扑翼飞行器是人类受到鸟类和昆虫扑翼飞行方式启发而设计的仿生机器人。这一领域涵盖了广泛的学科,包括仿生学,致力于模拟生物的结构和功能;空气动力学,研究飞行器在大气中的运动特性;控制和通信技术,确保飞行器能够稳定地执行任务和与外界进行有效的信息交流。

相对于传统的飞行器,扑翼飞行器出色的灵活性以及高效的飞行性能使得它在军事和民用领域都具有广泛的应用前景。在军事方面,扑翼飞行器可以执行敏感任务,如侦察和监视,同时在民用领域,它可能被用于应对紧急救援、环境监测等任务。

然而,为了确保这些飞行器在实际应用中能够取得良好的性能,需要对其进行实时的运动学数据监测和反馈。在这一过程中,光学动作捕捉系统的应用成为了一项关键技术。通过利用布置在场地周围的光学相机,该系统可以高精度地捕捉扑翼飞行器上的反光标识点,提供准确的位置、速度和姿态等运动数据。其高精度、实时性强的特点使得它成为扑翼飞行器研究中不可或缺的工具。

老鹰仿真模型

上海逢友生物力学实验室的技术人员采用瑞典Qualisys动作捕捉系统以老鹰仿真模型为研究对象,对比分析仿真模型的飞行运动学特征。在实验对象的关键部位贴上具有反光特性的球状标记点,包括头骨、前缘根部、肘骨、腕骨、翼尖、尾缘根部。

在Qualisys系统中显示的标记点

在完成静态与动态校准后,利用红外摄像机获得标记点的坐标数据,普通摄像机同步显示实验对象飞行轨迹与姿态,完成老鹰仿真模型的扑翼运动学参数采集。最后分析计算飞行平均速度、扑翼周期、扑翼频率、上扬下扑周期百分比、腕骨角度等与飞行轨迹(翼尖轨迹)。

在开始实验前,我们对实验参数进行定义,具体如下:

坐标系:本实验定义三维运动捕捉系统的坐标系为惯性坐标系。定义鸟类飞行的航迹坐标系原点位于鸟类质心,X轴为鸟类飞行速度方向,Y轴垂直于X轴,位于水平平面内,Z轴垂直于XY平面。

飞行平均速度:鸟类单位时间内飞过的距离。本实验以头骨标记点为依据,计算其在单位时间内经过的路程。

扑翼周期:鸟类翅膀完成一个下扑运动与上扬运动需要的时间,以翼尖运动的轨迹为标准。

扑翼频率:鸟类单位时间内扑翼的次数,为扑翼周期的倒数。

扑翼幅度:扑翼时,翼尖距离水平位置的大小。当翼尖远离水平位置达到最高点或最低点时,分别定义此点为Zmaxtip与Zmintip。

上扬运动:本实验以鸟类翼尖在Z方向的变化轨迹为依据,翼尖从最低点Zmintip向最高点Zmaxtip运动的过程为翅膀的上扬运动。

下扑运动:本实验以鸟类翼尖在Z方向的变化轨迹为依据,定义翼尖从最高点Zmaxtip向最低点Zmintip运动的过程为翅膀的下扑运动。

腕关节角度:腕骨-翼尖连线与腕骨-肘骨连线的角度。

翼尖运动轨迹前视图

根据运动捕捉系统采集的实验对象在空间的坐标点位置,记录标记点在XOY平面与XOZ平面内的运动轨迹图,并对实验对象多周期扑翼运动中各部位的运动轨迹进行了描述。

下图是实验对象在XOY平面与XOZ平面的飞行轨迹图,实验对象的运动主要考察其飞行中各部位的变化规律。可以看出,翼尖、腕骨随翅膀运动在X方向、Y方向、Z方向均有较明显的位移变化,并呈周期性变化,头骨、前缘根部与尾缘根部的运动变化很小。

XOY平面飞行轨迹

我们对实验对象左翼的运动学的参数进行了测量计算,包括飞行的平均速度,平均扑翼频率,翅膀上扬与下扑运动的振幅等。计算结果如下表所示。

本实验对单周期内扑翼运动中的腕关节角度进行测量,得到了下图所示的单周期腕关节角度随时间变化的规律。从图中可以看出,在下扑阶段,腕关节角度逐渐变大,在51%周期达到最大值151.5°;在上扬阶段,腕关节角度开始呈现先减小再增大的周期性减小运动,腕关节角度最小值为144.2°。

右翼腕关节角度变化曲线

此外,实验人员对6节鱼竿形变后的角度变化也进行了相关研究,在鱼竿前4节(从细到粗的顺序)的端点、终点处贴上5个球状标记点。在完成校准后利用红外摄像机获得标记点的坐标数据,对比分析悬挂物自身静止与活动状态下鱼竿中端、末端形变后的角度变化情况。

鱼竿中端角度

将光学动作捕捉系统应用于扑翼飞行器的研究,不仅仅是一项技术手段的选择,更是推动该领域技术进步的关键推动力。这一技术手段的引入,为研究人员提供了极为精准和实时的运动学数据,为飞行器的设计、控制和性能优化提供了重要的支持。通过多学科技术的有机整合,扑翼飞行器有望在未来演变成为更为智能和高效的飞行工具,为解决未来社会面临的各种复杂任务提供新的可能性和解决方案。

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