CN102829825A

CN102829825A - 一种小型涵道飞行器用飞行参数测量系统

Info

Publication number: CN102829825A
Application number: CN2012103034903A
Authority: CN
Inventors: 王正杰; 吴炎烜; 刘志军; 张威; 马建
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: CN102829825B

Abstract

本发明公开了一种小型涵道飞行器用飞行参数测量系统，该系统能够达到提高测量便捷性以及测量数据准确性的目的；该系统包括测试平台座、直线导轨、扭矩传感器、万向节联轴器、5个拉压测量装置、小型涵道飞行器、工作台、2个关节轴承、铰链、滑动轴承、光轴支承座、2个轴向限位环、固定轴、光轴和3个钢杆；依照机体坐标系正交布置传感器，将扭矩传感器沿横向机体的轴线方向设置，采用关节轴承和铰链来进行拉压传感器的布置，扭矩传感器通过万向节联轴器与飞行器相连接，拉压传感器通过关节轴承与飞行器相连；从而实现对小型涵道飞行器的质量和质心位置、发动机的推力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩的测量。

Description

一种小型涵道飞行器用飞行参数测量系统

技术领域

本发明属于测量系统设计领域，具体涉及一种小型涵道飞行器用飞行参数测量系统。

背景技术

目前，小型涵道飞行器正成为国内外对于无人机研究的重点对象之一，飞行器的结构和控制系统的设计都依赖于其气动参数。当需要测量飞行器的气动参数时，传统方法是分别利用传感器对小型涵道飞行器的各部件进行测量并得到测量数据，但由于飞行器并非理想模型，各动力部件之间、动力部件与支撑结构之间都存在相互影响，因此，当对这些单独测量的数据进行集成计算时会存在很大的误差，会导致整机结构和控制系统的设计不合理。此外，由于小型涵道飞行器为静不稳定系统，这样就无法手控该类飞行器的飞行，也就很难直接获得飞行参数，因此无法采用常用的参数辨识的方法计算得到飞行器的气动参数。

而目前还没有一种测量系统可以同时测量小型涵道飞行器的质量和质心位置、发动机的推力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型涵道飞行器用飞行参数测量系统，该系统能够达到提高测量便捷性以及测量数据准确性的目的。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

该系统测量的飞行参数包括小型涵道飞行器的质量和质心位置、发动机的推力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩。小型涵道飞行器内设有发动机、反扭矩舵、俯仰控制舵和滚转控制舵。该系统包括测试平台座、直线导轨、扭矩传感器、万向节联轴器、第一拉压测量装置、第二拉压测量装置、第三拉压测量装置、第四拉压测量装置、第五拉压测量装置、小型涵道飞行器、工作台、第一关节轴承、铰链、滑动轴承、光轴支承座、第一轴向限位环、固定轴、光轴、第一钢杆、第二钢杆、第三钢杆、第二关节轴承和第二轴向限位环。所述拉压测量装置由两侧各连接有刚性轴的拉压传感器构成，且两个刚性轴同轴。该系统各组成部分之间的连接关系为：

在地面上设置有两个互相平行的直线导轨，且沿横向分布，两个直线导轨上设置有工作台，工作台的两侧底部通过滑轨与相应的直线导轨卡合。工作台的右侧上表面边沿的中点处设有滑动轴承，工作台右侧的墙壁上安装有测试平台座，滑动轴承通过第五拉压测量装置连接至测试平台座，并使得第五拉压测量装置呈水平方向。在工作台的上表面横向中心线上从左到右依次设有第一钢杆和两个铰链，两个铰链之间的距离大于小型涵道飞行器的高度，第一钢杆垂直放置且靠近工作台的左侧边沿，第一钢杆的长度大于小型涵道飞行器的1/2宽度，第一钢杆的上端分为两端，一端固连扭矩传感器的左端，另一端固连光轴支承座底部，扭矩传感器的右端连接水平光轴，光轴支承座被设置在光轴上，光轴的右端安装有万向节联轴器。工作台的后侧上表面边沿从左到右依次设有第二钢杆和第三钢杆，二者均与第一钢杆等长，第二钢杆和第三钢杆之间的距离大于小型涵道飞行器的高度，且二者上端各设有铰链。

