單自由度撲翼機(jī)推重比的特性

陳桂安　王寧章　蔡毓

【摘 要】為了研究單自由度撲翼機(jī)的推重比，本實(shí)驗(yàn)室利用自身所具備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，自主設(shè)計(jì)出了不同于其他測(cè)試的靜態(tài)力測(cè)試系統(tǒng)。文章利用相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的校準(zhǔn)和應(yīng)用系統(tǒng)，并校準(zhǔn)輸出頻率。設(shè)計(jì)測(cè)力系統(tǒng)，水平校準(zhǔn)后進(jìn)行測(cè)試。通過測(cè)試，可獲得撲翼機(jī)的撲動(dòng)頻率、撲翼機(jī)的靜態(tài)推力，以及在考慮測(cè)試臺(tái)阻力情況下的合推力。通過對(duì)所得的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行matlab分析，得出撲翼機(jī)推力和撲動(dòng)頻率的特性關(guān)系及撲翼機(jī)推重比與撲動(dòng)頻率的相關(guān)特性：在該單自由度撲翼機(jī)機(jī)型下，推力隨撲動(dòng)頻率呈非線性增大，推重比也隨撲動(dòng)頻率非線性增大。該實(shí)驗(yàn)為不同規(guī)格的撲翼機(jī)提供了縱向?qū)Ρ纫罁?jù)，為不同自由度的撲翼機(jī)提供了橫向?qū)Ρ纫罁?jù)，為飛行控制系統(tǒng)和雙段翼撲翼機(jī)的測(cè)試提供參考。測(cè)試系統(tǒng)的創(chuàng)新更是為后續(xù)的研究提供了新的研究方法。

【關(guān)鍵詞】撲翼機(jī);控制芯片;頻率;推力;推重比

【中圖分類號(hào)】TP242;V211.7【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）01-0117-04

0 引言

影響撲翼機(jī)推力的主要因素有飛行速度、撲動(dòng)頻率、撲打幅度、機(jī)翼形狀等。目前國內(nèi)外的撲翼機(jī)大部分為上下?lián)鋭?dòng)的微型撲翼機(jī)，羅伯特等人的研究表明其運(yùn)動(dòng)近似于正弦運(yùn)動(dòng)[1-2]，推力測(cè)試用的大多數(shù)是風(fēng)洞測(cè)試，德國沃爾夫剛等人對(duì)推力的測(cè)量是使用一個(gè)類似于卡盧瑟裝置[3-4]進(jìn)行。西北工業(yè)大學(xué)的邵立民、宋筆鋒等人[5]應(yīng)用多傳感器及風(fēng)洞組合而成的系統(tǒng)對(duì)推力進(jìn)行測(cè)量。就目前而言，測(cè)量推力的方式方法多種多樣，因而搭建設(shè)置新的測(cè)試平臺(tái)對(duì)推力進(jìn)行研究，為精確地測(cè)試出推力具有創(chuàng)新意義。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

撲翼機(jī)靜態(tài)力測(cè)試系統(tǒng)主要由控制芯片、霍爾傳感器、穩(wěn)壓電源、測(cè)試臺(tái)、測(cè)力計(jì)、水平儀、電子秤、電腦及撲翼機(jī)組成。

測(cè)試臺(tái)由滑竿、木塊及木板組成，控制芯片為Nano型號(hào)的arduino單片機(jī)，傳感器接收脈沖信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)小于0時(shí)，則說明脈沖輸出有問題，結(jié)束本次測(cè)試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)有脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，外部中斷響應(yīng)，進(jìn)行計(jì)數(shù)。內(nèi)部中斷程序也進(jìn)行計(jì)數(shù)，若內(nèi)部中斷溢出則輸出中斷溢出，程序結(jié)束，否則輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)，通過IDE顯示在電腦屏幕上，以便直觀地知道撲打速度。其程序流程圖如圖1所示。

撲翼機(jī)由微型電機(jī)加3級(jí)減速齒輪驅(qū)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)，通過曲柄—連桿帶動(dòng)左右機(jī)翼同時(shí)對(duì)稱撲動(dòng)，克服不對(duì)稱撲動(dòng)的缺陷，電機(jī)最高空載為66 000 r/min，輸出最高功率為9.4 W，齒輪減速比為64，最大撲動(dòng)頻率為3.5 Hz，撲動(dòng)幅度在10°～46°。

撲翼機(jī)靜態(tài)力測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，arduino單片機(jī)作為pwm波脈沖輸出，示波器接霍爾傳感器信號(hào)輸出端arduino IDE通過USB串口接arduino串口顯示脈沖數(shù)，得出比較結(jié)果;通過水平儀測(cè)試測(cè)試臺(tái)是否水平，以保證靜止時(shí)的推力為0;將撲翼機(jī)固定在測(cè)試臺(tái)上，控制撲翼機(jī)撲動(dòng)，慢慢地調(diào)整撲動(dòng)頻率，當(dāng)頻率最大時(shí)記錄下此時(shí)電子秤的讀數(shù)，將砝碼換成sundoo測(cè)力計(jì)并與電腦相連，打開測(cè)試軟件，按下sundoo測(cè)力計(jì)的開關(guān)，聯(lián)機(jī)操作設(shè)置測(cè)力所需的參數(shù)值，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，同時(shí)打開arduino IDE串口記錄實(shí)時(shí)頻率的值。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

