席亮亮 王海峰 王亞龍

摘要：電動(dòng)旋翼無(wú)人機(jī)因其便捷簡(jiǎn)單的操縱性、出色的安全性和可靠性，近年來(lái)成為無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展熱點(diǎn)，但航時(shí)較短是目前的主要弱勢(shì)之一，改善這一問(wèn)題有兩種有效途徑：一種是研發(fā)高儲(chǔ)能的電池，但受制于技術(shù)的成熟度，現(xiàn)階段該方法并不現(xiàn)實(shí);另一種是提高無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的效率。為此搭建了螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，明確了測(cè)試方案和技術(shù)指標(biāo)，然后對(duì)各采集單元進(jìn)行了詳細(xì)的工程方案設(shè)計(jì)，基于LabVIEW編寫了試驗(yàn)臺(tái)的多通道數(shù)據(jù)采集軟件。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的結(jié)果與計(jì)算數(shù)據(jù)趨勢(shì)吻合較好，數(shù)據(jù)偏差在10%以內(nèi)，證明了計(jì)算方法的有效性，同時(shí)印證了試驗(yàn)臺(tái)可以為動(dòng)力系統(tǒng)研究提供可靠支持。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)旋翼無(wú)人機(jī);螺旋槳;動(dòng)力系統(tǒng);數(shù)值計(jì)算;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：V211.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

旋翼無(wú)人機(jī)是消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的主要類型，一般的旋翼無(wú)人機(jī)航時(shí)在半小時(shí)左右，這對(duì)于用戶的使用體驗(yàn)有很大的影響，也限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。改善這一問(wèn)題有兩種有效途徑：一種是研發(fā)高儲(chǔ)能的電池，但受制于技術(shù)的成熟度，現(xiàn)階段該方法并不現(xiàn)實(shí);另一種是提高無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的效率。

提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率，首先需要設(shè)計(jì)在常用狀態(tài)高效率的螺旋槳，隨后研究多旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，分別對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的電池、電子調(diào)速器和無(wú)刷電機(jī)建模，根據(jù)理論模型得到了電機(jī)效率、功率、轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)間的關(guān)系，開展動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)和螺旋槳的參數(shù)匹配方法研究，在此研究基礎(chǔ)之上為多旋翼無(wú)人機(jī)選擇高效的螺旋槳與電機(jī)匹配方案。最后通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)研究匹配方案的效果。

基于上述需求，本文著力于搭建一套螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)：主要進(jìn)行了電動(dòng)力螺旋槳測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)，介紹了試驗(yàn)臺(tái)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)，以及試驗(yàn)臺(tái)的采集方案，完成了試驗(yàn)臺(tái)方案的搭建，并通過(guò)試驗(yàn)完成了對(duì)比分析。

1 螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 主要功能與技術(shù)指標(biāo)

電機(jī)、螺旋槳、電池和電調(diào)的性能以及它們之間的匹配關(guān)系，對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)和以螺旋槳為動(dòng)力的固定翼飛機(jī)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要[1]。

螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)將螺旋槳以及電機(jī)、電調(diào)、電池等設(shè)備，通過(guò)設(shè)計(jì)的輔助結(jié)構(gòu)組裝起來(lái)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和螺旋槳旋轉(zhuǎn)之后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)地采集螺旋槳的拉力、轉(zhuǎn)速和電機(jī)的扭矩，以及整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)所吸收的電流和電壓，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理就可以得到螺旋槳拉力、吸收功率、力效比等參數(shù)的變化曲線[2]。

通過(guò)對(duì)課題需求和市場(chǎng)的分析，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量參數(shù)的最大值見表1。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

在本測(cè)試方案中，螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)垂直安裝在支架上，從下至上主要由基座、支架、連接法蘭、拉力扭矩復(fù)合傳感器、傳感器轉(zhuǎn)接法蘭、電機(jī)支撐法蘭、電機(jī)螺旋槳試驗(yàn)件、光柵轉(zhuǎn)速傳感器和保護(hù)網(wǎng)等部件構(gòu)成，方案如圖1和圖2所示。

螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)主要包括螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)試驗(yàn)件、控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、輔助保護(hù)系統(tǒng)，其中動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)件包括電機(jī)、螺旋槳、電調(diào)和電池，控制系統(tǒng)包括接收機(jī)、電池和遙控器，采集系統(tǒng)包括各類型傳感器、采集卡以及數(shù)據(jù)處理軟件，輔助保護(hù)系統(tǒng)主要指多種試驗(yàn)件輔助連接部件和整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的保護(hù)系統(tǒng)，螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)框架設(shè)計(jì)如圖3所示[3，4]。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)采集單元設(shè)計(jì)

在整個(gè)螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)方案中，電壓、電流、拉力、扭矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量很關(guān)鍵，本文的采集方案如下[5]。

（1）拉力扭矩采集單元

螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生拉力和扭矩，在垂直方向上如果直接固定拉力和扭矩兩個(gè)傳感器，這兩者會(huì)存在非常明顯的交感誤差，交感誤差值經(jīng)過(guò)初步計(jì)算分析在10%左右。本次采用定制的拉力扭矩復(fù)合傳感器，它將拉壓力傳感器與扭矩傳感器的制造一體化，該傳感器主要特點(diǎn)有：高精度、高穩(wěn)定性、抗干擾性好。

（2）電流電壓采集單元

選用市場(chǎng)常見的HK系列電壓變送器和電流變送器進(jìn)行采集。

（3）轉(zhuǎn)速采集單元

選取了THK-BY紅外線掃描探測(cè)技術(shù)的光柵安全光幕紅外探測(cè)器，其主要包括發(fā)射裝置、接收裝置以及信號(hào)處理電路。

（4）溫度和大氣參數(shù)采集單元

兩個(gè)WZO溫度測(cè)量傳感器，其中一個(gè)為貼片式的傳感器，適合電調(diào)溫度測(cè)量，使用時(shí)貼于電調(diào)表面，后者為磁吸式的傳感器，適合電機(jī)溫度測(cè)量，使用時(shí)吸附在電機(jī)外殼。大氣參數(shù)通過(guò)溫濕壓傳感器采集。

2 試驗(yàn)臺(tái)數(shù)采軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LabVIEW和一般的文本編程語(yǔ)言完全不同，它是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的模式，其本質(zhì)是多線程并行的程序結(jié)構(gòu)，這和本文任務(wù)比較契合，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和測(cè)量采集軟件[6]。測(cè)控軟件的總體工作流程如圖4所示。

螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)中拉力扭矩、電流電壓、溫度和轉(zhuǎn)速的測(cè)量模塊是以NI-DAQmx函數(shù)為采集方法，利用LabVIEW的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和波形調(diào)理模塊對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以消除高頻干擾;大氣參數(shù)測(cè)量計(jì)算模塊調(diào)用了LabVIEW串口通信函數(shù)，即VISA的配置串口函數(shù)和寫入、讀取、關(guān)閉函數(shù)，通過(guò)循環(huán)發(fā)送、接受指令字符串的形式完成信號(hào)采集，采樣到的字符串通過(guò)截取和進(jìn)制轉(zhuǎn)化的處理后，記錄并保存[7]。

本次選用USB總線結(jié)構(gòu)的NI cDAQ-9184 4槽NICompactDAQ機(jī)箱，配置一個(gè)NI9401和一個(gè)NI9205的采集卡。

2.2 軟件界面設(shè)計(jì)

螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件界面分頁(yè)顯示為試驗(yàn)界面、參數(shù)設(shè)置、幫助等幾大部分[8]，各個(gè)界面有不同的作用，如圖5所示，在試驗(yàn)界面中，主要包括采集啟動(dòng)按鍵和停止試驗(yàn)按鈕，測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，試驗(yàn)過(guò)程中的主要操作按鈕和參數(shù)設(shè)置，如初始化清零、濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、采樣頻率、采樣數(shù)、濾波截止頻率、文件記錄數(shù)目等。