所述万向节联轴器的右端连接固定轴，小型涵道飞行器沿横向轴向且被安装在固定轴上，并使得小型涵道飞行器的顶部朝左，在万向节联轴器与小型涵道飞行器的顶部之间的固定轴上依次设有第一轴向限位环和两个第一关节轴承，第一轴向限位环用于固定第一关节轴承的位置，两个第一关节轴承贴合分布，其中一个第一关节轴承通过第四拉压测量装置连接至工作台上较近的铰链，并使得第四拉压测量装置的刚性轴垂直于工作台，另一个第一关节轴承通过第一拉压测量装置连接至第二钢杆上端的铰链，并使得第一拉压测量装置的刚性轴垂直于第二钢杆。在靠近小型涵道飞行器底部的固定轴上依次设有两个第二关节轴承和第二轴向限位环，第二轴向限位环用于固定第二关节轴承的位置，两个第二关节轴承贴合分布，其中一个第二关节轴承通过第三拉压测量装置连接至工作台上较近的铰链，并使得第三拉压测量装置的刚性轴垂直于工作台，另一个第二关节轴承通过第二拉压测量装置连接至第三钢杆上端的铰链，并使得第二拉压测量装置的刚性轴垂直于第三钢杆，最终使得固定轴平行于工作台的横向中心线。

有益效果：

（1）本发明所提供的系统，基于直角正交原理，采用关节轴承和铰链来进行拉压传感器的布置，并沿飞行器固定轴方向设置扭矩传感器，从而实现了对小型涵道飞行器的质量和质心位置、发动机的推力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩，这些飞行参数的测量，此外，在测试过程中，不需要对传感器进行二次拆装，从而达到了测量便捷性的目的。

（2）本发明所提供的系统，依照机体坐标系正交布置传感器：将扭矩传感器沿横向机体的轴线方向设置，可直接测量整机扭矩；在竖直平面内，将两个拉压传感器的一端连接在横向机体的左右两侧的轴线，另一端连接至水平工作台上，并使得这两个拉压传感器为竖直方向；在水平面内，将两个拉压传感器的一端连接在横向机体的左右两侧的轴线，另一端连接至固定于水平工作台的垂直钢杆上端的铰链上，并使得这两个拉压传感器为水平方向且与横向机体的轴线呈90°。此外，扭矩传感器采用万向节联轴器与飞行器相连接，拉压传感器都采用关节轴承与飞行器相连，由于万向节联轴器只传递扭矩不影响拉力和压力的测量，关节轴承只测量拉力而不影响扭矩的测量，因此该系统从结构设置上避免了传感器之间的耦合影响，从而达到了提高测量数据准确性的目的。

附图说明

图1为本发明所提供的系统内部连接关系图；

图2为本发明所提供的示意图Ⅰ；

图3为本发明所提供的原理图Ⅰ；

图4为本发明所提供的原理图Ⅱ；

图5为本发明所提供的原理图Ⅲ；

其中，1-测试平台座，2-直线导轨，3-扭矩传感器，4-万向节联轴器，51-第一拉压测量装置，52-第二拉压测量装置，53-第三拉压测量装置，54-第四拉压测量装置，55-第五拉压测量装置，6-小型涵道飞行器，7-工作台，8-第一关节轴承，9-铰链，10-滑动轴承，11-光轴支承座，12-第一轴向限位环，13-固定轴，14-光轴，15-第一钢杆，16-第二钢杆，17-第三钢杆，18-第二关节轴承，19-第二轴向限位环。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种小型涵道飞行器用飞行参数测量系统，图1为该系统内部连接原理图，该系统包括测试平台座1、直线导轨2、扭矩传感器3、万向节联轴器4、小型涵道飞行器6、工作台7、第一关节轴承8、铰链9、滑动轴承10、光轴支承座11、第一轴向限位环12、固定轴13、光轴14、钢杆15~17、第二关节轴承18、第二轴向限位环19和拉压测量装置51~55，拉压测量装置由两侧各连接有刚性轴的拉压传感器构成，且这两个刚性轴同轴。

