能高以及简单便捷等优点。
【专利说明】
微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及航空航天领域，尤其是涉及一种微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统及方法。
【背景技术】
[0002]鸟类和昆虫的翅翼有着很强的机动灵活性，可以随时起飞和进行垂直方向的飞行，还可以进行快速的飞行转弯，并且能够持续悬停，这些飞行生物超强的飞行能力逐渐引起人类的极大地关注。微型扑翼飞行器是仿生飞行器的一种，是基于仿生学的一种新概念飞行器，主要是通过模拟飞行生物拍打翅膀的动作，从而产生升力和推力维持飞行。和传统的固定翼和旋翼微型飞行器相比，微型扑翼飞行器只需要依靠周期性的扑翼动作就可以产生维持飞行的升力，具有更好的机动性和灵活性。微型飞行器由于尺寸较小，所处的空气雷诺数较低，在较低的空气雷诺数下，微型扑翼飞行器相比较于微型固定翼和旋翼飞行器来说，具有更好的飞行性能，更适应较低空气雷诺数下的飞行。
[0003]在微型扑翼飞行器的实验研究方面，主要包括气动力测试和流场观测两方面。目前现有的实验设备主要用于常规飞行器的实验研究，用于微型扑翼飞行器的实验设备较少且不完善，可供参考的扑翼飞行器的相关实验数据也比较少，限制了扑翼飞行器的进一步研究和发展。并且现有的用于微型扑翼飞行器的实验设备大部分只能对微型扑翼飞行器的气动力特性和扑翼流场特性二者之中的一个进行观测，不能对其同时进行观测。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对上述问题提供一种专用性能高、简单便捷的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统及方法。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]—种微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统，其特征在于，该观测系统包括:
[0007]观察箱，用于容纳观测对象与观测装置；
[0008]微型扑翼飞行器，固定于观察箱内，用于作为观测对象进行观测；
[0009]气动力测试装置，分别连接微型扑翼飞行器与观察箱，用于记录微型扑翼飞行器扑动过程中气动力特性的各项参数；
[0010]三维粒子图像测速装置，分别连接微型扑翼飞行器与观察箱，用于记录微型扑翼飞行器扑动过程中扑翼流场特性的各项参数；
[0011]上位机，分别连接气动力测试装置和三维粒子图像测速装置，用于显示微型扑翼飞行器的升阻力参数、扑动频率参数以及流场特性分析图。
[0012]所述气动力测试装置包括立柱、六维力传感器、角度传感器、漫反射开关与数据采集器，所述立柱固定于观察箱底部，所述六维力传感器固定于微型扑翼飞行器上并与立柱连接，所述角度传感器固定于微型扑翼飞行器的翅根骨架处，所述漫反射开关固定于观察箱内部，所述数据采集器一端分别连接六维力传感器、角度传感器与漫反射开关，另一端连接上位机。
[0013]所述三维粒子图像测速装置包括示踪粒子、激光光源与高速摄像机，所述示踪粒子撒于观察箱内部，所述激光光源安装在观察箱内部提供光源，所述高速摄像机位于观察箱外部并与上位机相连。
[0014]所述气动力特性的各项参数包括微型扑翼飞行器扑动过程中的力和力矩、翅翼的扭转角度与翅翼的扑动频率。
[0015]所述扑翼流场特性的各项参数包括示踪粒子的位置状态和示踪粒子曝光的时间间隔。
[0016]所述流场特性分析图包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图和漩度图。
[0017]—种利用微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统实现的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测方法，其特征在于，该观测方法包括:
[0018]气动力特性观测步骤，气动力测试装置记录微型扑翼飞行器扑动过程中气动力特性的各项参数并将其输出给上位机，上位机对接收到的参数进行分析继而得出微型扑翼飞行器的气动力特性；
[0019]扑翼流场特性观测步骤，三维粒子图像测速装置记录微型扑翼飞行器扑动过程中扑翼流场特性的各项参数并将其输出给上位机，上位机对接收到的参数进行分析继而得出微型扑翼飞行器的扑翼流场特性。
[0020]所述气动力特性观测步骤具体为:
[0021]11)微型扑翼飞行器进行扑动，六维力传感器、角度传感器和漫反射开关采集数据；
[0022]12)六维力传感器将扑动过程中的力和力矩转换成模拟信号，角度传感器将扑动过程中翅翼的扭转角度转换成模拟信号，漫反射开关将扑动过程中翅翼的扑动频率转换成模拟信号；
[0023]13)数据采集器接收模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号传输给上位机；
[0024]14)上位机对接收到的数字信号进行处理，得到微型扑翼飞行器扑动过程中的升阻力参数、扑动频率以及扭转角度，对上述数据进行绘图最终得到微型扑翼飞行器的空气动力曲线。
[0025]所述扑翼流场特性观测步骤具体为:
[0026]21)微型扑翼飞行器在撒入示踪粒子并受激光光源照射的观察箱内进行扑动，高速摄像机拍摄示踪粒子的位置状态；
[0027]22)高速摄像机将图像上传至上位机中；
[0028]23)上位机利用图像分析技术得到示踪粒子的位移，结合曝光时间分析并绘图，最终得到流场特性分析图。
