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摘要：扑翼飞行器的拍翼运动可以简化为扑动和转动的组合，即机翼沿飞行器轴线的扑动和机身的俯仰运动。而且俯仰运动与来流速度、方向和机翼扑动频率等有关。为了实现水下测试扑翼飞行器的流场，本文设计制作了以下实验装置，此装置可以实现扑翼飞行器的拍翼运动和飞行前进这两种运动形式，从而为利用高速摄像机等设备拍摄扑翼飞行器流场图片提供可能[5]。
关键词：流场；扑翼；试验台；测试
1.装置总体介绍
本文选用镀铬水平导轨与低摩擦滑块，导轨两端由角钢支架支撑。导轨下方两支架之间，放有盛放水和示踪粒子的水槽。滑块上固连一测试平台，测试平台上安装有电机、传感器、飞行器等零部件。测试平台靠同伺服电机驱动同步带，同步带带动测试平台，从而带动飞行器在流场内做匀速直线运动。测试平台上的电机可以实现翼型的扑动，通过铰接机构让飞行器实现俯仰运动。对于来流速度和方向，本文是通过驱动飞行器做匀速直线运动和改变飞行器迎角来实现的[1-4]。如图 1 所示是实验装置总体结构三维模型图。
图 1 所示是实验装置总体结构三维模型图
2.水下驱动解决方案
由于是在水下进行飞行器的流场测试，考虑到如果在驱动机构上加防水装置，一是有可能会密封不严影响测试，二是由于防水装置会影响飞行器周围的流场，故本文利用软轴将驱动电机引到水上。本文扑翼飞行器的驱动机构是根据购买的无线遥控飞鸟Flybat驱动机构的尺寸进行简化设计制作的。其工作原理是：电机转动带动电机轴上的高速级齿轮，通过二级齿轮传动装置的减速，使低速级齿轮上的连杆带动安装于摇杆上的扑翼摇杆做上下往复扑动。根据无线遥控飞鸟Flybat的扑动机构的工作原理可知，机构中的齿轮是用于减速，而在水下测试飞行器流场时需要在水中撒布示踪粒子，为防止示踪粒子进入齿轮啮合区影响机翼扑动，本文将扑动机构简化为无需减速的机构。为了去掉减速机构，本文采用航模专用无刷电机 H450M-3500 驱动 350W 台磨（TM-2 台磨）专用软轴转动，软轴转动带动飞行器上的转盘转动，转盘驱动飞行器机翼扑动。图2是飞行器二维图。由于软轴直接将电机动力传递到扑动机构上且传动比为 1：1，因此这就要求所选用的电机转速必须与飞行器驱动机构中最后一级齿轮的转速相匹配。因此本文采用航模专用无刷电机 H450M-3500，其转速可以通过速调调节。
图 2 飞行器二维图
3.软轴选择
钢丝软轴主要用于两个传动零件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的空间传动。也适合于受连续振动的场合以缓和冲击。软轴安装简便、结构紧凑、工作适应性较强。适用于高转速、小转矩场合。当转速低、转矩大时，从动端的转速往往不均匀，且扭转刚度也不易保证。软轴传递功率范围一般不超过 5.5kW，转速可达20000r/min。软轴尺寸应根据所需传递的转矩、转速、旋转方向、工作中的弯曲半径，以及传递距离等使用要求选择。
4. 固定方式选择
文提到扑翼飞行器扑翼运动可以简化为扑动和转动的组合，即机翼沿飞行器轴线的扑动和机身的俯仰运动。而且俯仰运动与来流速度、方向和机翼扑动频率等有关。因此本文用一个电机来实现翼型的扑动，通过铰接机构让飞行器实现俯仰运动，从而使扑翼飞行器更加接近真是模型。由于扑翼飞行器的柔性翼分析技术还不太成熟，故本文优先选择刚性翼进行分析。实验所用刚性翼是用 0.5mm 铝板通过雕刻机加工而成。
5. 迎角改变方法
飞行器的迎角可以通过改变迎角调节板的角度调节。如图3所示为迎角调节板的三维图。由图可以看出迎角板有三个连接位置，其中连接处 2 是通过铰接件与碳纤维杆连接，碳纤维杆与飞行器通过铰接连接，其中链接处 2 靠近钢板位置处的连接处 2 的铰接件与钢板固定。连接处 1 与测试平台通过螺钉于钢板连接。迎角调节板上均匀分布表示角度的刻度线，当调节迎角时，只需旋转迎角调节板使对应螺钉和要实现的角度线对应，然后用螺母紧固好螺钉即可 [6]。
图 3迎角调节板的三维图图
6. 结论
结合机械设计等方面的知识成功研制了一套拍翼运动模型实验平台。其中，运动机构成功地实现了反映扑翼飞行器悬停拍翼主要特征的运动过程。该实验平台的建立，为进一步研究拍翼运动的非定常流动机制[7]奠定了基础。
参考文献
[1] 刘聪.仿生扑翼飞行器结构设计及其动力学仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010：4-7.
[2] 周翔.微型扑翼飞行器的气动特性及其优化研究[D].南京：南京航空航天大学，2010：2-10.
[3] 曾锐.仿鸟微型扑翼飞行器的气功特性研究[D].南京：南京航空航天大学，2004：7-15.
[4] 周凯.微扑翼飞行器动力学仿真及驱动机构优化设计[D]西安：西北工业大学，2007：10-13.
[5] 范洁川等编.近代流动显示技术.北京：国防工业出版社，2002.1.125-152.
