CN108152062A - 一种高空全电无人机动力元件静态测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高空全电无人机动力元件静态测试装置及测试方法，属于小型无人航空器性能测试技术领域，主要由模拟高空压力室和动力元件性能测试平台组成。模拟高空压力室实现不同飞行高空环境下大气压力的模拟和动力元件测试平台的轴向定位，动力元件性能测试平台对动力系统推力、输入电能功率、桨叶转速、电机温度等参数的综合测量。基于本发明测试装置的方法有利于实现模拟高空飞行环境无人机动力元件性能参数的准确测量，实现将动力元件静态测试与环境试验有机结合起来，以适应不同参数功能部件性能测试需求，解决研发高空全电无人机过程中动力系统高空不同飞行环境下性能评价技术难题。

Description

一种高空全电无人机动力元件静态测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种高空全电无人机动力元件静态测试装置及测试方法，属于小型无人航空器性能测试技术领域。

背景技术

高空无人机是一种由机载程序控制飞行动作的无人驾驶飞行器，最早起源于军事战场战术侦察的特种作战飞行器。随着军民融合程度的不断加深，高空无人机逐渐在民用航空摄影、气象检测、地址勘测等领域应用。民用高空无人机区别于战场作战特种飞行器，主要强调功能性和飞行稳定性，考虑到电能功率易于获得、变换和传递，绝大部分民用高空无人机均采用电能功率作为能量来源。飞行动力来源于测试电机驱动螺旋桨旋转产生的气动力，高空全电无人机动力系统性能直接影响整机飞行动力和高空飞行稳定性。

高空全电无人机作为民用航空领域的一个新兴产业分支，国内外科研机构、企事业单位研究热情极高，新技术、新产品层出不穷，技术革新的速度和程度远超传统航空器。民用高空全电无人机设计研发技术的快速发展，极大地促进了与之配套的各类标准动力元件的发展。无人机研发人员为缩短新型无人机研发周期，降低新型无人机制造生产过程的成本投入，在设计、定型、试验阶段通常采用标准动力元件。现阶段高空全电无人机硬件系统集成化程度最高，其中最为突出的就是无人机动力系统集成化程度高达80％以上，包括全电马达、螺旋桨、锂电池等相关硬件。而标准动力元件的应用也存在潜在的技术盲区，功能部件的生产厂家从自身技术封锁和知识产权保护的角度出发，与产品配套技术资料中仅仅给出相关使用工况、操作规范及安全信息，并未涉及详尽的性能参数数据。另一方面，绝大多数性能信息仅仅来源于相对局限空域和飞行时间范围内。

针对此类航空器动力元件性能试验数据十分匮乏，现有技术中未发现针对高空全电无人机动力元件相关工程测试方法，主要根据无人机飞行数据换算而得，无法为无人机研发人员研制高海拔、高稳定性无人机产品相关设计优化工作提供数据支撑，相应的全电无人机动力元件的性能及可靠性也就无法保证，全寿命周期内计量保障更无从谈起。因此寻求解决高空全电无人机动力元件性能测试难题，解决模拟高空工况环境下高空全电无人机动力元件性能测试瓶颈问题，实现动力元件性能参数的合理表征，是十分重要的研究任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种高空全电无人机动力元件静态测试装置及测试方法，以保证高空全电无人机动力稳定、可靠飞行，验证高空全电无人机动力元件性能及可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高空全电无人机动力元件静态测试装置，包括模拟高空压力室和动力元件性能测试平台。

其中模拟高空压力室包括：真空罐体、固定端密封端盖、抽气口、排气口、数据线输出口、快开式密封端盖、弹簧卡扣、导向圆导轨、梯形丝杠、丝杠螺母、直线轴承、固定端轴承座、快开端轴承座、定位锁紧机构、驱动手轮、数字式标准气压计、真空泵、抽气管路、高精度多通道数据采集卡、数据处理PC；

