一种扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置、方法

摘要

本发明属于机器人传感与测量技术领域，公开了一种扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置、方法，设置有：躯干部分；躯干部分左右两侧分别装配有第一扑翼与第二扑翼；第一扑翼、第二扑翼内分别植入有第一阵列聚合物光纤光栅、第二阵列聚合物光纤光栅以及第三阵列聚合物光纤光栅、第四阵列聚合物光纤光栅；躯干部分上部设置有光纤连接器，光纤连接器与多芯石英光纤相连接；多芯石英光纤的另一端与光纤光栅波长解调器的一端连接；所述光纤光栅波长解调器用于对传输的光栅信号进行解调输出。本发明采用聚合物光纤光栅植入的方式，可以对扑动变形的高精度、无空间约束的实时测量。

说明书

技术领域

本发明属于机器人传感与测量技术领域，尤其涉及一种扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置、方法。

背景技术

目前，仿生扑翼机器人是一种模拟鸟类、蝙蝠和昆虫等自然生物飞行特性的飞行器，具有尺寸小、隐蔽性强等优势，在军事侦查等领域应用前景广阔。近年来，国内外对仿生扑翼机器人的研发非常重视，研发投入不断增加。然而，相对于昆虫或鸟类可以依靠对翼面运动模式进行快速调节而实现的优良的稳定性与机动性，目前人类研制出的扑翼机在这些方面还有很大的差距。其中一个重要原因就是无法测量仿生扑翼机器人飞行过程中的扑动变形，不能了解扑动变形特性，难以优化扑翼的参数设计与优化。

目前，现有的监测扑翼扑动变形的方法有数值模拟、立体视觉摄像、结构光投影测量等。存在以下问题：数值方法研究扑翼变形，多是在设定的相对理想的假定条件下去分析扑动变形的机理，且扑翼模型都经过简化，分析结果往往偏差较大，难以探究扑翼扑动的精细变形机理。基于立体视觉摄像的三维形状测量，是利用多个高速相机对空间物体进行多角度拍摄，从而进行三维重建，然而动态扑动的翅膀往往存在弯曲、扭转等复杂变形，导致标记点识别困难、分辨精度低、视线遮挡等问题，难以获取扑翼的精细变形。基于结构光的三维形状测量则是将立体视觉中的一个相机替换成光源，光源将条纹光投射到物体表面，当物体表面产生形状变化时条纹光就会扭曲，其他相机捕捉到条纹光则会结合标定参数分析重构出物体的形状信息。然而测量扑翼扑动变形时，当扑翼表面与相机夹角过大，就会出现条纹错配现象，导致测量结果误差较大，针对扑翼快速扑动产生的复杂形变，该测量方法同样存在视觉遮挡的问题难以解决。而且，无论是立体视觉还是结构光测量，对扑翼机的扑翼变形测量都局限于室内试验台上且无法做到实时测量，无法对在户外进行模拟飞行的扑翼机气人扑动变形进行实时精细的监测。

现有技术方法难以实现对真实飞行中扑翼机器人扑动变形的实时监测，而在实际的飞行过程中，扑翼机器人的扑动变形特性对飞行性能起关键影响，掌握扑动变形特性对优化气动特性和提高飞行性能极其重要，因此迫切需要一种技术来解决这个问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的扑动变形测量技术测量误差较大、测量精度不高、难以处理扑翼面的视觉遮挡，同时难以进行动态实时监测。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有技术采用视觉、光学的非接触式的间接测量，扑翼面动态扑动过程中存在视线遮挡，不能实现全面信息测量；

无法对扑翼进行接触式的直接测量；

视觉、光学摄像头等装置固定在室内，测量范围非常局限，只能对室内固定的扑翼机器人进行模拟飞行时的扑动测量；

无法对真实飞行过程中的扑翼扑动进行实时动态监测。

解决以上问题及缺陷的难度为：

难度在于现有技术无法实现对扑翼变形的接触式直接测量。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明可以对扑翼在飞行过程中的动态扑动进行无空间约束的实时精细检测，而掌握扑翼机飞行中翅膀的精细扑动变形非常重要，这对优化改进扑翼机气动性、提高飞行性能具有至关重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置、方法。