[6] 闻邦椿等.现代机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.12-44-12-50.
[7] 赵攀峰.以 MAV 为背景的拍翼运动流场特性研究[D].合肥：中国科技大学，2005：48-55.
关键词：流场；扑翼；试验台；测试
1.装置总体介绍
本文选用镀铬水平导轨与低摩擦滑块，导轨两端由角钢支架支撑。导轨下方两支架之间，放有盛放水和示踪粒子的水槽。滑块上固连一测试平台，测试平台上安装有电机、传感器、飞行器等零部件。测试平台靠同伺服电机驱动同步带，同步带带动测试平台，从而带动飞行器在流场内做匀速直线运动。测试平台上的电机可以实现翼型的扑动，通过铰接机构让飞行器实现俯仰运动。对于来流速度和方向，本文是通过驱动飞行器做匀速直线运动和改变飞行器迎角来实现的[1-4]。如图 1 所示是实验装置总体结构三维模型图。
图 1 所示是实验装置总体结构三维模型图
2.水下驱动解决方案
由于是在水下进行飞行器的流场测试，考虑到如果在驱动机构上加防水装置，一是有可能会密封不严影响测试，二是由于防水装置会影响飞行器周围的流场，故本文利用软轴将驱动电机引到水上。本文扑翼飞行器的驱动机构是根据购买的无线遥控飞鸟Flybat驱动机构的尺寸进行简化设计制作的。其工作原理是：电机转动带动电机轴上的高速级齿轮，通过二级齿轮传动装置的减速，使低速级齿轮上的连杆带动安装于摇杆上的扑翼摇杆做上下往复扑动。根据无线遥控飞鸟Flybat的扑动机构的工作原理可知，机构中的齿轮是用于减速，而在水下测试飞行器流场时需要在水中撒布示踪粒子，为防止示踪粒子进入齿轮啮合区影响机翼扑动，本文将扑动机构简化为无需减速的机构。为了去掉减速机构，本文采用航模专用无刷电机 H450M-3500 驱动 350W 台磨（TM-2 台磨）专用软轴转动，软轴转动带动飞行器上的转盘转动，转盘驱动飞行器机翼扑动。图2是飞行器二维图。由于软轴直接将电机动力传递到扑动机构上且传动比为 1：1，因此这就要求所选用的电机转速必须与飞行器驱动机构中最后一级齿轮的转速相匹配。因此本文采用航模专用无刷电机 H450M-3500，其转速可以通过速调调节。
图 2 飞行器二维图
3.软轴选择
钢丝软轴主要用于两个传动零件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的空间传动。也适合于受连续振动的场合以缓和冲击。软轴安装简便、结构紧凑、工作适应性较强。适用于高转速、小转矩场合。当转速低、转矩大时，从动端的转速往往不均匀，且扭转刚度也不易保证。软轴传递功率范围一般不超过 5.5kW，转速可达20000r/min。软轴尺寸应根据所需传递的转矩、转速、旋转方向、工作中的弯曲半径，以及传递距离等使用要求选择。
4. 固定方式选择
文提到扑翼飞行器扑翼运动可以简化为扑动和转动的组合，即机翼沿飞行器轴线的扑动和机身的俯仰运动。而且俯仰运动与来流速度、方向和机翼扑动频率等有关。因此本文用一个电机来实现翼型的扑动，通过铰接机构让飞行器实现俯仰运动，从而使扑翼飞行器更加接近真是模型。由于扑翼飞行器的柔性翼分析技术还不太成熟，故本文优先选择刚性翼进行分析。实验所用刚性翼是用 0.5mm 铝板通过雕刻机加工而成。
5. 迎角改变方法
飞行器的迎角可以通过改变迎角调节板的角度调节。如图3所示为迎角调节板的三维图。由图可以看出迎角板有三个连接位置，其中连接处 2 是通过铰接件与碳纤维杆连接，碳纤维杆与飞行器通过铰接连接，其中链接处 2 靠近钢板位置处的连接处 2 的铰接件与钢板固定。连接处 1 与测试平台通过螺钉于钢板连接。迎角调节板上均匀分布表示角度的刻度线，当调节迎角时，只需旋转迎角调节板使对应螺钉和要实现的角度线对应，然后用螺母紧固好螺钉即可 [6]。
图 3迎角调节板的三维图图
6. 结论
结合机械设计等方面的知识成功研制了一套拍翼运动模型实验平台。其中，运动机构成功地实现了反映扑翼飞行器悬停拍翼主要特征的运动过程。该实验平台的建立，为进一步研究拍翼运动的非定常流动机制[7]奠定了基础。
参考文献
[1] 刘聪.仿生扑翼飞行器结构设计及其动力学仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010：4-7.
[2] 周翔.微型扑翼飞行器的气动特性及其优化研究[D].南京：南京航空航天大学，2010：2-10.
[3] 曾锐.仿鸟微型扑翼飞行器的气功特性研究[D].南京：南京航空航天大学，2004：7-15.
[4] 周凯.微扑翼飞行器动力学仿真及驱动机构优化设计[D]西安：西北工业大学，2007：10-13.
[5] 范洁川等编.近代流动显示技术.北京：国防工业出版社，2002.1.125-152.
[6] 闻邦椿等.现代机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.12-44-12-50.
[7] 赵攀峰.以 MAV 为背景的拍翼运动流场特性研究[D].合肥：中国科技大学，2005：48-55.