[發明專利]仿生撲翼飛行器升力測試裝置及其測試方法

有效

• 申請號: 201410446620.8
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104198152A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 張玉華;王孝義;錢愛文;陳富強;邱支振
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 蔣海軍

技術領域

本發明屬于撲翼飛行器升力測試技術領域，具體涉及一種仿生撲翼飛行器 升力測試裝置及測試方法。

背景技術

仿生撲翼飛行器是基于半轉機構提出的一種新型類撲翼飛行器，不同于鳥 翅或昆蟲翼的拍動，其翼片的運動是連續的公轉與自轉的復合運動，兩個翼片 相距較遠時的運動類似鳥翅的拍動，相距較近時的運動具有昆蟲翅的急張與急 拍作用。為了研究該飛行器的高升力機制和較高撲動頻率下的升力大小,需要測 量低速飛行時不同撲動頻率下的升力。

常用的升力測量裝置由風洞和測量天平組成，測試模型固定在測量天平上， 如機械天平，模型與天平支承件置于風洞中，可以測量升力、推力、側向力、 滾轉力矩、偏航力矩、俯仰力矩。這種基于風洞的測量裝置雖然機械天平測量 靈敏度高，穩定性好，但是風洞和機械天平結構復雜，制造費用大。公知的旋 翼動態試驗裝置(CN103954426A)將試驗模型安裝在運動的機座上，可以測量 旋翼在不同運動工況下的升力變化，省去了風洞裝置。

一種三自由度撲翼綜合實驗平臺(CN102338690B)是針對撲翼三自由度轉動 而設計的，可以測量撲翼撲動的力和力矩特性，雖然其結構簡單，適用于復雜 撲翼運動規律的風洞實驗分析和驗證，但不適用于仿生撲翼飛行器的升力測量。

發明內容

為了解決現有升力測試裝置存在的結構復雜和適用性差的問題，本發明提 供一種仿生撲翼飛行器升力測試裝置及其測試方法。該裝置將仿生撲翼飛行器 模型固定在可以回轉的擺桿上，用擺桿的回轉運動來模擬飛行器的前進運動， 用擺桿的傾角變化來計算升力變化。該測試裝置具有結構簡單，能適應仿生撲 翼飛行器的升力測量。

本發明升力測試裝置，包括連接軸、擺桿、斜桿、支架、大齒輪、小齒輪、 電機、立柱、底盤、發送器、傳感器、軸套、軸、十字孔套；所述連接軸和擺 桿軸線位于同一平面內且保持垂直，連接軸固定在擺桿的下端；所述擺桿的上 端與十字孔套固接，十字孔套和擺桿的軸線同平面且保持垂直；所述軸通過軸 承支承在軸套的孔中，其左端與傳感器的輸入軸固定聯接，右端與十字孔套固 定聯接，軸和十字孔套軸線保持同軸；所述傳感器的外殼與軸套固定聯接；所 述斜桿下端與軸套固定聯接，斜桿上端與大齒輪固定聯接，斜桿和軸套的軸線 垂直且同平面，斜桿與大齒輪的軸線垂直且同平面，軸套和大齒輪的軸線垂直 交叉；所述立柱的上端與支架固定，下端與底盤固定，立柱軸線為鉛垂線；所 述大齒輪由軸承支承在支架的立軸上，并與固定于電機軸端的小齒輪保持嚙合， 電機固定在支架上；所述發送器安裝在傳感器的尾部。

靜態測量時，飛行器僅在原地飛行。飛行器模型固定在連接軸上，并使升 力方向與連接軸的軸線方向相同，無升力作用時，擺桿軸線自然下垂，傳感器 輸出角度為0；升力作用時，擺桿擺動，記錄傳感器的角位移輸出值，通過已知 數學模型計算獲得飛行器靜態飛行時的升力大小。

動態測量時，飛行器以不同前進速度飛行。啟動電機運行，通過小齒輪和大 齒輪的嚙合傳動，斜桿帶動擺桿及飛行器模型繞立柱轉動，轉動的線速度作為 飛行器的前進速度，改變電機的轉速可以改變飛行器的飛行速度。通過發送器 和無線接收器記錄傳感器的角位移輸出值，通過已知數學模型計算獲得飛行器 飛行器動態飛行時的升力大小。

本發明的科學原理如下：

由于擺桿相對于斜桿的擺動只有一個轉動關節，并用滾動軸承支承，擺桿 的擺動阻力矩小，升力方向垂直于擺桿，升力使擺桿轉動的力臂大，且可調節， 因此，擺桿轉動處產生的摩擦力矩對升力測量的影響小，測量精度高。

動態測量時，模型及擺桿的運動會產生氣動阻力，由于該氣動阻力的方向 平行于擺桿轉動副的軸線，理論上不產生使擺桿轉動的附加力矩。因此，模型 及擺桿的氣動阻力不影響升力的測量。

采用非接觸式的角位移傳感器，傳感器內部的摩擦阻力矩小，測量分辨率 高。角位移測量值與升力及模型和擺桿的離心力成正比，而與模型和擺桿的質 量成反比，由于模型和擺桿的自重較小且易于調節，因此，在給定的測量精度 下，可以獲得較大的升力測量范圍。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1、采用模型定軸轉動來模擬實際飛行，省去了風洞設備，使實驗裝置結構 緊湊，占用空間小；

2、適用于仿鳥或仿昆蟲飛行器的升力測量，測量范圍大，測量準確度高；