CN101368817A - 微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法及系统。本方法是通过贴在弹性连杆前后两侧上的电阻应变片，实时测得弹性连杆变性信号，输入计算机进行数据分析，找出弹性连杆变形量的变化规律。本测量系统是将微型旋翼飞行器悬挂在试验台架上进行实验，本发明系统结构简单，操作方便，适合对微型旋翼飞行器的姿态控制，本测试能找出各飞行姿态下的弹性连杆变形量的变化规律，从而验证微型旋翼飞行器非对称变距机理的正确性。

Description

微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种微型旋翼飞行器桨距变化的动态测量方法及系统，特别是一种以非对称变距方法为基础的变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法及系统。

技术背景

微型飞行器具有体积小、重量轻、操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好等优点，引起了世界许多国家的关注，是当今国际上的研究热点。但是目前由于在对飞行器姿态控制上还是采用传统的机械变距方法，严重地制约了飞行器微型化发展。最近国内一些科研机构开始研究一种利用惯性力的作用和材料的弹性性能对微型旋翼飞行器进行操纵的机构—非对称变距机构，该装置由电动机、减速齿轮副、光电传感器、位置控制码盘、弹性连杆、旋翼和旋翼机构控制电路组成。其初步机理是：通过弹性连杆，电机驱动悬翼正常旋转，当微型旋翼飞行器需要改变飞行姿态时，电机突然加速转动，弹性连杆会在旋翼桨叶惯性力的作用下产生变形，此变形带动旋翼绕桨叶轴线方向做转动而改变安装角，达到变距的目的。为了验证该机理的正确性，需要动态测量弹性连杆变形量的变化规律。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法及系统，能用于验证微型旋翼飞行器非对称变距机理的正确性。

本发明的构思是：微型旋翼飞行器的体积很小，弹性连杆的变形量也很小，而且弹性连杆以旋翼主轴为中心高速旋转。如何把弹性连杆变形量的信号引出来是验证微型旋翼飞行器非对称变距机理的关键。本发明正是针对这种情况，采用电阻应变片贴在弹性连杆前后两个侧面上，经半桥电路将弹性连杆的变形信号转换成电压信号，通过导电水银滑环将信号引出，信号经应变放大器放大后被数据采集卡采集并存储，然后进行信号处理，得到弹性连杆变形量的变化规律，从而验证微型旋翼飞行器非对称变距机理的正确性。

根据上述的构思，本发明采用如下技术方案：

一种微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法，其特征在于通过贴在弹性连杆前后两侧面上的电阻应变片，实时测得弹性连杆形变信号，输入计算机进行数据分析，找出弹性连杆变形量的变化规律；具体操作步骤如下：

1)将微型旋翼飞行器悬挂在试验台架上，贴装电阻应变片并连接应变放大器和计算机；

2)初始化测量装置：打开应变放大器预热30分钟，并打开计算机进行初始化；

3)采集弹性连杆形变信号，输入计算机；

4)由计算机进行数据处理和分析，找出当前飞行姿态下的弹性连杆变形量的变化规律；

5)改变飞行姿态，重复步骤3)和步骤4)，最终找出各飞行姿态的弹性连杆变形量的变化规律。

上述步骤5)中找出弹性连杆变形量的变化规律。具体步骤为：

①根据步骤3)和步骤4)采集的信号，经过数据处理建立一个坐标系，其中横坐标为旋翼飞行器的旋转时间，纵坐标为弹性连杆的变形量；

②在上述坐标系中标出各飞行姿态在各测量时间点上的弹性连杆变形量的坐标点，则在坐标系中建立弹性连杆变形量与时间关系的波形图。

一种微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量系统，应用于上述动态测量方法，包括一个试验台架和被测试的微型旋翼飞行器，其特征在于所述微型旋翼飞行器的桨毂通过一个水银滑环与所述试验台架的横梁构成转动连接而将所述旋翼飞行器悬挂于试验台架上，所述微型旋翼飞行器的变距机构中弹性连杆的前后侧面上各贴一片电阻应变片。两个电阻应变片的引出线接在所述水银滑环的下端连接体和一个带半桥电路的应变放大器后，连接一个计算机。

