基于光纤布拉格光栅的扑翼机器人三维扑动变形测量

郭永兴; 张航; 熊丽; 刘天阔

doi:10.37188/OPE.20233109.1304

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基于光纤布拉格光栅的扑翼机器人三维扑动变形测量

现代应用光学 | 更新时间：2023-05-15

- 基于光纤布拉格光栅的扑翼机器人三维扑动变形测量
- Fiber Bragg grating based 3D flutter deformation measurement of flapping wing robot
- 光学精密工程 2023年31卷第9期页码：1304-1313
- 作者机构：
  
  1.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉 430081
  2.武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430081
  3.武汉科技大学精密制造研究院，湖北武汉 430081
- 作者简介：
  
  [ "郭永兴（1986-），男，河南汝南人，博士，副教授，博士生导师，IEEE高级会员，2014年于武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室获得博士学位，主要从事机器人光纤智能感知技术、光纤光栅传感理论与测试技术方面的研究。E-mail：yongxing_guo@wust.edu.cn" ]
  [ "张航（1998-），男，湖北仙桃人，硕士研究生，2019年于武汉科技大学获得学士学位，主要从事基于光纤光栅的形状测量技术的研究。E-mail：zhanghang0604@126.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52075397;52105558);中国博士后科学基金资助项目(2020M682493)
- DOI：10.37188/OPE.20233109.1304
  中图分类号： TP212.1;TP242.6
- 收稿日期：2022-11-02，
  
  修回日期：2022-12-07，
  
  纸质出版日期：2023-05-10
- 稿件说明：
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郭永兴,张航,熊丽等.基于光纤布拉格光栅的扑翼机器人三维扑动变形测量[J].光学精密工程,2023,31(09):1304-1313.

GUO Yongxing,ZHANG Hang,XIONG Li,et al.Fiber Bragg grating based 3D flutter deformation measurement of flapping wing robot[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(09):1304-1313.
郭永兴,张航,熊丽等.基于光纤布拉格光栅的扑翼机器人三维扑动变形测量[J].光学精密工程,2023,31(09):1304-1313. DOI： 10.37188/OPE.20233109.1304.

GUO Yongxing,ZHANG Hang,XIONG Li,et al.Fiber Bragg grating based 3D flutter deformation measurement of flapping wing robot[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(09):1304-1313. DOI： 10.37188/OPE.20233109.1304.

摘要

仿生扑翼飞行机器人的扑动变形测量对提高其飞行性能非常重要，而现有的数值仿真、立体视觉摄像和结构光投影等测量方法，存在边界条件难以确定、视觉遮挡等问题，因此提出了一种基于光纤光栅的接触式扑翼动态变形测量方法。设计了一种以聚酰亚胺薄膜为基底的光纤光栅柔性传感器，将柔性传感器以阵列的形式布设在扑翼表面监测翼面扑动的实时应变，并基于曲率的三维重建算法将实时应变数据重构为扑翼的实时三维形状。成功监测了一个室内稳定扑动周期内翼面的应变变化情况并开展三维变形分析，结果表明：扑翼扑动时翼面应变主要发生在支撑杆周围，下扑和上扑阶段的应变最大值分别为

50.6 με和98.1 με；翼面变形主要发生在翼面后缘，下扑和上扑阶段的变形最大值分别为

2.06 mm和4.02 mm。本研究为扑翼动态变形测量提供了技术支持，为提高扑翼机飞行性能提供了科学依据。

Abstract

Bionic flapping-wing robots have become a global research hotspot because of their considerable potential in military and civilian applications. Measuring and analyzing the flapping deformation characteristics of flapping-wing robots are important for improving their flight performance， and these are challenging research topics in the field of flapping-wing robots. The existing measurement methods include numerical simulation， stereovision camera， and structured light projection measurement. There are problems with these techniques； e.g.， it is difficult to determine the boundary conditions， and visual occlusion occurs. Therefore， a dynamic deformation measurement method of contact flapping wing based on a fiber Bragg grating is proposed in this paper. A fiber Bragg grating flexible sensor based on a polyimide film is designed. The flexible sensor is arranged on the flapping-wing surface in the form of an array to monitor the real-time strain of the surface. The real-time strain data are reconstructed into the real-time three-dimensional （3D） shape of the flapping wing by using a reconstruction algorithm based on curvature. The strain variation of the wing surface in a stable flapping period is monitored. Then， a 3D deformation analysis is performed. The results indicate that the flapping-wing surface strain mainly occurs around the support rod， and the maximum value in the flapping stage is –50.6 με and 98.1 με， respectively. The deformation of the flapping-wing surface mainly occurs at the trailing edge of the wing surface， and the maximum values of flapping down and flapping up are –2.06 and 4.02 mm， respectively. This study provides a new measurement idea and technique for the dynamic deformation measurement of flapping wings. Deformation monitoring under outdoor flight conditions will be performed later to provide a scientific basis for improving the flight performance of ornithopters.

关键词

Keywords

references

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