飞行中昆虫运动参数及翼变形的光学测量和演示

摘要

微型飞行器的研究是近年来兴起的一个热门课题，其在军事侦查中的重要作用使其具有很广泛的应用前景。这样，与微型飞行器尺度相近之昆虫的飞行机理研究就成了人们关注的焦点。相关课题已经有了相当深入的研究，但是由于测量条件的复杂多变及昆虫飞行的随意性，到目前为止，关于自由飞行昆虫的运动参数测量的研究还不理想，测量方法的精度都还不是很高。特别是昆虫飞行中翼的柔性效应对其飞行性能的影响还不清楚，部分原因在于飞行中的翼变形的细节没有很好的测量报告。 本文提出了将投影正弦栅线法用于蜻蜒飞行翅膀翼面变形研究的方案。由计算机生成正弦数字光栅，并通过投影仪投射光栅到试件表面，通过拍摄由于高度调制发生畸变的光栅图像进行测量。设计了一个拍动装置驱动真实的蜻蜒翅膀以与蜻蜓相似的扇翅频率拍动，用投影正弦栅线法对翅膀翼面变形进行测量，用高速CCD摄像机记录原始数据图像，然后用空间载波相移法求解位相信息并用区域相关位相展开方法进行位相展开，最终得到了比较准确的结果，从而验证了投影正弦栅线法并不受蜻蜓翅膀表面光学性质的影响，可以用在蜻蜓翼面变形的测量试验中，从而证明了实验方案的可行性。 本课题的主要目的是测量更有意义的自由飞行时蜻蜒的翼面变形。但是束缚状态下蜻蜒的扇翅规律更为稳定，因此在试验中用投影正弦栅线法共测量了束缚扇翅、自由直线飞行和自由转弯飞行三种不同的状态。在这部分的数据处理中，采用在位相检测中更适合于本实验的图像原始数据的二维加窗傅立叶变换的方法，配合二维加权最小二乘法位相展开技术，克服了原始数据图像亮度和对比度差的缺点，得到了更为精确的计算结果。同时对束缚扇翅，自由直线飞行，自由转弯飞行三种不同状态的扇翅角，扭转角，弓形变形等运动参数进行了对比分析。 根据本试验数据处理的需要，设计了投影光栅法三维形状测量软件，其主要完成的功能包括Fourier变换和反Fourier变换、加窗Fourier变换、区域相关位相展开、加权最小二乘法位相展开，并针对蜻蜓翅膀的测量做了相应的优化处理。另外还设计了蜻蜒飞行测量结果显示和分析系统，将测量得到的结果以直观的方式显示出来，并提供了相应的数据分析功能。其主要功能包括蜻蜒翅膀任意截面数据分析，蜻蜓翅膀高度数据的平面拟合、二次曲面拟合和三次曲面拟合。

目录

文摘

英文文摘

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1.第一章绪论

1.1.课题研究背景

1.1.1.概述

1.1.2.飞行之王——蜻蜓

1.2.昆虫飞行研究现状

1.2.1.昆虫飞行的空气动力学机理研究现状

1.2.2.昆虫身体运动参数的测量

1.2.3.昆虫飞行时生理参数的测量

1.3.本文完成的工作

1.4.论文结构安排

2.第二章三维表面形貌的测量方法

2.1.三维形状测量概述

2.1.1.经典干涉法

2.1.2.全息干涉法

2.1.3.电子散斑干涉法

2.1.4.干涉云纹形状测试技术

2.1.5.三角测量法

2.2.当前昆虫翅膀三维测量方法概述

2.3.投影栅线法

2.3.1.基本原理

2.3.2.平行光轴或交叉光轴系统

2.3.3.平行栅投影系统

2.3.4.测量灵敏度和误差分析

2.3.5.投影栅线形状测试技术中相移法的引入

2.3.6.参数标定

3.第三章位相检测方法

3.1.位相检测技术概述

3.1.1.外差法

3.1.2.时间相移法

3.1.3.空间相移法

3.1.4.Fourier变换法

3.1.5.空间载波相移法

3.1.6.加窗Fourier变换法

3.2.位相展开

3.2.1.概述

3.2.2.位相展开方法分类

3.2.3.区域相关位相展开法

3.2.4.二维加权最小二乘法位相展开

4.第四章蜻蜓飞行姿态的实时模拟测量

4.1.试验系统

4.1.1.模拟蜻蜓翅膀扇动的传动装置

4.1.2.光栅投影装置

4.1.3.拍摄装置

4.2.试验标定

4.2.1.计算参数

4.2.2.确定放大率

4.3.蜻蜓翅膀条纹图的处理

4.3.1.实验结果

4.4.图像处理的程序设计

5.第五章蜻蜓飞行运动参数的实时测量

5.1.测量方法与数据处理

5.1.1.试验装置

5.1.2.二维加窗Fourier变换位相检测

5.1.3.数据处理过程

5.1.4.数据标定和测量精度分析

5.1.5.运动参数的定义

5.2.束缚扇翅翅面变形测量

5.2.1.原始数据

5.2.2.数据处理及结果

5.3.蜻蜓自由直线飞行翅面变形测量

5.3.1.原始数据

5.3.2.数据处理及结果

5.4.蜻蜓自由转弯飞行翅面变形测量

5.4.1.原始数据

5.4.2.数据处理及结果

5.5.讨论

6.第六章数据处理及分析软件设计

6.1.数据处理软件(ImPro)

6.2.结果显示和分析软件(DraShow)

7.第七章论文工作总结与展望

7.1.论文工作总结

7.2.课题工作展望

参考文献

附 录

致 谢

作者在攻读博士学位期间发表的论文