[0029]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0030](I)整个装置专门用于对微型扑翼飞行器进行观测，专门采集扑翼飞行器相关的实验数据，专用性能高；
[0031](2)装置包含气动力测试装置和三维粒子图像测速装置，二者可以同时进行测试，实现了对微型扑翼飞行器的气动力特性和扑翼流场特性的同时测试，简单便捷，实用性强；
[0032](3)上位机上显示的数据包括扑翼飞行器扑动过程中的升阻力、扑动频率参数以及流场特性分析图等，数据全面；
[0033](4)整个装置包含了微型扑翼飞行器、六维力传感器、角度传感器、漫反射开关、数据采集器、示踪粒子、激光光源、高速摄像机以及上位机，设备完善，实用性能高。
【附图说明】
[0034]图1为本发明的原理图；
[0035]图2为本发明的结构不意图；
[0036]图3为微型扑翼飞行器的结构示意图；
[0037]其中，I为底座，2为漫反射开关，3为观察箱，4为立柱，5为微型扑翼飞行器，6为激光光源，7为高速摄像机，8为数据采集器，9为上位机，10为六维力传感器，11为微型扑翼飞行器机身，12为微型扑翼飞行器机翼，13为角度传感器。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0039]如图1?图3所示，本发明提供一种微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统，主要包括:扑翼飞行器5、气动力测试装置、三维粒子图像测速装置。气动力测试装置主要包括六维力传感器10、角度传感器13、漫反射开关2、数据采集器8、上位机9。三维粒子图像测速装置主要包括:示踪粒子、激光光源6、高速摄像机7、上位机9。本文提出的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统适用于大多数微型扑翼飞行器。
[0040]气动力测试装置主要是通过六维力传感器10测出飞行器扑动过程中x、y、z三个方向的力和扭矩，通过固定在飞行器翅根骨架处的角度传感器13测出飞行器扑动过程中翅翼的扭转角度，通过漫反射开关2测出飞行器扑动过程中翅翼的扑动频率。传感器将飞行器扑动过程中的力和力矩以及角度转换成模拟信号输出给数据采集器，漫反射开关2将飞行器扑动过程中翅翼的扑动频率转换成模拟信号输出给数据采集器8，通过数据采集器8可以将传感器和漫反射开关5的模拟信号转换为计算机可识别的数字信号。数据采集器8与上位机9相连，数据采集器8将接收到的模拟信号转换成数字信号之后传送给上位机9，上位机9接收数字信号转化为微型飞行器扑动过程中的升阻力参数。
[0041]三维粒子图像测速装置是通过在观察箱3流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度.应用激光强光照射观察箱3，用2台高速摄像机7从不同方位记录被照明流场的一个切面，记录下2次或多次曝光的粒子位置，在上位机9上利用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量，包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等。高速摄像机7从不同方位记录被照明流场的一个切面，根据两相机空间位置投影关系和视差，把两相机的2个二维坐标映射为空间一点的三维坐标，把两相机的两个二维位移场映射为空间一点的三维位移场，完成粒子空间位移场和速度场的重建。
[0042]观察箱3放置在底座I上，六维力传感器10固定在观察箱中的立柱4上，微型扑翼飞行器5固定在六维力传感器上(用来测出飞行器扑动过程中的升阻力参数)，微型扑翼飞行器的翅翼根部的骨架上安装有角度传感器13(用来测出飞行器扑动过程中的翅翼的扑动频率)，观察箱的后端安装有漫反射开关2(用来测飞行器的翅翼扑动频率)，观察箱的前端安装有激光光源6，用来向观察箱流场提供光源，两台高速摄像机7用来拍摄观察箱中失踪粒子的位置，数据采集器8用来接收传感器等传送的模拟信号，上位机9用来接收数据采集器传送的数字信号和摄像机传送的图像信息，用在上位机上显示出扑翼飞行器的扑动过程中的升阻力以及扑动频率等参数和流场特性分析图包括有流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图。
[0043]使用本装置具体进行微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测的流程如下:
[0044]S1:将观察箱3放置在底座I上，打开观察箱3的上盖，将立柱4、微型扑翼飞行器5、六维力传感器10，角度传感器13、漫反射开关2、激光光源6依次固定安装好。
[0045]S2:向观察箱3中撒入示踪粒子，关闭观察箱3。
[0046]S3:打开电源，电源给微型扑翼飞行器5、六维力传感器1、角度传感器13供电。打开漫反射开关2和激光光源6，同时打开两台高速摄像机7，高速摄像机7从不同方位记录被照明流场的一个切面，根据两相机空间位置投影关系和视差，把两相机的2个二维坐标映射为空间一点的三维坐标，把两相机的两个二维位移场映射为空间一点的三维位移场，。
