無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐課程的方案設(shè)計(jì)

安斯奇 侯寬新

摘? 要 無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐課程是高校無人機(jī)專業(yè)教學(xué)的重要組成部分。通過設(shè)計(jì)無人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)軟硬件和配套實(shí)驗(yàn)課程，提出無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)方案，旨在提高學(xué)生對(duì)無人機(jī)動(dòng)力選型總體設(shè)計(jì)能力及實(shí)踐動(dòng)手能力，增加課堂深度并提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 無人機(jī);動(dòng)力裝置;測(cè)試平臺(tái);實(shí)踐教學(xué);實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）06-0122-04

Design of UAV Power Plant Practical Course//AN Siqi， HOU Kuanxin

Abstract UAV practical courses are significant parts of college UAV

education， therefore an adaptive classroom based practical plan is

proposed. Through the design of UAV power plant ground test unit including hardware and software， and practical course content， the

practical plan which aims to enhance the ability of practical opera-tion and overall design， succeed in improving the quality of college classroom based teaching.

Key words unmanned aerial vehicle （UAV）; power plant; ground test unit; practical teaching; lab

1 引言

近年來，各高校相繼開設(shè)無人機(jī)系統(tǒng)工程專業(yè)，對(duì)無人機(jī)尤其是民用無人機(jī)的教學(xué)研究的投入也逐年增加。與傳統(tǒng)開展的高等航空學(xué)科教育相比，無人機(jī)系統(tǒng)的教學(xué)更集聚理論性、技術(shù)性和實(shí)踐性三個(gè)環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)脫節(jié)都可能造成學(xué)生理解困難或者眼高手低，從而無法滿足課程或者學(xué)科的培養(yǎng)要求。因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)過程以適配日益進(jìn)步的無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)，成為相關(guān)高校教師面前的難題。高校和學(xué)者針對(duì)無人機(jī)專業(yè)教學(xué)中理論和實(shí)踐脫節(jié)的問題，一直在教學(xué)改革中不斷摸索和探尋[1-2]。

動(dòng)力系統(tǒng)是民用無人機(jī)系統(tǒng)中理論深度較高的一個(gè)子系統(tǒng)，涉及的學(xué)科包含結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路與信號(hào)處理等[3]，學(xué)科理論的交叉融合給學(xué)生的學(xué)習(xí)理解和實(shí)踐探索造成諸多困難。目前，在“民用無人機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐入門”或類似課程中針對(duì)此子系統(tǒng)的傳統(tǒng)教學(xué)中，較注重理論推導(dǎo)引出的抽象性結(jié)論，雖然輔以多媒體課件和教師板書講解，但由于教學(xué)過程具有很強(qiáng)的主觀性，再加上學(xué)生基本不具備無人機(jī)相關(guān)研發(fā)或從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，只能以想象、抽象的形式被動(dòng)地接受知識(shí)點(diǎn)或結(jié)論，對(duì)知識(shí)的理解吸收程度普遍不高。對(duì)于無人機(jī)系統(tǒng)特別是民用無人機(jī)系統(tǒng)，實(shí)踐不可脫節(jié)，于是部分改進(jìn)后的課堂教學(xué)引入模型靜態(tài)展示或者簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)展示，以教師在講臺(tái)上講解演示、學(xué)生臺(tái)下觀察為主，學(xué)生只能感性地、片面地認(rèn)識(shí)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的部分特征，教學(xué)效果有所改善，但還是不能滿足要求。動(dòng)力系統(tǒng)開放式實(shí)踐教學(xué)成為無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)教學(xué)的重要補(bǔ)充。

典型無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)多為電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，部件較為簡(jiǎn)單且功率較小，若采取合適、安全的實(shí)踐教學(xué)方法，在實(shí)驗(yàn)室以及教室內(nèi)實(shí)踐教學(xué)具有一定的可操作性。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師若結(jié)合開放式、實(shí)踐性的教學(xué)方案，能有效地為學(xué)生講授無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。為了提高新型高等航空類學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量，本文通過配套測(cè)試軟硬件和針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)性課程，設(shè)計(jì)適合高校的無人機(jī)課堂實(shí)踐方案。

2 無人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)與技術(shù)原理

一般地，無人機(jī)特別是民用無人機(jī)的使用與運(yùn)營(yíng)瓶頸較大部分歸咎于續(xù)航時(shí)間，而基于任務(wù)導(dǎo)向的載荷、基于動(dòng)力效率的搭配和現(xiàn)階段的高能電池技術(shù)共同決定了續(xù)航時(shí)間，在任務(wù)載荷確定以及電池技術(shù)短期沒有革命性發(fā)展的前提下，動(dòng)力系統(tǒng)選型在無人機(jī)總體性能設(shè)計(jì)中是最為重要的環(huán)節(jié)之一[4-5]。其中，動(dòng)力效率選型搭配試驗(yàn)類似于民航發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試車環(huán)節(jié)，不同的電動(dòng)機(jī)、空氣螺旋槳、驅(qū)動(dòng)調(diào)速器以及電源參數(shù)的動(dòng)力搭配能組合出不同的動(dòng)力輸出性能，以及各異的有效效率。如何在地面試車時(shí)得到滿足無人機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)的動(dòng)力輸出（如拉力和扭矩等）和最優(yōu)的動(dòng)力輸出效率，并結(jié)合課堂教學(xué)中的理論闡釋，成為無人機(jī)設(shè)計(jì)教學(xué)的難點(diǎn)之一。

