安斯奇 侯寬新

摘? 要 無人機動力系統(tǒng)實踐課程是高校無人機專業(yè)教學的重要組成部分。通過設計無人機動力裝置測試平臺軟硬件和配套實驗課程，提出無人機動力系統(tǒng)實踐課程的設計方案，旨在提高學生對無人機動力選型總體設計能力及實踐動手能力，增加課堂深度并提高教學質量。

關鍵詞 無人機;動力裝置;測試平臺;實踐教學;實驗室

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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，各高校相繼開設無人機系統(tǒng)工程專業(yè)，對無人機尤其是民用無人機的教學研究的投入也逐年增加。與傳統(tǒng)開展的高等航空學科教育相比，無人機系統(tǒng)的教學更集聚理論性、技術性和實踐性三個環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)脫節(jié)都可能造成學生理解困難或者眼高手低，從而無法滿足課程或者學科的培養(yǎng)要求。因此，如何改進傳統(tǒng)教學過程以適配日益進步的無人機系統(tǒng)技術，成為相關高校教師面前的難題。高校和學者針對無人機專業(yè)教學中理論和實踐脫節(jié)的問題，一直在教學改革中不斷摸索和探尋[1-2]。

動力系統(tǒng)是民用無人機系統(tǒng)中理論深度較高的一個子系統(tǒng)，涉及的學科包含結構靜力學、剛體動力學、空氣動力學、電動力學、模擬電路、數(shù)字電路與信號處理等[3]，學科理論的交叉融合給學生的學習理解和實踐探索造成諸多困難。目前，在“民用無人機設計與實踐入門”或類似課程中針對此子系統(tǒng)的傳統(tǒng)教學中，較注重理論推導引出的抽象性結論，雖然輔以多媒體課件和教師板書講解，但由于教學過程具有很強的主觀性，再加上學生基本不具備無人機相關研發(fā)或從業(yè)經驗，只能以想象、抽象的形式被動地接受知識點或結論，對知識的理解吸收程度普遍不高。對于無人機系統(tǒng)特別是民用無人機系統(tǒng)，實踐不可脫節(jié)，于是部分改進后的課堂教學引入模型靜態(tài)展示或者簡單的動態(tài)展示，以教師在講臺上講解演示、學生臺下觀察為主，學生只能感性地、片面地認識無人機動力系統(tǒng)的部分特征，教學效果有所改善，但還是不能滿足要求。動力系統(tǒng)開放式實踐教學成為無人機動力系統(tǒng)教學的重要補充。

典型無人機的動力系統(tǒng)多為電動力驅動，部件較為簡單且功率較小，若采取合適、安全的實踐教學方法，在實驗室以及教室內實踐教學具有一定的可操作性。在課堂教學環(huán)節(jié)，教師若結合開放式、實踐性的教學方案，能有效地為學生講授無人機的動力系統(tǒng)。為了提高新型高等航空類學科的教學質量，本文通過配套測試軟硬件和針對性的實驗性課程，設計適合高校的無人機課堂實踐方案。

2 無人機動力裝置測試平臺與技術原理

一般地，無人機特別是民用無人機的使用與運營瓶頸較大部分歸咎于續(xù)航時間，而基于任務導向的載荷、基于動力效率的搭配和現(xiàn)階段的高能電池技術共同決定了續(xù)航時間，在任務載荷確定以及電池技術短期沒有革命性發(fā)展的前提下，動力系統(tǒng)選型在無人機總體性能設計中是最為重要的環(huán)節(jié)之一[4-5]。其中，動力效率選型搭配試驗類似于民航發(fā)動機的地面試車環(huán)節(jié)，不同的電動機、空氣螺旋槳、驅動調速器以及電源參數(shù)的動力搭配能組合出不同的動力輸出性能，以及各異的有效效率。如何在地面試車時得到滿足無人機型號設計的動力輸出（如拉力和扭矩等）和最優(yōu)的動力輸出效率，并結合課堂教學中的理論闡釋，成為無人機設計教學的難點之一。

動力選型不能只依靠理論和賬面數(shù)據(jù)，因此在無人機總體性能設計中，無人機動力裝置測試平臺是不可或缺的設備[6-7]。針對無人機系統(tǒng)的教學特點，無人機動力裝置授課團隊研制出適用于普通教室或實驗室的無人機動力裝置測試平臺。與其他設計研究不同的是，該測試平臺采用簡化設計，主要用于輕微型無人機動力裝置的特性演示、部件級性能測試以及動力裝置型號設計，適合課堂演示和實驗教學，注重精準傳感性能參數(shù)，是無人機系統(tǒng)教學的良好補充。其主要性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)包含拉力、反扭矩、轉子溫度、綜合振動強度、螺旋槳轉速、輸入電流、輸入電壓、輸入油門信號和輸入變距信號，高階解算參數(shù)包含螺旋槳力效、動力效率、螺旋槳輸出功率和電機輸入功率等，能基本涵蓋典型無人機動力裝置的所有性能特征。

如圖1所示，無人機動力裝置測試平臺的結構分為綜合控制端和臺架測試端兩個部分。臺架測試端主要用于固定動力裝置和傳感基礎數(shù)據(jù)，由測試臺架、通訊總線和用于測試的無人機動力裝置組成。綜合控制端主要功能是采集、計算、控制以及提供輸入指令，下面介紹組成部件和功能。