所述模拟高空压力室中真空罐体为细长型透明材质的圆筒，真空罐体内设有水平方向安装隔板，安装隔板与真空罐体固定连接，为动力元件性能测试平台导向支撑结构提供水平安装平面；真空罐体一端为固定端密封端盖，为常闭式静密封结构，通过在固定端密封端盖上开环形密封槽内嵌密封圈，依靠螺钉紧固挤压实现静态密封；固定端密封端盖设有抽气口、排气口，抽气口、排气口与固定端密封端盖通过管螺纹连接，并在接触处涂有玻璃胶，以此保证模拟高空压力室内部的气密性，其中抽气口通过抽气管路与真空泵连接，排气口安装手动阀开关；真空罐体水平方向安装隔板上固定安装有一对平行导向圆导轨，相应的每根导向圆导轨上放置两个直线轴承，直线轴承可在导向圆导轨滑动；导向圆导轨对称中心线方向上安装有梯形丝杠和丝杠螺母组成的定位装置，梯形丝杠两端通过固定端轴承座、快开端轴承座支撑，其中梯形丝杠的轴承支撑采用一端固定一端游隙，固定端轴承座内含两个角接触球轴承背对背安装两端固定，快开端轴承座内含一个深沟球球轴承；梯形丝杠在快开端轴承座一端安装有定位锁紧机构，定位锁紧机构的锁紧环套在梯形丝杠轴颈处，以实现锁紧环在收缩状态下对梯形丝杠轴的抱紧锁死功能；梯形丝杠定位锁紧机构外侧与手轮固联，通过手动摇动驱动手轮进而驱动梯形丝杠转动；真空罐体另一端为快开式密封端盖，通过在快开式密封端盖上开环形密封槽内嵌密封圈，依靠弹簧卡扣提供卡紧力挤压密封圈实现静态密封；真空罐体顶端固定安装有数字式标准气压计，并在接触处涂有玻璃胶，以此保证模拟高空压力室内部的气密性，可实时测量模拟高空压力室的气压值；

其中动力元件性能测试平台包括：光电测速传感器、推力测量传感器支架、测试动力锂电源、高精度单分量拉力传感器、电机支架、测试电机、贴片式测温传感器、测试螺旋桨、第一悬挂铍青铜薄片、第二悬挂铍青铜薄片、第三悬挂铍青铜薄片、第四悬挂铍青铜薄片、悬挂支架、基础安装底板、电压电流表、电子调速器、遥控器；

所述动力元件性能测试平台中基础安装底板底面与丝杠螺母和直线轴承固定连接，以实现在丝杠螺母的牵引下沿着直线轴承导向方向运动；推力测量传感器支架固定安装于基础安装底板一侧上端面，与基础安装底板对称中心线保持一致；高精度单分量拉力传感器一端与推力测量传感器支架固定连接，另一端与电机支架固定连接；电机支架为矩形铝合金框架结构，测试电机通过输出端端部安装孔与电机支架一端固定连接，电机支架的另一端与高精度单分量拉力传感器固定连接，安装位置保证测试电机转子旋转轴线(即测试电机输出轴轴线)与高精度单分量拉力传感器测力轴线重合；测试电机输出轴与测试螺旋桨固定连接；第一悬挂铍青铜薄片、第二悬挂铍青铜薄片、第三悬挂铍青铜薄片、第四悬挂铍青铜薄片的一端分别与电机支架的四个角点固定连接，另一端分别于悬挂支架对应的四个外伸支撑点固定连接，起到消除由测试电机和电机支架重力引入的对高精度单分量拉力传感器非测力轴线方向上的干扰，同时铍青铜薄片可在测试螺旋桨产生气动力方向上发生微小形变，进而引起电机支架微小位移牵引高精度单分量拉力传感器产生推力测量值；铍青铜薄片为长条形薄片，需经过固溶和时效热处理，弹力恢复性和尺寸稳定性均优于常规金属弹性材料，铍青铜薄片的长度根据悬挂支架外伸支撑点与测试电机转子旋转轴线(即测试电机输出轴轴线)的垂直距离而定，主要起到保证测试电机转子旋转轴线(即测试电机输出轴轴线)与高精度单分量拉力传感器测力轴线重合，铍青铜薄片厚度根据测试螺旋桨在测试电机标称转速下的气动推力大小确定；基础安装底板对称中心线上近测试螺旋桨一端固定安装有光电测速传感器；测试电机转子绕组位置黏贴贴片式测温传感器，四片贴片式测温传感器呈对称布置组成测温桥路；基础安装底板设有动力元件安装区域，依次放置测试动力锂电源、电压电流表、电子调速器、光电测速传感器、高精度单分量拉力传感器、电压电流表，贴片式测温传感器黏贴在测试电机转子绕组位置，上述所有传感器的数据线均从固定端密封端盖上数据线输出口引出连接至高精度多通道数据采集卡，数据线输出口需做硫化处理；数字式标准气压计的数据连接高精度多通道数据采集卡；高精度多通道数据采集卡与数据处理PC连接，以便气压数据传输给数据处理PC进行运算处理；

