CN103983403A - 测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置和方法，该装置包括重物平台、桥型应变片、加速度计、红外对管、AD转换模块、电压比较电路、微处理单元、通讯模块和上位机；加速度计置于重物平台上，红外对管安装在重物平台上并朝向电机，桥型应变片置于重物平台底部；电子调速器的5V电源输出为测量装置供电，其控制信号线与微处理单元的PWM输出引脚相连；桥型应变片与AD转换模块相连，红外对管与电压比较电路相连，加速度计、AD转换模块和电压比较电路均与微处理单元相连，微处理单元通过通讯模块与上位机通信；本发明可以用于筛选工作特性一致的电机螺旋桨系统，使得多旋翼无人机的控制不会因电机螺旋桨系统的差异而增加难度。

Description

测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置和方法，特别地，该装置能够将数据传回上位机，并且在上位机上进行数据分析和保存，获取需要的相关参数。

背景技术

当今，小型旋翼无人机的研究与应用越来越普遍，电机螺旋桨系统作为其主要动力来源，其工作性能和参数的测试对后续研究有重要影响。但目前市面上已有的工具都只能实现对电机螺旋桨某一方面稳态参数的测试。例如，转速计用来测试电机的转速，转速值只能得到最后稳定的数据，无法测得速度达到稳定的时间；碳纤维螺旋桨平衡器能测试螺旋桨自身的平衡性，但是由于电机轴心偏差引起的不平稳却无法测试。要对电机螺旋桨的总体工作性能进行了解，并获得其特性参数，还缺乏有效的装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置和方法。该装置能够测试电机螺旋桨系统的工作性能，同时建立其工作特性曲线。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案来实现的：一种测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置，所测量的电机螺旋桨系统包含电子调速器、电池、电机和螺旋桨，电子调速器与电池相连，将电池电压转换成5V输出；电子调速器与电机相连，螺旋桨安装在电机轴心上；所述测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置包括重物平台、桥型应变片、加速度计、红外对管、AD转换模块、电压比较电路、微处理单元、通讯模块和上位机；电机固定于重物平台上，电子调速器和加速度计置于重物平台上，红外对管安装在重物平台上并朝向电机，桥型应变片置于重物平台底部；电子调速器的5V电源输出为测量装置供电，其控制信号线与微处理单元的PWM输出引脚相连；桥型应变片与AD转换模块相连，红外对管与电压比较电路相连，加速度计、AD转换模块和电压比较电路均与微处理单元相连，微处理单元通过通讯模块与上位机通信。

进一步地，所述红外对管由限流电阻R1、封装在壳体内的发射管D1和接收管D2组成，发射管D1正极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与5V电源相连，发射管D1负极接地；接收管D2负极接地；电压比较电路包含电阻R2、电阻R3和三极管Q1，三极管Q1的集电极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与5V电源相连，三极管Q1的发射极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接地；三极管Q1的基极与接收管D2的正极相连；三极管Q1的集电极作为speed信号输出端与微处理单元的脉冲捕捉引脚相连。

一种应用上述装置测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的方法，包括以下步骤：

（1）上位机与微处理单元通信，微处理单元输出PWM到电子调速器，启动电机；

（2）电机带动螺旋桨转动，产生升力；桥型应变片测量压力信号，通过AD转换模块，将压力测量值传回微处理单元，经微处理单元处理获得升力值；加速度计测量震动信号并发送到微处理单元，经微处理单元处理获得三轴加速度值；红外对管测量电机的转速，通过电压比较电路传回微处理单元，经微处理单元处理获得转速值；

（3）微处理单元将处理后得到的升力值、加速度值和转速值打包成数据帧通过通讯模块发送到上位机；

（4）上位机将接收到的数据帧解码获得实时的升力值、加速度值、转速值并保存，同时绘制各项数据随时间变化的曲线；根据升力值、转速值与时间的实时曲线图获得电机螺旋桨系统的时间常数、响应时间和稳态值等参数；

（5）改变PWM值，重复步骤1-4，获得不同PWM输入下的升力值、转速值曲线，从而获得不同转速下电机螺旋桨系统的时间常数、响应时间和稳态值等参数；分析最大转速下的加速度值变化曲线，通过比较最大转速下的加速度值变化与设定的阈值，实现对电机螺旋桨系统的性能进行评定。