本发明是这样实现的，一种扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置，所述扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置包括：

躯干部分、扑翼、光纤连接器、聚合物光纤光栅阵列、多芯石英光纤、光纤光栅波长解调器以及分析处理器；

所述躯干左右两侧分别装配有第一扑翼与第二扑翼；所述第一扑翼内植入有用于测量第一扑翼的三维形状应变的第一阵列聚合物光纤光栅与第二阵列聚合物光纤光栅；所述第二扑翼内植入有用于测量第二扑翼的三维形状应变的第三阵列聚合物光纤光栅、第四阵列聚合物光纤光栅；

所述躯干部分上部设置有光纤连接器，所述光纤连接器的另一端与多芯石英光纤的一端相连接；所述多芯石英光纤用于将第一扑翼、第二扑翼上的光栅信号传输至光纤光栅波长解调器；

所述多芯石英光纤的另一端与光纤光栅波长解调器的一端连接；所述光纤光栅波长解调器用于对传输的光栅信号进行解调输出。

进一步，所述躯干部分利用轻质量的碳纤维作为骨架。

进一步，所述第一扑翼与第二扑翼为翅状结构；所述第一扑翼与第二扑翼均由碳纤维骨架以及覆盖于所述碳纤维骨架上的二甲基硅氧烷翼膜组成。

进一步，所述第一阵列聚合物光纤光栅、第二阵列聚合物光纤光栅、第三阵列聚合物光纤光栅、第四阵列聚合物光纤光栅的尾栅与光纤连接器的一端连接。

进一步，所述光纤连接器为空心的长方体结构。

进一步，所述多芯石英光纤内部有多束石英光纤。

进一步，所述分析处理器，用于根据对应的函数关系对扑翼各处光栅测量点的波长变化量进行反演，得到扑翼各处测量点的实时精确变形信息，并通过分析处理所述实时精确变形信息重构扑翼表面的三维形状，并对扑翼的三维形状形变信息进行实时监测并储存。

本发明的另一目的在于提供一种应用于所述扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置的扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测方法，所述扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测方法包括：

步骤一，将扑翼机器人放置于在高精度三维轮廓扫描仪下，以扑翼的自然状态为基准零点，施加扑动过程中可能产生的弯曲、扭转及其他变形并保持；

步骤二，通过光纤光栅解调器采集施加不同静态变形后扑翼内各测量点的光栅波长漂移量数据，同时通过高精度三维轮廓扫描仪扫描得到扑翼在不同静态变形下各测量点的实际精确变形信息；

步骤三，基于采集到的在不同静态变形下扑翼的实际精确变形信息确定波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系；

步骤四，获取聚合物光纤光栅阵列因扑翼机器人扑动变形生成实时波长变化量数据，并对所述实时波长变化量数据利用确定的波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系进行反演得到扑翼的实时精确变形信息；

步骤五，通过扑翼内各光纤光栅测量点的实时精确变形信息重构得到扑翼的实时三维扑动变形信息，并对扑翼的三维扑动变形信息进行实时监测以及存储。

进一步，步骤三中，所述波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系确定方法包括：

将采集到的在不同静态变形下扑翼的实际精确变形信息作为输入，光栅波长漂移量作为输出，利用机器学习和深度学习方法，对光纤光栅的波长变化量与实际精确变形信息的对应关系进行训练分析，得到波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系。

进一步，所述通过光纤光栅解调器采集施加不同静态变形后扑翼内各测量点的光栅波长漂移量数据包括：

利用多芯石英光纤将飞行中因扑翼扑动变形各光栅测量点产生的实时光栅信号传输至地面的光纤光栅波长解调器中，光纤光栅波长解调器对实时光栅信号进行解调，得到各测量点的光栅波长变化量信号。