所述一种高空全电无人机动力元件静态测试装置中模拟高空压力室内部压力通过真空泵进行调节，可实现一定范围内飞行高度气压条件的模拟，内部压力通过数字式标准气压计直接读取；动力电源输出给电压电流表、电子调速器、光电测速传感器、高精度单分量拉力传感器和测试电机供电；电子调速器接收模拟高空压力室外遥控器的信号控制，控制测试电机启动和停止，同时通过调整输出的脉宽信号控制测试电机转速；测试电机旋转轴带动测试螺旋桨转动，产生测试螺旋桨旋转正交法向方向上的气动力，牵引与测试电机固定连接的电机支架在高精度单分量拉力传感器测力轴线方向上发生微小位移，微小位移的产生是第一悬挂铍青铜薄片、第二悬挂铍青铜薄片、第三悬挂铍青铜薄片、第四悬挂铍青铜薄片小角度变形而来，悬挂吊装的方式保证了气动力作用线与高精度单分量拉力传感器测力轴线的基准统一，同时抵消了由测试电机和电机支架重力所引入的外界干扰力；测试螺旋桨产生的气动力通过高精度单分量拉力传感器直接测得；测试电机在工作过程中转子绕组位置的温度变化通过贴片式测温传感器直接测得；测试螺旋桨一只桨叶上固定有反光贴片，当光电测速传感器发射激光对准反光贴片，光电测速传感器检测从反光贴片反射回的反射信号，从而获得测试螺旋桨工作过程中的转速信息；电压电流表串接入供电回路中，测量动力元件工作过程中回路电流和负载电压；贴片式测温传感器、光电测速传感器、高精度单分量拉力传感器、电压电流表、数字式标准气压计测量数据通过高精度多通道数据采集卡传送给数据处理PC端，数据处理PC端将对测量数据进行分析处理获得高空全电无人机动力元件静态测试性能数据。

一种高空全电无人机动力元件静态测试方法，该方法于上述高空全电无人机动力元件静态测试装置上实现，该方法包含以下步骤：

(1)将光电测速传感器、推力测量传感器支架、测试动力锂电源、高精度单分量拉力传感器、电机支架、测试电机、贴片式测温传感器、测试螺旋桨、第一悬挂铍青铜薄片、第二悬挂铍青铜薄片、第三悬挂铍青铜薄片、第四悬挂铍青铜薄片、悬挂支架、基础安装底板、电压电流表、电子调速器安装在动力元件性能测试平台指定安装位置并可靠连接；

(2)动力元件性能测试平台安装到模拟高空压力室直线轴承和丝杠螺母上，高精度单分量拉力传感器、贴片式测温传感器、光电测速传感器、电压电流表数据线由固定端密封端盖数据线输出口引出连接至高精度多通道数据采集卡，接口处完成相应密封处理；

(3)盖上固定端密封端盖，拧紧固定端密封端盖紧固螺钉完成固定端密封，驱动手轮带动梯形丝杠转动，丝杠螺母牵引动力元件性能测试平台到达指定测试位置，拧紧定位锁紧机构抱紧梯形丝杠；

(4)盖上快开式密封端盖，并通过扣紧弹簧卡扣完成密封，将数字式标准气压计安装在真空罐体指定位置，数据线连接至高精度多通道数据采集卡；

(5)关闭固定端密封端盖排气口，打开抽气口，开动真空泵抽气，待数字式标准气压计达到试验要求的指定气压值，关闭真空泵和抽气口，保持模拟高空压力室气压条件；

(6)由遥控器发出控制信号，打开测试动力锂电源，测试动力锂电源给传感器和测试电机供电，测试螺旋桨转动；

(7)测试螺旋桨旋转产生正交法向方向上的气动力，牵引与测试电机固定连接的电机支架在高精度单分量拉力传感器测力轴线方向上发生微小位移，高精度单分量拉力传感器将气动力转变成应变电压值输出，并通过高精度多通道数据采集卡传送给数据处理PC，数据处理PC将应变电压值转化为测试螺旋桨旋转产生的气动力；

