一种面向扑翼飞行机器人的旋转实验台

1.本发明公开涉及扑翼飞行实验技术领域，特别涉及一种面向扑翼飞行机器人的旋转实验台。


背景技术：

2.目前扑翼机的气动机理研究尚不成熟，这时往往需要进行大量的测试实验，那么如何对扑翼机进行测试成为了现阶段比较关键的问题。最直接的测试方法为户外试飞，但是在研究初期，为了避免样机损坏，所以先在地面测试是一个稳妥的选择。为了和实际情况结合，风速是扑翼机器人地面测试需要考虑的重要因素。在考虑风速的前提下，比较常规的地面测试方法是风洞实验，不过其造价十分昂贵，并且实验流程复杂，故研制一种能够代替风洞的地面测试平台具有很大的研究价值。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提出一种面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，以提供扑翼机所需的实验环境，可以减少扑翼机在初期设计不合理导致的损坏。而且通过该实验平台可对扑翼机的多种扑动参数进行测量，能够实现风速监测、力数据监测、扑频测量的功能，测量结果具有较高的准确性，对扑翼机的优化具有一定的指导意义。为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了如下方案：
4.一种面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其包括四脚底座、动力机芯模块、风速监测模块、悬臂托盘、悬臂、力测试模块以及光电编码器；其中，动力机芯模块固定在四脚底座，悬臂托盘设置在动力机芯模块顶部中顶板的正上方，风速监测模块设置在动力机芯模块上，通过测量顶板的转速用以获得扑翼机所受到的风的速度；悬臂的一端设置在悬臂托盘上，悬臂的另一端设置有力测试模块，扑翼机安装在所述力测试模块上；其还设置有扑频计数模块，所述扑频计数模块安装在扑翼机上，用于测量扑翼机机翼的扑动频率。
5.优选地，所述数显表安装在四角底座的正面，用于显示所述风速监测模块的数据，所述悬臂托盘通过螺栓安装在所述动力机芯模块的上方，所述悬臂通过螺栓安装在所述悬臂托盘的上方，所述力测试模块安装在所述悬臂距旋转中心较远的一端的末尾，用于测量扑翼机产生的力，所述扑翼机安装在所述力测试模块上，所述扑频计数模块安装在扑翼机上，用于测量扑翼机机翼的扑动频率，并依赖于所述控制模块，所述控制模块安装在悬臂上。
6.优选地，所述动力机芯模块为整个旋转实验台提供动力。所述动力机芯模块内，所述电机上安装有第二传送带轮，电机转动带动第二传送带轮转动，从而使所述传送带转动，传送带带动所述第一传送带轮转动，第一传送带轮与所述顶板固连，顶板与所述悬臂托盘固连，悬臂托盘与所述悬臂固连，故电机转动最终会驱动悬臂进行转动。所述电机通过l型电机固定板固定在所述空心固定立柱上，为保证传送带不会过载打滑，所述张紧螺栓通过向外旋出使l型电机固定板产生形变，从而使传送带进行张紧。为保证不绕线，所述空心固
定立柱内置了导电滑环，并在侧壁上设有导电滑环的出线孔。
7.优选地，所述风速监测模块提供了风速监测功能。所述风速监测模块内，所述固定架安装在所述动力机芯模块的空心固定立柱上，风速监测模块包括霍尔开关和磁铁，霍尔开关通过所述第一调节螺母和所述第二调节螺母安装在所述固定架上，所述霍尔磁铁安装在所述动力机芯模块的顶板上，当电机启动时，所述动力机芯模块的顶板会进行匀速圆周运动，磁铁会周期性地经过霍尔开关的上方，通过统计磁铁经过的次数，即可统计出所述动力机芯模块的顶板转速，获得顶板的转速后，可通过扑翼机在试验台上的旋转半径计算扑翼机的线速度，在无风的室内环境，扑翼机的线速度近似于扑翼机所受到的风的速度。