本发明另一目的在于一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测方法。

本发明另一目的在于一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测方法。

本发明另一目的在于一种仿生扑翼机器人，所述仿生扑翼机器人搭载所述扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明采用聚合物光纤光栅植入的方式，可以对扑动变形的高精度、无空间约束的实时测量。

本发明利用基于光纤光栅感知的连续密集的波长变化量数据，与基于高精度三维轮廓扫描仪的扑翼实时精确变形信息，结合机器学习和深度学习的理论方法，对光纤光栅的波长变化量与实际精确变形信息的对应关系进行大量训练分析，得到波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系，实现实时精准测量。

本发明聚合物光纤光栅体积小重量轻，可以在一根光纤中写入多个光栅,构成传感阵列,与波分复用和时分复用系统相结合,实现分布式高精度变形测量，同时对扑翼机器人的负载较小。

附图说明

图1是本发明实施例提供的扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置结构示意图；

图中：1、躯干部分；2、扑翼；2-1、第一扑翼；2-2、第二扑翼；3、光纤连接器；4、聚合物光纤光栅阵列；5、多芯石英光纤；6、光纤光栅波长解调器；7、分析处理器。

图2是本发明实施例提供的扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测方法原理图。

图3是本发明实施例提供的扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测方法流程图。

图4是本发明实施例提供的根据光纤光栅监测装置输出信号反演的扑翼试件的三维形变图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置、方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置包括：

躯干部分1、扑翼2、光纤连接器3、聚合物光纤光栅阵列4、多芯石英光纤5、光纤光栅波长解调器6以及分析处理器7；

躯干部分1利用轻质量的碳纤维作为骨架。躯干部分1左右两侧分别装配有第一扑翼2-1与第二扑翼2-2；第一扑翼2-1与第二扑翼2-2为翅状结构；第一扑翼2-1与第二扑翼2-2均由碳纤维骨架以及覆盖于所述碳纤维骨架上的二甲基硅氧烷翼膜组成。

第一扑翼2-1内植入有用于测量第一扑翼的三维形状应变的第一阵列聚合物光纤光栅与第二阵列聚合物光纤光栅；第二扑翼2-2内植入有用于测量第二扑翼的三维形状应变的第三阵列聚合物光纤光栅、第四阵列聚合物光纤光栅；

躯干部分1上部设置有光纤连接器3，光纤连接器3空心的长方体结构；

光纤连接器3的另一端与多芯石英光纤5的一端相连接；多芯石英光纤5部有多束石英光纤；多芯石英光纤5用于将第一扑翼2-1、第二扑翼2-2上的光栅信号传输至光纤光栅波长解调器6；

多芯石英光纤5另一端与光纤光栅波长解调器6一端连接；光纤光栅波长解调器6，用于对传输的光栅信号进行解调输出。

第一阵列聚合物光纤光栅、第二阵列聚合物光纤光栅、第三阵列聚合物光纤光栅、第四阵列聚合物光纤光栅的尾栅与光纤连接器3的一端连接。

分析处理器7，用于根据对应的函数关系对扑翼各处光栅测量点的波长变化量进行反演，得到扑翼各处测量点的实时精确变形信息，并通过分析处理所述实时精确变形信息重构扑翼表面的三维形状，并对扑翼的三维形状形变信息进行实时监测并储存。

如图2-图3所示，本发明实施例提供的扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测方法包括：

S101，将扑翼机器人放置于在高精度三维轮廓扫描仪下，以扑翼的自然状态为基准零点，施加扑动过程中可能产生的弯曲、扭转及其他变形并保持；

S102，通过光纤光栅解调器采集施加不同静态变形后扑翼内各测量点的光栅波长漂移量数据，同时通过高精度三维轮廓扫描仪扫描得到扑翼在不同静态变形下各测量点的实际精确变形信息；

