一种微型扑翼飞行器惯性力测试装置及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空航天领域，涉及一种微型扑翼飞行器惯性力测试装置和方法，W 获得飞行器在扑动时的惯性力。
【背景技术】
[0002] 微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器，与固定翼和旋翼 相比，扑翼飞行器将上升、息停和推进集于一个扑动系统，仅需要较小的能量损耗即可完成 长距离飞行，扑翼翅膀在高频状态下的扑动和扭转使其获得无与伦比的机动性。
[0003] 昆虫和鸟类的体型比常规飞机小得多，产生的惯性力绝对值非常小，且扑动频率 高，所W其周围流场呈现尺度小，变化快的特点；现有的实验设备和理论主要用于常规飞行 器的测量，所W研制针对扑翼飞行器的惯性力测试装置尤为重要。现有测量惯性力的方法 有通过比例扑翼机构在液体中扇动翅膀时产生升力，但在空气中应用时该方法是否需要改 进需要进一步验证。
[0004] 目前关于扑翼飞行的实验研究主要有两个方面；流场显示和惯性力测量。流场显 示一般将扑翼放至低速风洞中，在给定来流速度及俯仰角情况下，布撒示踪粒子，经PIV系 统发射激光及高速相机捕捉图像，定性估测扑翼的流场显示。测力主要是测量系留飞行和 自由飞行的昆虫和飞鸟的惯性力，但是由于只能通过动物身体来测量力的变化情况，带来 诸多不确定因素，使得区分惯性力和扑翼产生的惯性力变得十分困难。因此，设计了微型扑 翼飞行器惯性力测试方法和装置。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种微型扑翼飞行器惯性力测试装置 及测试方法。
[0006] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的；一种微型飞行器惯性力测试装置，包 括微型扑翼飞行器、真空箱壳体、旋片式真空粟、支撑杆、测力安装板、测力传感器、传感器 安装板、智能真空负压显示控制器、供电调理器、数据采集器、PC端、电源、信号线、第一电源 线和第二电源线； 所述真空箱壳体的顶面、侧面均开有观察窗，真空箱壳体的前盖能打开，前盖上设置有 观察窗；真空箱壳体的顶面开有抽气口和进气口，抽气口通过PVC透明钢丝管与旋片式真 空粟连接；智能真空负压显示控制器安装在真空箱壳体上，智能真空负压显示控制器实时 检测并控制真空箱壳体内的真空度；微型扑翼飞行器、测力安装板、测力传感器、传感器安 装板依次连接，测力安装板通过螺栓与微型扑翼飞行器的重也位置固定，传感器安装板固 定在支撑杆上端，测力传感器上端与测力安装板固定，下端与传感器安装板固定，支撑杆下 端固定在真空箱壳体内；真空箱壳体安装有接线法兰，信号线、第一电源线和第二电源线穿 过接线法兰，第一电源线的一端与测力传感器相连，另一端与供电调理器相连，信号线的一 端与测力传感器相连，另一端与数据采集器相连、第二电源线一端与无刷无感直流电机相 连，另一端与电源相连；供电调理器与电源相连，电源给供电调理器、测力传感器和无刷无 感直流电机供电；数据采集器与PC端相连，测力传感器将微型扑翼飞行器在扑动时产生的 力和力矩转换成应变电压值输出，并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变 电压值转化为微型扑翼飞行器竖直方向上受到的力的大小； 所述微型扑翼飞行器，包括机身、无刷无感直流电机、固定板、两个齿轮组、第一连接臂 支座、第二连接臂支座、第H连接臂支座、第四连接臂支座、翼身连接臂、扑动翼、两个球头 连杆和电子调速器；固定板竖直安装在机身内，电子调速器和无刷无感直流电机均安装在 机身内的重也位置，且电子调速器与无刷无感直流电机输入端相连；机身上开有两个限位 行程槽； 