昆虫飞行运动学与动力学测试系统、实验与分析

论文摘要

昆虫飞行运动学与动力学测试系统用于测试昆虫飞行时的升力、推力，并同步记录其飞行姿态。该系统主要由高速摄像系统和力学测试系统组成，其中力学测试系统包括六维力传感器、信号调理模块、数据采集卡、计算机和软件几个部分。实现高速摄像系统与力学测试系统之间的同步采集是昆虫飞行运动学与动力学测试系统中的关键技术。通过硬件之间的合理组建，在LabVIEW编程环境下成功地完成了力学测试系统的触发采集。结合高速摄像系统的触发方式，最终实现了高速摄像系统与力学测试系统的同步采集。对昆虫飞行运动学与动力学的深入研究，可以为微型仿生扑翼飞行器的研制带来相关启示。通过昆虫飞行运动学与动力学测试系统测试了约束状态下竹象虫（Cyrthotrachilus longipesDrury）飞行的各项参数，分别从升力、推力、翅尖轨迹及展翅过程几个方面进行了分析研究。大量实验结果表明：竹象虫飞行时的振翅频率为64±3Hz，升力、推力随时间呈现明显的周期性变化，升力在每个周期内都会出现两次波峰；升力大小与振翅频率无显著关系；竹象虫两侧翅尖相对于身体的运动轨迹基本上形成一个闭合的“8”字形，竹象虫以此轨迹扑翅时的升力最大。步进电机作为控制系统中的常用执行元件，可直接接受数字信号，精度高，定位准确。根据传感器的数据反馈实时对步进电机进行精确控制在各种控制系统中必不可少。本文还以材料粘着、摩擦、磨损性能综合实验台为背景，在基于VC++软件平台上，设计了一种根据USB接口接收下位机采集的力传感器数据对步进电机进行反馈控制的驱动系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 昆虫飞行运动学与动力学研究的意义
• 1.3 国内外昆虫飞行运动学与动力学研究的进展
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 昆虫飞行运动学与动力学测试系统的研制
• 2.1 昆虫飞行运动学与动力学测试系统组成
• 2.1.1 高速摄像系统
• 2.1.2 力学测试系统
• 2.2 高速图像与力数据同步采集的方法
• 2.2.1 高速摄像系统的触发采集
• 2.2.2 力学测试系统的触发采集
• 2.2.3 不同型号的高速摄像与力学测试系统的同步采集
• 2.3 系统搭建及测试
• 2.4 实验过程
• 2.5 小结
• 第三章 竹象虫飞行运动学与动力学研究
• 3.1 实验对象
• 3.2 实验方法
• 3.3 实验数据的后处理
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 升力与推力
• 3.4.2 翅尖运动轨迹
• 3.4.3 展翅过程
• 3.5 小结
• 第四章 基于力反馈控制的步进电机驱动系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 步进电机控制原理
• 4.3 传感器及信号调理与数据采集
• 4.4 软件实现
• 4.4.1 步进电机控制模块
• 4.4.2 数据采集模块
• 4.4.3 反馈控制
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的科研成果及发表的学术论文