劉楷成

重慶市育才中學(xué)

關(guān)于四旋翼無(wú)人機(jī)的總體動(dòng)力效率研究

劉楷成

重慶市育才中學(xué)

為了更好的對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的總體動(dòng)力效率進(jìn)行研究，本文針對(duì)電機(jī)效率以及電機(jī)的工作溫度進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在介紹了電機(jī)的原理與旋翼分類(lèi)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行了電機(jī)推力效率以及電機(jī)溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

四旋翼無(wú)人機(jī)；電機(jī)溫度；電機(jī)效率

前言

科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得我國(guó)的多旋翼控制技術(shù)日漸成熟，多旋翼飛行器也在大范圍內(nèi)得以推廣使用，特別是在電力行業(yè)。但是，多旋翼飛行器的續(xù)航能力較固定翼無(wú)人機(jī)而言，均在較大的差異，極大了限制了自身發(fā)展。鑒于此，本文分別站在推力效率與電機(jī)工作溫度這兩方面，對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力效率問(wèn)題進(jìn)行了全面的性能測(cè)試，以期為多旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供更加全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

一、電機(jī)原理與旋翼分類(lèi)

（一）電機(jī)原理

通常情況下，多旋翼無(wú)人機(jī)均是選擇外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)，主要是因?yàn)槠渫廪D(zhuǎn)子電機(jī)的扭矩比較大[1]。而電機(jī)KV值指的是空載狀態(tài)下，電機(jī)的電壓沒(méi)增加1V時(shí)，轉(zhuǎn)速增加的數(shù)值，KV值越高轉(zhuǎn)速便越快，其所適配的螺旋槳的尺寸也越小。

在選擇電機(jī)的過(guò)程中，電機(jī)自身的最大推力范圍、電機(jī)溫升、電機(jī)重量、電機(jī)使用以及推力-推力效率曲線(xiàn)、推力-功耗曲線(xiàn)等，是最應(yīng)該注意的參數(shù)選擇。

（二）多旋翼分類(lèi)

通常情況下，多旋翼螺旋槳指的是定距漿，多數(shù)用連續(xù)的四位數(shù)字來(lái)表示，數(shù)字的前兩位代表漿徑，后兩位表示的則是螺距，其數(shù)字單位是in，1in=25.4mm。一般來(lái)說(shuō)，漿葉的數(shù)量越多，則其升力便越大，對(duì)應(yīng)的電機(jī)螺旋槳的推力效率便越低[2]。多旋翼螺旋槳主要包括正漿與反漿，正漿指的是從漿的頂部向下看時(shí)，處在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的螺旋槳，而反漿指的則是從漿的頂部向下看時(shí)，處在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的螺旋槳。

二、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)原理

（一）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)器是由電源模塊進(jìn)行供電的，并且由遙控器對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)之后會(huì)產(chǎn)生一定的升力，驅(qū)動(dòng)杠桿沿著支架進(jìn)行傾轉(zhuǎn)，并在杠桿原理的作用下，升力會(huì)從配重塊傳遞到電子秤上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)升力測(cè)量；與此同時(shí)，利用電源模，可以對(duì)電源的供電電壓與供電電流進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出電源的消耗功率。

其中：P是消耗電功率，單位為W；

U是電源電壓，單位為V；

I是電源的供電電流，單位為A；

由力矩平衡理論可以得知：

其中：F升是螺旋槳升力，單位為N；

G左是左側(cè)螺旋槳組件的總重量，單位為N；

L左是螺旋槳軸線(xiàn)與軸承之間的距離，單位為mm；

G右是配重的重量，單位為N；

N壓是配重對(duì)電子秤的壓力，單位為N；

L右是配重桿軸線(xiàn)與軸承之間的距離，單位為mm。

因結(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)致：

L左=L右

故：

因電子秤能夠歸零，故ΔG可以為0，代入上式可得：

由牛頓第三定律可以求得：

其中：M讀是電子秤的讀書(shū)，單位為g；

G是重力加速度，單位為m/s2；

其中：η是系統(tǒng)推力效率，單位是g/W。

（二）測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試動(dòng)力系統(tǒng)效率應(yīng)該從以下兩方面入手，一是推力效率曲線(xiàn)的測(cè)試，二是電機(jī)工作溫度的測(cè)試[3]。其中，推力效率的測(cè)試，主要包括螺旋槳推力測(cè)試、電壓與電流測(cè)試、油門(mén)開(kāi)度測(cè)試；而電機(jī)工作溫度測(cè)試主要應(yīng)測(cè)試電機(jī)溫度、油門(mén)開(kāi)度等參數(shù)。

測(cè)試需要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：電機(jī)、電源、電子秤、螺旋槳、接收機(jī)、電調(diào)、紅外測(cè)溫槍以及測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物[4]。

三、電機(jī)推力效率以及電機(jī)溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試

（一）推力效率測(cè)試

推力效率的測(cè)試主要利用杠桿式拉力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并分成四步驟進(jìn)行：

（1）首先，要將動(dòng)力電機(jī)與螺旋槳安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)之上的對(duì)應(yīng)位置上；