動(dòng)力選型不能只依靠理論和賬面數(shù)據(jù)，因此在無人機(jī)總體性能設(shè)計(jì)中，無人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)是不可或缺的設(shè)備[6-7]。針對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的教學(xué)特點(diǎn)，無人機(jī)動(dòng)力裝置授課團(tuán)隊(duì)研制出適用于普通教室或?qū)嶒?yàn)室的無人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)。與其他設(shè)計(jì)研究不同的是，該測(cè)試平臺(tái)采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，主要用于輕微型無人機(jī)動(dòng)力裝置的特性演示、部件級(jí)性能測(cè)試以及動(dòng)力裝置型號(hào)設(shè)計(jì)，適合課堂演示和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重精準(zhǔn)傳感性能參數(shù)，是無人機(jī)系統(tǒng)教學(xué)的良好補(bǔ)充。其主要性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)包含拉力、反扭矩、轉(zhuǎn)子溫度、綜合振動(dòng)強(qiáng)度、螺旋槳轉(zhuǎn)速、輸入電流、輸入電壓、輸入油門信號(hào)和輸入變距信號(hào)，高階解算參數(shù)包含螺旋槳力效、動(dòng)力效率、螺旋槳輸出功率和電機(jī)輸入功率等，能基本涵蓋典型無人機(jī)動(dòng)力裝置的所有性能特征。

如圖1所示，無人機(jī)動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分為綜合控制端和臺(tái)架測(cè)試端兩個(gè)部分。臺(tái)架測(cè)試端主要用于固定動(dòng)力裝置和傳感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由測(cè)試臺(tái)架、通訊總線和用于測(cè)試的無人機(jī)動(dòng)力裝置組成。綜合控制端主要功能是采集、計(jì)算、控制以及提供輸入指令，下面介紹組成部件和功能。

1）單片機(jī)最小系統(tǒng)由AVR型單片機(jī)處理器、外圍電源和I/O口組成，用于接收和解算反饋信號(hào)，以及提供控制端信號(hào)，同時(shí)能將數(shù)據(jù)通過串口上傳至上位機(jī)。

2）拉力、反扭矩A/D模塊將臺(tái)架測(cè)試端回傳的應(yīng)變量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，供處理器進(jìn)行解算。

3）轉(zhuǎn)速是通過單位時(shí)間內(nèi)采集掃略光電傳感器的槳葉次數(shù)而獲得，為了避免轉(zhuǎn)速測(cè)量錯(cuò)誤，需要手動(dòng)撥動(dòng)開關(guān)選擇螺旋槳槳葉數(shù)量。

4）油門、變距輸入模塊由調(diào)音臺(tái)推子（滑動(dòng)電位器）構(gòu)成，通過模擬量函數(shù)映射獲得相對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)。

5）電源模塊由轉(zhuǎn)化插頭和穩(wěn)壓器組成，為綜合控制端和臺(tái)架測(cè)試端提供弱電電源，以及為控制模塊提供強(qiáng)電電源;控制模塊綜合強(qiáng)電電源和油門輸入信號(hào)，為動(dòng)力裝置提供可控電壓;電氣傳感模塊用于反饋輸入電壓和輸入電流。

6）綜合顯示屏幕可隨撥碼開關(guān)選擇，顯示無人機(jī)動(dòng)力裝置的性能參數(shù)。

7）通訊總線用于接收來自臺(tái)架測(cè)試端的模擬、數(shù)字信號(hào)。

如圖2所示，臺(tái)架測(cè)試端通過G型夾安裝在普通桌面上，螺旋槳下洗氣流與桌面保持平行，電機(jī)與專用電機(jī)座固連，然后和兩條與電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸平行的應(yīng)變梁a與b，以及一條與電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸垂直的應(yīng)變梁c，通過緊固裝置一同固連。應(yīng)變梁a和b通過疊加應(yīng)變量測(cè)得電機(jī)和螺旋槳旋轉(zhuǎn)帶來的反向扭矩，應(yīng)變梁c直接通過應(yīng)變測(cè)得拉力。其中應(yīng)變梁在額定量程之內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變是線性關(guān)系。光電傳感器在有障礙物遮擋時(shí)輸出一個(gè)高電平，無遮擋時(shí)輸出一個(gè)低電平，故當(dāng)螺旋槳端部旋轉(zhuǎn)掃略過光電傳感器時(shí)，光電傳感器將向控制臺(tái)輸出一個(gè)正向脈沖，處理器只需要對(duì)這些脈沖計(jì)數(shù)，就能得到螺旋槳轉(zhuǎn)速。非接觸式溫度傳感器采用紅外溫度遙感技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，振動(dòng)傳感器位于臺(tái)架結(jié)構(gòu)的中部，對(duì)臺(tái)架的振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量。