本发明的有益效果是，本发明通过识别电机螺旋桨系统工作时的震动情况，判断其是否可直接用于小型旋翼无人机上。本发明判定可用于小型旋翼无人机上的电机螺旋桨，则进一步测试其工作时的数据，传回上位机，通过上位机的处理，建立电机螺旋桨的工作特性曲线。本发明所建立的工作特性曲线，可用于无人机建模，以便实现对无人机的精确控制。本发明可以用于筛选工作特性一致的电机螺旋桨系统，使得多旋翼无人机的控制不会因电机螺旋桨系统的差异而增加难度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明所要测量电机螺旋桨系统的连接框图；

图2 是本发明中测量装置的结构框图；

图3 是本发明转速测量模块电路图；

图4 是本发明桥型应变片电路图；

图5是本发明微处理单元的工作过程图

图6 是本发明上位机的结构图；

图7是本发明上位机功能设计框图；

图8 是本发明实施例系统结构框图； 

图9 是本发明实施例装载桨叶1的系统三轴加速度曲线图；

图10 是本发明实施例装载桨叶2的系统三轴加速度曲线图；

图11 是本发明实施例装载桨叶2的转速响应曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所测量的电机螺旋桨系统包含电子调速器、电池、电机和螺旋桨，电子调速器与电池相连，将电池电压转换成5V输出；电子调速器与电机相连，控制电机的转动；螺旋桨安装在电机轴心上，随着电机的转动而转动。

如图2所示，本发明测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置包括重物平台、桥型应变片、加速度计、红外对管、AD转换模块、电压比较电路、微处理单元、通讯模块和上位机。电机固定于重物平台上，电子调速器、加速度计置于重物平台上，红外对管安装在重物平台上并朝向电机，桥型应变片置于重物平台底部。电子调速器的5V电源输出为测量装置供电，其控制信号线与微处理单元的PWM输出引脚相连。桥型应变片与AD转换模块相连，红外对管与电压比较电路相连，加速度计、AD转换模块、电压比较电路均与微处理单元相连，微处理单元通过通讯模块与上位机通信。

本发明中所用的固定电机的重物平台，实际由两部分组成，外部是一个高强度的塑料筒，内部则是重物砝码。根据需要，可在塑料筒内部放置不同规格的砝码，使得重物平台总重量比电机最大升力大。塑料筒顶部可以打出用于固定电机的安装孔。

本发明中的转速测量主要由红外对管完成，红外对管朝向电机安装，电机表面贴上白色标签，红外发射管向白色标签发射信号时，接收管输出高电平，向黑色电机表面发射信号时，接收管输出低电平。接收管输出信号是连续模拟信号，通过电压比较电路转换成数字脉冲信号，再与微处理单元的脉冲捕获引脚相连，将脉冲计数测速和脉冲周期测速得到的转速进行融合得到实际的转速。图3为红外对管与电压比较电路的电路图，红外对管由限流电阻R1、封装在壳体内的发射管D1和接收管D2组成，发射管D1正极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与5V电源相连，发射管D1负极接地。接收管D2负极接地。电压比较电路包含电阻R2、电阻R3和三极管Q1，三极管Q1的集电极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与5V电源相连，三极管Q1的发射极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接地。三极管Q1的基极与接收管D2的正极相连。三极管Q1的集电极作为speed信号输出端与微处理单元的脉冲捕捉引脚相连。

本发明中的升力测量由桥型应变片完成，如图4所示，桥型应变片是由四个压变电阻R4、R5、 R6、R7组成的桥型应变电路，桥型应变片输出的信号通过两路差分输入AD转换芯片进行放大转换，AD转换芯片与微处理单元进行通讯。桥型应变片安装于重物平台底部，测量压力的减少值，该减少值即是电机升力大小。

本发明中的加速度计安装在重物平台上，直接感受不同状态下系统的震动状况，通过SPI或者I2C协议与微处理单元进行通讯。

如图5所示，微处理单元通过串口接收中断方式，经通讯模块接收来自上位机软件的控制指令，解码，设定电机转速。通过脉冲捕捉中断读取相邻脉冲上升沿之间的时间，累计脉冲数。在主循环里，每20ms定时读取三轴加速度、利用上升沿间的时间、累计脉冲数计算电机转速，读取电机升力，数据更新结束后，传回上位机进行数据的分析处理并保存。

如图6所示，上位机可以由普通PC机实现，它与微处理单元之间主要采用蓝牙方式通讯。上位机的功能主要有，控制指令的下传，设定电机的转速、开/停机等；传感器数据的上传、解码；通过对数据帧的解析，可以获得实时的传感器数据，包括升力、加速度、转速。

