共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)研究

邵偉平，鞠世茂，徐九龍，有德義，郝永平

(沈陽(yáng)理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.遼寧省先進(jìn)制造技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110159)

現(xiàn)今共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)在軍事、外太空探索等領(lǐng)域有著重要作用，可以搭配武器，使其遠(yuǎn)距離發(fā)射，擁有更大的飛行空間[1-2]。與大多數(shù)使用的四軸無(wú)人機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、用途廣泛及可攜帶武器等優(yōu)勢(shì)[3]。其中動(dòng)力系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)重要的組成部分。

在無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，存在許多重要電子器件及加工件的選擇，其中具有關(guān)鍵輸出因素的有電池電源、電機(jī)、電子調(diào)速器、槳葉、齒輪等[4]。造成無(wú)人機(jī)飛行動(dòng)力不足的主要因素包括以下情況：一是電池不能很好地為電調(diào)提供足夠的電壓、電流，導(dǎo)致電調(diào)提供無(wú)刷電機(jī)的電氣轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)升力不足；二是選擇的槳葉不合理，造成電機(jī)的扭矩過(guò)大，致使槳葉甚至機(jī)體大幅震蕩，對(duì)槳葉產(chǎn)生的升力有所損耗，造成動(dòng)力不足。動(dòng)力系統(tǒng)一旦發(fā)生問(wèn)題，無(wú)人機(jī)可能發(fā)生墜毀，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[5-7]。

本文結(jié)合無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)測(cè)試共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)工作時(shí)所需要的動(dòng)力系統(tǒng)，評(píng)估其動(dòng)力指標(biāo)，驗(yàn)證共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)工作時(shí)的動(dòng)力情況，為其正常飛行提供保障[8-9]。

1 動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)組成

1.1 組成結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力測(cè)試原理圖

在對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先將該系統(tǒng)安裝并固定在平臺(tái)的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)上，通過(guò)操作無(wú)人機(jī)工作，對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，用數(shù)傳接收飛控及遙控?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)阿爾泰PCI8602數(shù)據(jù)采集卡采集到力、電流的模擬量數(shù)據(jù)。反復(fù)測(cè)試后，通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)的可行性。

動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)主要由飛控系統(tǒng)、支撐平臺(tái)、懸吊支撐結(jié)構(gòu)、無(wú)人機(jī)動(dòng)力組成、遙控器和對(duì)應(yīng)接收機(jī)、供電電源、數(shù)據(jù)采集卡、力傳感器和模擬量變送器、電流檢測(cè)模塊及示波器等組成。動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖

動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)各組成要素功能介紹如下。

(1)導(dǎo)航飛控系統(tǒng)：本試驗(yàn)臺(tái)選取的是開(kāi)源Holybro Pixhawk2.4.8飛控系統(tǒng)，其是一款專業(yè)級(jí)飛控，為各種無(wú)人載具提供動(dòng)力，可適用于絕大部分工作場(chǎng)景。

(2)支撐平臺(tái)：試驗(yàn)臺(tái)使用碳纖維板材、30mm×30mm的矩型鋁型材及鋁合金連接件構(gòu)建機(jī)械支撐框架，以模擬無(wú)人機(jī)裝機(jī)環(huán)境對(duì)導(dǎo)航飛控系統(tǒng)的影響。

(3)懸吊支撐結(jié)構(gòu)：試驗(yàn)臺(tái)使用鋼材加工件、軸承件、鋁材加工件及連接件構(gòu)建懸吊支撐框架，以控制共軸無(wú)人機(jī)測(cè)試時(shí)的角度。

(4)無(wú)人機(jī)動(dòng)力組成：選用天蝎星無(wú)刷電機(jī)HKII-2208-24與好盈30A型號(hào)電子調(diào)速器進(jìn)行搭配，用于組成無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。

(5)遙控器和接收機(jī)：選取常用的富斯FS-16sx遙控器及配套的接收機(jī)。

(6)供電電源：選取可調(diào)穩(wěn)壓恒流開(kāi)關(guān)電源為傳感器供電，用12V的開(kāi)關(guān)電源為各個(gè)電氣設(shè)備的供電電源。