[0047]S4:六维力传感器10将微型扑翼飞行器5在扑动过程中的力和力矩转换成模拟信号输出，角度传感器13将微型扑翼飞行器5在扑动过程中主体姿态的三个欧拉角换成模拟信号输出，漫反射开关2将微型扑翼飞行器5在扑动过程中翅翼的扑动频率换成模拟信号输出。数据采集器8接收模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号输出给上位机9，在上位机9上可以得到微型扑翼飞行器5扑动过程中的升阻力参数、扑动频率、以及记录主体姿态的三个欧拉角，从而可以得出微型飞行器5的空气动力特性曲线，进行微型飞行器气动特性的分析。
[0048]S5:通过在观察箱3中撒入示踪粒子，采用激光光源6照射观察箱3，在微型飞行器5扑动过程中，两台高速摄像机7可以拍下观察箱3中示踪粒子的位置状态，在上位机9上利用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量，包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等。
[0049]S6:关闭电源，完成单次实验。
【主权项】
1.一种微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统，用于对微型扑翼飞行器进行观测，其特征在于，该观测系统包括: 观察箱，用于容纳微型扑翼飞行器； 气动力测试装置，分别连接微型扑翼飞行器与观察箱，用于记录微型扑翼飞行器扑动过程中气动力特性的各项参数； 三维粒子图像测速装置，分别连接微型扑翼飞行器与观察箱，用于记录微型扑翼飞行器扑动过程中扑翼流场特性的各项参数； 上位机，分别连接气动力测试装置和三维粒子图像测速装置，用于显示微型扑翼飞行器的升阻力参数、扑动频率参数以及流场特性分析图。2.根据权利要求1所述的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统，其特征在于，所述气动力测试装置包括立柱、六维力传感器、角度传感器、漫反射开关与数据采集器，所述立柱固定于观察箱底部，所述六维力传感器固定于微型扑翼飞行器上并与立柱连接，所述角度传感器固定于微型扑翼飞行器的翅根骨架处，所述漫反射开关固定于观察箱内部，所述数据采集器一端分别连接六维力传感器、角度传感器与漫反射开关，另一端连接上位机。3.根据权利要求2所述的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统，其特征在于，所述三维粒子图像测速装置包括示踪粒子、激光光源与高速摄像机，所述示踪粒子撒于观察箱内部，所述激光光源安装在观察箱内部提供光源，所述高速摄像机位于观察箱外部并与上位机相连。4.根据权利要求1所述的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统，其特征在于，所述气动力特性的各项参数包括微型扑翼飞行器扑动过程中的力和力矩、翅翼的扭转角度与翅翼的扑动频率。5.根据权利要求3所述的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统，其特征在于，所述扑翼流场特性的各项参数包括示踪粒子的位置状态和示踪粒子曝光的时间间隔。6.根据权利要求1所述的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统，其特征在于，所述流场特性分析图包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图和漩度图。7.—种利用如权利要求3所述的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测系统实现的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测方法，其特征在于，该观测方法包括: 气动力特性观测步骤，气动力测试装置记录微型扑翼飞行器扑动过程中气动力特性的各项参数并将其输出给上位机，上位机对接收到的参数进行分析继而得出微型扑翼飞行器的气动力特性； 扑翼流场特性观测步骤，三维粒子图像测速装置记录微型扑翼飞行器扑动过程中扑翼流场特性的各项参数并将其输出给上位机，上位机对接收到的参数进行分析继而得出微型扑翼飞行器的扑翼流场特性。8.根据权利要求7所述的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测方法，其特征在于，所述气动力特性观测步骤具体为: 11)微型扑翼飞行器进行扑动，六维力传感器、角度传感器和漫反射开关采集数据； 12)六维力传感器将扑动过程中的力和力矩转换成模拟信号，角度传感器将扑动过程中翅翼的扭转角度转换成模拟信号，漫反射开关将扑动过程中翅翼的扑动频率转换成模拟信号； 13)数据采集器接收模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号传输给上位机； 14)上位机对接收到的数字信号进行处理，得到微型扑翼飞行器扑动过程中的升阻力参数、扑动频率以及扭转角度并进行绘图，最终得到微型扑翼飞行器的空气动力曲线。9.根据权利要求7所述的微型扑翼飞行器气动力测试与扑翼流场观测方法，其特征在于，所述扑翼流场特性观测步骤具体为: 21)微型扑翼飞行器在撒入示踪粒子并受激光光源照射的观察箱内进行扑动，高速摄像机拍摄示踪粒子的位置状态； 22)高速摄像机将图像上传至上位机中； 23)上位机利用图像分析技术得到示踪粒子的位移，结合曝光时间分析并绘图，最终得到流场特性分析图。
【文档编号】G01M9/00GK106017847SQ201610308863
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】田培培, 金晓怡, 邢亚飞
【申请人】上海工程技术大学