如圖6所示，在參數(shù)設(shè)置界面主要包括了NI數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置，如卡槽位置分配、采集卡通道分配、各通道采集量的系數(shù)、信號(hào)寬度設(shè)置等。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果校核

本文的螺旋槳選用ARAD-10翼型，以懸停狀態(tài)的力效（消耗單位功率形成的拉力）最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于動(dòng)量—葉素理論和遺傳算法理論，優(yōu)化得到的外形如圖7所示。

首先利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)優(yōu)化的螺旋槳進(jìn)行計(jì)算，即先進(jìn)行性能的理論校核。

基于Fluent中的非定常數(shù)值模擬模塊，利用有限體積法對(duì)不可壓N-S方程進(jìn)行空間離散，梯度插值采用格林一高斯（Green Gauss Node Based）方法，時(shí)間推進(jìn)采用改進(jìn)的LU-SGS隱式格式，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置等，對(duì)螺旋槳進(jìn)行了氣動(dòng)力計(jì)算，計(jì)算狀態(tài)為零風(fēng)速，得到計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示[9，10]。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果佐證了優(yōu)化計(jì)算方法的精確度，因此后續(xù)直接采信優(yōu)化程序的計(jì)算結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)臺(tái)搭建和調(diào)試完成之后進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)采用恒力源T10電機(jī)，搭配30in（約76.2cm）螺旋槳，供電電壓12S，搭配120A-HV電調(diào)，試驗(yàn)完成后處理數(shù)據(jù)。

圖9為試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算的螺旋槳靜拉力隨轉(zhuǎn)速的變化，測(cè)試和計(jì)算的螺旋槳軸功率隨轉(zhuǎn)速變化如圖10所示。

螺旋槳測(cè)試和計(jì)算的力效隨轉(zhuǎn)速變化如圖11所示，根據(jù)螺旋槳的計(jì)算數(shù)據(jù)和電機(jī)的效率曲線，計(jì)算得到了動(dòng)力系統(tǒng)力效，與測(cè)試得到動(dòng)力系統(tǒng)力效的對(duì)比如圖12所示。

分析圖9與圖10可知，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速附近，拉力和軸功率的計(jì)算值與測(cè)量值誤差較小;隨著轉(zhuǎn)速增加超過(guò)3000r/min，計(jì)算值比實(shí)際測(cè)量高10%左右。

分析圖11和圖12可知，吸收同樣的軸功率，測(cè)量和計(jì)算拉力值比較接近（兩者誤差在6%以內(nèi)），這說(shuō)明測(cè)量與計(jì)算的螺旋槳力效比、動(dòng)力系統(tǒng)的力效比均吻合的較好。

總結(jié)分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)值和計(jì)算值趨勢(shì)一致，吻合得較好，計(jì)算值相對(duì)于試驗(yàn)值總體偏高，設(shè)計(jì)點(diǎn)附近螺旋槳拉力計(jì)算值比試驗(yàn)值高5%左右，二者拉力的平均相對(duì)誤差在6%以內(nèi)。這可能是因?yàn)橛?jì)算條件較為理想，試驗(yàn)過(guò)程中保護(hù)架增強(qiáng)了地效效應(yīng);另外，隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槳和電機(jī)等部件的振動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)于拉力傳感器的影響會(huì)變大，電機(jī)支撐架等部件對(duì)于氣流也有一定的干擾。

4 結(jié)論

旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)效率提升有著重要的意義，針對(duì)匹配設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)，需要一個(gè)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

本文對(duì)螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺(tái)方案定型及三維模型設(shè)計(jì)，完成了試驗(yàn)臺(tái)的搭建工作，調(diào)試并校對(duì)了試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量精度;根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的硬件設(shè)備，基于LabVIEW編寫了試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控程序，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸出保存;最后使用CFD方法對(duì)優(yōu)化算法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了理論校核，針對(duì)T10電機(jī)搭配設(shè)計(jì)的螺旋槳進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，完成了試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析表明，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了本文優(yōu)化程序的精確性，也印證本試驗(yàn)臺(tái)在動(dòng)力系統(tǒng)提升方面的試驗(yàn)支撐作用。

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