推荐的论文从风洞参数、天平参数的选择实验数据的处理到模型安装再到扑翼变形的测量都有。在开始自己的试验之前进行了解有助于改进方法明确思路细化目标坚定信心。尝试安装和试验发现一些问题记录如下1. 直观问题目前已解决传感器走线下方金属翼型留孔太小无法穿过。考虑1. 有无工具扩孔 2. 重新设计支架。答金属翼型扩孔需要找定做公司返工。还是用3D打印的进行修改吧。2. 潜在隐患倾角10° 。后续要设成可调的便于快速更换倾角。来流速度本欲取较快前飞的状态。但怕导致支架激烈振荡损害传感器。建议先取5m/s。需要更改待检验状态点扑动幅度、翼俯仰幅度换成另一构型不必重加工。支撑形式要刚度足够目前用的细钢杆直径小因为它之前支撑在飞行器质心。像我这样的悬臂安装形式支撑杆应该像下图一样牢固其他或许可行的方案。如果认为现在这种拐角处刚度不好额可以考虑用这种支撑平台。但或许不太适用因为刚度看起来也有点有限。调整也比较麻烦。而且没有往前伸出支架的干扰会不会更大呢。读文献的启发发现铰链支架可以考虑购买成品刚度可信且角度调整更方便。只是要考虑 成品铰链购买后怎么和两根棒连接可靠。特别是我的下棒还要求直径比较小(7mm)上棒倒是无所谓直径可以任意适配。3. 个人推进计划依次解决a. 金属支架扩孔or重新设计。目前选择基于原来一套3D打印的底盘进行扩孔√。b. 支撑杆加固风速降低避免弯折或振荡。求证专业人士目前的6mm实心钢杆应该可以但要注意钢轴两端的连接是否会偏转。两端连接建议设计螺钉压紧。c.加工倾角55°、45°左右的拐角架注意留螺纹孔并更换另一套机构来使用。先进行静态、非扑动的测试观察是否稳固再安装传感器测试。避免激烈振荡、吹飞等问题。4. 补充建议电线用胶带缠在支架上防止连接处被吹断。碳管前端的口可以用胶带封起来避免影响气流。关注飞行器上各种小连接件的强度以及飞行器和支架连接的强度。用吹风机试一下5-8m/s并不大可用简易风速仪标记风速。把在大风洞中该做的都做一遍。1验证各个连接处是否稳固已检验。2加装传感器观察是否能承受风载荷以及扑动载荷。5. 补充新要求需要把小幅度扑动过程中翼的变形情况能够记录下来通过怎样的高帧率相机以怎样的视角。有前飞速度了和平时可能不一样。发现西工大这个DIC系统似乎是成品一套。有标配的。低成本手机方案预算最低若为初次尝试建议从手机方案验证可行性后再升级设备。设备需求手机支持1080p 240fps或720p 480fps。固定支架三脚架手机云台确保稳定。照明高亮度LED阵列避免频闪。标记点在翼面贴高对比度标记点如黑白圆点辅助变形观察。适用场景扑翼频率较低10Hz或对变形细节要求不高。风洞流速较低避免运动模糊。优点零新增成本快速部署。缺点帧率和分辨率有限可能需多次尝试才能捕捉清晰图像。关键设计建议标记点设计使用非反光黑白棋盘格或荧光点增强图像对比度。布局需覆盖翼展、翼根等关键变形区域。运动模糊控制计算最大曝光时间曝光时间 翼尖位移速度/像素分辨率。示例若翼尖速度1m/s目标分辨率0.1mm/像素则曝光时间需≤100μs。曝光时间越短图像越暗但是会减少高速运动物体的残影。如果选择很短的曝光时间通常建议增加照明、补光。文献也提到过为保证扑动翼在运动过程中的图像不产生模糊、虚化等现象要求相机的曝光时间足够短且具有足够的景深。视角与标定正交视角侧视/俯视优先减少透视误差。拍摄前用标定板如Charuco板进行镜头畸变校正。风洞兼容性相机需置于风洞观察窗外避免扰动流场。若需内窥镜拍摄选用Olympus IPLEX系列耐压镜头。最小帧率要求奈奎斯特采样定理帧率 ≥ 2 × 最高频率12Hz →24fps基础要求工程安全阈值为捕捉运动细节需5-10倍冗余12Hz×10120fps推荐最低帧率12Hz×10120fps推荐最低帧率理想帧率200-400fps可清晰解析翼面加速/减速过程文献也提到照相机的作用是采集扑动翼在实验过程中的图像数据由于扑翼实验是一种动态实验要求图像数据能够达到一定的密度因此要求相机的拍摄帧率不能过低。