(8)贴片式测温传感器测量测试电机转子绕组处的温度，并将温度转变成电压值输出，并通过高精度多通道数据采集卡传送给数据处理PC，数据处理PC将电压值转化为测试电机运行过程中的温度；

(9)电压电流表测量回路电流和负载电压，并通过高精度多通道数据采集卡传送给数据处理PC，数据处理PC将二者乘积作为测试动力锂电源的有效功率；

(10)光电测速传感器发射激光，并检测从反光贴片反射回的反射信号，并将反射信号通过高精度多通道数据采集卡传送给数据处理PC，数据处理PC根据反射信号获得测试螺旋桨的转速。

上述动力元件性能测试平台在模拟高空压力室内轴向位置调整，尽量保证气动推力施力方向上的空间，以减少内部空气循环效应；

上述动力元件性能测试平台中测试动力锂电源的有效功率为电流电压表测量的供电回路电流与负载电压测量值的乘积；

上述动力元件性能测试平台在模拟高空压力室内轴向位置调整完成后，定位锁紧机构将梯形丝杠抱紧锁死后定位，防止动力元件性能测试平台轴向微小运动影响测量结果。

有益效果

1.本发明针对高空全电无人机动力元件性能测试需求，在符合工程实践的假定条件下，以通用性、扩展性、综合性为优化目标，建立一个模拟高空飞行环境无人机动力元件性能综合测试方法，将动力元件静态测试与环境试验有机结合起来，以适应不同参数功能部件性能测试需求，解决研发高空全电无人机过程中动力系统高空飞行环境下性能评价技术难题，进而保障高空无人机的可靠飞行；

2.本发明的一种高空全电无人机动力元件静态测试方法，四条柔性悬挂铍青铜薄片四点悬挂吊装动力元件的方式保证了气动力作用线与高精度单分量拉力传感器测力轴线的基准统一，同时抵消了由测试电机和电机支架重力所引入的外界干扰力；

3.本发明的一种高空全电无人机动力元件静态测试方法，采用模块化组合形式，性能参数测量范围可通过搭配不同量程的传感器进行调整，适用性强扩展性好；

4.本发明的一种高空全电无人机动力元件静态测试方法，采用模拟高空压力室作为高空无人机飞行气压条件，可适用于不同飞行高度环境测试需求，同时可实现动力系统推力、输入电能功率、桨叶转速、测试电机温度等参数的综合测量。

附图说明

图1为本发明的模拟高空压力室结构示意图；

图2为本发明的动力元件性能测试平台结构示意图；

图3为本发明的高空全电无人机动力元件静态测试装置总体图；

图4为高空全电无人机动力元件静态测试试验数据。

其中图a)为三种气压条件下测试螺旋桨转速与系统推力关系图；图b)为三种气压条件下测试螺旋桨转速与测试动力锂电源有效功率关系图；图c)为三种气压条件下测试螺旋桨转速与测试电机温度关系图。

其中，1—真空罐体；2—固定端密封端盖；3—抽气口；4—排气口；5—数据线输出口；6—快开式密封端盖；7—弹簧卡扣；8—导向圆导轨；9—梯形丝杠；10—丝杠螺母；11—直线轴承；12—固定端轴承座；13—快开端轴承座；14—定位锁紧机构；15—驱动手轮；16—数字式标准气压计；17—真空泵；18—抽气管路；19—高精度多通道数据采集卡；20—数据处理PC；21—光电测速传感器；22—推力测量传感器支架；23—测试动力锂电源；24—高精度单分量拉力传感器；25—电机支架；26—测试电机；27—贴片式测温传感器；28—测试螺旋桨；29—第一悬挂铍青铜薄片；30—第二悬挂铍青铜薄片；31—第三悬挂铍青铜薄片；32—第四悬挂铍青铜薄片；33—为悬挂支架；34—基础安装底板；35—电压电流表；36—电子调速器；37—遥控器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种高空全电无人机动力元件静态测试装置，包括模拟高空压力室和动力元件性能测试平台。