本系统各组成部分之间的连接关系为：

在地面上设置两个互相平行的直线导轨2，且沿横向分布，在两个直线导轨2上设置工作台7，工作台7的两侧底部通过滑轨与相应的直线导轨2卡合。工作台7的右侧上表面边沿的中点处设有滑动轴承10，工作台7右侧的墙壁上安装有测试平台座1，滑动轴承10连接通过第五拉压测量装置55连接至测试平台座1，并使得第五拉压测量装置55呈水平方向。在工作台7的上表面横向中心线上从左到右依次设有第一钢杆15和两个铰链9，两个铰链9之间的距离大于小型涵道飞行器6的高度，第一钢杆15竖直放置且靠近工作台7的左侧边沿，第一钢杆15的长度大于小型涵道飞行器6的1/2宽度，第一钢杆15的上端分为两端，一端固连扭矩传感器3的左端，另一端固连光轴支承座11底部。扭矩传感器3的右端连接水平光轴14，光轴支承座11被设置在光轴14上，光轴14的右端安装有万向节联轴器4。工作台7的后侧上表面边沿从左到右依次设有第二钢杆16和第三钢杆17，二者均与第一钢杆15等长，第二钢杆16和第三钢杆17之间的距离大于小型涵道飞行器6的高度，且二者上端各设有铰链9。

万向节联轴器4的右端连接固定轴13，小型涵道飞行器6沿横向轴向且被安装在固定轴13上，并使得小型涵道飞行器6的顶部朝左，在万向节联轴器4与小型涵道飞行器6的顶部之间的固定轴13上依次设有轴向限位环12和两个第一关节轴承8，第一轴向限位环12用于固定第一关节轴承8的位置，两个第一关节轴承8贴合分布，其中一个第一关节轴承8通过第四拉压测量装置54连接至工作台7上较近的铰链9，并使得第四拉压测量装置54的刚性轴垂直于工作台7，另一个第一关节轴承8通过第一拉压测量装置51连接至第二钢杆16上端的铰链9，并使得第一拉压测量装置51的刚性轴垂直于第二钢杆16。在靠近小型涵道飞行器6底部的固定轴13上依次设有两个第二关节轴承18和第二轴向限位环19，第二轴向限位环19用于固定第二关节轴承18的位置，两个第二关节轴承18贴合分布，其中一个第二关节轴承18通过第三拉压测量装置53连接至工作台7上较近的铰链9，并使得第三拉压测量装置53的刚性轴垂直于工作台7，另一个第二关节轴承18通过第二拉压测量装置52连接至第三钢杆17上端的铰链9，并使得第二拉压测量装置52的刚性轴垂直于第三钢杆17，最终使得固定轴13平行于工作台7的横向中心线。

在上述连接关系中，由于第一拉压测量装置51的拉压传感器和第二拉压测量装置52的拉压传感器受力方向平行，且第三拉压测量装置53的拉压传感器和第四拉压测量装置54的拉压传感器受力方向平行，则水平分布的两个拉压传感器之间、竖直分布的两个拉压传感器之间均不存在耦合影响。下面分析第一拉压测量装置51的拉压传感器和第四拉压测量装置54的拉压传感器之间或第二拉压测量装置52的拉压传感器和第三拉压测量装置53的拉压传感器之间是否存在耦合影响。

如图2所示，图2为图1的右视图，固定轴13可视为O点，即当第二拉压测量装置52的拉压传感器和第三拉压测量装置53的拉压传感器不受力时，第二拉压测量装置52和第三拉压测量装置53的刚性轴相互正交于O点，Q为第二拉压测量装置52的连接铰链9，P为第三拉压测量装置53的连接铰链9，测得OP=OQ=150mm。若第二拉压测量装置52和第三拉压测量装置53内的传感器分别受到沿相应的刚性轴的最大压力为100N，此时，O点沿发生微小移动至O′，且由拉压传感器的使用手册可知，在拉压传感器的最大量程，即100N内，刚性轴沿压力方向缩短2mm，则O′P＝O′Q=148mm，并形成如图2所示的四边形POQO′，由于OP=OQ，O′P＝O′Q，且∠POQ＝90°，那么对于如图3所示的△POO′，则有∠POO′=45°。对于△POO′，由余弦定理，则有：

由式（1），可得O′O=209.25mm或O′O=2.85mm，由于O′O=209.25mm不符合实际移动距离，所以应舍弃，选取O′O=2.85mm。过O′作OP的垂线O′M，由∠POO′=45°，则在△MOO′中，O′M＝2.016mm，再结合O′P＝148mm，则在△O′MP中，

那么在如图2所示的由第二拉压测量装置52和第三拉压测量装置53所构建的系统中，对第二拉压测量装置52和第三拉压测量装置53的刚性轴分别进行受力分析，可得第二拉压测量装置52的拉压传感器所受到的竖直方向上的拉力F_y为：F_y=100N×cos0.78°-100N×sin0.78°=99.57N，由于F_y较大，可视为第二拉压测量装置52的拉压传感器理论测量值，结合该拉压传感器的实际测量值100N，则该拉压传感器的测量误差为：