考虑到扑动翼的扑动频率最高为 10Hz若每个周期内取 20 个数据点则要求相机帧率不能低于 200f/s。西工大-FP的相机参数DIC 系统的相机为 Point Grey 公司的 GZL-CL-22C5M-C 高速相机该相机采用 cmosis CMOS 芯片作为图像传感元件最高帧率能够达到 280f/s其具体参数如下2图像数据采集与控制卡。图像数据采集与控制卡是连接计算机与相机的关键器件其作用是接收相机 传输的图像数据同时将计算机的控制指令发送给相机。系统采用的是 NI 公司 的 PCIe 1433高性能 Camera Link 帧接收器该采集卡拥有两个 Camera Link 接 口可用于基本配置、中等配置或完全配置的 Camera Link 摄像头采集卡上带 有 512MB 的板载 FIFO能够有效增强使用最高带宽时的性能。该卡通过 PCI 总 线与计算机的主板相连并通过 2 条 Camera Link 电缆与相机相连两条电缆的 带宽能够达到 850 MB/s。3相机控制与数据处理软件。DIC 系统的操作软件包括两套不同软件。一套为针对相机的拍摄控制软件 主要用于对相机的拍摄帧率、曝光时间等参数进行设置并控制相机的启动、拍摄、关闭等操作。另一套为针对图像的数据处理软件主要用于对图像进行识别和计算实验中通过该软件对系统进行校准并按操作人员的要求输出数据结果。 软件的操作界面如图 6-3 所示。选择风洞支架时可以从以下几个方面描述1. 功能描述“需要一个由两节连杆通过一个旋转轴连接组成的支架。”“其中一节连杆需要有安装孔螺纹孔或通孔可以固定在基座上固定端。”“另一节连杆需要能围绕旋转轴在至少180度范围内调节角度活动端。”“调节到所需角度后必须有一个可靠的锁紧机构将其固定防止松动。”2. 关键参数非常重要材料高刚度如铝合金、不锈钢、碳钢。尺寸两根棒的长度例如每根长15厘米和直径/截面尺寸例直径10mm的圆棒。锁紧方式旋钮锁紧最常见调节方便、螺丝锁紧更稳固但需要工具。连接方式固定端是打孔用螺丝固定活动端同样螺纹孔或通孔承重能力这个支架承受多大的重量这决定了需要多坚固的型号。搜索示例在淘宝搜索框输入“铝合金 万向节 支架 长杆”在1688搜索框输入“不锈钢 铰链 角度调节 锁紧”备选方案如果找不到完全一致的成品可以考虑购买标准的“铰链” 自己配两根铝型材或金属棒。或者搜索“连杆机构零件”购买单独的“关节轴承”、“鱼眼接头”等来自己组装。支架有两端。按照现在的情况需要上面那段直径10下面那个直径8. 不一定容易购买到成品。那么就可以再考虑找一个类似于套筒的东西。把下面那段从10转到8就可以了。实在不行自己打印一个比较结实的材料都可以问题不大。关键是要看我现在想要最终采用什么类型的转接头啦。阅读文献整理其他人做过的类似实验1. 西工大Flapping-wing robot achieves bird-style self-takeoff by adopting reconfigurable mechanisms发表在Science Advances实验直接采用RoboFalcon2.0平台进行该平台搭载于六轴力传感器上用于根据图4B所示姿态进行力测量。平台重心与力传感器的测量中心对齐以利于数据分析。启示分析俯仰力矩的时候我这里需要进行坐标的转换。需要明确是对哪个点取矩-气动力与扭矩数据通过六轴力传感器ME K6D40型力/扭矩传感器以1000Hz采样频率获取。采用三种不同的3D打印支架尺寸足够小可忽略其产生的气动干扰将RoboFalcon2.0安装于力传感器上从而在不改变传感器安装方位的情况下保持图4B所示的三种不同俯仰角。因此传感器测量的六自由度力数据可直接作为风洞或地面试验中的六自由度气动力数据使用。