S103，基于采集到的在不同静态变形下扑翼的实际精确变形信息确定波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系；

S104，获取聚合物光纤光栅阵列因扑翼机器人扑动变形生成实时波长变化量数据，并对所述实时波长变化量数据利用确定的波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系进行反演得到扑翼的实时精确变形信息；

S105，通过扑翼内各光纤光栅测量点的实时精确变形信息重构得到扑翼的实时三维扑动变形信息，并对扑翼的三维扑动变形信息进行实时监测以及存储。

本发明实施例提供的通过光纤光栅解调器采集施加不同静态变形后扑翼内各测量点的光栅波长漂移量数据包括：

利用多芯石英光纤将飞行中因扑翼扑动变形各光栅测量点产生的实时光栅信号传输至地面的光纤光栅波长解调器中，光纤光栅波长解调器对实时光栅信号进行解调，得到各测量点的光栅波长变化量信号。

本发明实施例提供的波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系确定方法包括：

将采集到的在不同静态变形下扑翼的实际精确变形信息作为输入，光栅波长漂移量作为输出，利用机器学习和深度学习方法，对光纤光栅的波长变化量与实际精确变形信息的对应关系进行训练分析，得到波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

一种扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置，包括：

1躯干，为仿鸟躯体状结构，使用轻质量的碳纤维作为骨架，降低扑翼机器人飞行负载，用于装配扑翼与光纤连接器。

2扑翼，分布在1躯干左右两侧，左侧扑翼为2-1第一扑翼，右侧扑翼为2-2第二扑翼，两侧均为翅状结构，翅脉使用碳纤维作为骨架支撑，在碳纤维骨架上蒙上翼膜形成扑翼，其中翼膜材料为二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)，在翼膜中植入聚合物光纤光栅形成密集分布的传感阵列。

3光纤连接器，粘贴在1躯干上部，为空心的长方体结构，将聚合物光纤与多芯石英光纤进行对接，具体尺寸可根据实际试验要求灵活调整。

4聚合物光纤光栅阵列，聚合物光纤光栅阵列共有四组，第一、第二阵列光纤光栅植入在2-1第一扑翼内，测量第一扑翼的三维形状应变。第三、第四阵列聚合物光纤光栅阵列植入在2-2第二扑翼内，测量第二扑翼的三维形状应变。

5多芯石英光纤，内部有多束石英光纤，一端与3光纤连接器配合，利用连接器将石英光纤与聚合物光纤进行连接，凭借其信号传输损耗极低的特性，作为引线将扑翼上的光栅信号引至地面的光纤光栅波长解调器中。所述多芯石英光纤在地面上盘成多圈，当扑翼机器人在户外进行飞行时，一圈一圈的多芯石英光纤不断打开，可以大大增加扑翼机在空中的飞行范围。

6光纤光栅波长解调器，连接5多芯石英光纤，对其传输的光栅信号进行解调后输出。

7计算分析处理器，可根据对应的函数关系对2扑翼各处光栅测量点的波长变化量进行反演，得到扑翼各处测量点的实时精确变形信息，将这些实时精确变形信息进行分析处理，重构出扑翼表面的三维形状，并对扑翼的三维形状形变信息进行实时监测并储存。

另一方面，提供一种扑翼飞行中扑动变形的光纤光栅监测方法，该测量方法包括如下步骤：

1将扑翼机器人放置在高精度三维轮廓扫描仪下，以扑翼的自然状态为基准零点，施加扑动过程中可能产生的弯曲、扭转等各种变形并保持，通过光纤光栅解调器采集大量的施加不同静态变形后扑翼翅膀内各测量点的光栅波长漂移量数据，同时通过高精度三维轮廓扫描仪扫描得到扑翼在不同静态变形下各测量点的实际精确变形信息。

