温州大学 扑旋翼研究

微型仿生飞行器因其体积小、机动性强、隐蔽性好、噪声低、稳定性高以及在低雷诺数条件下的高气动效率等特点，已成为近年来科研领域的一大研究焦点。大约十年前，研究者提出的一种融合了仿生扑翼和旋翼飞行器特性的新型扑旋翼（Flapping Wing Rotor, FWR）结构，其可行性在过去几年中得到了验证。然而，FWR的升力裕度尚未达到携带任何有效载荷（如微型相机或小包装）的水平，这限制了其在实际应用中的适用性。尽管先前的研究已经探讨了FWR的升力问题，但尚未有研究从利用俘能装置（如弹簧）来减少由惯性力引起的能量消耗的角度进行实验。此外，尽管已知将扭转角幅度设置为40°可以显著提高FWR的升力，但扭转角变化幅度对FWR升力的具体影响仍不明确。

为解决上述问题，温州大学机电工程学院陈思及其研究团队，开展了《俘能技术对可飞行扑旋翼系统气动效率的增强效应研究》，旨在探讨俘能装置和扭转角变化对FWR升力的影响，以期为FWR的载荷能力和应用范围提供新的见解。该研究成果已在工程技术领域知名期刊《SCIENCE CHINA Technological Sciences》上发表。

一、研究方案：

研究团队设计并制造了一个重量为19.2克的扑旋翼（Flapping Wing Rotor, FWR）模型。在研究的第一部分，选择了三种不同力学参数的弹簧（详见表1），并将其安装到FWR上。这些弹簧旨在捕获上冲程后半段由惯性力产生的能量，并在下冲程的前半部分释放这些能量，以加速机翼运动，从而降低由惯性力导致的能量损失。第二部分的研究涉及设置不同扭转角度范围（10°~50°，10°~70°，以及10°~90°）的三组机翼。通过建立运动捕捉系统和升力测量系统，对FWR在这两个研究模块下的气动力和运动学性能进行了测试，以进一步分析扭转角度的变化范围和弹簧尺寸对FWR运动参数和升力效率的影响。
 

图1扑旋翼机构及俘能弹簧位置分布图

表1 俘能弹簧的力学参数

方案创新及优势：

(1) 引入了俘能弹簧，从惯性力耗能的角度优化FWR升力性能

(2) 设置了三种不同扭转角幅度的机翼来探究扭转角对FWR升力的影响

(3) 组装了一套重量为37.8g的扑旋翼飞行系统，并在实验中实现了稳定起飞和悬停动作

二、实验验证：

 该实验由升力测试系统、飞行系统、动作捕捉系统等组成。其中，CHINGMU（青瞳视觉）光学动捕系统可对FWR的物理运动进行精确的捕捉呈现，以保障实验数据的可靠有效性。该系统基于24个MC4000相机和CMTracker软件。如图2所示，高速摄像机捕捉机翼表面上6个荧光特征点的时变位置信息，再由CMTracker软件导出位置变化数据，进而通过计算得到机翼的扭转运动、旋转运动和拍动运动曲线。

图2扑旋翼运动捕捉系统

实验中的升力测量系统（如图3所示），包括FWR、测压元件（YZC-191）、电源、信号放大器、信号采集卡（NI USB-6008）、同步电路和计算机。在对测压元件的压力与输出电压之间的比例关系进行校准后，通过记录信号采集卡和放大器的电压信号，可以捕获施加在负载元件上的力。这些电压信号随后通过LabVIEW软件传输到计算机界面，以进行进一步的数据分析。

图3 FWR升力测量系统的组件

通过综合分析运动捕捉系统和升力测试系统的数据结果，如图4所示，发现在5V输入电压和10°~70°刚性扭转角的条件下，扑旋翼展现出较高的扑动频率，并得到了最大平均升力29.24g。特别地，图5中显示在10°~50°扭转角的FWR配置中，配备弹簧的机构相较于未配备弹簧的机构，表现出更高的扑动频率和更大的升力。此外，弹簧的引入还有助于轻微降低FWR的能耗，进而提升升力效率。与此同时，FWR的扭转角振幅和旋转速度与弹簧的刚度系数和输入电压呈现正相关性。

图4 三种扭转角度机翼下FWR的平均升力

图5 10°~50°扭转角下安装三种不同弹簧的平均升力与电功率消耗

为了进一步说明弹簧谐振频率对FWR升力增益的影响，利用傅里叶变换将一个周期内的扭转曲线转化为频域。结果表明（如图6所示），当最大振幅最大的主频率接近或重合弹簧的共振频率时，升力增益更加明显。

图6 傅里叶变换后系统主频率与弹簧共振频率对比

研究团队构建的基于原有机构的飞行系统，总重量为37.8克。如图7所示，该系统由一个飞行控制集成板（O1Studio）、一个旋转舵机和两个电池组成。其中，额定电压为3.7 V的电池为飞行控制板供电，另一个额定电压为7.4 V的电池为空心杯8520电机提供动力。值得注意的是，在实验中，研究团队使用了一个自制可控舵面，以确保其在飞行过程中的机制的稳定性。

图7 飞行系统结构及部件

实验结果表明，FWR系统具有足够的升力裕度，并成功地保持了悬停状态大约3秒。最终，由于电池功率较低，FWR系统缓慢下降。

三、实验结果：

本研究表明，10°~70°预设扭转角的选择和弹簧的应用都可以提高FWR的升力效率，这为进一步提高FWR的气动性能提供了两种可行的策略。

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 原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11431-024-2792-9