（2）測(cè)試臺(tái)通電，設(shè)置測(cè)試電壓，并且完成相應(yīng)的校準(zhǔn)操作；

（3）將油門(mén)開(kāi)度合理控制在20%至100%的區(qū)間內(nèi)，且每隔5%設(shè)置一個(gè)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，并在每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)穩(wěn)定10s后，在開(kāi)始采集功率以及推力讀數(shù)；

在本次實(shí)驗(yàn)中，選擇統(tǒng)一規(guī)格的電機(jī)，以及29*9.5、28*9.2、27*8.8、26*8.5、22*6這5種不同規(guī)格的螺旋槳，分別在電壓為44.4V、22.2V與29.6V的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將其進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)。

首先，對(duì)同一款電機(jī)，在電壓相同的情況下，對(duì)比尺寸不同的螺旋槳的工作推力、電流以及效率。

對(duì)上述曲線(xiàn)進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：（1）同一規(guī)格電機(jī)在漿葉不同的情況下，電流值會(huì)隨著拉力的增加而增加，并且漿徑越大，拉力越大，需要的電流消耗也就越大[5]。但是，在拉力相同的情況下，螺旋槳的漿徑越大，電流就越小。

其次，對(duì)于同一規(guī)格的電機(jī)，施加不同的工作電壓對(duì)比不同規(guī)格的螺旋槳的工作推力、電流以及工作效率進(jìn)行。

在符合上述規(guī)律的前提下，通過(guò)對(duì)比分析可以看出，同一規(guī)格的電機(jī)，在螺旋槳漿徑相同的條件下，若最大的拉力值與電流值越大，則其拉力與電流的范圍便越大，且在某種特定的拉力條件下，電源電壓越大，螺旋槳的工作效率越高[6]。但是，由于電機(jī)與電池自身重量以及效率問(wèn)題的影響，并非是電壓大效率高的組合就是最佳組合。

（二）電機(jī)工作溫度測(cè)試

在測(cè)試電機(jī)工作溫度的過(guò)程中，需要借助非接觸式紅外測(cè)溫設(shè)備，其測(cè)溫的范圍大概在0℃至100℃之間，精度為1%，電源為24V直流電壓。在測(cè)試電機(jī)工作溫度之前，需要將紅外測(cè)溫設(shè)備事先安裝在試驗(yàn)臺(tái)架之上，具體步驟如下：

（1）電機(jī)溫度。將電機(jī)與螺旋槳安裝再杠桿實(shí)驗(yàn)臺(tái)的相應(yīng)位置上，之后對(duì)測(cè)試臺(tái)架電，設(shè)置測(cè)試電壓，完成校準(zhǔn)操作，同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行記錄：首先，對(duì)油門(mén)開(kāi)度進(jìn)行控制，使其在50%、75%、100%時(shí)分別停留三分鐘，并將電機(jī)的工作溫度進(jìn)行測(cè)量與記錄；其次，在測(cè)試的過(guò)程中，必須保證外界環(huán)境溫度相同[7]。此次試驗(yàn)中，選擇上文中敘述的拉力與效率測(cè)試組合形式，各自進(jìn)行溫度測(cè)試，在50%、75%、100%三個(gè)信號(hào)輸出位置上測(cè)得電機(jī)溫度之后，借助紅外測(cè)溫設(shè)備對(duì)電機(jī)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

（2）不同角度和狀態(tài)數(shù)據(jù)。對(duì)于同一電機(jī)而言，當(dāng)電壓與螺旋槳保持不變時(shí)，電機(jī)外轉(zhuǎn)子的溫度變化，對(duì)其進(jìn)行分析可知：調(diào)速器輸出增加，則電機(jī)的工作溫度也會(huì)增加。同時(shí)，電機(jī)螺旋槳的直徑不斷增大，其工作時(shí)的溫度也會(huì)增加。

結(jié)論

本文主要從推力效率與電機(jī)工作溫度這兩方面為著手點(diǎn)，對(duì)四旋翼無(wú)人家的總體動(dòng)力效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：電機(jī)的工作效率是受拉力輸出影響的，拉力不斷增加則電機(jī)的工作效率便會(huì)不斷降低。因此，在對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，必須重點(diǎn)關(guān)注拉力變化對(duì)電機(jī)工作效率的影響，進(jìn)而不斷的增強(qiáng)多旋翼無(wú)人機(jī)整體的動(dòng)力效率。

[1]史騰飛，陳國(guó)青，劉榮海，等.四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力效率實(shí)驗(yàn)研究[J].云南電力技術(shù)，2017，01：73-78.

[2]王剛，胡峪，宋筆鋒.利用螺旋槳?jiǎng)恿ε淦降娘w翼布局無(wú)人機(jī)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，02：181-187.

[3]張秦嶺，黃建，劉曉倩.長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)方法和分析[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，02：12-15.

[4]齊俊桐，劉金達(dá)，楊麗英，等.自研軟翼無(wú)人機(jī)自主飛行控制與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015，12：2988-2997.

[5]李洋，靳宏斌，趙曉霞，等.鈍前緣三角翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)特性研究[J].航空工程進(jìn)展，2016，02：158-164+258.

[6]王俊偉，賈峰勇，張梁.3種旋翼無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)參數(shù)測(cè)定及農(nóng)藥劑型比較[J].中國(guó)植保導(dǎo)刊，2014，S1：55-58.

[7]王剛，胡峪，宋筆鋒，等.電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及航時(shí)評(píng)估[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015，08：1834-1840.