一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法技术

本发明专利技术涉及一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，属于扑翼飞行器性能测试技术领域。包括气动特性综合测量平台和扑翼飞行器机翼运动发生机构。二者通过柔性联杆连接，不同测量方位的测力传感器测得的力值通过一定的数学模型解算出3维气动力、3维气动力矩。本发明专利技术以单分量悬臂梁测力传感器为核心，提出组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，测力装置结构简单、关键部件价格低廉、具有良好的可计量性。将多个单分量悬臂梁测力传感器按照一定的测量原理有机地结合起来，有效地利用传感器之间的组合提升测试装置及方法的适用性，同时测量范围可根据单分量悬臂梁测力传感器测力范围进行扩展，可以满足多种场合测量需求。

A test method for aerodynamic characteristics of combined multicomponent flapping wing aircraft

The invention relates to a test method for wing aerodynamic characteristics of combined multicomponent flapping wing aircraft, belonging to the technical field of flapping wing aircraft performance test. It consists of a comprehensive measuring platform for aerodynamic characteristics and a wing motion generating mechanism for flapping wing aircraft. The two forces are connected by a flexible joint, and the force values measured by a force sensor with different measuring azimuth are calculated by a certain mathematical model to calculate the 3 - dimensional aerodynamic force and the 3 - dimensional aerodynamic torque. In this invention, a single component cantilever beam measuring sensor is taken as the core, and the aerodynamic characteristic test method of the combined multi component flapping wing aircraft wing is proposed. The structure of the force measuring device is simple, the key components are cheap and have good measurability. A number of single component cantilever beam measuring sensors are organically combined in accordance with a certain measuring principle, and the applicability of the testing device and method is effectively used. At the same time, the measuring range can be expanded according to the force range of the single component cantilever beam measuring force sensor, which can meet the needs of various occasions.

【技术实现步骤摘要】
一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法
本专利技术涉及一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，属于扑翼飞行器性能测试