(7)數(shù)據(jù)采集卡：試驗(yàn)臺(tái)選取阿爾泰PCI8602數(shù)據(jù)采集卡，該板卡具有多個(gè)模擬量輸入及輸出端口，可滿足試驗(yàn)要求；試驗(yàn)中其模擬量輸入端口采集共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的升力和電流數(shù)據(jù)。

(8)力傳感器與模擬量變送器：試驗(yàn)臺(tái)選取金諾0～±50kg輪輻式傳感器及金諾0～±5V通道模擬量變送器。

(9)電流檢測(cè)模塊：試驗(yàn)采取CJMCU-758電流檢測(cè)模塊，主要由ACS758-LCB電流傳感器組成，是一個(gè)精確、低偏移的線性霍爾傳感器電路，且其銅制的電流路徑靠近晶片。

(10)示波器：主要用于采集無(wú)刷電機(jī)所產(chǎn)生的信號(hào)波形及電調(diào)轉(zhuǎn)速信號(hào)波形。

1.2 測(cè)試軟件

數(shù)據(jù)采集卡配套的軟件包含數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，按照各傳感器實(shí)時(shí)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換工具可將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的文件進(jìn)行解析，并將其轉(zhuǎn)換為便于下一步處理的文件。采集界面如圖3所示；轉(zhuǎn)換界面如圖4所示。

圖3 PCI8602數(shù)據(jù)采集界面

圖4 采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換界面

利用LABVIEW軟件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分析軟件界面如圖5所示。首先將數(shù)據(jù)采集卡所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換將采集的力和電流模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量曲線，提取所需要的升力和電流數(shù)值并顯示在界面中。

圖5 升力電流分析軟件界面

1.3 特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)具有如下特點(diǎn)。

(1)該試驗(yàn)臺(tái)的支撐平臺(tái)采取球副，使之可以靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)，盡可能減小拉力的摩擦損失；懸掛支撐結(jié)構(gòu)限制共軸無(wú)人機(jī)工作測(cè)試角度，實(shí)現(xiàn)在地面環(huán)境下模擬無(wú)人機(jī)工作時(shí)的動(dòng)力系統(tǒng)情況，降低對(duì)共軸無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)和成本。

(2)該試驗(yàn)臺(tái)占地小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，可根據(jù)實(shí)際要求的測(cè)試情況增加不同傳感器來(lái)滿足功能要求。

2 理論分析

為有效評(píng)判共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的性能，通常選用指標(biāo)有升力、功率載荷和懸停效率[10]。

2.1 功率載荷

當(dāng)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)確定時(shí)，通過(guò)功率載荷(PowerLoad，PL)值的大小，對(duì)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的氣動(dòng)性能進(jìn)行衡量。為使共軸雙旋翼系統(tǒng)氣動(dòng)性能最優(yōu)化，共軸雙旋翼系統(tǒng)的氣動(dòng)性能參數(shù)通常表現(xiàn)為升力越大，功耗越小，氣動(dòng)性能越良好。

拉力系數(shù)、功率系數(shù)及功率載荷表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

式中：CT為拉力系數(shù)；CP為功率系數(shù)；T為旋翼升力，g；ρ為氣體密度，kg/m3；P為旋翼的功率，W；A為槳盤面積，m2；Ω為旋翼轉(zhuǎn)速，rad/s；R為旋翼半徑，m。

功率載荷即在無(wú)人機(jī)產(chǎn)生升力時(shí)，升力與功率消耗的比值大小，是對(duì)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)所具備的有效載荷能力的反映。在共軸雙旋翼系統(tǒng)中，關(guān)注拉力增加的同時(shí)還應(yīng)注重功率的變化。功率載荷可直觀地表達(dá)共軸雙選翼系統(tǒng)的氣動(dòng)性能。

2.2 懸停效率

懸停效率是衡量共軸雙旋翼系統(tǒng)氣動(dòng)效率的重要參數(shù)，采用與旋翼轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的拉力系數(shù)和功率系數(shù)表示，為

(4)

式中η為懸停效率。

懸停效率與共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)的載重量和懸停時(shí)間相關(guān)，是對(duì)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)的升力及功耗能力的反映。

3 動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

通過(guò)設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

試驗(yàn)通過(guò)將一款共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)搭載于動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上，并在地面條件下進(jìn)行共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試，分析被測(cè)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力性能及試驗(yàn)臺(tái)的功能，以驗(yàn)證該試驗(yàn)臺(tái)的功能和共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力性能。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