在风洞实验中各状态的升力、推力和俯仰力矩在不同扑动周期间的最大标准差分别低于15克、10克和0.02牛·米表明数据采集是在连续稳定的扑翼条件下完成的。2. Phan Hoang-Vu, A twist of the tail in turning maneuvers of bird-inspired drones, 发表在Science Robotics7米/秒的风速下与鹰滑翔速度相近无人机对应的雷诺数为85101。为获取气动力与力矩将无人机固定于六维力/力矩传感器ATI Nano 25力分辨率0.0625 N力矩分辨率0.75 mNm力/力矩传感器位于无人机重心位置。传感器安装在风洞前方的机械臂Stäubli TX-90型延伸末端。编程控制机械臂可系统化改变无人机攻角调节范围-8°至36°步进精度4°。传感器信号通过ATI DAQ F/T软件采集并由NI-DAQmx 9.5.1数据记录仪National Instruments公司以3000Hz采样频率进行记录。测量前在0°攻角零风速条件下完成力/力矩传感器归零每个攻角持续采集8秒数据。为保持恒定功率输入使用直流稳压电源PeakTech 6226为控制翼尾形态的伺服电机供电。系统测量了以下工况的力/力矩输出对称/非对称翼型变形、尾翼形态变化及尾翼扭转。我们通过风洞实验进一步探究尾翼了扭转速率对滚转运动的影响图S6。将LisRaptor无人机固定于机械臂延伸端限滚转单自由度在机体标记光学反光点采用运动捕捉系统26台Optitrack相机240Hz监测其响应尾翼扭转指令的滚转运动。实验指令包括步进式、0.5秒缓变式和1.0秒缓变式三种尾翼扭转模式从0°至-30°。3. 扑翼飞行器的气动特性及效率研究。兵 器 装 备 工 程 学 报2024 年 11 月为了研究扑翼飞行器在不同飞行状态下的气动特性、斯特劳哈尔数以及飞行效率需要测量扑翼飞行器在特定状态下的频率、飞行攻角、平均升力和平均推力等参数。为此在本文中设计了以低速风洞和运动捕捉系统为核心搭配高精度水平秤、“ Mark” 光标球、角度测量仪形成“ 多功能一体”的测量系统如图 1 所示。动捕系统用来测试什么的用来采集扑翼飞行的运动姿态和飞行时的拍打频率。比我的需求低红外光学运动捕捉系统使用的是 Vero2. 2 的采集器其三维空间尺寸( 长 × 宽 × 高) 为 83 mm × 80 mm × 135 mm分辨率为 2048 × 1088像素为 2.2 mp 最高采集帧率为330 fpsIR 发射管发射 850 nm 的红外波长。此采集器具有反 应灵敏且延迟低的特点。运动捕捉系统如图 2 所示把摄像头架设好是最重要的。本实验采用德国 ANIPROP GBR 公司生产的 GWK3 型号的小型风洞。风洞的三维空间大小(长 × 宽 × 高) 为 2 m × 0. 8 m × 0. 8 m最高风速为 20 m / s最大风速下的风量大约为 2.5 m3 / s。可用风洞系统来测量不同来流速度、飞行攻角和气动力大小。风洞系统如图 3 所示。案例扑动翼变形测量实验实验模型实验模型为一种矩形的柔性扑动翼模型模型的外形如图 6-6 所示。模型由碳纤维骨架和聚酯薄膜构成骨架由不同直径的碳纤维杆相互搭接而成薄膜通过聚氨酯粘结剂粘结于骨架的表面。由于骨架都由直径较小的平直碳纤维杆构成 因而该模型为不带弯度的平直扑动翼且会在气动载荷的作用下产生一定的柔性变形。为了便于软件系统的图像识别论文在实验模型上布置了多个标识点如图 6-6 所示DIC 系统通过识别标识点并计算出标识点在扑动过程中的位置来获得扑动翼在标识点位置处的变形量。由图可见模型外端的四根肋上各均匀布置了 5 个标识点同时在靠近翼根位置的三角形骨架的三个点上各布置了一个标识点 由于翼根的弹性模量较大相对变形量很小因此认为该三角形骨架没有变形因而以这三个点所确定的平面作为扑动翼模型的参考刚性平面其它标识点均是以该平面作为基准平面来去除各自的刚性位移从而得到对应的变形量。