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(wú)人機(jī)在我國(guó)經(jīng)過(guò)將近30余年的發(fā)展，以多樣化的模式應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，因其能夠在空中滯留時(shí)間長(zhǎng)、便于操作、維修成本較低等優(yōu)勢(shì)，使得無(wú)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(duì)抗、環(huán)境評(píng)估、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通救援、戰(zhàn)場(chǎng)攻擊、對(duì)目標(biāo)模擬和預(yù)警等諸多軍事、民生領(lǐng)域［1］。無(wú)人機(jī)在使用過(guò)程中，飛行運(yùn)動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)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(chǎng)的存在極大地影響無(wú)人機(jī)的飛行軌跡精度和飛行姿態(tài)，微小型多旋翼無(wú)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(wú)人機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，受到廠商、用戶、科研技術(shù)和測(cè)試人員的廣泛關(guān)注。

目前，微小型多旋翼無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)性能測(cè)試通常在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)風(fēng)洞模擬風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行，然而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相對(duì)微小型無(wú)人機(jī)而言存在3個(gè)弊端：（1）風(fēng)洞過(guò)高的建設(shè)成本和運(yùn)行成本不符合微小型無(wú)人機(jī)的測(cè)試需求［4］；（2）風(fēng)洞難以提供針對(duì)微小型多旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)際使用中面臨的復(fù)雜的模擬實(shí)際工況和一些特別的風(fēng)向；（3）微小型多旋翼無(wú)人機(jī)在風(fēng)洞中進(jìn)行抗風(fēng)實(shí)驗(yàn)時(shí)容易失控，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的高報(bào)廢率和對(duì)風(fēng)洞設(shè)備的損害等風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述3個(gè)問(wèn)題，本文研發(fā)設(shè)計(jì)一種低成本、操作方便、實(shí)用、低風(fēng)險(xiǎn)的抗風(fēng)能力測(cè)試平臺(tái)，既解決風(fēng)洞測(cè)試的高成本、高報(bào)廢率和高風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，又能模擬復(fù)雜的實(shí)際工況，為微小型多旋翼無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力測(cè)試提供可靠保障。

1 抗風(fēng)能力測(cè)試要求

微小型多旋翼無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)能力測(cè)試暫未有正式頒布的標(biāo)準(zhǔn)要求，參考NY/T 3213－2018《植保無(wú)人飛機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》的要求，提出微小型多旋翼無(wú)人機(jī)需要滿足在需在風(fēng)速為6.0±0.5 m/s氣流場(chǎng)下完成起降、懸停、前飛、后飛和側(cè)飛等動(dòng)作，不能出現(xiàn)異常。微小型多旋翼無(wú)人機(jī)在實(shí)際使用的場(chǎng)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(chǎng)工況。圖1所示為山谷風(fēng)場(chǎng)示意圖，圖2所示為城市樓宇間風(fēng)場(chǎng)示意圖。

圖1 山谷風(fēng)示意圖

圖2 城市樓宇間風(fēng)場(chǎng)示意圖

多旋翼無(wú)人機(jī)是通過(guò)改變電動(dòng)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(lái)抵抗風(fēng)［5］。當(dāng)飛機(jī)遇到強(qiáng)氣流時(shí)，受到橫向、縱向和垂直3個(gè)方向的氣流擾動(dòng)。橫向氣流擾動(dòng)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(yùn)動(dòng)；縱向氣流擾動(dòng)導(dǎo)致空速變化，影響所有氣動(dòng)部件的受力；垂直氣流擾動(dòng)改變旋翼誘導(dǎo)速度，引起升力變化［3］。

結(jié)合山谷風(fēng)場(chǎng)、城市樓宇間風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際情況和氣流對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)飛行安全的影響，提出對(duì)微小型多旋翼無(wú)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(chǎng)下，完成起降、懸停、前飛、后飛和側(cè)飛等動(dòng)作，亦不能出現(xiàn)異常。

