田培培，金曉怡，黃立新，邢亞飛，朱建柳

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) a. 機械工程學(xué)院，b. 現(xiàn)代工業(yè)實訓(xùn)中心，上海201620; 2. 上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海200431)

0 引言

微型撲翼機是從仿生學(xué)角度出發(fā)進行設(shè)計的一種新興小型飛行器。這種飛行器與常規(guī)的大型飛行器不同之處在于其整機尺寸很小、飛行機動性好、結(jié)構(gòu)緊湊，并且耗能較少?；谶@些優(yōu)點，微型撲翼機具有廣闊的應(yīng)用前景，但是目前的飛行器設(shè)計方法和理論主要是針對常規(guī)大型飛行器，對微型撲翼機并不適用[1-3]。微型飛行器主要可歸為固定翼機、旋翼機和撲翼機三類，其不同于微型旋翼和微型固定翼飛行器，只需要依靠規(guī)律的撲翼動作，微型撲翼機就可以產(chǎn)生持續(xù)飛行的升力，具有更好的機動性和靈活性。但是，微型撲翼機所處的空氣雷諾數(shù)比較低，隸屬于非定常流范疇，目前的非定?？諝鈩恿W(xué)方面的理論很難實現(xiàn)微撲翼機氣動力的精確設(shè)計和準(zhǔn)確計算[4-6]。如何較好地實現(xiàn)微形撲翼機的氣動力設(shè)計是目前該領(lǐng)域研究的一個難點。

在微型撲翼機的具體實驗研究方面，主要包括有撲翼飛行氣動力測試和撲翼空氣流場分析。目前用于常規(guī)飛行器具體實驗研究的機器設(shè)備較多，但是能夠用于微型撲翼機飛行測試的實驗設(shè)備不僅較少且不完善，國內(nèi)僅有幾所高校擁有專門用于微型撲翼的風(fēng)洞，可供參考的撲翼飛行器的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)也比較少，這些都阻礙了微撲翼機繼續(xù)發(fā)展[7-10]。針對現(xiàn)有的技術(shù)難題，設(shè)計了一種微撲翼機實驗臺測控系統(tǒng)，可以簡單便捷地實現(xiàn)微撲翼機氣動力的測試和撲翼流場的觀測。

1 測控系統(tǒng)工作原理

本文所設(shè)計的微撲翼機實驗臺測控系統(tǒng)，其主要功能是實現(xiàn)微撲翼機氣動力的測試和撲翼流場的觀測。其測控系統(tǒng)主要包括氣動力測試裝置、三維粒子圖像測速裝置(3D-PIV)和微撲翼機3部分。測控系統(tǒng)的原理圖見圖1。

圖1 微撲翼機試驗臺測控系統(tǒng)原理圖

1.1 氣動力測試裝置設(shè)計

氣動力測試裝置由數(shù)據(jù)采集器、PC機、角度傳感器、六維力傳感器以及漫反射開關(guān)組成。該裝置通過六維力傳感器進行翅翼扇動過程中x、y、z3個方向的力Fx、Fy、Fz和轉(zhuǎn)矩Tx、Ty、Tz等參數(shù)的檢測。在撲翼樣機的翅翼根部處安裝角度傳感器，可以檢測樣機扇動翅膀時翼的扭轉(zhuǎn)角度。漫反射開關(guān)可以實現(xiàn)樣機翅膀的扇動頻率參數(shù)的獲取。傳感器將撲翼機撲動過程中的力和力矩以及角度轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出給數(shù)據(jù)采集器，漫反射開關(guān)將微撲翼機撲動過程中翅翼的撲動頻率轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出給數(shù)據(jù)采集器。計算機并不能識別模擬信號，需要通過數(shù)據(jù)采集器把從各個傳感器處接收來的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，使計算機能夠識別這些信號。上位機接收將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為微型飛行器撲動過程中的各項氣動力參數(shù)，并通過測試軟件顯示出波形曲線。氣動力測試裝置原理圖見圖2。