圖3、圖4和圖5是撲打頻率為0.937 5 Hz、1.875 Hz、3.333 Hz時(shí)的靜態(tài)力與時(shí)間的關(guān)系圖。圖3中，F(xiàn)e為靜態(tài)推力，t為時(shí)間。撲翼在一個(gè)完整的撲動(dòng)周期內(nèi)產(chǎn)生的平均推力對(duì)穩(wěn)定飛行才具有實(shí)際意義[8-9]。由圖4、圖5可知，靜態(tài)實(shí)時(shí)推力為類正弦曲線，呈周期性變化。在一個(gè)周期內(nèi)所得的平均推力是一個(gè)穩(wěn)定的值。所以，可以斷定撲翼機(jī)能夠平穩(wěn)地飛行。通過計(jì)算可得，在撲打頻率分別為0.937 5 Hz、1.875 Hz、3.333 Hz的平均推力分別為0.162 4 N、0.939 5 N、2.737 1 N。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 動(dòng)摩擦力FN隨時(shí)間t變化的關(guān)系

在滑軌上低速勻速地拉動(dòng)測(cè)力天平，使得撲翼機(jī)在滑軌上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，多次測(cè)量，以每次測(cè)量的有效值的平均值作為采樣點(diǎn)。得動(dòng)摩擦力的曲線接近于一條水平直線，這與動(dòng)摩擦力只與重力和摩擦系數(shù)有關(guān)的結(jié)論相一致[10]。動(dòng)摩擦力的平均值為0.438 N，誤差在0.05 N內(nèi)。

3.2 推力隨頻率變化的關(guān)系

圖6的實(shí)線所示是在不同頻率f下所得到的平均推力F，由圖6可知，隨著頻率的增大，推力也隨之呈線性增大的趨勢(shì)。在頻率小于0.5 Hz時(shí)，推力的值接近于0，這是由于當(dāng)推力很小時(shí)，小于最大靜摩擦力，故而撲翼機(jī)推力接近于0。隨著頻率的不斷增大，當(dāng)推力大于最大靜摩擦力時(shí)，推力表現(xiàn)為隨頻率線性增長。這結(jié)果與眾多的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，符合實(shí)驗(yàn)原理[11-13]。其擬合曲線方程如下：

F=0.29f 2-0.06f-0.04

圖6的虛線為在考慮動(dòng)摩擦力的情況下的推力隨頻率的變化，F(xiàn)T為動(dòng)摩擦力與靜推力的和值，其隨著頻率f的增大不斷增大。當(dāng)頻率小于0.5 Hz時(shí)，其類似于直線增長，這是由于此時(shí)最大動(dòng)摩擦力大于推力，故而，推力等于實(shí)時(shí)靜摩擦力，因此直線增長，當(dāng)推力大于最大靜摩擦力時(shí)，此時(shí)靜摩擦力轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦力，結(jié)合不撲動(dòng)時(shí)拉動(dòng)撲翼機(jī)得出的滑動(dòng)摩擦力可得出虛線曲線圖。得到的擬合曲線方程如下：

FT=0.24f 2-0.26f-0.218

圖7是動(dòng)摩擦力與靜摩擦力合力與撲打頻率的關(guān)系圖。由圖7可以看出，當(dāng)撲打頻率不斷增大時(shí)，合力也不斷增大，校準(zhǔn)與未校準(zhǔn)的值也趨向于相同。這是由于當(dāng)撲打頻率不斷增大時(shí)，合力不斷增大，摩擦力相對(duì)于合力的值的影響因素下降，當(dāng)合力達(dá)到一定的程度時(shí)，摩擦力就可以忽略不計(jì)，由圖7我們得到校準(zhǔn)曲線的擬合方程如下：

FT1=0.16f 2-0.322f-0.136

3.3 推重比

圖8所示為單段翼撲翼機(jī)為353 g時(shí)推重比的曲線圖。由圖8可以看出，隨著撲打頻率的不斷增加，推重比也隨撲打頻率增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，在0.5 Hz左右撲翼機(jī)才開始周期性地?fù)鋭?dòng)，我們可以分析得出，在0.5 Hz以下時(shí)，有力產(chǎn)生，但是太小，不足以使撲翼機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)翼撲動(dòng)，進(jìn)而可以得出推力從0開始到最大摩擦力值時(shí)，推重比是呈線性增加的，之后推重比的值呈非線性增長，不斷接近1。

4 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）推力與頻率的大小有關(guān)，隨著頻率的增大，推力也隨之增大，其關(guān)系類似于一元二次函數(shù)的關(guān)系。

（2）動(dòng)摩擦力為一個(gè)恒定值，只與自身重力和摩擦系數(shù)有關(guān)，在本實(shí)驗(yàn)中，得出的動(dòng)摩擦力為0.438 N。

（3）當(dāng)撲動(dòng)頻率大于0.5 Hz時(shí)，單自由度撲翼機(jī)才開始周期性地?fù)鋭?dòng)，單自由度撲翼機(jī)的推重比隨著頻率或推力的增大而增大，在撲動(dòng)頻率的范圍內(nèi)，這個(gè)值逐漸接近1。

參 考 文 獻(xiàn)

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