实验步骤1 设备的安装与调试夹角问题实验开始前首先要完成 DIC 设备的安装与调试。在相机的安装过程中要将两台相机固定在稳固的三脚台架上安装架是怎样的使其不会发生振动或挪移其次应合理布置两相机位置两台相机的光轴之间的夹角应合适过小或过大的夹角都 不利于测量的进行多少合适焦距、景深问题然后要合理调节相机的焦距、光圈和曝光时间使相机的景深足够大、曝光时间足够短、照片够清晰。当焦距固定时光圈越大相机的景深越小因此此时相机具有最小的景深为增大相机的景深将光圈调小直到扑动翼模型运动在最高 点和最低点时相机都能够捕捉到清晰图像此时相机的景深已能够满足实验的需求最后在拍摄软件上调节相机的曝光时间尽量降低图像的亮度又不至于 影响软件对图像的识别此时相机具有最短的曝光时间。2 拍摄校准图片完成设备的安装与调试后需对系统进行校准。选择合适尺寸的校准板在相机视界内拍摄十几张不同角度和距离的照片校准板的调整范围最好囊括扑动 翼模型的运动范围。校准图片对应了唯一的系统参数和位置函数f因此一旦相机参数或安装位置改变校准操作必须重新进行。3 拍摄实验图片实验数据处理1 计算校准数据通过校准能够获得 DIC 系统中两台高速相机的光学特性和位置关系。是通过图像数据处理软件对拍摄的校准图片进行数据处理得到的。图 6-7 左为校准的软件操作界面在软件中导入校准图片并选择或输入对应的校准板 参数软件则会自动解算出系统当前的校准结果。校准结果包括两台相机的图像 传感器的中心位置、焦距、图像传感器的正交偏斜系数、相机镜头的径向畸变系 数以及两台相机之间的相对位置关系。2 变形量的计算完成系统的校准操作后便能对实验中的图像数据进行处理。数据处理的第一步是建立识别单点。将实验中拍摄的图片导入到数据处理软件中利用软件的单点测量功能对扑动翼上的标识点建立识别单点通过单点的拖动操作使每一个标识点对应一个识别单点并将单点按顺序进行编号疑问是能够同时把这些点都识别出来吗。图 6-8 为在系统的数据处 理软件中建立的识别单点由图可见单点与标识点一一对应共 23 个单点 按由外向内的顺序分别编为 0#22#。软件中的识别单点建立在基准图片一般 为第一张图片上这些单点在其他图片上会根据点的位置自动识别对应的标识 点个别无法识别的点如图 6-8 中带“ ? ”标记的点则需手动拖动到对应的标识点。完成所有图片上的单点创建和识别后系统可根据单点在每组图片两个相机同时拍摄的两张图片为一组中的位置自动计算出对应标识点在三维空间中的位置并给出其三维坐标如此便能输出 23 个标识点在每组图片中的坐标值很好的结果。接下来是利用这个结果计算俯仰变形量。得看自己怎么用这些数据来处理了。同时看看得到的结果会是你想要的吗是否有一些值得研究的地方。以上操作都是在 DIC 系统的数据处理软件上进行的软件只能计算出标识点在每组照片上的坐标值需做进一步的处理才能得到扑动翼模型的变形量。只能计算标识点的位移此位移包括扑动翼扑动时的刚性位移和因柔性变形而产生的变形。这个数据处理方法什么刚性板的运动啊翼上任意一点的刚性位移和变形位移暂时没看懂。结果弦向变形、展向变形。从以前的印象看似乎说扑翼飞行器的弦向变形比如弯曲影响不大展向变形沿着展向的扭转直接影响俯仰幅度对力的影响较大应该找来看看知道哪个可能是我更关注的。实验中用于测量变形的标志点共 20 个其中按弦向可将标识点划为 4 组0#4#、 5#9#、10#14#、15#19#按展向可将标识点划为 5 组0#3#、4#7#、 8#11#、12#15#、16#19#写错了吧。这部分的计算分析过程还有结果应该再看看。这里是用标记点的“变形量”对比来看翼变形特征的。对比弦长方向的标记点然后对比沿展长方向的标记点。总有个“基准平面”的概念比较有特点没见过。