圖2 氣動力測試裝置原理圖

1.2 三維粒子圖像測速裝置設(shè)計

3D-PIV裝置由示蹤粒子、半導(dǎo)體激光器、高速攝像系統(tǒng)、PC機等組成。把高分子材料做成的示蹤粒子均勻地撒進固定在底座上的觀察箱，用觀察箱某個流場區(qū)域中任意方位粒子的運動參數(shù)來代表某個方位的流體運動參數(shù)。利用半導(dǎo)體激光器照射觀察箱，同時用攝像系統(tǒng)拍攝流場中示蹤粒子的具體運動情況。通過測試軟件以及圖像分析技術(shù)可以在PC機上獲得撲翼流場區(qū)域內(nèi)粒子的位移、流速矢量等參數(shù)，進而可獲得流場的速度渦量云圖、流線圖等。3D-PIV裝置原理圖見圖3。

圖3 三維粒子圖像測速裝置原理圖

1.3 微撲翼機樣機

微撲翼機的設(shè)計包括機身、微型電機、二級齒輪減速組、翅翼以及撲翼機構(gòu)等部分。撲翼機構(gòu)采用圖4所示的平面四桿機構(gòu)。微撲翼機工作原理為：微型電機旋轉(zhuǎn)，通過二級齒輪減速組減速之后，運動轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫骐p曲柄雙搖桿四桿機構(gòu)的運動，2個曲柄運動帶動2個搖桿的運動，搖桿和樣機翅膀的骨架相連，四桿機構(gòu)的運動轉(zhuǎn)變?yōu)闃訖C翅膀的上、下拍打運動。微型電機選用空心杯716電機，經(jīng)二級減速之后，樣機撲動頻率在15～20 Hz。微型撲翼機三維模型如圖5所示。

圖4 微撲翼機撲翼機構(gòu)簡圖

圖5 微撲翼機三維模型示意圖

在完成微型撲翼機試驗臺測控系統(tǒng)各個部分的設(shè)計以后，進行了該試驗臺測控系統(tǒng)整體的綜合設(shè)計，測控系統(tǒng)示意圖見圖6。

1—底座；2—漫反射開關(guān)；3—觀察箱；4—立柱；5—微型撲翼飛行器； 6—激光光源；7—高速攝像機；8—數(shù)據(jù)采集器；9—上位機圖6 微撲翼機試驗臺測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

微撲翼機樣機在實驗臺上，樣機安裝示意圖見圖7。

10—六維力傳感器；11—微型撲翼飛行器機身； 12—微型撲翼飛行器機翼；13—角度傳感器圖7 微撲翼機安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2 撲翼試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計

本文所提出的微撲翼機實驗臺測控系統(tǒng)是采用LabVIEW軟件進行的虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計[11]，其中主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2部分。硬件部分主要是包括計算機以及各種內(nèi)置插卡，還包括各種數(shù)據(jù)采集程序控制等設(shè)備。軟件系統(tǒng)則主要是通過把計算機和各項儀器硬件進行連接，以實現(xiàn)對所需信號的采集、分析、處理和顯示等操作。本文實驗研究的主要目的是模擬真實飛行時的各種參數(shù)，找出能使得撲翼飛行器升空的適當(dāng)?shù)娘w行速度與撲翼頻率，從而為試飛實驗提供參考。

2.1 硬件設(shè)計

所設(shè)計的微撲翼機實驗臺測控系統(tǒng)硬件設(shè)計采用PCI-DAQ結(jié)構(gòu)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。該實驗平臺在室溫下工作，進行一次實驗所需的時間在2～3min，可以達到較長工作時間且工作穩(wěn)定。

圖8 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

六維力傳感器選用美國的Nano17，該傳感器結(jié)構(gòu)的強度較好，可以測試x、y、z3個方向上的力和轉(zhuǎn)矩，固有頻率為3 000Hz。

角度傳感器選用電阻值為5kΩ的精密導(dǎo)電塑料角度傳感器，其體積較小，可以有效減小實驗過程中的氣動干擾。

漫反射開關(guān)選用德國西克SICK的VTE18-4N4212。

示蹤粒子通常選用具有較高散射率且密度與實驗流體較為一致的高分子材料粒子。

在3D-PIV技術(shù)中，激光光源的選擇很重要，關(guān)系到能否獲得較好的流程粒子圖像。本文選擇美國ConOptics半導(dǎo)體激光器。

高速攝像機選用德國MIKROTRON高速攝影機，1.3M(1 280/h×1 024/v)分辨率。

微撲翼機模型翼展15cm。微型電機是微撲翼機模型撲翼飛行的動力源，選用航模8520，強磁電機，偉力911主電機，直驅(qū)可以達到40g拉力。撲翼機構(gòu)采用3D打印而成，翅翼骨架采用1mm直徑碳桿，翅翼采用塑料薄膜。