2将采集到的在大量不同静态变形下扑翼的实际精确变形信息作为输入，光栅波长漂移量作为输出，利用机器学习和深度学习的理论方法，对光纤光栅的波长变化量与实际精确变形信息的对应关系进行大量训练分析，得到波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系。

3扑翼机器人进行实际的扑动飞行，扑翼内植入的聚合物光纤光栅阵列因扑翼的扑动变形产生实时波长变化量数据，实时波长变化量数据经过对应函数关系的反演得到扑翼的实时精确变形信息，通过扑翼内各处光纤光栅测量点的大量实时精确变形信息即可重构出扑翼的实时三维扑动变形信息，用于优化人造扑翼机器人的飞行性能。

实施例2：

如附图1所示，一种扑翼机器人飞行中扑动变形的光纤光栅监测装置与监测方法，包括1躯干、2扑翼、3光纤连接器、4聚合物光纤光栅阵列、5多芯石英光纤、6光纤光栅波长解调器、7计算分析处理器。

2-1第一扑翼、2-2第二扑翼；

本实施例中，如附图1，第一扑翼2-1与第二扑翼2-2沿躯干1左右对称布置，两侧扑翼均以碳纤维作为翅脉骨架，在骨架上蒙上PDMS材料作为翼膜，将翼膜沿中性层分为上下两个部分，左侧第一扑翼2-1上部分植入第一阵列聚合物光纤光栅，下部分植入第二阵列聚合物光纤光栅，右侧第二扑翼2-2上部分植入第三阵列聚合物光纤光栅，下部分植入第四阵列聚合物光纤光栅。四组聚合物光纤光栅阵列引出的尾纤均与光纤连接器3配合，光纤连接器3通过内部的连接设备将四根尾纤与单根多物理通道的多芯石英光纤5连接，多芯石英光纤5凭借其信号传输损耗极低的特性，作为引线将飞行中因扑翼扑动变形各光栅测量点产生的实时光栅信号引至地面的光纤光栅波长解调器6中，光纤光栅波长解调器6对实时光栅信号进行解调，并将解调后各测量点的光栅波长变化量信号传输至计算分析处理器7，计算分析处理器7根据对应的函数关系对扑翼各处光栅测量点的波长变化量进行反演，得到扑翼各处测量点的实时精确变形信息，将这些实时精确变形信息进行分析处理，重构出扑翼表面的三维形状，最后对扑翼的三维扑动变形信息进行实时监测并储存。

具体使用时：

1、将扑翼机器人放置在高精度三维轮廓扫描仪下，以扑翼翅膀的自然状态为基准零点，施加扑动过程中可能产生的弯曲、扭转等各种变形并保持，通过光纤光栅解调器采集大量的施加不同静态变形后扑翼翅膀的光栅波长漂移量数据，同时通过高精度三维轮廓扫描仪扫描得到扑翼在不同静态变形下实际的精确变形信息。

2、将采集到的在大量不同静态变形下扑翼翅膀的实际精确变形信息作为输入，光栅波长漂移量作为输出，利用机器学习和深度学习的理论方法，对光纤光栅的波长变化量与实际精确变形信息的对应关系进行大量训练分析，得到波长变化量与实际精确变形信息的对应函数关系。

3、扑翼进行实际的扑动飞行时，扑翼内植入的聚合物光纤光栅阵列因扑翼的动态变形产生实时波长变化量数据，实时波长变化量数据经过对应函数关系的反演得到扑翼的实时精确变形信息，通过大量的实时精确变形信息即可重构出扑翼的实时三维形状。

4、本发明选取扑翼试件，手动对扑翼施加静态载荷使扑翼产生一定弧度的弯曲变形，扑翼内部植入的光纤光栅产生波长变化量数据，并由解调器解调后传输到计算分析处理器，计算分析处理器通过对波长变化量数据进行反演后，重构得出各个测量点的扑翼变形数据，综合分析这些变形数据，即可得到扑翼试件的三维形变图。如图4所示。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。