3.2.1 試驗(yàn)條件

通過(guò)懸掛吊支撐結(jié)構(gòu)及支撐平臺(tái)對(duì)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)試飛行角度進(jìn)行固定，通過(guò)遙控器給定不同油門條件下，分別對(duì)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)的上、下旋翼單獨(dú)作用以及雙旋翼共同作用進(jìn)行飛行測(cè)試。

3.2.2 試驗(yàn)方法

將共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)安放在動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)，為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)供電，確定其正常工作后，通過(guò)調(diào)節(jié)遙控設(shè)備輸出端的脈沖寬度信號(hào)(Pulse Width Modulation，PWM)的占空比控制電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，最終控制動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率。通過(guò)示波器采集動(dòng)力系統(tǒng)中電子調(diào)速器接收到的PWM信號(hào)的占空比及其反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率，利用力傳感器及電流傳感器采集其共軸雙旋翼系統(tǒng)的升力和電流模擬量信號(hào)，反復(fù)測(cè)試后，使用軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集卡和示波器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；再實(shí)際計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)中旋翼的實(shí)際轉(zhuǎn)速及所消耗的功率，與處理后的升力相結(jié)合，對(duì)共軸雙旋翼系統(tǒng)的動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)估。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行多組測(cè)試，將多組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整合，示波器整合試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。單獨(dú)上、下旋翼及整體試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集如圖6所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表1中示波器采集在特定油門下電機(jī)所接收到的PWM信號(hào)的占空比及所對(duì)應(yīng)的電調(diào)反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率，根據(jù)式(5)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電氣轉(zhuǎn)速及電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，作為圖6c～圖6d的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

NE=f×60=NS×B/2×i

(5)

式中：NE為電機(jī)電氣轉(zhuǎn)速；f為轉(zhuǎn)速信號(hào)頻率；NS為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；B為電機(jī)磁極數(shù)；i為齒輪傳動(dòng)比。

從圖6曲線圖中可得出以下結(jié)論。

(1)由圖6a可知電調(diào)反饋的轉(zhuǎn)速信號(hào)頻率為366.4Hz，可以得到電機(jī)電氣轉(zhuǎn)速NE的值為21984，實(shí)驗(yàn)采用的電機(jī)磁極數(shù)為6，通過(guò)計(jì)算得電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速NS的值為939.48r/min，實(shí)際轉(zhuǎn)速為940r/min。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

(2)由圖6b可知，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，功耗隨拉力增加而增加，圖示范圍內(nèi)拉力最大可達(dá)503g，相應(yīng)的功率也達(dá)到了118W；上、下旋翼在轉(zhuǎn)速相同的情況下，其旋翼的拉力相差在4.1%以內(nèi)，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)兩個(gè)旋翼具有較好的一致性，驗(yàn)證此動(dòng)力系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)圖6c、圖6d中可以看出，共軸無(wú)人機(jī)最大拉力、功率可達(dá)到1264g和425.9W，驗(yàn)證了共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)在此動(dòng)力系統(tǒng)下能夠正常地進(jìn)行飛行工作。功率載荷(PL)在低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較大值為14.80g/W，在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較小的值為2.9g/W；功率載荷(PL)在轉(zhuǎn)速低于1800r/min時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增加，PL降低；在轉(zhuǎn)速高于1800r/min時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增加，PL降低速度加快，近1900r/min時(shí)急劇降低，表明測(cè)試的共軸雙旋翼系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)在其旋翼高轉(zhuǎn)速情況下，產(chǎn)生升力時(shí)所消耗的功率較大，其系統(tǒng)需要進(jìn)一步改進(jìn)。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)在搭載共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)情況下正常地運(yùn)作。其在結(jié)構(gòu)方面，不會(huì)因共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)生各種飛行動(dòng)作時(shí)而毀壞，能夠保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在測(cè)試數(shù)據(jù)方面，能夠?qū)草S雙旋翼無(wú)人機(jī)的升力、電壓、電流、電調(diào)所反饋的信號(hào)、旋翼轉(zhuǎn)速等實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行采集、處理及分析，試驗(yàn)臺(tái)可以達(dá)到基本試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，本文設(shè)計(jì)的共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)可行，能對(duì)共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試與分析，且試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、方便維修，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)有一定借鑒價(jià)值。