CN107117332A - 一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，包括三角形支架，三角形支架的中部安装有支撑板，支撑板的中部安装有三维力传感器，三角形支架的中部还安装有支撑单元，支撑单元上安装有一端与三维力传感器相连的平衡杠杆单元，平衡杠杆单元的另一端安装有用以固定电机‑旋翼单元的安装支架，安装支架上靠近电机‑旋翼单元所在位置处安装有测试旋翼转速的光电传感器，三维力传感器、光电传感器连接有用以对电机‑旋翼单元测试的控制系统。本发明方便安装与拆卸，可同时测量旋翼的转速、推力以及桨毂力，同时可通过杠杆轴上配重块的移动从而改变力臂的长短，从而实现可以更换不同电机和旋翼的组合来进行实验的目的。
Description
技术领域
本发明涉及多旋翼无人机测试技术领域，具体的说是一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台。
背景技术
多旋翼无人机是一类可以进行垂直起降的旋翼式无人机。由于它不需要较长的起降跑道，可以在空中悬停和向各个方向飞行，同时具有结构简单，易于维护和操纵以及使用成本较低等优点，被广泛的应用于军事以及民用的各个领域。这类小型无人机的动力系统由机载动力电池、转速控制单元、直流无刷伺服电机和螺旋桨构成。在控制单元的控制下，由电池供电的直流电机带动螺旋桨旋转，为无人机提供所需的推力，驱动其在空中飞行。因此，动力系统的动态性能的优劣对多旋翼无人机的整体性能具有至关重要的影响。
在这类小型无人机的设计与开发过程中，一项重要和关键的任务就是对拟采用的动力系统整体动态性能进行测试。测试内容包括动力系统的控制命令-转速动态特性、转速-推力动态特性、转速-桨毂力动态特性、变负载特性以及电池性能放电性能、内阻及寿命对整体动力系统的影响等。由于这类小型多旋翼无人机是一个新兴的产业，目前还没有一套成型的测试平台可以同时测量这些性能。
中国专利公开号为CN105947233A，公开了一种多旋翼动力测试装置与方法，可以测试多旋翼无人机的动力性能和电源性能，但只能测单一方向上的拉力和扭矩，而不能测试桨毂力的大小。由于螺旋桨的气流测试效率和精度低，安装不具备多样性，应用范围较小。
发明内容
为了避免和解决上述技术问题，本发明提出了一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，包括三角形支架，所述三角形支架的中部安装有支撑板，所述支撑板的中部安装有三维力传感器，所述三角形支架的中部还安装有支撑单元，所述支撑单元上安装有一端与三维力传感器相连的平衡杠杆单元，所述平衡杠杆单元的另一端安装有用以固定电机-旋翼单元的安装支架，所述安装支架上靠近电机-旋翼单元所在位置处安装有测试旋翼转速的光电传感器，所述三维力传感器、光电传感器连接有用以对电机-旋翼单元测试的控制系统。
所述控制系统包括电源、与电源相连的上位计算机、与上位计算机相连的电子调速器、压力变送器、数据采集卡。
所述上位计算机包括用以发出电机速度指令的PWM输出模块和用以对采集到的数据分析处理的数据采集模块。
所述支撑单元包括两个固定座、分别安装在对应固定座上的两个螺杆、分别与两个螺杆固连且与平衡杠杆单元的中部连接的向心关节轴承紧固件、安装在向心关节轴承紧固件与平衡杠杆单元之间的橡胶垫圈。
所述向心关节轴承紧固件包括上半环和下半环，上半环和下半环均在其左右两端开有安装孔且上半环、下半环通过螺栓、螺母固连，所述下半环左右两端外侧开有与对应的螺杆配合的螺纹孔。
所述螺杆的两端开有螺纹，所述螺杆的一端与下半环螺纹配合，所述螺杆的另一端与对应的固定座螺纹配合。
所述平衡杠杆单元包括一端与三维力传感器相连且中部通过向心关节轴承安装在支撑单元上的杠杆轴、可沿杠杆轴直线移动的配重块。
所述配重块通过锁紧螺母实现在所述杠杆轴上的平滑移动与固定。
所述杠杆轴的中部位置穿过向心关节轴承内孔并与向心关节轴承内孔实现紧配合连接。
所述光电传感器位于电机-旋翼单元的下方且通过扎带固定在安装支架上。
本发明的有益效果是：
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明可同时测量旋翼的转速、推力以及桨毂力。