其中模拟高空压力室如图1所示，包括：真空罐体1、固定端密封端盖2、抽气口3、排气口4、数据线输出口5、快开式密封端盖6、弹簧卡扣7、导向圆导轨8、梯形丝杠9、丝杠螺母10、直线轴承11、固定端轴承座12、快开端轴承座13、定位锁紧机构14、驱动手轮15、数字式标准气压计16、真空泵17、抽气管路18、高精度多通道数据采集卡19、数据处理PC 20；

其中动力元件性能测试平台如图2，包括：光电测速传感器21、推力测量传感器支架22、测试动力锂电源23、高精度单分量拉力传感,24、电机支架25、测试电机26、贴片式测温传感器27、测试螺旋桨28、第一悬挂铍青铜薄片29、第二悬挂铍青铜薄片30、第三悬挂铍青铜薄片31、第四悬挂铍青铜薄片32、悬挂支架33、基础安装底板34、电压电流表35、电子调速器36、遥控器37；

所述模拟高空压力室中真空罐体1为细长型透明材质的圆筒，真空罐体1内设有水平方向安装隔板，安装隔板与真空罐体1固定连接，为动力元件性能测试平台导向支撑结构提供水平安装平面；真空罐体1一端为固定端密封端盖2，为常闭式静密封结构，通过在固定端密封端盖2上开环形密封槽内嵌密封圈，依靠螺钉紧固挤压实现静态密封；固定端密封端盖2设有抽气口3、排气口4，抽气口3、排气口4与固定端密封端盖2通过管螺纹连接，并在接触处涂有玻璃胶，以此保证模拟高空压力室内部的气密性，其中抽气口3通过抽气管路与真空泵17连接，排气口安装手动阀开关；真空罐体1水平方向安装隔板上固定安装有一对平行导向圆导轨8，相应的每根导向圆导轨8上放置两个直线轴承11，直线轴承11可在导向圆导轨8滑动；导向圆导轨8对称中心线方向上安装有梯形丝杠9和丝杠螺母10组成的定位装置，梯形丝杠9两端通过固定端轴承座12、快开端轴承座支撑13，其中梯形丝杠9的轴承支撑采用一端固定一端游隙，固定端轴承座12内含两个角接触球轴承背对背安装两端固定，快开端轴承座13内含一个深沟球球轴承；梯形丝杠9在快开端轴承座13一端安装有定位锁紧机构14，定位锁紧机构14的锁紧环套在梯形丝杠9轴颈处，以实现锁紧环在收缩状态下对梯形丝杠9轴的抱紧锁死功能，防止动力元件性能测试平台轴向微小运动影响测量结果；梯形丝杠9定位锁紧机构14外侧与手轮固联，通过手动摇动驱动手轮15进而驱动梯形丝杠9转动；真空罐体1另一端为快开式密封端盖6，通过在快开式密封端盖6上开环形密封槽内嵌密封圈，依靠弹簧卡扣7提供卡紧力挤压密封圈实现静态密封；真空罐体1顶端固定安装有数字式标准气压计16，并在接触处涂有玻璃胶，以此保证模拟高空压力室内部的气密性，可实时测量模拟高空压力室的气压值；

