微小型多旋翼無人機(jī)抗風(fēng)能力測試平臺的研發(fā)*

龍賽瓊，黃心深，李 浩，梁 明，劉 希

（廣州海關(guān)技術(shù)中心，廣州 510623）

0 引言

無人機(jī)在我國經(jīng)過將近30余年的發(fā)展，以多樣化的模式應(yīng)用于社會發(fā)展的各個領(lǐng)域。在實際應(yīng)用的過程中，因其能夠在空中滯留時間長、便于操作、維修成本較低等優(yōu)勢，使得無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)藥噴灑、監(jiān)視巡邏、通信中繼、電子對抗、環(huán)境評估、環(huán)境監(jiān)測、交通救援、戰(zhàn)場攻擊、對目標(biāo)模擬和預(yù)警等諸多軍事、民生領(lǐng)域［1］。無人機(jī)在使用過程中，飛行運動是一個極其復(fù)雜的動力學(xué)過程，其運動特性受高空風(fēng)切變和大氣紊流干擾等因素影響，飛行穩(wěn)定性難以控制［2］。風(fēng)場的存在極大地影響無人機(jī)的飛行軌跡精度和飛行姿態(tài)，微小型多旋翼無人機(jī)由于重量輕、速度小，更容易受到風(fēng)的干擾［3］。因此抗風(fēng)能力作為微小型多旋翼無人機(jī)性能的一個重要指標(biāo)，受到廠商、用戶、科研技術(shù)和測試人員的廣泛關(guān)注。

目前，微小型多旋翼無人機(jī)的抗風(fēng)性能測試通常在實驗室中通過風(fēng)洞模擬風(fēng)場進(jìn)行，然而風(fēng)洞實驗相對微小型無人機(jī)而言存在3個弊端：（1）風(fēng)洞過高的建設(shè)成本和運行成本不符合微小型無人機(jī)的測試需求［4］；（2）風(fēng)洞難以提供針對微小型多旋翼無人機(jī)實際使用中面臨的復(fù)雜的模擬實際工況和一些特別的風(fēng)向；（3）微小型多旋翼無人機(jī)在風(fēng)洞中進(jìn)行抗風(fēng)實驗時容易失控，導(dǎo)致無人機(jī)的高報廢率和對風(fēng)洞設(shè)備的損害等風(fēng)險。

為解決上述3個問題，本文研發(fā)設(shè)計一種低成本、操作方便、實用、低風(fēng)險的抗風(fēng)能力測試平臺，既解決風(fēng)洞測試的高成本、高報廢率和高風(fēng)險的問題，又能模擬復(fù)雜的實際工況，為微小型多旋翼無人機(jī)抗風(fēng)能力測試提供可靠保障。

1 抗風(fēng)能力測試要求

微小型多旋翼無人機(jī)的抗風(fēng)能力測試暫未有正式頒布的標(biāo)準(zhǔn)要求，參考NY/T 3213－2018《植保無人飛機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》的要求，提出微小型多旋翼無人機(jī)需要滿足在需在風(fēng)速為6.0±0.5 m/s氣流場下完成起降、懸停、前飛、后飛和側(cè)飛等動作，不能出現(xiàn)異常。微小型多旋翼無人機(jī)在實際使用的場合多為城市樓宇間、野外山谷等，其需要面臨較為復(fù)雜的風(fēng)場工況。圖1所示為山谷風(fēng)場示意圖，圖2所示為城市樓宇間風(fēng)場示意圖。

圖1 山谷風(fēng)示意圖

圖2 城市樓宇間風(fēng)場示意圖

多旋翼無人機(jī)是通過改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速提高升力，使飛機(jī)產(chǎn)生與風(fēng)反方向的傾角，產(chǎn)生推力來抵抗風(fēng)［5］。當(dāng)飛機(jī)遇到強氣流時，受到橫向、縱向和垂直3個方向的氣流擾動。橫向氣流擾動引起飛機(jī)側(cè)力和偏航力矩的改變，導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)和偏航運動；縱向氣流擾動導(dǎo)致空速變化，影響所有氣動部件的受力；垂直氣流擾動改變旋翼誘導(dǎo)速度，引起升力變化［3］。

結(jié)合山谷風(fēng)場、城市樓宇間風(fēng)場的實際情況和氣流對多旋翼無人機(jī)飛行安全的影響，提出對微小型多旋翼無人機(jī)抗風(fēng)能力的要求：在垂直風(fēng)和斜向上側(cè)風(fēng)的組合氣流場下，完成起降、懸停、前飛、后飛和側(cè)飛等動作，亦不能出現(xiàn)異常。

2 抗風(fēng)能力測試平臺

（1）平臺設(shè)計思路

為了實現(xiàn)上述垂直風(fēng)和斜向上側(cè)風(fēng)的組合氣流場模擬工況的設(shè)計指標(biāo)，從場地選擇、風(fēng)機(jī)布置、出風(fēng)口不同方向動作的實現(xiàn)3個方面對抗風(fēng)能力測試平臺進(jìn)行設(shè)計。