上述的水银滑环为为市售产品，由其上端连接体和下端连接体转动连接构成，水银滑环的上端连接体通过一个夹具与试验台架的横梁固定连接，水银滑环的下端连接体与微型旋翼飞行器的桨毂固定连接。

上述两电阻应变片的引出线在所述应变放大器的接线盒中连接构成所述半桥电路；应变放大器采用YF-3型应变放大器。

上述计算机(15)带有PCI2003数据采集卡，经所述应变放大器(14)的信号被PCI2003采集卡采集并存储，然后由计算机(15)处理和分析。

本发明具有如下实质性特点和显著优点：本发明以测试弹性连杆变形量的大小为基础，通过对微型旋翼飞行器在不同飞行姿态时弹性连杆变形量的变化规律进行分析，验证微型旋翼飞行器非对称机理的正确性。为微型旋翼飞行器的微型化，简单化提供理论基础。而且这种测试方法还非常实用于观察和动态测试旋转体的变形，应变等现象，例如：本发明中微型旋翼飞行器桨距的变化以及其它转子的形变等。本发明的测量系统的旋翼飞行器悬挂于试验台架上，结构简单，操作方便，适合对微型旋翼飞行器的姿态控制。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的变距原理图。

图2是应变片、水银环和夹具的装置细节图。

图3是本发明的全局测量示意图。

图4是测试系统程序框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

微型旋翼飞行器的非对称变距机理为，参见附图1，电机2转动，小齿轮3固定在电机输出轴上，小齿轮带动与之啮合的大齿轮1，大齿轮1又带动螺旋桨主轴4转动，横梁5固定在主轴4上并随主轴一起旋转，横梁通过螺栓与弹性连杆6连接，弹性连杆6带动桨毂7和桨叶8绕主轴4转动，当电机2在瞬间突然加速时，经过小齿轮3、大齿轮1、主轴4、横梁5、使弹性连杆6的下端扭矩突然增大，而和弹性连杆上端连接的桨叶8会在惯性力和低雷诺数下的空气动力的作用下抵抗弹性连杆6下端增大的扭矩，从而使弹性连杆6产生变形，由于弹性连杆只和单边桨叶8的刚性部分连接，桨距角会从连接端的最大值递减到非连接端的最小值，呈现变距的非对称性，以此来改变两片桨叶8的安装角，实现桨叶变距的目的。

本微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法是：

动态测试弹性连杆变形的具体工作工程为：参见附图3，将微型旋翼飞行器的机体固定在实验台架13上，电阻应变片贴16在弹性连杆6的前、后两个平面上(见附图2)，水银滑环11的下端连接体12固定在桨毂7上，电阻应变片16的引线接在下端连接体12的接线柱上，水银滑环11在下端连接体的带动下随主轴4一同旋转。为了减小水银滑环11的转动惯量对测试结果的影响，水银滑环的上端连接体9被固定装置固定，可以根据需要对夹具10行上下左右调节。电阻应变片16的信号线最终通过上端连接体9上的接线柱引出，并与应变放大器14的接线盒组成半桥电路，经应变放大器后被PCI2003数据采集卡采集并存储。然后进行数据处理和分析，获得弹性连杆变形量的变化规律，来验证微型旋翼飞行器的非对称变距机理。采样频率为25000赫兹。微型旋翼飞行器的转速变化范围是：1200rpm~2500rpm。

水银导电滑环随桨叶一同高速旋转，其转动惯量对测试结果影响很大，为了减小其转动惯量对测试的影响，该测试系统设计了一套水银滑环固定装置。将其转动惯量对测试的影响减小到最小。