上位机可以实时的显示串口数据，并解析传感器数据的数值大小，绘制实时曲线。实际使用中，上位机发给微处理单元一个转速设定值，对电机产生一个阶跃激励信号，输出数据即为电机螺旋桨系统的阶跃响应。在线绘制升力与时间、转速与时间的关系曲线，从中可以获得系统时间常数、稳定时间、超调量等动态参数，这些参数可以用于后续无人旋翼机的建模中。绘制三轴加速度与时间的关系，对比电机转动与静止时加速度的变化，若是在无外加减震措施情况下，转动时的数据在静止时的数据的±2m/s²以内，则震动较小，可直接用于旋翼机上，若震动较大，则需要进一步调整。

实验结束后，可以对保存的实验数据进行处理。进一步离线绘制升力与PWM、转速与PWM的关系曲线，通过对比曲线，可以选择出特性曲线比较接近的电机螺旋桨系统。同时该特性曲线可以用于无人旋翼机的控制仿真。

图7为本发明上位机功能设计框图，按照上面所述的上位机的功能逐一进行设计和实现，设置监控窗口可以实时查看收到的数据，并将其中有效的传感器数据解析并实时显示在显示控件上，选择蓝牙串口模块在当前所用的电脑上对应的串口号，同时通过点击对应的各个按钮能够实现对通讯的开关，数据保存的开关（默认为开），以及对已经保存的数据的清除，整个系统的启动和关闭。设定输入行可以任意设置合理的PWM输入并下传，便于实验的操作和设计，曲线显示部分可以通过选择曲线类型，实时显示对应的各项数据（升力，转速，PWM输入，加速度）随着时间变化的曲线，便于实验的实时观测，同时数据分析部分可以显示各项传感器数据（升力，转速，加速度）与PWM输入的关系曲线，在PWM输入不变时能够观测数据抖动情况，同时在设定新的PWM输入时看到数据的响应情况。整个上位机界面运行和操作时，可以实时提示当前的状态，例如操作是否完成，数据是否在保存等，进一步的方便人员的操作。

本发明测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的方法，包括以下步骤：

1、上位机与微处理单元通信，微处理单元输出PWM到电子调速器，启动电机。

2、电机带动螺旋桨转动，产生升力。桥型应变片测量压力信号，通过AD转换模块，将压力测量值传回微处理单元，经微处理单元处理获得升力值；加速度计测量震动信号并发送到微处理单元，经微处理单元处理获得三轴加速度值；红外对管测量电机的转速，通过电压比较电路传回微处理单元，经微处理单元处理获得转速值。

3、微处理单元将处理后得到的升力值、加速度值和转速值打包成数据帧通过通讯模块发送到上位机。

4、上位机将接收到的数据帧解码获得实时的升力值、加速度值、转速值并保存，同时绘制各项数据随时间变化的曲线。根据升力值、转速值与时间的实时曲线图获得电机螺旋桨系统的时间常数、响应时间和稳态值等参数。

5、改变PWM值，重复步骤1-4，获得不同PWM输入下的升力、转速值曲线，从而获得不同转速下电机螺旋桨系统的时间常数、响应时间和稳态值等参数。分析最大转速下的加速度值变化曲线，通过比较最大转速下的加速度值变化与设定的阈值，实现对电机螺旋桨系统的性能进行评定。

所述阈值由技术人员根据实际需要设定，无特殊要求。

图8所示为本发明的实施例框图，本发明实施例中的加速度计模块采用AD公司的三轴加速度计ADXL345，该加速度计工作于全分辨率模式，分辨率为3.9mg/LSB，测量范围为±16g，与微处理单元的I2C接口连接通讯。模块安装于塑料筒的上表面，通过加速度的波动情况感知电机螺旋桨转动带来的震动情况。

本发明实施例中的升力测量模块由桥型应变片电路（如图4）完成压力测量，应变片电路输出信号经由A/D转换器（本发明实施例选用芯片HX711）转换输出，与微处理单元普通IO口连接，IO口通过模拟HX711要求的协议进行通讯。该模块置于重物平台底部，实际中测量压力的减少值即电机升力大小。