对于第三拉压测量装置53的拉压传感器，可采用上述相同的分析过程，可得到该拉压传感器所受到的水平方向上的拉力F_x为：F_x=100N×cos0.78°-100N×sin0.78°=99.57N，并计算得到该拉压传感器的测量误差为0.43％。

经上述分析，可知在测量过程中，该系统内的微小变形所引起的各拉压传感器的测量误差很小，即可认为在测量过程中，拉压传感器之间无耦合影响。下面进行飞行参数测量，该飞行参数包括飞行器的质量和质心位置、发动机的推力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩。

（1）测量飞行器的质量和质心测量

图4为图1的正视图，点R为第四拉压测量装置54的刚性轴与相应第一关节轴承8的连接点，点S为第三拉压测量装置53的刚性轴与相应第二关节轴承18的连接点。在进行测试之前，此时未安装小型涵道飞行器6，第四拉压测量装置54的拉压传感器测量值为F₁，第三拉压测量装置53的拉压传感器测量值为F₂。当需要进行测试时，将小型涵道飞行器6沿横向安装在的固定轴13上，并使得其底部朝右，此时，第四拉压测量装置54的拉压传感器测量值为F₁′，第三拉压测量装置53的拉压传感器测量值为F₂′，同时测得小型涵道飞行器6的高度为L，点R距小型涵道飞行器6顶部为l₁，点S距小型涵道飞行器6底部为l₂，以点P、点Q以及小型涵道飞行器6所组成的系统进行受力分析，如图4所示，则有：

ΔF₁+ΔF₂＝Mg（2）

ΔF₁＝F₁-F₁′（3）

ΔF₂＝F₂-F₂′（4）

其中，M为小型涵道飞行器6的整器重量，g为重力加速度，g=9.8N/m。由式（2）~（4），并代入测量值F₁、F₂、F₁′和F₂′，可计算得到小型涵道飞行器6的整器重量M。

在安装小型涵道飞行器6后，假设小型涵道飞行器6的质心距该飞行器底部的距离为x，在竖直平面内，存在力矩平衡：

F₁′×(l₁+x)＝F₂′×(l₂+L-x) （5）

由式（5），并代入测量值F₁′、F₂′、l₁、l₂和L，可确定小型涵道飞行器6的质心位置。

（2）发动机推力测量

在小型涵道飞行器6安装完成后，开启该飞行器的发动机，使发动机以某一转速转动，此时产生水平向左的推力F_T，该推力F_T作用于工作台7，使得工作台7的滑轨沿水平导轨水平向左移动，同时第五拉压测量装置55的拉压传感器可测量得到F_T的大小。这样，可测得发动机在不同转速下的推力，以转速作为横轴，相应的推力作为纵轴绘制并得到发动机推力曲线。

（3）偏航力矩测量

在安装小型涵道飞行器6后，将该飞行器的反扭矩舵调整到零位置，使该反扭矩舵不产生舵效。启动该飞行器的发动机，使发动机以某一转速转动，此时，扭矩传感器3测得发动机的输出扭矩为M_p。开启反扭矩舵，此时，扭矩传感器3测得发动机和反扭矩舵共同作用的扭矩M_cp，由于发动机和反扭矩舵的测量过程是相互独立的，所以，可计算得到在发动机相应转速下，反扭矩舵的舵效，即偏航力矩M_c：

M_c=M_cp-M_p （6）

因此，通过设置发动机的不同转速，采用上述计算过程，可得到相应转速下的偏航力矩。

（4）俯仰力矩和滚转力矩测量

在小型涵道飞行器6安装完成后，在竖直面和水平面内，该系统的受力情况分别为：

①开启飞行器内的发动机和俯仰控制舵，并使得俯仰控制舵的俯仰力矩为顺时针方向，记为M_俯仰，如图5所示，此时，第四拉压测量装置54的拉压传感器测量值为F_A，第三拉压测量装置53的拉压传感器测量值为F_D。由力矩平衡原理得到：