所述动力元件性能测试平台中基础安装底板34底面与丝杠螺母10和直线轴承11固定连接，整体安装效果如图3，以实现在丝杠螺母10的牵引下沿着直线轴承11导向方向运动；推力测量传感器支架22固定安装于基础安装底板34一侧上端面，与基础安装底板34对称中心线保持一致；高精度单分量拉力传感器24一端与推力测量传感器支架22固定连接，另一端与电机支架25固定连接；电机支架25为矩形铝合金框架结构，测试电机26通过输出端端部安装孔与电机支架25一端固定连接，电机支架25的另一端与高精度单分量拉力传感器24固定连接，安装位置保证测试电机26转子旋转轴线(即测试电机26输出轴轴线)与高精度单分量拉力传感器24测力轴线重合；测试电机26输出轴与测试螺旋桨28固定连接；第一悬挂铍青铜薄片29、第二悬挂铍青铜薄片30、第三悬挂铍青铜薄片31、第四悬挂铍青铜薄片32的一端分别与电机支架25的四个角点固定连接，另一端分别与悬挂支架33对应的四个外伸支撑点固定连接，起到消除由测试电机26和电机支架25重力引入的对高精度单分量拉力传感器24非测力轴线方向上的干扰，同时铍青铜薄片可在测试螺旋桨28产生气动力方向上发生微小形变，进而引起电机支架25微小位移牵引高精度单分量拉力传感器24产生推力测量值；铍青铜薄片为长条形薄片，需经过固溶和时效热处理，弹力恢复性和尺寸稳定性均优于常规金属弹性材料，铍青铜薄片的长度根据悬挂支架外伸支撑点与测试电机26转子旋转轴线(即测试电机输出轴轴线)的垂直距离而定，主要起到保证测试电机26转子旋转轴线(即测试电机输出轴轴线)与高精度单分量拉力传感器24测力轴线重合，铍青铜薄片厚度根据测试螺旋桨28在测试电机26标称转速下的气动推力大小确定；基础安装底板34对称中心线上近测试螺旋桨28一端固定安装有光电测速传感器21；测试电机26转子绕组位置黏贴贴片式测温传感器27，四片贴片式测温传感器27呈对称布置组成测温桥路；基础安装底板34设有动力元件安装区域，依次放置测试动力锂电源23、电压电流表35、电子调速器36、光电测速传感器21、高精度单分量拉力传感器24、电压电流表35，贴片式测温传感器27黏贴在测试电机转子绕组位置，上述所有传感器的数据线均从固定端密封端盖2上数据线输出口5引出连接至高精度多通道数据采集卡19，数据线输出口5需做硫化处理；数字式标准气压计16的数据连接高精度多通道数据采集卡19；高精度多通道数据采集卡19与数据处理PC 20连接，以便气压数据传输给数据处理PC 20进行运算处理；

所述一种高空全电无人机动力元件静态测试装置中模拟高空压力室内部压力通过真空泵17进行调节，可实现一定范围内飞行高度气压条件的模拟，内部压力通过数字式标准气压计16直接读取；动力电源23输出给电压电流表35、电子调速器26、光电测速传感器21、高精度单分量拉力传感器24和测试电机26供电；电子调速器36接收模拟高空压力室外遥控器37的信号控制，控制测试电机26启动和停止，同时通过调整输出的脉宽信号控制测试电机26转速；测试电机26旋转轴带动测试螺旋桨28转动，产生测试螺旋桨28旋转正交法向方向上的气动力，牵引与测试电机26固定连接的电机支架25在高精度单分量拉力传感器24测力轴线方向上发生微小位移，微小位移的产生是第一悬挂铍青铜薄片29、第二悬挂铍青铜薄片30、第三悬挂铍青铜薄片31、第四悬挂铍青铜薄片32小角度变形而来，悬挂吊装的方式保证了气动力作用线与高精度单分量拉力传感器24测力轴线的基准统一，同时抵消了由测试电机26和电机支架25重力所引入的外界干扰力；测试螺旋桨28产生的气动力通过高精度单分量拉力传感器24直接测得；测试电机26在工作过程中转子绕组位置的温度变化通过贴片式测温传感器27直接测得；测试螺旋桨28一只桨叶上固定有反光贴片，当光电测速传感器21发射激光对准反光贴片，光电测速传感器21检测从反光贴片反射回的反射信号，从而获得测试螺旋桨28工作过程中的转速信息；电压电流表35串接入供电回路中，测量动力元件工作过程中回路电流和负载电压；贴片式测温传感器27、光电测速传感器21、高精度单分量拉力传感器24、电压电流表35、数字式标准气压计16测量数据通过高精度多通道数据采集卡19传送给数据处理PC 20端，数据处理PC 20端将对测量数据进行分析处理获得高空全电无人机动力元件静态测试性能数据。

一种高空全电无人机动力元件静态测试方法，该方法于上述高空全电无人机动力元件静态测试装置上实现，该方法包含以下步骤：

(1)将光电测速传感器21、推力测量传感器支架22、测试动力锂电源23、高精度单分量拉力传感器24、电机支架25、测试电机26、贴片式测温传感器27、测试螺旋桨28、第一悬挂铍青铜薄片29、第二悬挂铍青铜薄片30、第三悬挂铍青铜薄片31、第四悬挂铍青铜薄片32、悬挂支架33、基础安装底板34、电压电流表35、电子调速器36安装在动力元件性能测试平台指定安装位置并可靠连接；

