基于LabVIEW的微撲翼機實驗臺測控系統設計

田培培，金曉怡，黃立新，邢亞飛，朱建柳

(1. 上海工程技術大學 a. 機械工程學院，b. 現代工業實訓中心，上海201620; 2. 上海交通職業技術學院，上海200431)

0 引言

微型撲翼機是從仿生學角度出發進行設計的一種新興小型飛行器。這種飛行器與常規的大型飛行器不同之處在于其整機尺寸很小、飛行機動性好、結構緊湊，并且耗能較少。基于這些優點，微型撲翼機具有廣闊的應用前景，但是目前的飛行器設計方法和理論主要是針對常規大型飛行器，對微型撲翼機并不適用[1-3]。微型飛行器主要可歸為固定翼機、旋翼機和撲翼機三類，其不同于微型旋翼和微型固定翼飛行器，只需要依靠規律的撲翼動作，微型撲翼機就可以產生持續飛行的升力，具有更好的機動性和靈活性。但是，微型撲翼機所處的空氣雷諾數比較低，隸屬于非定常流范疇，目前的非定常空氣動力學方面的理論很難實現微撲翼機氣動力的精確設計和準確計算[4-6]。如何較好地實現微形撲翼機的氣動力設計是目前該領域研究的一個難點。

在微型撲翼機的具體實驗研究方面，主要包括有撲翼飛行氣動力測試和撲翼空氣流場分析。目前用于常規飛行器具體實驗研究的機器設備較多，但是能夠用于微型撲翼機飛行測試的實驗設備不僅較少且不完善，國內僅有幾所高校擁有專門用于微型撲翼的風洞，可供參考的撲翼飛行器的相關實驗數據也比較少，這些都阻礙了微撲翼機繼續發展[7-10]。針對現有的技術難題，設計了一種微撲翼機實驗臺測控系統，可以簡單便捷地實現微撲翼機氣動力的測試和撲翼流場的觀測。

1 測控系統工作原理

本文所設計的微撲翼機實驗臺測控系統，其主要功能是實現微撲翼機氣動力的測試和撲翼流場的觀測。其測控系統主要包括氣動力測試裝置、三維粒子圖像測速裝置(3D-PIV)和微撲翼機3部分。測控系統的原理圖見圖1。

圖1 微撲翼機試驗臺測控系統原理圖

1.1 氣動力測試裝置設計

氣動力測試裝置由數據采集器、PC機、角度傳感器、六維力傳感器以及漫反射開關組成。該裝置通過六維力傳感器進行翅翼扇動過程中x、y、z3個方向的力Fx、Fy、Fz和轉矩Tx、Ty、Tz等參數的檢測。在撲翼樣機的翅翼根部處安裝角度傳感器，可以檢測樣機扇動翅膀時翼的扭轉角度。漫反射開關可以實現樣機翅膀的扇動頻率參數的獲取。傳感器將撲翼機撲動過程中的力和力矩以及角度轉換成模擬信號輸出給數據采集器，漫反射開關將微撲翼機撲動過程中翅翼的撲動頻率轉換成模擬信號輸出給數據采集器。計算機并不能識別模擬信號，需要通過數據采集器把從各個傳感器處接收來的模擬信號轉為數字信號，使計算機能夠識別這些信號。上位機接收將數字信號轉化為微型飛行器撲動過程中的各項氣動力參數，并通過測試軟件顯示出波形曲線。氣動力測試裝置原理圖見圖2。

圖2 氣動力測試裝置原理圖

1.2 三維粒子圖像測速裝置設計

3D-PIV裝置由示蹤粒子、半導體激光器、高速攝像系統、PC機等組成。把高分子材料做成的示蹤粒子均勻地撒進固定在底座上的觀察箱，用觀察箱某個流場區域中任意方位粒子的運動參數來代表某個方位的流體運動參數。利用半導體激光器照射觀察箱，同時用攝像系統拍攝流場中示蹤粒子的具體運動情況。通過測試軟件以及圖像分析技術可以在PC機上獲得撲翼流場區域內粒子的位移、流速矢量等參數，進而可獲得流場的速度渦量云圖、流線圖等。3D-PIV裝置原理圖見圖3。

圖3 三維粒子圖像測速裝置原理圖

1.3 微撲翼機樣機

微撲翼機的設計包括機身、微型電機、二級齒輪減速組、翅翼以及撲翼機構等部分。撲翼機構采用圖4所示的平面四桿機構。微撲翼機工作原理為：微型電機旋轉，通過二級齒輪減速組減速之后，運動轉變為平面雙曲柄雙搖桿四桿機構的運動，2個曲柄運動帶動2個搖桿的運動，搖桿和樣機翅膀的骨架相連，四桿機構的運動轉變為樣機翅膀的上、下拍打運動。微型電機選用空心杯716電機，經二級減速之后，樣機撲動頻率在15～20 Hz。微型撲翼機三維模型如圖5所示。

圖4 微撲翼機撲翼機構簡圖

圖5 微撲翼機三維模型示意圖

在完成微型撲翼機試驗臺測控系統各個部分的設計以后，進行了該試驗臺測控系統整體的綜合設計，測控系統示意圖見圖6。

1—底座；2—漫反射開關；3—觀察箱；4—立柱；5—微型撲翼飛行器； 6—激光光源；7—高速攝像機；8—數據采集器；9—上位機圖6 微撲翼機試驗臺測控系統結構示意圖

