[发明专利]三自由度微型扑翼试验测控系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型扑翼试验测控系统，尤其是一种能对扑翼三个自由度的扑动规律进行同步控制并能对扑动过程中产生的力、力矩等气动力进行实时测量的微型扑翼试验测控系统。

背景技术

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，它依靠机翼上下扑动产生飞行所需升力和推力，以体积小、重量轻、使用灵活等特点在国防和民用领域有着广泛的应用前景。目前所公认的扑翼运动高升力机理主要有“拍飞（Clap-Fling）”、“延时失速（Delayed Stall）”、“旋转环流（Rotational Circulation）”和“尾流捕获（Wake Capture）”等，为了定量研究这些扑动形式产生的高升力现象，必须搭建能够控制机翼实现三维复合扑动并能对扑动过程中的气动力进行实时测量的系统，从而得到不同扑动模式下的升力/推力特性，优化扑动轨迹。中国专利公开号CN102338690A（公开日2012年2月1日）的发明创造“一种三自由度扑翼综合实验平台”，公开了一种三自由度扑翼平台的机构形式，但还没有设计出完整的试验测控系统。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种完整实用的微型扑翼试验测控系统，可以通过对三个微型电机的同步控制，使机翼实现任意形式的三维复合扑动，并对机翼运动过程中所受到的力和力矩实时测量并记录。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括计算机、接口适配器、电机控制器、微型电机、编码器、三维扑动机构、六分量微型力/力矩传感器、信号调理盒和数据采集卡。

计算机通过接口适配器连接三个电机控制器，分别控制三个微型电机，微型电机的输出端与三维扑动机构相连，三维扑动机构的输出部分连接六分量微型力/力矩传感器，六分量微型力/力矩传感器直接与试验机翼相连；每个微型电机的尾部安装有编码器，编码器的输出端与电机控制器相连；六分量微型力/力矩传感器的输出信号与信号调理盒相连，信号调理盒将六分量微型力/力矩传感器测得的电压信号放大后与数据采集卡的输入端连接，数据采集卡的输出端与计算机连接。

所述的计算机中包括运动控制模块、运动测量模块、气动力测量模块、数据显示模块、数据处理模块和数据保存模块。运动控制模块同步控制三个微型电机按照设定的周期性运动曲线进行往复运动，并通过三维扑动机构将所述的往复运动结合，产生任意形式的三维扑动；运动测量模块通过电机控制器对电机运动过程中的瞬时位置进行实时采集；气动力测量模块通过数据采集卡对六分量微型力/力矩传感器测得的气动力数据进行实时测量；数据处理模块将运动测量模块测得的电机位置数据根据扑动机构的几何关系转换为机翼三个自由度的运动角度，把机翼角度数据带入气动力坐标转换矩阵后将气动力数据转换为机翼相对于地面坐标系的升力与推力，最后生成气动力、机翼扑动位置和时间相对应的试验结果；数据显示模块实时显示出机翼的力/力矩曲线以及三个方向的运动位置曲线；数据保存模块将各测量模块与数据处理模块生成的所有数据进行保存。

本发明的有益效果是：可以使机翼实现任意形式的三维复合扑动。该微型系统可通过向测控软件中直接输入扑动频率、扑动幅度、扭转幅度和扫掠幅度等数据自动生成三个微型电机各自的运动规律并使其执行，最终在扑动机构上将其结合产生任意形式的三维复合扑动。这样克服了以往试验系统自由度少、体积庞大的缺点，可对于仿生扑翼气动力的研究提供多方面的试验数据。

本发明的测量方案简捷，可同时得到多种气动力数据。由于六分量力/力矩传感器直接连接在机翼根部，这样可以直接测量出机翼相对扑动转轴的三个方向的力和三个方向的力矩。采用这种测量方式测得的数据不仅可以通过坐标转换得到扑动过程中的升力与推力值，还能计算出试验机翼的气动中心、转动惯量等利用传统风洞试验不能测得的数据。

本发明的数据同步性较好，试验效率高。整个系统可通过测控软件同时进行扑动方式控制与数据采集。当某一扑动状态所需的气动力测量完成后可连续进行扑动状态的改变与气动力测量。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图；

图2为本发明中测控软件不同模块间的数据流图；

图3为本发明中测控软件的控制模块与气动力测量模块工作原理图；

图4为本发明使用试验机翼在频率为4Hz，风速4m/s，扑动幅度20°，扫掠幅度5°，扭转幅度15°时所测量到的1s时间内的三个坐标轴力矩曲线图与相应电机位置曲线（力矩单位为g/mm）。

具体实施方式