(2)动力元件性能测试平台安装到模拟高空压力室直线轴承11和丝杠螺母10上，高精度单分量拉力传感器24、贴片式测温传感器27、光电测速传感器21、电压电流表35数据线由固定端密封端盖2数据线输出口5引出连接至高精度多通道数据采集卡19，接口处完成相应密封处理；

(3)盖上固定端密封端盖2，拧紧固定端密封端盖2紧固螺钉完成固定端密封，驱动手轮15带动梯形丝杠9转动，丝杠螺母10牵引动力元件性能测试平台到达指定测试位置，尽量保证气动推力施力方向上的空间，测试螺旋桨28布置在压力室最长轴线方向上是为了减少内部空气循环效应，拧紧定位锁紧机构14抱紧梯形丝杠9；

(4)盖上快开式密封端盖6，并通过扣紧弹簧卡扣7完成密封，将数字式标准气压计16安装在真空罐体1指定位置，数据线连接至高精度多通道数据采集卡19；

(5)关闭固定端密封端盖2排气口，打开抽气口3，开动真空泵17抽气，待数字式标准气压计16达到试验要求的指定气压值，关闭真空泵17和抽气口3，保持模拟高空压力室气压条件；

(6)由遥控器37发出控制信号，打开测试动力锂电源23，测试动力锂电源23给传感器和测试电机26供电，测试螺旋桨28转动；

(7)测试螺旋桨28旋转产生正交法向方向上的气动力，牵引与测试电机26固定连接的电机支架25在高精度单分量拉力传感器24测力轴线方向上发生微小位移，高精度单分量拉力传感器24将气动力转变成应变电压值输出，并通过高精度多通道数据采集卡19传送给数据处理PC 20，数据处理PC 20将应变电压值转化为测试螺旋桨28旋转产生的气动力；

(8)贴片式测温传感器27测量测试电机26转子绕组处的温度，并将温度转变成电压值输出，并通过高精度多通道数据采集卡19传送给数据处理PC 20，数据处理PC 20将电压值转化为测试电机26运行过程中的温度；

(9)电压电流表35测量回路电流和负载电压，并通过高精度多通道数据采集卡19传送给数据处理PC 20，数据处理PC 20将二者乘积作为测试动力锂电源23的有效功率；

(10)光电测速传感器21发射激光，并检测从反光贴片反射回的反射信号，并将反射信号通过高精度多通道数据采集卡19传送给数据处理PC 20，数据处理PC 20根据反射信号获得测试螺旋桨28的转速。

模拟高空压力室内部压力通过真空泵17进行调节，可实现气压调整范围为0～1Mpa，可实现海拔高度0～10Km的气压条件，通过数字式标准气压计16直接测量压力是内部气压，测量精度±0.01Mpa。动力元件性能测试平台螺旋桨28采用Hacker C50-15XL无刷直流测试电机直接驱动，该型无刷直流测试电机前端搭载减速比为7的齿轮减速器。测试电机的转速通过Hacker MasterSPIN 99Opto电子调速器进行控制，可实现测试螺旋桨28桨叶转速0～3000r/min范围内的无级调速。测试螺旋桨28为T-Motor 1555碳纤维系列全尺寸正反桨叶一对。测试动力锂电源23为国产千水星航模锂电源，性能参数如表1。测试过程中测试电机26的启停调速均通过远程无线遥控器37实现，型号为Futaba LXXGG2，8通道，2.4GHz带宽。

表1

额定电压/V	满载电压/V	容量/mAh
			7.4	8.4	2200

动力元件性能测试平台可实现动力系统推力、输入电压、电流、桨叶转速、测试电机温度的直接测量，有效功率为间接测量。其中直接测量量选用传感器及测量精度如下表2。

表2

本实施例进行了高空全电无人机动力元件静态测试，具体静态测试数据如图4所示。

试验数据表明本发明的一种高空全电无人机动力元件静态测试装置及测试方法可以准确测量标准动力元件工作过程中动力系统推力、输入电压、电流、桨叶转速、测试电机温度，以便对标准动力元件性能的评价及验证，该静态测试装置及测试方法具有良好的可行性，测试装置结构简单、性能可靠。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种高空全电无人机动力元件静态测试装置，其特征在于：包括模拟高空压力室和动力元件性能测试平台；