两个齿轮组分别安装在固定板的左右两侧，所述齿轮组包括第一级主齿轮、第一级副 齿轮、第二级主齿轮和第二级副齿轮，且第一级主齿轮、第一级副齿轮、第二级主齿轮、第二 级副齿轮的齿数之比为；9 ;58 ;8 ;64 ;第一级主齿轮与无刷无感直流电机相连，第一级主齿 轮与第一级副齿轮晒合，第二级主齿轮与第一级副齿轮同轴固定，第二级主齿轮与第二级 副齿轮晒合；第一级主齿轮带动第一级副齿轮转动，第一级副齿轮带动第二级主齿轮W相 同角速度转动、第二级主齿轮带动第二级副齿轮转动； 第一连接臂支座和第二连接臂支座安装在固定板左侧，第H连接臂支座和第四连接 臂支座安装在固定板的右侧，且第一连接臂支座和第H连接臂支座位于一个限位行程槽下 方，第二连接臂支座和第四连接臂支座位于另一个限位行程槽下方；每个连接臂支座均安 装有翼身连接臂，同侧的两个翼身连接臂与一个扑动翼固定；球头连杆一端与第二级副齿 轮固定，另一端与一个翼身连接臂相连；第二级副齿轮转动，通过球头连杆带动翼身连接臂 上下运动，使得扑动翼上下扑动； 所述装置还包括频率测量器，频率测量器安装在观察窗上，并与PC端相连，所述扑动 翼上固定有反光标志物，频率测量器发射激光对准反光标志物；频率测量器检测从反光标 志物反射回的反射信号，并将反射信号传给PC端，PC端根据反射信号，得到反射频率，即为 微型扑翼飞行器的扑动频率。
[0007] -种微型飞行器惯性力测试方法，该方法上述微型飞行器惯性力测试装置上实 现，该方法包括W下步骤： (1) 打开前盖，将微型扑翼飞行器、测力安装板、测力传感器、传感器安装板依次固定安 装在支撑杆上端； (2) 关闭前盖和进气口，打开旋片式真空粟，将真空箱壳体抽成真空状态，智能真空负 压显示控制器实时检测并控制真空箱壳体内的真空度； (3) 打开电源，电源给测力传感器和微型扑翼飞行器供电，微型扑翼飞行器扑动； (4) 测力传感器将微型扑翼飞行器在扑动时产生的力和力矩转换成应变电压值输出， 并通过数据采集器将应变电压传送给PC端，PC端将应变电压值转化为微型扑翼飞行器竖 直方向上受到的力的大小； (5) 频率测量器发射激光，并检测从反光标志物反射回的反射信号，并将反射信号传给 PC端，PC端根据反射信号，得到反射频率，即为微型扑翼飞行器的扑动频率。
[0008] 微型扑翼飞行器相比于现有的固定翼飞机，能源利用效率高，基于仿生学设计，日 后可广泛用于军事侦察，机场驱鸟等不同场合；微型扑翼飞行器惯性力测试装置相比于现 有技术，能够定量测试扑翼扑动时产生的准确惯性力，该种测试方法相比于现有技术，将每 个系统进行模块化设计，简便了实验开展的流程，提高实验的成功率。
【附图说明】
[0009] 图1是微型扑翼飞行器的结构示意图； 图2是微型扑翼飞行器内部的结构示意图； 图3是齿轮组的结构示意图； 图4为微型飞行器惯性力测试装置的结构示意图； 图5为数据采集和供电系统的流程示意图； 图中，真空箱壳体1、旋片式真空粟2、微型扑翼飞行器3、支撑杆4、测力安装板5、测力 传感器、传感器安装板6、抽气口 7和进气口 8、智能真空负压显示控制器9、螺栓10、接线法 兰11、机身101、固定板102、第二级副齿轮103、第二级主齿轮104、第一级主齿轮105、第一 级副齿轮106、第一连接臂支座107、第二连接臂支座108、第H连接臂支座109、第四连接臂 支座110、翼身连接臂111、扑动翼112、限位行程槽113、球头连杆114。
【具体实施方式】
[0010] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0011] 如图1所示，一种微型扑翼飞行器，包括机身101、无刷无感直流电机、固定板102、 第二级副齿轮103、第二级主齿轮104、第一级主齿轮105、第一级副齿轮106、第一连接臂支 座107、第二连接臂支座108、第H连接臂支座109、第四连接臂支座110、翼