2 抗風(fēng)能力測(cè)試平臺(tái)

（1）平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)上述垂直風(fēng)和斜向上側(cè)風(fēng)的組合氣流場(chǎng)模擬工況的設(shè)計(jì)指標(biāo)，從場(chǎng)地選擇、風(fēng)機(jī)布置、出風(fēng)口不同方向動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面對(duì)抗風(fēng)能力測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了盡量減少外界氣流場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)的影響，抗風(fēng)能力測(cè)試平臺(tái)選擇一個(gè)相對(duì)獨(dú)立，封閉效果較好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。

為了實(shí)現(xiàn)垂直風(fēng)和斜向上側(cè)風(fēng)的組合氣流場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地安置2臺(tái)風(fēng)機(jī)。其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)置于試驗(yàn)臺(tái)中央，出風(fēng)口方向垂直向上，以實(shí)現(xiàn)垂直向上的風(fēng)場(chǎng)；另一臺(tái)置于試驗(yàn)臺(tái)側(cè)邊，出風(fēng)口方向斜向上，以實(shí)現(xiàn)斜向上的側(cè)向風(fēng)。兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)的交匯處即為無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試點(diǎn)。

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

（2）平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

基于上述設(shè)計(jì)思路，微小型多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)試平臺(tái)包括無(wú)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(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力測(cè)試平臺(tái)

無(wú)人機(jī)固定裝置1用于無(wú)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(guò)頂部的十字交叉桿固定在垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)上，可避免無(wú)人機(jī)意外觸碰扇葉發(fā)生危險(xiǎn)。無(wú)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(gè)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(guò)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(guò)球鉸與固定支架。固定支架為測(cè)試品的固定裝置，由一個(gè)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(wú)人機(jī)固定裝置的一側(cè)，與無(wú)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(gè)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(guò)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(guò)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(dòng)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(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)。動(dòng)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(diǎn)。軸流風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)葉安裝角，可改變風(fēng)機(jī)的性能曲線。通過(guò)性能曲線、動(dòng)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(diǎn)，滿足不同的測(cè)試風(fēng)場(chǎng)的需求。

垂直風(fēng)風(fēng)機(jī)和側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)線路與控制系統(tǒng)4相聯(lián)?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制變頻控制技術(shù)，提高動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)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(cè)試平臺(tái)效果分析

測(cè)試人員通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)動(dòng)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(gè)無(wú)人機(jī)工況的風(fēng)場(chǎng)。無(wú)人機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中飛行時(shí)，帶動(dòng)固定支架和連接桿繞球絞轉(zhuǎn)動(dòng)，靈活的固定裝置組件將無(wú)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(chǎng)中的飛行姿態(tài)；雙球鉸結(jié)構(gòu)保障無(wú)人機(jī)在三維方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由；高度可調(diào)的支撐桿保證無(wú)人機(jī)處在垂直風(fēng)場(chǎng)和側(cè)向風(fēng)場(chǎng)的中心；鏤空的固定支架能減小風(fēng)場(chǎng)對(duì)其影響的誤差。側(cè)向風(fēng)風(fēng)機(jī)通過(guò)滑槽在左立柱和右立柱間上下滑動(dòng)來(lái)調(diào)整側(cè)向風(fēng)高度，通過(guò)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(wú)人機(jī)在城市樓宇間、野外山谷等實(shí)際使用場(chǎng)合所面臨的較為復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)工況需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所研發(fā)的微小型多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)試平臺(tái)，替代了目前成本較高、操作難度較大，以及高報(bào)廢率和高風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)能提供一個(gè)復(fù)雜的垂直和側(cè)向組合的可控風(fēng)場(chǎng)條件，符合微小型多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)試風(fēng)場(chǎng)工況，同時(shí)又降低微小型多旋翼無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力測(cè)試的成本，減少報(bào)廢，降低風(fēng)險(xiǎn)，滿足微小型多旋翼無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力測(cè)試需求。