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

2）拉力、反扭矩A/D模塊將臺架測試端回傳的應變量模擬信號轉化成數(shù)字信號，供處理器進行解算。

3）轉速是通過單位時間內采集掃略光電傳感器的槳葉次數(shù)而獲得，為了避免轉速測量錯誤，需要手動撥動開關選擇螺旋槳槳葉數(shù)量。

4）油門、變距輸入模塊由調音臺推子（滑動電位器）構成，通過模擬量函數(shù)映射獲得相對應的輸入信號。

5）電源模塊由轉化插頭和穩(wěn)壓器組成，為綜合控制端和臺架測試端提供弱電電源，以及為控制模塊提供強電電源;控制模塊綜合強電電源和油門輸入信號，為動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選擇，顯示無人機動力裝置的性能參數(shù)。

7）通訊總線用于接收來自臺架測試端的模擬、數(shù)字信號。

如圖2所示，臺架測試端通過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，電機與專用電機座固連，然后和兩條與電機旋轉軸平行的應變梁a與b，以及一條與電機旋轉軸垂直的應變梁c，通過緊固裝置一同固連。應變梁a和b通過疊加應變量測得電機和螺旋槳旋轉帶來的反向扭矩，應變梁c直接通過應變測得拉力。其中應變梁在額定量程之內的應力與應變是線性關系。光電傳感器在有障礙物遮擋時輸出一個高電平，無遮擋時輸出一個低電平，故當螺旋槳端部旋轉掃略過光電傳感器時，光電傳感器將向控制臺輸出一個正向脈沖，處理器只需要對這些脈沖計數(shù)，就能得到螺旋槳轉速。非接觸式溫度傳感器采用紅外溫度遙感技術對轉子溫度進行監(jiān)控測量，振動傳感器位于臺架結構的中部，對臺架的振動加速度進行測量。

3 無人機動力裝置實驗課程設計

無人機動力裝置選型是無人機系統(tǒng)設計的難點之一，需要綜合考慮任務需求和飛行器結構，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)教學或實驗時，由于缺乏測試設備，學生多根據(jù)產品銘牌參數(shù)進行搭配選擇，但經常面臨諸多不確定因素：

1）無人機動力裝置部件的廠家往往夸大宣傳，導致部件銘牌參數(shù)與實際性能存在較大脫節(jié);

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

3）搭配變距螺旋槳的動力裝置適應多種工況，系統(tǒng)復雜數(shù)據(jù)量較大，需要自行實驗測試。

以上因素導致的性能不確定，使得教師在授課時只能將重點放在空洞的理論上，學生在實際動手時只能憑借猜測或經驗，因此不能較好地進行動力選型實踐。

針對以上教學中出現(xiàn)的問題，結合測試平臺軟硬件，教學團隊設計了無人機動力選型實驗課。該課是“動力系統(tǒng)建模與性能估算”章節(jié)的配套實驗課程，旨在使學生對動力裝置及部附件有一個更為深入的特性掌握。實驗課程開設在普通實驗室，配備50 A直流電源，靜風條件良好。如圖3所示，學生被分為2～3人的實驗小組，在1～2個課時內，結合課堂所授理論知識，如圖4所示，以多旋翼無人機懸停時間為設計目標，分別研究兩個實驗題目：

1）學習使用測試平臺，針對四組不同的電機—螺旋槳組合，根據(jù)記錄表格開展實驗并獲取拉力、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)上一個實驗獲取的數(shù)據(jù)和曲線，自由選擇動力裝置、無人機機身和任務載荷，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)航時間曲線，如圖5（b）所示。

在這兩個實驗題目中，前者更加基礎，偏重于動力系統(tǒng)部件理論的復現(xiàn)和測試平臺的使用，學生通過自己動手實驗，擺脫對現(xiàn)成數(shù)據(jù)的依賴，實事求是地考察研究無人機動力裝置，能更好地掌握性能特性。而后者在前者基礎上，既考查了無人機動力選型的基本知識點，也考核了學生的總體設計能力，通過引入具體使用場景和任務需求，學生能靈活使用課堂所授理論，基于實際情況設計結果更能貼近實際。教學團隊在課程開展中發(fā)現(xiàn)，測試平臺使用簡單高效，課程緊湊，內容豐富，學生興趣高昂，課堂教學質量大幅提升。

4 結語

本文以在高校開展的無人機系統(tǒng)類課程改進為研究方向，針對無人機動力裝置課程，在現(xiàn)有理論授課的基礎上，注重實踐，注重加深課堂教學深度，提高教學質量，結合動力裝置測試平臺軟硬件設計以及實踐課程設計，提出一個無人機動力系統(tǒng)實踐課程的設計方案，并在教學實踐中取得良好的效果?！?/p>

參考文獻

[1]陳霖，周廷，劉占超.基于項目導向的《無人機系統(tǒng)》課程教學改革實踐[J].教育現(xiàn)代化，2018（29）：43-44.

[2]王剛，陳龍，薛遠奎，等.四旋翼無人機控制理論與設計課程實踐教學[J].實驗科學與技術，2018（2）：74-77.

[3]陶于金，李沛峰.無人機系統(tǒng)發(fā)展與關鍵技術綜述[J].航空制造技術，2014（20）：34-39.

[4]丁承君，王勇杰.旋翼無人機動力系統(tǒng)選型及測試方案[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（6）：89.

[5]韓睿，李微微，沈丹陽.基于不同外部環(huán)境和運載重量的無人機物流配送選型研究[J].空運商務，2017（12）：51-55.

[6]MA S， WANG S， ZHANG C， et al. A method to improve the efficiency of an electric aircraft propulsion system[J].Energy，2017（8）：140.

[7]禹勇，董凱，滕國飛，等.微小型無人機動力裝置建模與仿真研究[J].信息通信，2016（5）：4-6.