(2)采用杠杆，使被测的电机-旋翼单元悬空于离地面较高的位置，排除了地面以及其它物体由于旋翼旋转产生的气流场造成的涡流地面效应，使得测试的条件更接近于飞行器在空中的真实状态；同时可通过杠杆轴上配重块的移动从而改变力臂的长短，从而实现可以更换不同电机和旋翼的组合来进行实验的目的。
(3)平衡杠杆单元的传动部分采用向心关节轴承，具备一定的自主调心性，摩擦平滑，可以更好实现两个自由的微转动。
(4)采用可滑动的配重块实现可变负载的设计，负载可在杠杆轴上进行微调，从而改变负载端的负载力矩，达到变负载的目的。
(5)本发明具备可拆卸性，采用螺栓螺母连接，方便安装与拆卸。
(6)结构简单，可以进行实时数据的测量、反馈与整合。
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为本发明的总体立体结构示意图；
图2为本发明的电机-旋翼单元、平衡杠杆单元、三维力传感器的结构示意图。
图3为本发明的支撑单元、三角支架单元和向心关节轴承的结构示意图。
图4是本发明的控制系统工作原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图4所示，一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，包括三角形支架1，所述三角形支架1的中部安装有与地面垂直的支撑板2，所述支撑板2的中部安装有三维力传感器3，所述三角形支架1的中部还安装有支撑单元4，所述支撑单元4上安装有一端与三维力传感器3相连的平衡杠杆单元5，所述平衡杠杆单元5的另一端安装有用以固定电机-旋翼单元6的安装支架64，所述安装支架64上靠近电机-旋翼单元6所在位置处安装有测试旋翼转速的光电传感器7，所述三维力传感器3、光电传感器7连接有用以对电机-旋翼单元6测试的控制系统。
本发明的三角形支架1由铝型材制成，具有强度高的同时质量较轻，方便平台的自由搬运，简洁方便，可以实现自由拆卸。
所述支撑板2由铝合金材质制成。
所述三维力传感器3的X-Y轴平面平行于所述支撑板2上与三维力传感器3连接的平面。
所述支撑单元4包括安装在三角形支架1上的两个固定座44、分别安装在对应固定座44上的两个螺杆43、分别与两个螺杆43固连且与平衡杠杆单元5的中部连接的向心关节轴承紧固件42、安装在向心关节轴承紧固件42与平衡杠杆单元5之间的橡胶垫圈41。
所述向心关节轴承紧固件42包括上半环和下半环，上半环和下半环均在其左右两端开有安装孔且上半环和下半环通过螺栓、螺母固连，所述下半环左右两端外侧开有与对应的螺杆43配合的螺纹孔。
所述螺杆43的两端开有螺纹，所述螺杆43的一端与下半环螺纹配合，所述螺栓43的另一端与对应的固定座44相连。
所述平衡杠杆单元5包括一端与三维力传感器3相连且中部通过向心关节轴承52安装在支撑单元4的向心关节轴承紧固件42上的杠杆轴51、可沿杠杆轴51直线移动的配重块53。
所述三维力传感器的Z轴方向的力测试棒插入到杠杆轴51中，从而保证了检测的精度。
所述配重块53可以通过锁紧螺母实现在所述杠杆轴51上的平滑移动与固定，来实现在可变负载的情况下探究推力和桨毂力的变化的目的；所述杠杆轴51的中部位置穿过向心关节轴承52内孔并与向心关节轴承52内孔实现紧配合连接。向心关节轴承52的理想轴向同时平行于地面和所述三角形支架的三角形所在平面。这样就将向心关节轴承52固定在与三维力传感器3相同的水平面上，并通过杠杆轴51构成一个整体。
向心关节轴承52在一定程度上具有自动调心的功能，利用此特点可以简便的实现杠杆轴在向心关节轴承上一定范围内的自由运动，从而使三维力传感器能更好地测量推力和桨毂力的数值。因而向心关节轴承安装在杠杆轴的中部位置并能保证与杠杆轴的紧配合连接。
杠杆轴51的材质为铝合金，具有较轻的重量。
所述光电传感器7位于电机-旋翼单元6的下方且通过扎带固定在安装支架64上。
所述电机-旋翼单元6包括电机61、安装在电机61的电机轴63上的旋翼62，通过电机61驱动电机轴63，从而带动旋翼62进行旋转。旋翼将会采用不同的尺寸来进行对比实验。电机也会采用不同的型号来进行对比试验，从而探究推力和桨毂力的变化。
光电传感器7位于旋翼62半径范围之内，这样就可以旋翼62传过来的信号分析计算出当前旋翼62的转速的大小。
