《单自由度扑翼机推重比的特性》
本文是关于自由度和扑翼机方面论文范文素材与单自由度扑翼机推重比的特性方面毕业论文开题报告范文.
【摘 要】为了研究单自由度扑翼机的推重比,本实验室利用自身所具备的实验设备,自主设计出了不同于其他测试的静态力测试系统.文章利用相应的开发环境,设计出相应的校准和应用系统,并校准输出频率.设计测力系统,水平校准后进行测试.通过测试,可获得扑翼机的扑动频率、扑翼机的静态推力,以及在考虑测试台阻力情况下的合推力.通过对所得的所有实验数据进行matlab分析,得出扑翼机推力和扑动频率的特性关系及扑翼机推重比与扑动频率的相关特性：在该单自由度扑翼机机型下,推力随扑动频率呈非线性增大,推重比也随扑动频率非线性增大.该实验为不同规格的扑翼机提供了纵向对比依据,为不同自由度的扑翼机提供了横向对比依据,为飞行控制系统和双段翼扑翼机的测试提供参考.测试系统的创新更是为后续的研究提供了新的研究方法.
【关键词】扑翼机;控制芯片;频率;推力;推重比
【中图分类号】TP242;V211.7【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）01-0117-04
0 引言
影响扑翼机推力的主要因素有飞行速度、扑动频率、扑打幅度、机翼形状等.目前国内外的扑翼机大部分为上下扑动的微型扑翼机,罗伯特等人的研究表明其运动近似于正弦运动[1-2],推力测试用的大多数是风洞测试,德国沃尔夫刚等人对推力的测量是使用一个类似于卡卢瑟装置[3-4]进行.西北工业大学的邵立民、宋笔锋等人[5]应用多传感器及风洞组合而成的系统对推力进行测量.就目前而言,测量推力的方式方法多种多样,因而搭建设置新的测试平台对推力进行研究,为精确地测试出推力具有创新意义.
2 实验设备及方法
2.1 实验设备
扑翼机静态力测试系统主要由控制芯片、霍尔传感器、稳压电源、测试台、测力计、水平仪、电子秤、电脑及扑翼机组成.
测试台由滑竿、木块及木板组成,控制芯片为Nano型号的arduino单片机,传感器接收脉冲信号,当计数小于0时,则说明脉冲输出有问题,结束本次测试对系统进行调试.当有脉冲计数时,外部中断响应,进行计数.内部中断程序也进行计数,若内部中断溢出则输出中断溢出,程序结束,否则输出电机转速.同时,通过IDE显示在电脑屏幕上,以便直观地知道扑打速度.其程序流程图如图1所示.
扑翼机由微型电机加3级减速齿轮驱动的连杆机构,通过曲柄—连杆带动左右机翼同时对称扑动,克服不对称扑动的缺陷,电机最高空载为66 000 r/min,输出最高功率为9.4 W,齿轮减速比为64,最大扑动频率为3.5 Hz,扑动幅度在10°～46°.
扑翼机静态力测试系统如图2所示,arduino单片机作为pwm波脉冲输出,示波器接霍尔传感器信号输出端arduino IDE通过USB串口接arduino串口显示脉冲数,得出比较结果;通过水平仪测试测试台是否水平,以保证静止时的推力为0;将扑翼机固定在测试台上,控制扑翼机扑动,慢慢地调整扑动频率,当频率最大时记录下此时电子秤的读数,将砝码换成sundoo测力计并与电脑相连,打开测试软件,按下sundoo测力计的开关,联机操作设置测力所需的参数值,控制电机转动频率,同时打开arduino IDE串口记录实时频率的值.
2.2 实验数据处理方法
图3、图4和图5是扑打频率为0.937 5 Hz、1.875 Hz、3.333 Hz时的静态力与时间的关系图.图3中,Fe为静态推力,t为时间.扑翼在一个完整的扑动周期内产生的平均推力对稳定飞行才具有实际意义[8-9].由图4、图5可知,静态实时推力为类正弦曲线,呈周期性变化.在一个周期内所得的平均推力是一个稳定的值.所以,可以断定扑翼机能够平稳地飞行.通过计算可得,在扑打频率分别为0.937 5 Hz、1.875 Hz、3.333 Hz的平均推力分别为0.162 4 N、0.939 5 N、2.737 1 N.
3 实验结果及分析
3.1 动摩擦力FN随时间t变化的关系
在滑轨上低速匀速地拉动测力天平,使得扑翼机在滑轨上做匀速直线运动,多次测量,以每次测量的有效值的平均值作为采样点.得动摩擦力的曲线接近于一条水平直线,这与动摩擦力只与重力和摩擦系数有关的结论相一致[10].动摩擦力的平均值为0.438 N,误差在0.05 N内.