本发明实施例的系统核心板选用STM32F103作为主控芯片，由电子调速器的5V输出供电，STM32输出PWM控制电子调速器，从而控制电机转速。电机转动时，桨会产生升力，使得应变片测得的压力变小，测量该减小值便能获得升力值。红外发射管（本发明实施例选用亿光红外对管）朝向电机发射红外光，电机转动一圈，STM32接收到一个脉冲信号，通过定时器的输入捕获引脚，获得两个脉冲上升沿之间的时间，该时间即为电机转动一圈的时间；同时，对一定时间内获得的脉冲上升沿进行计数，该值即为电机在固定时间内转动的圈数，对两者进行处理，获得电机的实际转速。电机转动时，电机螺旋桨系统本身会由于轴心的偏差或者桨的不平衡，产生震动。测量转动时加速计输出的大小，与静止时加速度计的输出做对比，判断该电机螺旋桨系统是否振动过大，若过大，则需要对该系统进行替换或者调整。STM32测得的升力、转速、加速度数据将通过蓝牙模块实时传回电脑，通过上位机进行保存和处理。

本实施例做出的两组实验，使用了同一款电机（本发明实施例选用朗宇X4112S）和两个同规格、外观上无明显区别的的桨叶（桨叶1和桨叶2），给定50%的PWM输入，测得两组系统的加速度数据（如图9、图10所示），可以得到震动情况对比。可以看出装载桨叶2的电机螺旋桨系统其X、Y轴向的加速度变化范围在±2m/s²内，相比桨叶1在X、Y轴向的加速度范围±4m/s²，其震动更小。选择桨叶2测出50%PWM输入下的转速响应曲线（如图11所示），可以得到电机稳定转速为2200r/min，经历0.9s的上升时间到达稳定值，系统为一阶系统，时间常数约为0.4，超调量近似为零。实验所得的各项参数可用于后期的数学模型的建立和分析。

Claims (3)

1.一种测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置，所测量的电机螺旋桨系统包含电子调速器、电池、电机和螺旋桨，电子调速器与电池相连，将电池电压转换成5V输出；电子调速器与电机相连，螺旋桨安装在电机轴心上；其特征在于，所述测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置包括重物平台、桥型应变片、加速度计、红外对管、AD转换模块、电压比较电路、微处理单元、通讯模块和上位机；电机固定于重物平台上，电子调速器和加速度计置于重物平台上，红外对管安装在重物平台上并朝向电机，桥型应变片置于重物平台底部；电子调速器的5V电源输出为测量装置供电，其控制信号线与微处理单元的PWM输出引脚相连；桥型应变片与AD转换模块相连，红外对管与电压比较电路相连，加速度计、AD转换模块和电压比较电路均与微处理单元相连，微处理单元通过通讯模块与上位机通信。

2.根据权利要求1所述测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的装置，其特征在于，所述红外对管由限流电阻R1、封装在壳体内的发射管D1和接收管D2组成，发射管D1正极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与5V电源相连，发射管D1负极接地；接收管D2负极接地；电压比较电路包含电阻R2、电阻R3和三极管Q1，三极管Q1的集电极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与5V电源相连，三极管Q1的发射极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接地；三极管Q1的基极与接收管D2的正极相连；三极管Q1的集电极作为speed信号输出端与微处理单元的脉冲捕捉引脚相连。

3.一种应用权利要求1所述装置测量电机螺旋桨系统工作性能及参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）上位机与微处理单元通信，微处理单元输出PWM到电子调速器，启动电机；

（2）电机带动螺旋桨转动，产生升力；桥型应变片测量压力信号，通过AD转换模块，将压力测量值传回微处理单元，经微处理单元处理获得升力值；加速度计测量震动信号并发送到微处理单元，经微处理单元处理获得三轴加速度值；红外对管测量电机的转速，通过电压比较电路传回微处理单元，经微处理单元处理获得转速值；

（3）微处理单元将处理后得到的升力值、加速度值和转速值打包成数据帧通过通讯模块发送到上位机；

（4）上位机将接收到的数据帧解码获得实时的升力值、加速度值、转速值并保存，同时绘制各项数据随时间变化的曲线；根据升力值、转速值与时间的实时曲线图获得电机螺旋桨系统的时间常数、响应时间和稳态值等参数；

（5）改变PWM值，重复步骤1-4，获得不同PWM输入下的升力、转速值曲线，从而获得不同转速下电机螺旋桨系统的时间常数、响应时间和稳态值等参数；分析最大转速下的加速度值变化曲线，通过比较最大转速下的加速度值变化与设定的阈值，实现对电机螺旋桨系统的性能进行评定。