M_俯仰+F_A×(l₁+x)＝F_D×(l₂+L-x) （7）

ΔF_A＝F′_A-F_A （8）

ΔF_D＝F′_D-F_D （9）

由式（7）~（9），计算得到M_俯仰。

同样地，当俯仰控制舵的俯仰力矩为逆时针方向时，可计算得到相应的俯仰力矩。

②在水平面内，开启发动机和滚转控制舵，并使得滚转控制舵的滚转力矩为顺时针方向，记为M_滚转，此时，第一拉压测量装置51的拉压传感器测量值为F_B，第二拉压测量装置52的拉压传感器测量值为F_C，由力矩平衡原理得到：

M_滚转+F_B×(l₁+x)＝F_C×(l₂+L-x) （10）

由式（10），计算得到M_滚转。

同样地，当滚转控制舵的滚转力矩为逆时针方向时，可计算得到相应的滚转力矩。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种小型涵道飞行器用飞行参数测量系统，其特征在于，该系统包括测试平台座（1）、直线导轨（2）、扭矩传感器（3）、万向节联轴器（4）、拉压测量装置（51~55）、小型涵道飞行器（6）、工作台（7）、第一关节轴承（8）、铰链（9）、滑动轴承（10）、光轴支承座（11）、第一轴向限位环（12）、固定轴（13）、光轴（14）、钢杆（15~17）、第二关节轴承（18）和第二轴向限位环（19）；所述拉压测量装置由两侧各连接有刚性轴的拉压传感器构成，且两个刚性轴同轴；该系统各组成部分之间的连接关系为：

在地面上设置有两个互相平行的直线导轨（2），且沿横向分布，两个直线导轨（2）上设置有工作台（7），工作台（7）的两侧底部通过滑轨与相应的直线导轨（2）卡合；工作台（7）的右侧上表面边沿的中点处设有滑动轴承（10），工作台（7）右侧的墙壁上安装有测试平台座（1），滑动轴承（10）通过第五拉压测量装置（55）连接至测试平台座（1），并使得第五拉压测量装置（55）呈水平方向；在工作台（7）的上表面横向中心线上从左到右依次设有第一钢杆（15）和两个铰链（9），两个铰链（9）之间的距离大于小型涵道飞行器（6）的高度，第一钢杆（15）垂直放置且靠近工作台（7）的左侧边沿，第一钢杆（15）的长度大于小型涵道飞行器（6）的1/2宽度，第一钢杆（15）的上端分为两端，一端固连扭矩传感器（3）的左端，另一端固连光轴支承座（11）底部，扭矩传感器（3）的右端连接水平光轴（14），光轴支承座（11）被设置在光轴（14）上，光轴（14）的右端安装有万向节联轴器（4）；工作台（7）的后侧上表面边沿从左到右依次设有第二钢杆（16）和第三钢杆（17），二者均与第一钢杆（15）等长，第二钢杆（16）和第三钢杆（17）之间的距离大于小型涵道飞行器（6）的高度，且二者上端各设有铰链（9）；

所述万向节联轴器（4）的右端连接固定轴（13），小型涵道飞行器（6）沿横向轴向且被安装在固定轴（13）上，并使得小型涵道飞行器（6）的顶部朝左，在万向节联轴器（4）与小型涵道飞行器（6）的顶部之间的固定轴（13）上依次设有第一轴向限位环（12）和两个第一关节轴承（8），第一轴向限位环（12）用于固定第一关节轴承（8）的位置，两个第一关节轴承（8）贴合分布，其中一个第一关节轴承（8）通过第四拉压测量装置（54）连接至工作台（7）上较近的铰链（9），并使得第四拉压测量装置（54）的刚性轴垂直于工作台（7），另一个第一关节轴承（8）通过第一拉压测量装置（51）连接至第二钢杆（16）上端的铰链（9），并使得第一拉压测量装置（51）的刚性轴垂直于第二钢杆（16）；在靠近小型涵道飞行器（6）底部的固定轴（13）上依次设有两个第二关节轴承（18）和第二轴向限位环（19），第二轴向限位环（19）用于固定第二关节轴承（18）的位置，两个第二关节轴承（18）贴合分布，其中一个第二关节轴承（18）通过第三拉压测量装置（53）连接至工作台（7）上较近的铰链（9），并使得第三拉压测量装置（53）的刚性轴垂直于工作台（7），另一个第二关节轴承（18）通过第二拉压测量装置（52）连接至第三钢杆（17）上端的铰链（9），并使得第二拉压测量装置（52）的刚性轴垂直于第三钢杆（17），最终使得固定轴（13）平行于工作台（7）的横向中心线。