技术介绍
扑翼飞行器属于新型仿生航空飞行器，具有体积小、机动灵活、环境适应性强等特点。扑翼飞行器飞行动力明显区别于传统航空器，通过机身两侧对称机翼周期性上下扑动与空气相互作用产生，所以扑翼飞行器气动性能和飞行控制品质均与机翼的性能参数直接相关。在扑翼飞行器气动力测量中，多分量测力传感器的测量精度和各分量之间的耦合特性是矛盾的，高精度多分量测力传感器测力分量越多，传感器结构越复杂，与之对应的标定和解耦工作越困难。另一方面，高精度多分量测力传感器需根据扑翼飞行器相应气动测试要求和气动结构定制，大大增加了新型无人机研制成本和研发周期，通用性差，不利于推广应用。同时高精度多分量测力传感器校准工作需要专用多分量力校准装置和设备，后期计量校准难度大，无法实施有效的全寿命周期计量保障。因此寻求解决多分量力和测试方法复杂程度的有效统一，解决扑翼飞行器多维气动力和气动力矩测量瓶颈问题，实现扑翼飞行器机翼气动性的合理表征，是十分重要的研究任务。单分量悬臂梁测力传感器目前已经广泛应用于科研、生产与日常生活中测力需求，具有价格低廉、操作简便、测量精度高等特点。但由于其测力原理和传感器结构的局限，单个传感器无法满足目前扑翼飞行器多维气动力和气动力力矩测量的需要。以单分量悬臂梁测力传感器为核心，提出组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，将多个单分量悬臂梁测力传感器按照一定的测量原理有机地结合起来，有效地利用单分量悬臂梁测力传感器之间的组合提升测试方法的适用性，解决研发过程中扑翼飞行器机翼气动特性(即六维气动力和气动力矩，如图1)测量技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了降低扑翼飞行器研发周期内机翼气动特性测试成本，同时保证气动力和气动力矩测量保持高分辨力、准确度及可计量性，提出一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的:一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，具体步骤如下：步骤一、通过扑翼飞行器机翼运动发生机构控制被测扑翼飞行器机翼周期上下扑动运动，需保证扑翼飞行器机翼运动发生机构为被测扑翼飞行器机翼气动特性测试提供稳定可靠的动力输出，同时扑翼飞行器机翼运动发生机构的运动输出可以根据不同型号被测扑翼飞行器机翼气动参数相应调整调整；步骤二、采用八只单分量悬臂梁测力传感器在正交轴系内对称布置，实现组合测量被测扑翼飞行器机翼扑动过程中产生的六维气动力和气动力矩；步骤三、将步骤二所得各单分量悬臂梁测力传感器测量方向上的增量值通过公式(1)进行计算，能够解算出被测扑翼飞行器机翼的气动特性，即其周期性扑动运动过程中产生的六维气动力和气动力矩；式中：ZS、XS和YS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的升力、推力和侧向力，N；MXS、MYS和MZS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩，Nm；KS1、KS2、KS3和KS4分别为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；KS5、KS6、KS7和KS8分别为水平面内相对正交轴系对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；ΔuS1、ΔuS2、ΔuS3、ΔuS4、ΔuS5、ΔuS6、ΔuS7和ΔuS8分别为各单分量悬臂梁测力传感器对应测量方向气动载荷的输出增量值；L1为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离；L2为水平面内相对正交轴系对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离。实现一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置，包括：气动特性综合测量平台和扑翼飞行器机翼运动发生机构；所述气动特性综合测量平台包括：第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器、第四单分量悬臂梁测力传感器、第五单分量悬臂梁测力传感器、第六单分量悬臂梁测力传感器、第七单分量悬臂梁测力传感器、第八单分量悬臂梁测力传感器、水平方向测力传感器安装支架、测力传感器固定端定位安装块、测力传感器测力端定位安装块、支撑杆安装块、支撑杆、水平方向力传递块、垂直方向力传递块、力传递框架、安装基座和调平机构；气动特性综合测量平台连接关系：第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器和第四单分量悬臂梁测力传感器沿安装基座几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量垂直方向上的气动载荷；第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器和第四单分量悬臂梁测力传感器一端通过测力传感器固定端定位安装块固定安装在安装基座上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块、支撑杆安装块和支撑杆固定连接后与力传递框架接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆受力轴线之间的距离为L1；第五单分量悬臂梁测力传感器、第六单分量悬臂梁测力传感器、第七单分量悬臂梁测力传感器和第八单分量悬臂梁测力传感器沿安装基座几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量水平方向上的气动载荷；第五单分量悬臂梁测力传感器、第六单分量悬臂梁测力传感器、第七单分量悬臂梁测力传感器和第八单分量悬臂梁测力传感器一端通过测力传感器固定端定位安装块固定安装在与安装基座固定连接的水平方向测力传感器安装支架上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块、支撑杆安装块和支撑杆固定连接后与力传递框架接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆受力轴线之间的距离为L2；力传递框架在垂直气动载荷测量方向上固定安装有垂直方向力传递块与支撑杆在外界负载作用力下浮动点接触；力传递框架在水平气动载荷测量方向上固定安装有水平方向力传递块与支撑杆在外界负载作用力下浮动点接触；安装基座底部固定安装调平机构，以保证安装基座基准水平。所述扑翼飞行器机翼运动发生机构包括：驱动电机、电机安装支架、小齿轮、大齿轮、可调连杆、机翼安装摇杆、机翼安装摇杆支架、机构安装基座、被测扑翼飞行器机翼；扑翼飞行器机翼运动发生机构连接关系：驱动电机固定于电机安装支架；小齿轮与驱动电机输出轴固定连接，且只与一个大齿轮啮合；两个大齿轮相互啮合；大齿轮通过销轴与机构安装基座活动连接，可实现回转运动；可调连杆一端活动连接在大齿轮上，另一端活动连接在机翼安装摇杆支架上；电机安装支架和机翼安装摇杆支架均与机构安装基座固定连接，提供运动支撑。一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置的工作过程：扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架固定连接，力传递框架将扑翼飞行器机翼运动发生机构中被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的多维气动力和气动力矩传递到气动特性综合测量平台支撑杆，扑翼飞行器机翼运动发生机构与力传递框架作为整体以自重作为垂直方向布置第一单分量悬臂梁测力传感器、第二单分量悬臂梁测力传感器、第三单分量悬臂梁测力传感器、第四单分量悬臂梁测力传感器的预载；力传递框架水平方向上的预载力通过钢丝绕导向滑轮悬挂标准砝码的方式施载；钢丝与力传递框架固定连接，固定连接点的位置为力传递框架对角线上的两个角点，以保证水平方向上力传递框架与支撑杆接触；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、通过扑翼飞行器机翼运动发生机构控制被测扑翼飞行器机翼周期上下扑动运动，需保证扑翼飞行器机翼运动发生机构为被测扑翼飞行器机翼气动特性测试提供稳定可靠的动力输出，同时扑翼飞行器机翼运动发生机构的运动输出可以根据不同型号被测扑翼飞行器机翼气动参数相应调整调整；步骤二、采用八只单分量悬臂梁测力传感器在正交轴系内对称布置，实现组合测量被测扑翼飞行器机翼扑动过程中产生的六维气动力和气动力矩；步骤三、将步骤二所得各单分量悬臂梁测力传感器测量方向上的增量值通过公式(1)进行计算，能够解算出被测扑翼飞行器机翼的气动特性，即其周期性扑动运动过程中产生的六维气动力和气动力矩；