3 無人機(jī)動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

無人機(jī)動(dòng)力裝置選型是無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，需要綜合考慮任務(wù)需求和飛行器結(jié)構(gòu)，涉及多種部件的性能掌握和參數(shù)選擇。在傳統(tǒng)選型環(huán)節(jié)教學(xué)或?qū)嶒?yàn)時(shí)，由于缺乏測(cè)試設(shè)備，學(xué)生多根據(jù)產(chǎn)品銘牌參數(shù)進(jìn)行搭配選擇，但經(jīng)常面臨諸多不確定因素：

1）無人機(jī)動(dòng)力裝置部件的廠家往往夸大宣傳，導(dǎo)致部件銘牌參數(shù)與實(shí)際性能存在較大脫節(jié);

2）電動(dòng)機(jī)與螺旋槳有多種組合方式，廠家不能針對(duì)某種具體的電機(jī)和螺旋槳組合給出性能參數(shù);

3）搭配變距螺旋槳的動(dòng)力裝置適應(yīng)多種工況，系統(tǒng)復(fù)雜數(shù)據(jù)量較大，需要自行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

以上因素導(dǎo)致的性能不確定，使得教師在授課時(shí)只能將重點(diǎn)放在空洞的理論上，學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手時(shí)只能憑借猜測(cè)或經(jīng)驗(yàn)，因此不能較好地進(jìn)行動(dòng)力選型實(shí)踐。

針對(duì)以上教學(xué)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合測(cè)試平臺(tái)軟硬件，教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了無人機(jī)動(dòng)力選型實(shí)驗(yàn)課。該課是“動(dòng)力系統(tǒng)建模與性能估算”章節(jié)的配套實(shí)驗(yàn)課程，旨在使學(xué)生對(duì)動(dòng)力裝置及部附件有一個(gè)更為深入的特性掌握。實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)在普通實(shí)驗(yàn)室，配備50 A直流電源，靜風(fēng)條件良好。如圖3所示，學(xué)生被分為2～3人的實(shí)驗(yàn)小組，在1～2個(gè)課時(shí)內(nèi)，結(jié)合課堂所授理論知識(shí)，如圖4所示，以多旋翼無人機(jī)懸停時(shí)間為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別研究?jī)蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)題目：

1）學(xué)習(xí)使用測(cè)試平臺(tái)，針對(duì)四組不同的電機(jī)—螺旋槳組合，根據(jù)記錄表格開展實(shí)驗(yàn)并獲取拉力、反扭矩、輸入電流、輸入功率和占空比等穩(wěn)態(tài)參數(shù)，如圖5（a）所示，并使用MATLAB等軟件繪制插值曲線;

2）根據(jù)上一個(gè)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)和曲線，自由選擇動(dòng)力裝置、無人機(jī)機(jī)身和任務(wù)載荷，自主查閱電池能量密度和放電倍率等參數(shù)，并繪制電池容量—懸停續(xù)航時(shí)間曲線，如圖5（b）所示。

在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)題目中，前者更加基礎(chǔ)，偏重于動(dòng)力系統(tǒng)部件理論的復(fù)現(xiàn)和測(cè)試平臺(tái)的使用，學(xué)生通過自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，擺脫對(duì)現(xiàn)成數(shù)據(jù)的依賴，實(shí)事求是地考察研究無人機(jī)動(dòng)力裝置，能更好地掌握性能特性。而后者在前者基礎(chǔ)上，既考查了無人機(jī)動(dòng)力選型的基本知識(shí)點(diǎn)，也考核了學(xué)生的總體設(shè)計(jì)能力，通過引入具體使用場(chǎng)景和任務(wù)需求，學(xué)生能靈活使用課堂所授理論，基于實(shí)際情況設(shè)計(jì)結(jié)果更能貼近實(shí)際。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課程開展中發(fā)現(xiàn)，測(cè)試平臺(tái)使用簡(jiǎn)單高效，課程緊湊，內(nèi)容豐富，學(xué)生興趣高昂，課堂教學(xué)質(zhì)量大幅提升。

4 結(jié)語

本文以在高校開展的無人機(jī)系統(tǒng)類課程改進(jìn)為研究方向，針對(duì)無人機(jī)動(dòng)力裝置課程，在現(xiàn)有理論授課的基礎(chǔ)上，注重實(shí)踐，注重加深課堂教學(xué)深度，提高教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合動(dòng)力裝置測(cè)試平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)以及實(shí)踐課程設(shè)計(jì)，提出一個(gè)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)方案，并在教學(xué)實(shí)踐中取得良好的效果?！?/p>

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