8.优选地，所述力测试模块不仅负责扑翼机的力测量，还负责扑翼机的攻角调节以及扑翼机的固定。力测试模块包括力传感器、攻角调节支架以及扑翼机夹具，其中，力传感器用于对扑翼机的升推力等力指标的测量，攻角调节支架攻可以对扑翼机的攻角进行无级调节，可以测得扑翼机在一定攻角下所产生的力，扑翼机夹具用于固定扑翼机。
9.优选地，所述力测试模块内，所述第一碳纤维板通过螺栓安装在所述悬臂的末端，所述第一碳纤维板与所述第二碳纤维板通过所述第一双通螺柱进行固定和隔离，所述力传感器用于所述扑翼机的三轴力以及三轴力矩的测量，力传感器下部通过螺栓与所述第二碳纤维板固连，上部通过螺栓与所述第三碳纤维板固连，所述第三碳纤维板与所述第四碳纤维板通过所述第二双通螺柱进行固定和隔离，所述第一碳板和所述第二碳板之间的第一双通螺柱共有8个，长度为80mm，所述第三碳板和所述第四碳板之间的第二双通螺柱有6个，长度也为80mm，两组双通螺柱确保所述扑翼机进行下扑时不会与所述悬臂发生干涉。所述攻角调节支架与第四碳纤维板通过螺栓进行固连，通过调节所述攻角调节支架可以进行扑翼机攻角的调节，这样可以测得扑翼机在一定攻角下所产生的力，所述扑翼机夹具与所述攻角调节支架通过螺栓进行固连，所述扑翼机通过螺栓固定在扑翼机夹具上。所述力传感器需要连接六条线，其中四条线为信号线，通过导电滑环与rj45网线连接，另外两条线为电源线，通过导电滑环接到稳压源上。
10.优选地，所述扑频计数模块用于监测扑翼机的扑频。扑频计数模块包括：光电编码器、编码器齿轮，所述光电编码器固定在所述扑翼机的机身上，所述编码器齿轮通过顶丝固定在所述光电编码器的输出轴上，所述编码器齿轮与所述扑翼机的减速齿轮相啮合。当扑翼机进行扑动时，通过统计到的脉冲数，即可得到编码器齿轮的转速，由于第二级减速齿轮转一周，扑翼机扑动一个周期，之后通过编码器齿轮与扑翼机减速齿轮的传动比，即可获得扑翼机扑频，将该扑频经所述控制模块通过相应算法进行处理，可得到一个足够精准的扑翼机扑频。
11.优选地，所述控制模块用于对光电编码器采集的数据进行计算，并与pc端上位机进行通信。所述控制模块内，所述控制板用于计算所述光电编码器的转速，并通过计算得到扑翼机的扑频，所述移动电源用于控制板的供电，所述无线传输模块用于将数据通过无线传输的方式发送到pc端。
12.本发明的上述技术方案的有益效果如下：
13.(1)本发明的实验平台包括四脚底座、数显表、动力机芯模块、风速监测模块、悬臂托盘、悬臂、扑翼机器人、力测试模块、扑频计数模块、控制模块；具有风速监测、力数据监测、扑频计数的功能。能够满足扑翼式飞行器的实验需求，模拟出真实的飞行状态；
14.(2)风是影响扑翼机飞行的重要因素，本发明可以通过动力机芯模块和悬臂可以为扑翼机提供迎风飞行的环境，并且通过霍尔传感器进行了风速的监测，这是目前绝大多数扑翼测试实验台所不具备的。
15.(3)本发明在所述动力机芯模块的空心固定立柱内部放置了导电滑环，解决了绕线问题，导电滑环采用了18路5a的规格，除了力传感器使用了其中的6路，还剩下12路5a导线，具有很强的扩展能力。
16.(4)本发明还通过光电编码器实现了扑频计数功能，所述光电编码器为增量式光电编码器，使用该方案相比于目前大多数的扑频测量方案进行扑频测量具有精度高、抗干扰能力强的特点。
附图说明
17.图1和图2是本发明实施例提供的一种面向扑翼飞行机器人的旋转实验台的整体结构示意图；
18.图3是动力机芯模块及其周围零部件的结构示意图；
19.图4是动力机芯模块去掉传送带的局部放大图；
20.图5是风速监测模块的结构示意图；
21.图6和图7是控制模块、力测试模块、扑翼机的结构示意图；
22.图8是力测试模块中扑翼机夹具的结构示意图；
23.图9是力测试模块中攻角调节支架的结构示意图；
24.图10是动力机芯模块中顶板的结构示意图；
25.图11是扑频计数模块中编码器齿轮的工作原理图。
26.附图标记：