【技术特征摘要】
1.一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、通过扑翼飞行器机翼运动发生机构控制被测扑翼飞行器机翼周期上下扑动运动，需保证扑翼飞行器机翼运动发生机构为被测扑翼飞行器机翼气动特性测试提供稳定可靠的动力输出，同时扑翼飞行器机翼运动发生机构的运动输出可以根据不同型号被测扑翼飞行器机翼气动参数相应调整调整；步骤二、采用八只单分量悬臂梁测力传感器在正交轴系内对称布置，实现组合测量被测扑翼飞行器机翼扑动过程中产生的六维气动力和气动力矩；步骤三、将步骤二所得各单分量悬臂梁测力传感器测量方向上的增量值通过公式(1)进行计算，能够解算出被测扑翼飞行器机翼的气动特性，即其周期性扑动运动过程中产生的六维气动力和气动力矩；式中：ZS、XS和YS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的升力、推力和侧向力，N；MXS、MYS和MZS分别为被测扑翼飞行器机翼运动过程中产生的滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩，Nm；KS1、KS2、KS3和KS4分别为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；KS5、KS6、KS7和KS8分别为水平面内相对正交轴系对称布置的单分量悬臂梁测力传感器的系数；ΔuS1、ΔuS2、ΔuS3、ΔuS4、ΔuS5、ΔuS6、ΔuS7和ΔuS8分别为各单分量悬臂梁测力传感器对应测量方向气动载荷的输出增量值；L1为垂直方向(即重力方向)上相对正交轴系呈对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离；L2为水平面内相对正交轴系对称布置的两个单分量悬臂梁测力传感器之间的距离。2.实现如权利要求1所述的一种组合式多分量扑翼飞行器机翼气动特性测试方法的装置，包括：气动特性综合测量平台和扑翼飞行器机翼运动发生机构；所述气动特性综合测量平台包括：第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)、第四单分量悬臂梁测力传感器(4)、第五单分量悬臂梁测力传感器(5)、第六单分量悬臂梁测力传感器(6)、第七单分量悬臂梁测力传感器(7)、第八单分量悬臂梁测力传感器(8)、水平方向测力传感器安装支架(9)、测力传感器固定端定位安装块(10)、测力传感器测力端定位安装块(11)、支撑杆安装块(12)、支撑杆(13)、水平方向力传递块(14)、垂直方向力传递块(15)、力传递框架(16)、安装基座(17)和调平机构(18)；第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)和第四单分量悬臂梁测力传感器(4)沿安装基座(17)几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量垂直方向上的气动载荷；第一单分量悬臂梁测力传感器(1)、第二单分量悬臂梁测力传感器(2)、第三单分量悬臂梁测力传感器(3)和第四单分量悬臂梁测力传感器(4)一端通过测力传感器固定端定位安装块(10)固定安装在安装基座(17)上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块(11)、支撑杆安装块(12)和支撑杆(13)固定连接后与力传递框架(16)接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆(13)受力轴线之间的距离为L1；第五单分量悬臂梁测力传感器(5)、第六单分量悬臂梁测力传感器(6)、第七单分量悬臂梁测力传感器(7)和第八单分量悬臂梁测力传感器(8)沿安装基座(17)几何中心点所定义的正交轴系对称等距分布，以测量水平方向上的气动载荷；第五单分量悬臂梁测力传感器(5)、第六单分量悬臂梁测力传感器(6)、第七单分量悬臂梁测力传感器(7)和第八单分量悬臂梁测力传感器(8)一端通过测力传感器固定端定位安装块(10)固定安装在与安装基座(17)固定连接的水平方向测力传感器安装支架(9)上，另一端通过测力传感器测力端定位安装块(11)、支撑杆安装块(12)和支撑杆(13)固定连接后与力传递框架(16)接触；沿正交测量轴系对称方向布置的两个支撑杆(13)受力轴线之间的距离为L2；力传递框架(16)在垂直气动载荷测量方向上固定安装有垂直方向力传递块(15)与支撑杆(13)在外界负载作用力下浮动点接触；力传递框架(16)在水平气动载荷测量方向上固定安装有水平方向力传递块(14)与支撑杆(13)在外界负载作用力下浮动点接触；安装基座(17)底部固定安装调平机构(18)，以保证安装基座(17)基准水平；所述扑翼飞行器机翼运动发生机构包括：驱动电机(19)、电机安装支架(20)、小齿轮(21)、大齿轮(22)、可调连杆(23)、机翼安装摇杆(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王胜超，邓梦璐，王文健，朱岩，章苗红，汤斌，吴惠明，肖彬，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11