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摘 要

扑翼机器人的研究对于人类预防与应对一些自然灾害以及人类的城市生活具有十分重要的意义，而扑翼机器人运动性能测试系统对于扑翼机器人的研究有着至关重要的作用。本文设计了一套扑翼机器人运动性能测试系统，用于对扑翼机器人性能的实验研究。

本文首先对已有的扑翼机器人测试系统的不足进行了分析，提出一种基于转动平台驱动扑翼机器人做圆周运动的测试系统，以模拟气流速度对升力和推力的影响，并结合二维组合式力传感器检测升力和推力。本文中测试系统的设计由机械结构设计、硬件系统设计，以及软件系统设计组成。其中机械结构设计包括对转动平台机构、连接杆，以及扑翼机器人安装机构的设计；硬件系统设计包含扑翼升力推力采集系统、步进电机控制模块，以及电源模块。软件系统设计由电机运动控制程序与数据采集处理程序组成。

最后本文进行了原理样机制作、组装及实验研究。通过对转台运动控制过程的参数配置、系统功耗、运动效果等的实验分析，基本验证了设计方案的合理性与有效性。

关键词：扑翼机器人测试系统，步进电机控制，升力与推力传感器

Abstract

The research of flapping-wing robots is of great significance for human prevention and response to some natural disasters and human urban life. The flapping-wing robot's performance testing system plays a crucial role in the research of flapping-wing robots. In this paper, a set of flapping-wing robot's movement performance testing system is designed for the experimental research on the performance of flapping-wing robot.

This paper first analyzes the shortcomings of the existing flapping wing robot testing system, and proposes a testing system based on the rotating platform driving the flapping wing robot to do circular motion to simulate the influence of the airflow speed on lift and thrust, and combines the two-dimensional combination Force sensors detect lift and thrust. The design of the test system in this paper consists of mechanical structure design, hardware system design, and software system design. The mechanical structure design includes the design of the rotating platform mechanism, the connecting rod, and the flapping-wing robot installation mechanism. The hardware system design includes a flapping-lift lift thrust collection system, a stepping motor control module, and a power supply module. The software system design consists of motor motion control programs and data acquisition and processing programs.

In the end, the principle prototyping, assembly and experimental research were carried out. Through the experimental analysis of parameter configuration, system power consumption, and movement effects of the motion control process of the turntable, the rationality and effectiveness of the design scheme are basically verified.

KEY WORDS: Winged Robot Testing System, Stepper motor control, Lift and Thrust Sensors

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 扑翼机器人国内外研究现状 1

1.3 扑翼机器人测试系统研究现状 3

1.4 主要研究内容和结构安排 5

1.5 项目支持 5

第二章 扑翼机器人运动性能测试系统结构设计 7

2.1 运动性能测试系统方案分析 7

2.2 机械结构设计 7

2.2.1 转动平台机构 7

2.2.2 连接杆与机器人安装机构 8

2.3 本章小结 9

第三章 数据采集和控制系统设计 10

3.1 系统样机概述 10

3.2 扑翼升力推力采集系统设计 10

3.2.1 升力与推力组合式二维力传感器 10

3.2.2 六维力/力矩传感器 12

3.3 步进电机控制模块 13

3.3.1 驱动电机 13

3.3.2 电机驱动器 14

3.3.3 电机运动控制卡 14

3.4 电源模块 16

3.5 电流检测模块 16

3.6 本章小结 17

第四章 测试系统软件设计 18

4.1 软件设计概述 18

4.2 电机运动控制程序 18

4.3 电流检测与数据处理程序 21

4.4 本章小结 22

第五章 测试系统样机研究 24

5.1 测试系统制作与组装 24

5.2 测试实验 24

5.3 本章小结 26

第六章 总结与展望 27

6.1 工作总结 27

6.2 未来展望 27

致 谢 29

参考文献 30

绪论

课题研究背景及意义

近年来，由于环境及气候问题导致的自然灾害频繁发生，如山体滑坡、泥石流、地震、森林火灾等等，而在我们的城市生活中也会出现诸如地震或者工程事故导致的楼房倒塌、工厂爆炸或者火灾等人为灾害，这些问题对人类的生命财产安全造成了巨大损失，而面对到这一类问题时能否做到有效的预防与解决无疑是一个挑战。在这些自然灾害以及人为事故造成的危险环境中，实行有效的预估与及时救援方案的问题亟待解决，而这些危险环境中，相关人员进入难度大，风险高，要完成至关重要的信息获取甚至是协助救援这一任务，就需要一种能够应对这些环境并且灵活性强、敏捷度高的无人设备。

扑翼飞行是漫长的生物进化过程中长时间存在并且普遍采用的飞行模式，是低速状态下最有效的飞行模式。扑翼机器人是模仿昆虫和鸟类飞行，利用仿生学设计制造的新型机器人。相较于其他飞行方式的机器人，扑翼机器人飞行时具有更高的灵活性、稳定性以及一定的抗干扰能力，并且能够充分利用非定常空气动力特性获取高升力，能够更好的适应各种复杂环境，除了能应用于以上危险环境的信息获和协助救援外，在生化探测、城市反恐、通信中继和信号干扰等方面也具有广泛的应用前景。

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