27.1、四脚底座；2、数显表；3、动力机芯模块；301、第一底盘；302、第二底盘；303、空心固定立柱；304、顶板；305、传送带；306、第一传送带轮；307、第二传送带轮；308、张紧螺栓；309、张紧螺母；310、l型电机固定板；311、电机；4、风速监测模块；401、固定架；402、霍尔开关；403、第一调节螺母；404、第二调节螺母；405、霍尔磁铁；5、悬臂；6、悬臂托盘；7、扑翼机；700、光电编码器；701、编码器齿轮；702、扑翼机电机齿轮；703、第一级减速大齿轮；704、第一级减速小齿轮；705、第二级减速齿轮；8、力测试模块；801、第一碳纤维板；802、第一双通螺柱；803、第二碳纤维板；804、力传感器；805、第二双通螺柱；806、攻角调节支架；807、扑翼机夹具；808、第四碳纤维板；809、第三碳纤维板；9、控制板；10、移动电源。
具体实施方式
28.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
29.本发明提供的一种面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，如图1～11所示，其中：动力机芯模块3固定在四脚底座1，悬臂托盘6设置在动力机芯模块3顶部中顶板304的正上方，风速监测模块4设置在动力机芯模块3上，通过测量顶板304的转速用以获得扑翼机7所受到的风的速度；悬臂5的一端设置在悬臂托盘6上，悬臂的另一端设置有力测试模块8，力测试模块8内设置有扑翼机夹具807，扑翼机夹具807用以固定扑翼机7；其还设置有扑频计数模
块，所述扑频计数模块安装在扑翼机7上，用于测量扑翼机机翼的扑动频率。
30.进一步地，所述动力机芯模块3通过第一底盘301以螺栓连接的方式安装在四脚底座1上，数显表2通过双面胶固定在四脚底座1的正面，数显表2与所述风速监测模块4中的霍尔开关402相连接，用于显示风速监测模块4统计的数据，悬臂托盘6通过螺栓连接的方式安装在所述动力机芯模块3内的顶板304的正上方，所述悬臂5通过螺栓连接的方式安装在悬臂托盘6的正上方，所述力测试模块8通过螺栓连接的方式安装在悬臂5距离旋转中心较远的一端的末尾，所述扑翼机7通过螺栓连接的方式安装在力测试模块8内的扑翼机夹具807上，控制板9和移动电源10通过胶带的方式固定在悬臂5上。
31.进一步地，所述动力机芯模块3内，所述电机311在电机轴上通过焊接的方式安装有第二传送带轮307，跟随电机311同轴转动，所述第二传送带轮307转动会使传送带转动，从而使第一传送带轮306转动，所述顶板304与第一传送带轮306通过焊接的方式进行固连，故顶板304会跟随第一传送带轮306进行转动，顶板304为铸铁焊接件，一部分为空心圆柱，另一部分为圆盘，圆盘焊接在空心圆柱的端面上，顶板304的结构如图10所示。所述悬臂托盘6通过螺栓与顶板304进行连接，所述悬臂5通过螺栓连接的方式安装在悬臂托盘6的正上方。顶板304的空心圆柱部分插入到空心固定立柱303内，可理解的是，当电机311通电后，所述空心固定立柱303是固定不动的，顶板304是进行转动的，顶板304的转动带动悬臂托盘6和悬臂5进行转动。
32.进一步地，对于电动机芯驱动方式的选择，如果采用齿轮传动，一般需要使用减速齿轮才能够提供足够大的扭矩驱动扑翼机7围绕悬臂5进行旋转，但是采用减速齿轮的方案会导致本发明的实验台末端扑翼机7的最高线速度受限，也就是使扑翼机7所受的最大风速受限，相比之下，使用带传动获得的最大风速更高，不过带传动的传动方式可靠性不如齿轮传动，故本发明中使用了张紧螺栓308和张紧螺母309对传送带进行张紧，避免了带传动过载打滑不可靠的弊端。本发明中电机311为220v交流调速电机，功率为180w，最终测试扑翼机能够获得的最大风速能够达到14m/s。
