[发明专利]仿生扑翼飞行器升力测试装置及其测试方法

说明书

技术领域

本发明属于扑翼飞行器升力测试技术领域，具体涉及一种仿生扑翼飞行器 升力测试装置及测试方法。

背景技术

仿生扑翼飞行器是基于半转机构提出的一种新型类扑翼飞行器，不同于鸟 翅或昆虫翼的拍动，其翼片的运动是连续的公转与自转的复合运动，两个翼片 相距较远时的运动类似鸟翅的拍动，相距较近时的运动具有昆虫翅的急张与急 拍作用。为了研究该飞行器的高升力机制和较高扑动频率下的升力大小,需要测 量低速飞行时不同扑动频率下的升力。

常用的升力测量装置由风洞和测量天平组成，测试模型固定在测量天平上， 如机械天平，模型与天平支承件置于风洞中，可以测量升力、推力、侧向力、 滚转力矩、偏航力矩、俯仰力矩。这种基于风洞的测量装置虽然机械天平测量 灵敏度高，稳定性好，但是风洞和机械天平结构复杂，制造费用大。公知的旋 翼动态试验装置(CN103954426A)将试验模型安装在运动的机座上，可以测量 旋翼在不同运动工况下的升力变化，省去了风洞装置。

一种三自由度扑翼综合实验平台(CN102338690B)是针对扑翼三自由度转动 而设计的，可以测量扑翼扑动的力和力矩特性，虽然其结构简单，适用于复杂 扑翼运动规律的风洞实验分析和验证，但不适用于仿生扑翼飞行器的升力测量。

发明内容

为了解决现有升力测试装置存在的结构复杂和适用性差的问题，本发明提 供一种仿生扑翼飞行器升力测试装置及其测试方法。该装置将仿生扑翼飞行器 模型固定在可以回转的摆杆上，用摆杆的回转运动来模拟飞行器的前进运动， 用摆杆的倾角变化来计算升力变化。该测试装置具有结构简单，能适应仿生扑 翼飞行器的升力测量。

本发明升力测试装置，包括连接轴、摆杆、斜杆、支架、大齿轮、小齿轮、 电机、立柱、底盘、发送器、传感器、轴套、轴、十字孔套；所述连接轴和摆 杆轴线位于同一平面内且保持垂直，连接轴固定在摆杆的下端；所述摆杆的上 端与十字孔套固接，十字孔套和摆杆的轴线同平面且保持垂直；所述轴通过轴 承支承在轴套的孔中，其左端与传感器的输入轴固定联接，右端与十字孔套固 定联接，轴和十字孔套轴线保持同轴；所述传感器的外壳与轴套固定联接；所 述斜杆下端与轴套固定联接，斜杆上端与大齿轮固定联接，斜杆和轴套的轴线 垂直且同平面，斜杆与大齿轮的轴线垂直且同平面，轴套和大齿轮的轴线垂直 交叉；所述立柱的上端与支架固定，下端与底盘固定，立柱轴线为铅垂线；所 述大齿轮由轴承支承在支架的立轴上，并与固定于电机轴端的小齿轮保持啮合， 电机固定在支架上；所述发送器安装在传感器的尾部。

静态测量时，飞行器仅在原地飞行。飞行器模型固定在连接轴上，并使升 力方向与连接轴的轴线方向相同，无升力作用时，摆杆轴线自然下垂，传感器 输出角度为0；升力作用时，摆杆摆动，记录传感器的角位移输出值，通过已知 数学模型计算获得飞行器静态飞行时的升力大小。

动态测量时，飞行器以不同前进速度飞行。启动电机运行，通过小齿轮和大 齿轮的啮合传动，斜杆带动摆杆及飞行器模型绕立柱转动，转动的线速度作为 飞行器的前进速度，改变电机的转速可以改变飞行器的飞行速度。通过发送器 和无线接收器记录传感器的角位移输出值，通过已知数学模型计算获得飞行器 飞行器动态飞行时的升力大小。

本发明的科学原理如下：

由于摆杆相对于斜杆的摆动只有一个转动关节，并用滚动轴承支承，摆杆 的摆动阻力矩小，升力方向垂直于摆杆，升力使摆杆转动的力臂大，且可调节， 因此，摆杆转动处产生的摩擦力矩对升力测量的影响小，测量精度高。

动态测量时，模型及摆杆的运动会产生气动阻力，由于该气动阻力的方向 平行于摆杆转动副的轴线，理论上不产生使摆杆转动的附加力矩。因此，模型 及摆杆的气动阻力不影响升力的测量。

采用非接触式的角位移传感器，传感器内部的摩擦阻力矩小，测量分辨率 高。角位移测量值与升力及模型和摆杆的离心力成正比，而与模型和摆杆的质 量成反比，由于模型和摆杆的自重较小且易于调节，因此，在给定的测量精度 下，可以获得较大的升力测量范围。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用模型定轴转动来模拟实际飞行，省去了风洞设备，使实验装置结构 紧凑，占用空间小；

2、适用于仿鸟或仿昆虫飞行器的升力测量，测量范围大，测量准确度高；