微撲翼機樣機在實驗臺上，樣機安裝示意圖見圖7。

10—六維力傳感器；11—微型撲翼飛行器機身； 12—微型撲翼飛行器機翼；13—角度傳感器圖7 微撲翼機安裝結構示意圖

2 撲翼試驗臺測控系統設計

本文所提出的微撲翼機實驗臺測控系統是采用LabVIEW軟件進行的虛擬儀器系統設計[11]，其中主要包括硬件設計和軟件設計2部分。硬件部分主要是包括計算機以及各種內置插卡，還包括各種數據采集程序控制等設備。軟件系統則主要是通過把計算機和各項儀器硬件進行連接，以實現對所需信號的采集、分析、處理和顯示等操作。本文實驗研究的主要目的是模擬真實飛行時的各種參數，找出能使得撲翼飛行器升空的適當的飛行速度與撲翼頻率，從而為試飛實驗提供參考。

2.1 硬件設計

所設計的微撲翼機實驗臺測控系統硬件設計采用PCI-DAQ結構，其硬件結構如圖8所示。該實驗平臺在室溫下工作，進行一次實驗所需的時間在2～3min，可以達到較長工作時間且工作穩定。

圖8 測控系統硬件結構

六維力傳感器選用美國的Nano17，該傳感器結構的強度較好，可以測試x、y、z3個方向上的力和轉矩，固有頻率為3 000Hz。

角度傳感器選用電阻值為5kΩ的精密導電塑料角度傳感器，其體積較小，可以有效減小實驗過程中的氣動干擾。

漫反射開關選用德國西克SICK的VTE18-4N4212。

示蹤粒子通常選用具有較高散射率且密度與實驗流體較為一致的高分子材料粒子。

在3D-PIV技術中，激光光源的選擇很重要，關系到能否獲得較好的流程粒子圖像。本文選擇美國ConOptics半導體激光器。

高速攝像機選用德國MIKROTRON高速攝影機，1.3M(1 280/h×1 024/v)分辨率。

微撲翼機模型翼展15cm。微型電機是微撲翼機模型撲翼飛行的動力源，選用航模8520，強磁電機，偉力911主電機，直驅可以達到40g拉力。撲翼機構采用3D打印而成，翅翼骨架采用1mm直徑碳桿，翅翼采用塑料薄膜。

數據采集器選用美國德爾PCI-6052E，其中包含有2個16位分辨率的A/D轉換器，最高采樣率可達到333 ks/s。

觀察箱尺寸選用150cm×80cm×80cm，用有機玻璃板制作。

2.2 軟件設計

LabVIEW是一種采用圖標進行應用程序編寫的應用開發工具，因其突出的強大功能和靈活性而被廣泛使用。LabVIEW應用程序包括前面板(front panel)、框圖程序(block diagram)以及圖標/連接器(icon/connector)3部分[12]。前面板即人機交互界面，主要是實現操作人員的輸入和計算結果等信息的輸出，實驗操作人員可以在前面板進行微撲翼機的各項實驗的操作。程序框圖是用來定義虛擬儀器(VI)邏輯功能的圖形化源程序，通過在流程圖中對VI進行編程可以對界面的各項功能進行操作[13]。

圖9 撲翼實驗臺軟件設計流程圖

該微撲翼機實驗臺測控系統軟打印報表件需要實現初始化清零、數據采集、數據存儲、數據記錄、打印報表以及結束退出程序等功能。軟件設計流程見圖9。

采用LabVIEW軟件進行設計的微撲翼機實驗臺測控系統的人機交互界面如圖10所示。在界面上顯示實驗項目、試驗時間、實驗員等基本信息，主界面上是微撲翼機氣動力曲面和翅翼扭轉角度曲線圖。在數據記錄中有實驗的具體數據，打印報表按鈕可以將實驗數據生成實驗報告。圖像數據按鈕可以調出微撲翼機撲翼飛行過程中的撲翼流場的速度渦量圖、流線圖、漩度圖等。

圖10 測控系統人機交互界面

3 撲翼試驗臺測控系統操作步驟

撲翼試驗臺測控系統操作步驟如下：首先將觀察箱放置在底座上，打開觀察箱的上蓋，將立柱、微型撲翼飛行器、六維力傳感器、角度傳感器、漫反射開關、激光光源依次固定安裝好。打開觀察箱，把高分子材料做成的示蹤粒子均勻地撒進固定在底座上的觀察箱，完成之后關閉箱體。在開始實驗之前，需要首先完成系統參數的配置并進行系統的數據清空來初始化系統。啟動撲翼機電源，樣機開始進行撲翼運動，觸發氣動力測試裝置和三維粒子圖像測速裝置開始同步采集數據，同時注意測試軟件界面的曲線變化。完成數據采集之后，停止實驗，在測試軟件中對采集的數據進行導出和實驗報表的打印。每次實驗進行3次，實驗結果以3次實驗數據的平均值為準。實驗結果主要包括撲翼樣機在撲翼過程中的氣動力數據、翅翼扭轉角度、翅翼扇動頻率、撲翼流場的渦量云圖、流線圖等。這些實驗數據可以較好地反映出樣機的氣動性能，有助于進行具有良好飛行特性的撲翼樣機的設計和研究。

4 結語

本文提出了一種基于LabVIEW軟件的微撲翼機實驗臺測控系統，通過進行合理的系統硬件部分和軟件部分的設計，可以同時實現撲翼樣機的氣動特性測試和撲翼流場的觀測。該測控系統是通過將微撲翼樣機固定在觀察箱內某一固定位置進行的實驗，所以該試驗臺不限于此種撲翼樣機，可以實現多種類樣機的實驗。通過該試驗臺測控系統進行實驗，可以得到撲翼樣機的氣動力參數和撲翼流場的具體情況，解決了目前微撲翼機實驗設備較少且不完善的技術問題，對具有良好飛行性能的微撲翼機的氣動設計和樣機研制具有一定的意義。

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