數(shù)據(jù)采集器選用美國德爾PCI-6052E，其中包含有2個16位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率可達到333 ks/s。

觀察箱尺寸選用150cm×80cm×80cm，用有機玻璃板制作。

2.2 軟件設(shè)計

LabVIEW是一種采用圖標(biāo)進行應(yīng)用程序編寫的應(yīng)用開發(fā)工具，因其突出的強大功能和靈活性而被廣泛使用。LabVIEW應(yīng)用程序包括前面板(front panel)、框圖程序(block diagram)以及圖標(biāo)/連接器(icon/connector)3部分[12]。前面板即人機交互界面，主要是實現(xiàn)操作人員的輸入和計算結(jié)果等信息的輸出，實驗操作人員可以在前面板進行微撲翼機的各項實驗的操作。程序框圖是用來定義虛擬儀器(VI)邏輯功能的圖形化源程序，通過在流程圖中對VI進行編程可以對界面的各項功能進行操作[13]。

圖9 撲翼實驗臺軟件設(shè)計流程圖

該微撲翼機實驗臺測控系統(tǒng)軟打印報表件需要實現(xiàn)初始化清零、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)記錄、打印報表以及結(jié)束退出程序等功能。軟件設(shè)計流程見圖9。

采用LabVIEW軟件進行設(shè)計的微撲翼機實驗臺測控系統(tǒng)的人機交互界面如圖10所示。在界面上顯示實驗項目、試驗時間、實驗員等基本信息，主界面上是微撲翼機氣動力曲面和翅翼扭轉(zhuǎn)角度曲線圖。在數(shù)據(jù)記錄中有實驗的具體數(shù)據(jù)，打印報表按鈕可以將實驗數(shù)據(jù)生成實驗報告。圖像數(shù)據(jù)按鈕可以調(diào)出微撲翼機撲翼飛行過程中的撲翼流場的速度渦量圖、流線圖、漩度圖等。

圖10 測控系統(tǒng)人機交互界面

3 撲翼試驗臺測控系統(tǒng)操作步驟

撲翼試驗臺測控系統(tǒng)操作步驟如下：首先將觀察箱放置在底座上，打開觀察箱的上蓋，將立柱、微型撲翼飛行器、六維力傳感器、角度傳感器、漫反射開關(guān)、激光光源依次固定安裝好。打開觀察箱，把高分子材料做成的示蹤粒子均勻地撒進固定在底座上的觀察箱，完成之后關(guān)閉箱體。在開始實驗之前，需要首先完成系統(tǒng)參數(shù)的配置并進行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)清空來初始化系統(tǒng)。啟動撲翼機電源，樣機開始進行撲翼運動，觸發(fā)氣動力測試裝置和三維粒子圖像測速裝置開始同步采集數(shù)據(jù)，同時注意測試軟件界面的曲線變化。完成數(shù)據(jù)采集之后，停止實驗，在測試軟件中對采集的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出和實驗報表的打印。每次實驗進行3次，實驗結(jié)果以3次實驗數(shù)據(jù)的平均值為準(zhǔn)。實驗結(jié)果主要包括撲翼樣機在撲翼過程中的氣動力數(shù)據(jù)、翅翼扭轉(zhuǎn)角度、翅翼扇動頻率、撲翼流場的渦量云圖、流線圖等。這些實驗數(shù)據(jù)可以較好地反映出樣機的氣動性能，有助于進行具有良好飛行特性的撲翼樣機的設(shè)計和研究。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于LabVIEW軟件的微撲翼機實驗臺測控系統(tǒng)，通過進行合理的系統(tǒng)硬件部分和軟件部分的設(shè)計，可以同時實現(xiàn)撲翼樣機的氣動特性測試和撲翼流場的觀測。該測控系統(tǒng)是通過將微撲翼樣機固定在觀察箱內(nèi)某一固定位置進行的實驗，所以該試驗臺不限于此種撲翼樣機，可以實現(xiàn)多種類樣機的實驗。通過該試驗臺測控系統(tǒng)進行實驗，可以得到撲翼樣機的氣動力參數(shù)和撲翼流場的具體情況，解決了目前微撲翼機實驗設(shè)備較少且不完善的技術(shù)問題，對具有良好飛行性能的微撲翼機的氣動設(shè)計和樣機研制具有一定的意義。

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