單自由度撲翼機推重比的特性

陳桂安　王寧章　蔡毓

【摘 要】為了研究單自由度撲翼機的推重比，本實驗室利用自身所具備的實驗設備，自主設計出了不同于其他測試的靜態力測試系統。文章利用相應的開發環境，設計出相應的校準和應用系統，并校準輸出頻率。設計測力系統，水平校準后進行測試。通過測試，可獲得撲翼機的撲動頻率、撲翼機的靜態推力，以及在考慮測試臺阻力情況下的合推力。通過對所得的所有實驗數據進行matlab分析，得出撲翼機推力和撲動頻率的特性關系及撲翼機推重比與撲動頻率的相關特性：在該單自由度撲翼機機型下，推力隨撲動頻率呈非線性增大，推重比也隨撲動頻率非線性增大。該實驗為不同規格的撲翼機提供了縱向對比依據，為不同自由度的撲翼機提供了橫向對比依據，為飛行控制系統和雙段翼撲翼機的測試提供參考。測試系統的創新更是為后續的研究提供了新的研究方法。

【關鍵詞】撲翼機;控制芯片;頻率;推力;推重比

【中圖分類號】TP242;V211.7【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）01-0117-04

0 引言

影響撲翼機推力的主要因素有飛行速度、撲動頻率、撲打幅度、機翼形狀等。目前國內外的撲翼機大部分為上下撲動的微型撲翼機，羅伯特等人的研究表明其運動近似于正弦運動[1-2]，推力測試用的大多數是風洞測試，德國沃爾夫剛等人對推力的測量是使用一個類似于卡盧瑟裝置[3-4]進行。西北工業大學的邵立民、宋筆鋒等人[5]應用多傳感器及風洞組合而成的系統對推力進行測量。就目前而言，測量推力的方式方法多種多樣，因而搭建設置新的測試平臺對推力進行研究，為精確地測試出推力具有創新意義。

2 實驗設備及方法

2.1 實驗設備

撲翼機靜態力測試系統主要由控制芯片、霍爾傳感器、穩壓電源、測試臺、測力計、水平儀、電子秤、電腦及撲翼機組成。

測試臺由滑竿、木塊及木板組成，控制芯片為Nano型號的arduino單片機，傳感器接收脈沖信號，當計數小于0時，則說明脈沖輸出有問題，結束本次測試對系統進行調試。當有脈沖計數時，外部中斷響應，進行計數。內部中斷程序也進行計數，若內部中斷溢出則輸出中斷溢出，程序結束，否則輸出電機轉速。同時，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。

撲翼機由微型電機加3級減速齒輪驅動的連桿機構，通過曲柄—連桿帶動左右機翼同時對稱撲動，克服不對稱撲動的缺陷，電機最高空載為66 000 r/min，輸出最高功率為9.4 W，齒輪減速比為64，最大撲動頻率為3.5 Hz，撲動幅度在10°～46°。

撲翼機靜態力測試系統如圖2所示，arduino單片機作為pwm波脈沖輸出，示波器接霍爾傳感器信號輸出端arduino IDE通過USB串口接arduino串口顯示脈沖數，得出比較結果;通過水平儀測試測試臺是否水平，以保證靜止時的推力為0;將撲翼機固定在測試臺上，控制撲翼機撲動，慢慢地調整撲動頻率，當頻率最大時記錄下此時電子秤的讀數，將砝碼換成sundoo測力計并與電腦相連，打開測試軟件，按下sundoo測力計的開關，聯機操作設置測力所需的參數值，控制電機轉動頻率，同時打開arduino IDE串口記錄實時頻率的值。

2.2 實驗數據處理方法

圖3、圖4和圖5是撲打頻率為0.937 5 Hz、1.875 Hz、3.333 Hz時的靜態力與時間的關系圖。圖3中，Fe為靜態推力，t為時間。撲翼在一個完整的撲動周期內產生的平均推力對穩定飛行才具有實際意義[8-9]。由圖4、圖5可知，靜態實時推力為類正弦曲線，呈周期性變化。在一個周期內所得的平均推力是一個穩定的值。所以，可以斷定撲翼機能夠平穩地飛行。通過計算可得，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 實驗結果及分析

3.1 動摩擦力FN隨時間t變化的關系

在滑軌上低速勻速地拉動測力天平，使得撲翼機在滑軌上做勻速直線運動，多次測量，以每次測量的有效值的平均值作為采樣點。得動摩擦力的曲線接近于一條水平直線，這與動摩擦力只與重力和摩擦系數有關的結論相一致[10]。動摩擦力的平均值為0.438 N，誤差在0.05 N內。

3.2 推力隨頻率變化的關系

圖6的實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。在頻率小于0.5 Hz時，推力的值接近于0，這是由于當推力很小時，小于最大靜摩擦力，故而撲翼機推力接近于0。隨著頻率的不斷增大，當推力大于最大靜摩擦力時，推力表現為隨頻率線性增長。這結果與眾多的理論計算與實驗結果相吻合，符合實驗原理[11-13]。其擬合曲線方程如下：

F=0.29f 2-0.06f-0.04

圖6的虛線為在考慮動摩擦力的情況下的推力隨頻率的變化，FT為動摩擦力與靜推力的和值，其隨著頻率f的增大不斷增大。當頻率小于0.5 Hz時，其類似于直線增長，這是由于此時最大動摩擦力大于推力，故而，推力等于實時靜摩擦力，因此直線增長，當推力大于最大靜摩擦力時，此時靜摩擦力轉換為動摩擦力，結合不撲動時拉動撲翼機得出的滑動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是動摩擦力與靜摩擦力合力與撲打頻率的關系圖。由圖7可以看出，當撲打頻率不斷增大時，合力也不斷增大，校準與未校準的值也趨向于相同。這是由于當撲打頻率不斷增大時，合力不斷增大，摩擦力相對于合力的值的影響因素下降，當合力達到一定的程度時，摩擦力就可以忽略不計，由圖7我們得到校準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為353 g時推重比的曲線圖。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。根據實驗可知，在0.5 Hz左右撲翼機才開始周期性地撲動，我們可以分析得出，在0.5 Hz以下時，有力產生，但是太小，不足以使撲翼機構帶動機翼撲動，進而可以得出推力從0開始到最大摩擦力值時，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 結論

由實驗結果可以得出以下結論：

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

（2）動摩擦力為一個恒定值，只與自身重力和摩擦系數有關，在本實驗中，得出的動摩擦力為0.438 N。

（3）當撲動頻率大于0.5 Hz時，單自由度撲翼機才開始周期性地撲動，單自由度撲翼機的推重比隨著頻率或推力的增大而增大，在撲動頻率的范圍內，這個值逐漸接近1。

參 考 文 獻

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