33.进一步地，所述电机311通过l型电机固定板310与空心固定立柱303进行固定，为了避免当电机311的转速增加导致传送带305的过载打滑，使用了张紧螺栓308和张紧螺母309对传送带进行张紧。张紧螺母309通过焊接的方式固定在空心固定立柱303的侧壁上。可理解的是，当张紧螺栓308旋出张紧螺母309时，张紧螺栓308的头部会对l型电机固定板310施加一个压力，引发l型电机固定板310的形变，通过压力的传导，使传送带305张紧，当张紧螺栓308旋入张紧螺母309时，会使传送带305变松弛。
34.进一步地，由于本发明的实验台为旋转式实验台，故解决绕线问题不可避免，采用的方案是在空心固定立柱303内放置了导电滑环，在空心固定立柱303、顶板304、悬臂托盘6以及悬臂5上均设有导电滑环的出线通道。
35.为了实现对扑翼机所受风速的监测，固定架401通过轧带安装在空心固定立柱303的侧壁上，霍尔开关402通过第一调节螺母403和第二调节螺母404安装在固定架401上，通过调节霍尔开关402相对两个螺母的位置可以调整霍尔开关402的高度，霍尔磁铁405通过吸附的方式安装在顶板304上，霍尔开关402的头部距离磁铁405的垂直方向的距离大约为5mm，保证当磁铁405经过霍尔开关402的正上方时，霍尔开关402的感应灯能够正常闪烁。可理解的当电机311启动时，顶板304进行匀速圆周运动，磁铁405会周期性地经过霍尔开关
402的上方，通过统计磁铁405经过霍尔开关402的次数，即可统计出顶板304的转速。
36.进一步地，所述风速监测模块4统计得到的数据显示在数显表2上。数显表2显示的结果为每分钟磁铁经过霍尔开关的次数。顶板304上安装的磁铁405的个数会影响转速测量的精度，磁铁的数目越多，转速的测量的波动范围就越小。本发明中采用了3个磁铁在顶板304上进行均匀布置，精度已经足够，所得到的每分钟顶板的转速是数显表示数的三分之一，之后通过扑翼机7在悬臂5上的安装位置距离旋转中心的距离可计算出扑翼机的线速度，在无风的室内环境，扑翼机的线速度近似于扑翼机所受到的风的速度，这样就完成了风速监测。
37.进一步地，本发明中的风速测量实际上是对转速测量的巧妙运用，通过转速测量间接测得风速。对于转速测量，还可以使用直接测量的方法，如空速计。不过对于本发明，空速计这种方案并不适合于本发明的试验台，因为品质良好的空速计一方面价格比较高，另一方面在室内的低速测量环境下，其波动范围较大，风速测量可达到
±
3m/s的波动范围，这个误差是无法接受的。测量转速还有一些其他方法，不过本发明中使用霍尔传感器进行测量，其稳定性和准确性都很好，并且方便安装和调试，是本发明中的较佳方案。
38.进一步地，动力机芯模块3通过悬臂5为扑翼机7提供风速。悬臂5总长3.2m，悬臂的一端距离旋转中心1m，另一端距离旋转中心2.2m，为了避免悬臂5由于扑翼机7交变的升力引发剧烈抖动，悬臂需要具有一定的抗弯刚度。本发明中采用的悬臂规格为：材质为铝、截面宽50mm、高80mm、截面厚度3mm。
39.进一步地，为了实现对扑翼机的升推力等力指标的测量，本发明中还设置了力测试模块8。所述力测试模块8内，第一碳纤维板801通过螺栓安装在悬臂5的末端附近，第一碳纤维板801与第二碳纤维板803通过第一双通螺柱802进行隔离固定，力传感器804底面通过螺栓安装在第二碳纤维板803上，上面通过螺栓安装在第三碳素纤维板809上，第三碳纤维板809与第四碳纤维板808通过第二双通螺柱805进行隔离固定，其中第一双通螺柱802共有8个，长度为80mm，第二双通螺柱805共有6个，长度也为80mm，两组双通螺柱将扑翼机抬高，确保所述扑翼机进行下扑时不会与所述悬臂发生干涉。
40.进一步地，所述力传感器804为六分量天平，可进行三轴力和三轴力矩的测量，该六分量天平需要连接六条线，其中四条线为信号线，这四条线通过导电滑环与rj45网线连接，另外两条线为电源线，这两条线通过导电滑环接到稳压源上。