参见图4，所述控制系统包括电源8、电子调速器9、上位计算机10、压力变送器11和数据采集卡12，所述上位计算机10包括PWM输出模块和数据采集模块，电子调速器9根据所述上位计算机10的PWM输出模块发出电机速度指令控制所述电机-旋翼单元6的旋转速度，所述光电传感器7与所述三维力传感器3采集电机转速和旋翼产生的二维推力信号，再通过压力变送器11进行处理和放大，并转化为电信号传输给所述数据采集卡12，所述数据采集卡12整合采集到的二维推力和转速数据输入到所述上位计算机10的数据采集模块进行相应的分析处理，从而得到所需被测系统参数。
本发明可以安全有效地测试转子系统的控制命令-转速动态特性，转速-推力动态特性，转速-桨毂力动态特性以及变负载特性和电池性能放电性能、内阻及寿命对整体动力系统的影响等，如通过更换电源8，从而可实现电池性能测试。同时，在此平台上可以更换不同的电机与旋翼，从而实现对不同功率的电机和不同尺寸旋翼进行组合后的动力系统性能进行有效的测试，具有很大的灵活性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，包括三角形支架(1)，所述三角形支架(1)的中部安装有支撑板(2)，其特征在于：所述支撑板(2)的中部安装有三维力传感器(3)，所述三角形支架(1)上还安装有支撑单元(4)，所述支撑单元(4)上安装有一端与三维力传感器(3)相连的平衡杠杆单元(5)，所述平衡杠杆单元(5)的另一端安装有用以固定电机-旋翼单元(6)的安装支架(64)，所述安装支架(64)上靠近电机-旋翼单元(6)所在位置处安装有光电传感器(7)，所述三维力传感器(3)、光电传感器(7)连接有用以对电机-旋翼单元(6)测试的控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述控制系统包括电源(8)、与电源(8)相连的上位计算机(10)、与上位计算机(10)相连的电子调速器(9)、压力变送器(11)、数据采集卡(12)。
3.根据权利要求2所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述上位计算机(10)包括用以发出电机速度指令的PWM输出模块和用以对采集到的数据分析处理的数据采集模块。
4.根据权利要求1所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述支撑单元(4)包括两个固定座(44)、分别安装在对应固定座(44)上的两个螺杆(43)、分别与两个螺杆(43)固连且与平衡杠杆单元(5)的中部连接的向心关节轴承紧固件(42)、安装在向心关节轴承紧固件(42)与平衡杠杆单元(5)之间的橡胶垫圈(41)。
5.根据权利要求4所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述向心关节轴承紧固件(42)包括上半环和下半环，上半环和下半环均在其左右两端开有安装孔且上半环、下半环通过螺栓、螺母固连，所述下半环左右两端外侧开有与对应的螺杆(43)配合的螺纹孔。
6.根据权利要求5所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述螺杆(43)的两端开有螺纹，所述螺杆(43)的一端与下半环螺纹配合，所述螺杆(43)的另一端与对应的固定座(44)螺纹配合。
7.根据权利要求1所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述平衡杠杆单元(5)包括一端与三维力传感器(3)相连且中部通过向心关节轴承(52)安装在支撑单元(4)上的杠杆轴(51)、可沿杠杆轴(51)直线移动的配重块(53)。
8.根据权利要求7所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述配重块(53)通过锁紧螺母实现在所述杠杆轴(51)上的平滑移动与固定。
9.根据权利要求7所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述杠杆轴(51)的中部位置穿过向心关节轴承(52)内孔并与向心关节轴承(52)内孔实现紧配合连接。
10.根据权利要求1所述的一种小型多旋翼无人机旋翼动力系统的测试平台，其特征在于：所述光电传感器(7)位于电机-旋翼单元(6)的下方且通过扎带固定在安装支架(64)上。
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