参见图4，该动态测量的实现步骤为：

1)将微型旋翼飞行器固定在实验台架上。贴装电阻应变片并连接应变放大器和计算机；

2)初始化装置，打开应变放大器预热30分钟，并打开计算机进行初始化；

3)当微型旋翼飞行的飞行姿态为前飞时，调整信号的增益到合适的值，待系统稳定时采集数据30秒，将数据存储到PC机；

4)计算机对数据进行处理和分析，找出弹性连杆变形量的变化规律；

5)改变微型旋翼飞行器的飞行姿态，重复步骤3)至步骤5)，获得其它飞行姿态时，弹性连杆变形量的变化规律。

比较上述弹性连杆变形量的变化规律，能验证微行旋翼飞行器非对称变距机理的正确性。

其中，步骤5)具体的步骤为：

(1)根据采集的信号，可建立一个坐标系，其中横坐标为旋翼飞行器旋转时间，纵坐标表示为弹性连杆的变形量。

(2)弹性连杆的形变通过应变片和半桥电路转化为电压信号输出，通过建立的坐标系可发现弹性连杆变形量的波形图。

参见图3，本微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量系统，包括一个试验台架13和被测试的微型旋翼飞行器，其特征在于所述微型旋翼飞行器的桨毂7通过一个水银滑环11与所述试验台架13的横梁构成转动连接而将所述旋翼飞行器悬挂于试验台架13上，所述微型旋翼飞行器的变距机构中弹性连杆的前后侧面上各贴一片电阻应变片16。两个电阻应变片16的引出线接在所述水银滑环11的下端连接体12和一个带半桥电路的应变放大器14后，连接一个计算机15。

上述的水银滑环11为市售产品，由其上端连接体9和下端连接体12转动连接构成，水银滑环11的上端连接体9通过一个夹具10与试验台架13的横梁固定连接，水银滑环11的下端连接体12与微型旋翼飞行器的桨毂7固定连接。

上述的两电阻应变片16的引出线在所述应变放大器14的接线盒中连接构成所述半桥电路；应变放大器14采用YF-3型应变放大器。

上述的计算机15带有PCI2003数据采集卡，经所述应变放大器14的信号被PCI2003采集卡采集并存储，然后由计算机15处理和分析。

Claims (6)

1.一种微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法，其特征在于通过贴在弹性连杆前后两侧面上的电阻应变片，实时测得弹性连杆形变信号，输入计算机进行数据分析，找出弹性连杆变形量的变化规律；具体操作步骤如下：

a.将微型旋翼飞行器悬挂在试验台架上，贴装电阻应变片并连接应变放大器和计算机；

b.初始化测量装置：打开应变放大器预热30分钟，并打开计算机进行初始化；

c.采集弹性连杆形变信号，输入计算机；

d.由计算机进行数据处理和分析，找出当前飞行姿态下的弹性连杆变形量的变化规律；

e.改变飞行姿态，重复步骤3)和步骤4)，最终找出各飞行姿态的弹性连杆变形量的变化规律。

2.根据权利要求1所述的微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法，其特征在于所述步骤5)中找出弹性连杆变形量的变化规律。具体步骤为：

①根据步骤3)和步骤4)采集的信号，经过数据处理建立一个坐标系，其中横坐标为旋翼飞行器的旋转时间，纵坐标为弹性连杆的变形量；

②在上述坐标系中标出各飞行姿态在各测量时间点上的弹性连杆变形量的坐标点，则在坐标系中建立弹性连杆变形量与时间关系的波形图。

3.一种微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量系统，应用于权利要求所述的微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量方法，包括一个试验台架(13)和被测试的微型旋翼飞行器，其特征在于所述微型旋翼飞行器的桨毂(7)通过一个水银滑环(11)与所述试验台架(13)的横梁构成转动连接而将所述旋翼飞行器悬挂于试验台架(13)上，所述微型旋翼飞行器的变距机构中弹性连杆的前后侧面上各贴一片电阻应变片(16)。两个电阻应变片(16)的引出线接在所述水银滑环(11)的下端连接体(12)和一个带半桥电路的应变放大器(14)后，连接一个计算机(15).

4.根据权利要求3所述的微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量系统，其特征在于所述的水银滑环(11)为市售产品，由其上端连接体(9)和下端连接体(12)转动连接构成，水银滑环(11)的上端连接体(9)通过一个夹具(10)与试验台架(13)的横梁固定连接，水银滑环(11)的下端连接体(12)与微型旋翼飞行器的桨毂(7)固定连接。

5.根据权利要求3所述的微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量系统，其特征在于所述两电阻应变片(16)的引出线在所述应变放大器(14)的接线盒中连接构成所述半桥电路；应变放大器(14)采用YF-3型应变放大器。

6.根据权利要求3所述的微型旋翼飞行器变距机构中弹性连杆变形量的动态测量系统，其特征在于所述计算机(15)带有PCI2003数据采集卡，经所述应变放大器(14)的信号被PCI2003采集卡采集并存储，然后由计算机(15)处理和分析。

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