3.2 推力随频率变化的关系
图6的实线所示是在不同频率f下所得到的平均推力F,由圖6可知,随着频率的增大,推力也随之呈线性增大的趋势.在频率小于0.5 Hz时,推力的值接近于0,这是由于当推力很小时,小于最大静摩擦力,故而扑翼机推力接近于0.随着频率的不断增大,当推力大于最大静摩擦力时,推力表现为随频率线性增长.这结果与众多的理论计算与实验结果相吻合,符合实验原理[11-13].其拟合曲线方程如下：
F等于0.29f 2-0.06f-0.04
图6的虚线为在考虑动摩擦力的情况下的推力随频率的变化,FT为动摩擦力与静推力的和值,其随着频率f的增大不断增大.当频率小于0.5 Hz时,其类似于直线增长,这是由于此时最大动摩擦力大于推力,故而,推力等于实时静摩擦力,因此直线增长,当推力大于最大静摩擦力时,此时静摩擦力转换为动摩擦力,结合不扑动时拉动扑翼机得出的滑动摩擦力可得出虚线曲线图.得到的拟合曲线方程如下：
FT等于0.24f 2-0.26f-0.218
图7是动摩擦力与静摩擦力合力与扑打频率的关系图.由图7可以看出,当扑打频率不断增大时,合力也不断增大,校准与未校准的值也趋向于相同.这是由于当扑打频率不断增大时,合力不断增大,摩擦力相对于合力的值的影响因素下降,当合力达到一定的程度时,摩擦力就可以忽略不计,由图7我们得到校准曲线的拟合方程如下：
FT1等于0.16f 2-0.322f-0.136
3.3 推重比
图8所示为单段翼扑翼机为353 g时推重比的曲线图.由图8可以看出,随着扑打频率的不断增加,推重比也随扑打频率增大.根据实验可知,在0.5 Hz左右扑翼机才开始周期性地扑动,我们可以分析得出,在0.5 Hz以下时,有力产生,但是太小,不足以使扑翼机构带动机翼扑动,进而可以得出推力从0开始到最大摩擦力值时,推重比是呈线性增加的,之后推重比的值呈非线性增长,不断接近1.
4 结论
由实验结果可以得出以下结论：
（1）推力与频率的大小有关,随着频率的增大,推力也随之增大,其关系类似于一元二次函数的关系.
（2）动摩擦力为一个恒定值,只与自身重力和摩擦系数有关,在本实验中,得出的动摩擦力为0.438 N.
（3）当扑动频率大于0.5 Hz时,单自由度扑翼机才开始周期性地扑动,单自由度扑翼机的推重比随着频率或推力的增大而增大,在扑动频率的范围内,这个值逐渐接近1.
参 考 文 献
[1]朱自强,王晓璐,吴宗成,等.小型和微型无人机的气动特点和设计[J].航空学报,2006,27（3）：353-364.
[2]Mueller T J,Delaurier J D.Aerodynamics of all vehicles[J].Annu Rev Fluid Mech,2003,35：89-111.
[3]Send W,Fischer M,Jebens K,et al.Artificial hinged-wing bird with active torsion and partially linear kinematics[C].ICAS2012.Brisbane,Australia,2012：1148-1157.
[4]Send W,Scharstein F.Thrust Measurement for Flapping-Flight Components[C].27th ICAS Congress,2012.
[5]邵立民,宋筆锋,宋文萍.微型扑翼的推进特性实验研究[J].实验流体力学,2009,23（1）：1-6.
[6]付鹏,宋笔锋,梁少然,等.扑翼的推力特性与功率特性的实验研究[J].西北工业大学学报,2016,34（6）：976-981.
[7]Zuo D,Peng S,Chen W,et al. Numerical simulation of flapping-wing insect hovering flight at unsteady flow[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids,2007,53（12）：1801-1817.
[8]Vinogradov A,Holloway F.Electro-mechanical properties of the piezoelectric polymer PVDF[J].Ferroelectrics,2010（9）：169-181.
[9]Ryu S R ,Korea Forest Research Institute,Seoul,Republic of Korea.Studies on Breeding and Cultivation Characteristics of Lentinula edodes Strains for Sawdust Cultivation[J].Korean Journal of Medical Mycology,2009,37（1）：65-72.
[10]高正红,王超.飞行器气动外形设计方法研究与进展[J].空气动力学学报,2017（4）：516-528.
[11]DELAURIER J D,Harris J M .A study of an efficient ornithopter wing[J].Aeronautical Journal,1993,97（5）：153-162.
[12]PAPADOPOULOS J.An experimental investigation of the geo-metric characteristics of flapping wing propulsion for a micro air vehicle[R].Nal Postgraduate School：March 2003.
[13]冯引安,祝小平,周洲.弹性飞翼无人机鲁棒姿态控制设计[J].飞行力学,2017（3）：63-66.
结论:此文为一篇关于自由度和扑翼机方面的大学硕士和本科毕业论文以及单自由度扑翼机推重比的特性相关自由度和扑翼机论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
自由度和扑翼机引用文献:
[1] 自由度和扑翼机论文写作参考范文 自由度和扑翼机类毕业论文提纲范文5000字
[2] 旋翼机毕业论文的格式范文 关于旋翼机类论文怎么撰写2万字
[3] 汉王论文怎么撰写 扑翼飞行器和汉王方面有关论文怎么写2万字