為了盡量減少外界氣流場對試驗的影響，抗風(fēng)能力測試平臺選擇一個相對獨立，封閉效果較好的實驗場地。

為了實現(xiàn)垂直風(fēng)和斜向上側(cè)風(fēng)的組合氣流場，在實驗場地安置2臺風(fēng)機(jī)。其中一臺風(fēng)機(jī)置于試驗臺中央，出風(fēng)口方向垂直向上，以實現(xiàn)垂直向上的風(fēng)場；另一臺置于試驗臺側(cè)邊，出風(fēng)口方向斜向上，以實現(xiàn)斜向上的側(cè)向風(fēng)。兩個風(fēng)場的交匯處即為無人機(jī)飛行測試點。

為了防止無人機(jī)在抗風(fēng)能力測試中發(fā)生翻滾、失控、墜毀等事件。無人機(jī)通過固定裝置固定于飛行測試點。

（2）平臺硬件設(shè)計

基于上述設(shè)計思路，微小型多旋翼無人機(jī)測試平臺包括無人機(jī)固定裝置1、垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)2、側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)3和控制系統(tǒng)4。如圖3所示。

圖3 無人機(jī)抗風(fēng)能力測試平臺

無人機(jī)固定裝置1用于無人機(jī)的固定和連接，位于垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)2的上方，垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)頂部的出風(fēng)口處安裝有防護(hù)網(wǎng)5。防護(hù)網(wǎng)通過頂部的十字交叉桿固定在垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)上，可避免無人機(jī)意外觸碰扇葉發(fā)生危險。無人機(jī)固定裝置自下而上包括依次連接的支撐桿6、連接桿7、固定支架8，以及2個球鉸9和10。支撐桿為高度可調(diào)的伸縮桿，下端固定在垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)的防護(hù)網(wǎng)中心，上端通過球鉸與連接桿連接。連接桿下端與支撐桿連接，上端也是通過球鉸與固定支架。固定支架為測試品的固定裝置，由一個八邊形框架和數(shù)條連接桿組成的鏤空裝置。

側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)3位于無人機(jī)固定裝置的一側(cè)，與無人機(jī)固定裝置的距離可以自由調(diào)節(jié)。側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)安裝在一個固定裝置上，側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)固定裝置包括左立柱11、右立柱12和底座13。左立柱和右立柱通過螺栓固定于底座上，2條立柱的相向內(nèi)側(cè)均設(shè)有滑槽。側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)的兩端通過滑槽與立柱連接，既可在滑槽中旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)方向，又可沿滑槽上下滑動調(diào)節(jié)高度。

垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)和側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)均選擇動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)。動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)具有調(diào)節(jié)效率高，使調(diào)節(jié)后的風(fēng)機(jī)處于高效率區(qū)內(nèi)工作的特點。軸流風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動葉安裝角，可改變風(fēng)機(jī)的性能曲線。通過性能曲線、動葉安裝角和風(fēng)道性能曲線的組合可以得出一系列的工作點，滿足不同的測試風(fēng)場的需求。

垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)和側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)線路與控制系統(tǒng)4相聯(lián)?？刂葡到y(tǒng)運用計算機(jī)控制變頻控制技術(shù)，提高動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運行效率，達(dá)到節(jié)能、高效和穩(wěn)定的目的。

3 抗風(fēng)能力測試平臺效果分析

測試人員通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)參數(shù)，以調(diào)節(jié)垂直風(fēng)和側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)向和風(fēng)速，模擬一個無人機(jī)工況的風(fēng)場。無人機(jī)在風(fēng)場中飛行時，帶動固定支架和連接桿繞球絞轉(zhuǎn)動，靈活的固定裝置組件將無人機(jī)限制在一定空間內(nèi)，又最大限度地保持其在風(fēng)場中的飛行姿態(tài)；雙球鉸結(jié)構(gòu)保障無人機(jī)在三維方向上的轉(zhuǎn)動自由；高度可調(diào)的支撐桿保證無人機(jī)處在垂直風(fēng)場和側(cè)向風(fēng)場的中心；鏤空的固定支架能減小風(fēng)場對其影響的誤差。側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)通過滑槽在左立柱和右立柱間上下滑動來調(diào)整側(cè)向風(fēng)高度，通過角度調(diào)整可調(diào)整側(cè)向風(fēng)風(fēng)向，包括水平風(fēng)。能夠滿足微小型多旋翼無人機(jī)在城市樓宇間、野外山谷等實際使用場合所面臨的較為復(fù)雜的風(fēng)場工況需求。

4 結(jié)束語

本文所研發(fā)的微小型多旋翼無人機(jī)測試平臺，替代了目前成本較高、操作難度較大，以及高報廢率和高風(fēng)險的風(fēng)洞實驗。該平臺能提供一個復(fù)雜的垂直和側(cè)向組合的可控風(fēng)場條件，符合微小型多旋翼無人機(jī)測試風(fēng)場工況，同時又降低微小型多旋翼無人機(jī)抗風(fēng)能力測試的成本，減少報廢，降低風(fēng)險，滿足微小型多旋翼無人機(jī)抗風(fēng)能力測試需求。