41.进一步地，由于扑翼机在扑动状态下力的变化非常频繁，故传感器需要较高的采样频率才可以满足测力的精准性。本发明所用的六分量天平为ati的axia80系列，其采样频率可达到900hz左右，能够较好地满足测力的精准性。
42.进一步地，所述力测试模块8除了进行力的测量之外，还负责对扑翼机的攻角进行调节。力测试模块8内，所述攻角调节支架806可以对扑翼机7的攻角进行无级调节，可以测量很大范围的攻角变化，攻角的大小可以通过量角器进行测量，该装置方便对不同攻角下的样机的性能进行对比。
43.扑翼机的扑频是影响扑翼机气动性能的关键因素，扑频计数模块包括：光电编码器700、编码器齿轮701。光电编码器700为1024线增量式光电编码器，编码器齿轮701通过顶丝固定在光电编码器700上，编码器齿轮701与所述扑翼机7的第二级减速齿轮705啮合。
44.进一步地，扑频计数模块编码器齿轮的工作原理如图11所示。首先扑翼机电机齿
轮702先进行转动，带动第一级减速大齿轮703进行转动，第一级减速小齿轮704与第一级减速大齿轮703同轴转动，之后由第一级减速小齿轮704带动第二级减速齿轮705进行转动，之后带动编码器齿轮701进行转动。可以理解的是，当扑翼机进行扑动时，编码器齿轮701转动会得到一个脉冲数，通过脉冲数即可得到编码器齿轮的转速，之后通过传动比，很容易计算出第二级减速齿轮的转速，对于扑翼机7，采用的驱动结构为空间连杆机构，该驱动结构的特点是当最后一级减速齿轮转一周，扑翼机扑动一个周期，故得到第二级减速齿轮705的转速即可获得扑翼机7的扑频。
45.进一步地，为了对光电编码器700采集的数据进行处理，本发明中还设置了控制模块，控制模块包括：控制板9、移动电源10。特别说明的是，控制模块能够进行扑频的计算但不限于此，可以增加一些其他传感器对该控制模块进行扩展。光电编码器700需要连接4条线，分别为gcc线、gnd线、信号线1、信号线2，这4条线通过杜邦线连接到所述控制模块的控制板上。控制板9由移动电源10进行供电，两者均放置在悬臂5上。可以理解的是，光电编码器700采集到脉冲数之后，在控制板内部可以计算出编码器齿轮701的转速，之后通过传动比可以计算出第二级减速齿轮705的转速，从而计算出扑频，得到的扑频是一个不稳定的值，需要相应算法对该扑频进行处理得到一个稳定的扑频。
46.进一步地，控制板9无法直接连接到pc端，故计算出的扑频数据无法直接由pc端进行接收，故采用无线传输模块hc12进行远程通信。控制板的扑频数据通过串口通信协议，将数据发送至pc端并进行处理。
47.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于，其包括四脚底座、动力机芯模块、风速监测模块、悬臂托盘、悬臂、力测试模块以及扑频计数模块；其中，动力机芯模块固定在四脚底座，悬臂托盘设置在动力机芯模块顶部中顶板的正上方，风速监测模块设置在动力机芯模块上，通过测量顶板的转速用以获得扑翼机所受到的风的速度；悬臂的一端设置在悬臂托盘上，悬臂的另一端设置有力测试模块，扑翼机安装在所述力测试模块上；其还设置有扑频计数模块，所述扑频计数模块安装在扑翼机上，用于测量扑翼机器人机翼的扑动频率。2.根据权利要求1所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：还包括数显表，所述数显表安装在四角底座的正面，用于显示所述风速监测模块的数据。3.根据权利要求1所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：所述动力机芯模块包括电机，所述电机上安装有第二传送带轮，电机转动带动第二传送带轮转动，从而使所述传送带转动，传送带带动第一传送带轮转动，第一传送带轮与所述顶板固连，顶板与所述悬臂托盘固连，悬臂托盘与所述悬臂固连，使电机驱动悬臂进行转动。4.根据权利要求3所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：动力机芯模块还包括空心固定立柱，顶板的空心圆柱部分插入到空心固定立柱内，所述空心固定立柱内置了导电滑环，并在侧壁上设有导电滑环的出线孔。5.根据权利要求4所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：电机通过l型电机固定板固定在所述空心固定立柱上；铜鼓张紧螺栓和张紧螺母对传送带进行张紧，张紧螺母通过焊接的方式固定在空心固定立柱的侧壁上，所述张紧螺栓通过向外旋出使l型电机固定板产生形变，从而使传送带进行张紧；所述空心固定立柱内置了导电滑环，并在侧壁上设有导电滑环的出线孔。6.根据权利要求1所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：所述风速监测模块包括霍尔开关以及霍尔磁铁，霍尔磁铁通过吸附的方式安装在顶板上，通过统计磁铁经过霍尔开关的次数，可统计出顶板的转速，从而获得扑翼机所受到的风的速度。7.根据权利要求1所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：力测试模块包括力传感器、攻角调节支架以及扑翼机夹具，其中，力传感器用于对扑翼机的升推力等力指标的测量，攻角调节支架攻可以对扑翼机的攻角进行无级调节，可以测得扑翼机在一定攻角下所产生的力，扑翼机夹具用于固定扑翼机。8.根据权利要求7所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：所述力传感器为六分量天平，可进行三轴力和三轴力矩的测量。9.根据权利要求1所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：所述扑频计数模块包括：光电编码器、编码器齿轮，所述光电编码器固定在所述扑翼机的机身上，所述编码器齿轮通过顶丝固定在所述光电编码器的输出轴上，所述编码器齿轮与所述扑翼机的减速齿轮相啮合。10.根据权利要求9所述的面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其特征在于：还包括控制模块，控制模块包括：控制板、移动电源，控制模块用于对光电编码器采集的数据进行计算，并与pc端上位机进行通信，所述控制板用于计算所述光电编码器的转速，并通过计算得到扑翼机的扑频，所述移动电源用于控制板的供电，无线传输模块用于将数据通过无线传输的方式发送到pc端。

技术总结
本发明一种面向扑翼飞行机器人的旋转实验台，其包括：四脚底座、数显表、动力机芯模块、风速监测模块、悬臂托盘、悬臂、扑翼机器人、力测试模块、扑频计数模块、控制模块；所述四脚底座通过螺栓与所述动力机芯模块的第一底盘相连、所述动力机芯模块通过带传动驱动悬臂托盘转动，所述风速监测模块通过霍尔传感器用于测量悬臂托盘圆周运动的转速并通过所述数显表显示，所述悬臂与悬臂托盘通过螺栓固连，与悬臂托盘同步旋转，所述扑翼机器人为测试对象，固定在所述力测试模块上，所述扑频计数模块通过光电编码器统计编码器齿轮的转速，所述光电编码器与所述控制模块的控制板相连，所述控制板将编码器齿轮的转速转化为扑翼机器人扑频。本发明通过电机驱动试验台旋转，为扑翼机器人提供所需风场环境，能够较为准确地测量扑翼机器人的气动力与扑动频率，具有实用性强、扩展性强、易操作的特点。易操作的特点。易操作的特点。


技术研发人员：何修宇 胡银皓 贺威 吴晓阳 黄海丰 宫乐 付强 邹尧 张爽 黄鸣阳
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/5/26