模拟高空压力室为能够打开的、透明的、密闭的且具有长度的结构；在端部开设抽真空口；

动力元件性能测试平台包括：悬挂支架、电机支架、薄片、测温传感器、测速传感器、测力传感器、电压电流表、测试电机、测试动力锂电源和测试螺旋桨；

支架固定在底板上；待测的测试螺旋桨与测试电机连接，测试电机输出端与电机支架固定，通过薄片将电机支架四点悬吊在悬挂支架上，电机远离测试螺旋桨的一端与测力传感器固定连接；测力传感器的另一端通过支架固定在底板上，测量动力元件工作过程中产生的气动推力；测速传感器固定与底板近螺旋桨一端，测量测试螺旋桨转速；测温传感器固定于测试电机绕组位置，测量测试电机工作过程中的温度；电压电流表串接入供电回路，测量回路电流和负载电压，进而获得测试动力锂电源有效功率。

2.如权利要求1所述的一种高空全电无人机动力元件静态测试装置，其特征在于：所述薄片为长条形的铍青铜薄片，需经过固溶和时效热处理，保证弹力恢复性和尺寸稳定性，铍青铜薄片的长度根据悬挂支架(33)外伸支撑点与测试电机(26)转子旋转轴线的垂直距离而定，主要起到保证测试电机(26)转子旋转轴线与高精度单分量拉力传感器(24)测力轴线重合，铍青铜薄片厚度根据测试螺旋桨(28)在测试电机(26)标称转速下的气动推力大小确定。

3.如权利要求1所述的一种高空全电无人机动力元件静态测试装置，其特征在于：所述模拟高空压力室包括：真空罐体(1)、固定端密封端盖(2)、抽气口(3)、排气口(4)、数据线输出口(5)、快开式密封端盖(6)、弹簧卡扣(7)、导向圆导轨(8)、梯形丝杠(9)、丝杠螺母(10)、直线轴承(11)、固定端轴承座(12)、快开端轴承座(13)、定位锁紧机构(14)、驱动手轮(15)、数字式标准气压计(16)、真空泵(17)、抽气管路(18)、高精度多通道数据采集卡(19)、数据处理PC(20)；

所述模拟高空压力室中真空罐体(1)为细长型透明材质的圆筒，真空罐体(1)内设有水平方向安装隔板，安装隔板与真空罐体(1)固定连接，为动力元件性能测试平台导向支撑结构提供水平安装平面；真空罐体(1)一端为固定端密封端盖(2)，为常闭式静密封结构，通过在固定端密封端盖(2)上开环形密封槽内嵌密封圈，依靠螺钉紧固挤压实现静态密封；固定端密封端盖(2)设有抽气口(3)、排气口(4)，抽气口(3)、排气口(4)与固定端密封端盖(2)通过管螺纹连接，并在接触处涂有玻璃胶，以此保证模拟高空压力室内部的气密性，其中抽气口(3)通过抽气管路与真空泵(17)连接，排气口安装手动阀开关；真空罐体(1)水平方向安装隔板上固定安装有一对平行导向圆导轨(8)，相应的每根导向圆导轨(8)上放置两个直线轴承(11)，直线轴承(11)在导向圆导轨(8)滑动；导向圆导轨(8)对称中心线方向上安装有梯形丝杠(9)和丝杠螺母(10)组成的定位装置，梯形丝杠(9)两端通过固定端轴承座(12)、快开端轴承座支撑(13)，其中梯形丝杠(9)的轴承支撑采用一端固定一端游隙，固定端轴承座(12)内含两个角接触球轴承背对背安装两端固定，快开端轴承座(13)内含一个深沟球球轴承；梯形丝杠(9)在快开端轴承座(13)一端安装有定位锁紧机构(14)，定位锁紧机构(14)的锁紧环套在梯形丝杠(9)轴颈处，以实现锁紧环在收缩状态下对梯形丝杠(9)轴的抱紧锁死功能，防止动力元件性能测试平台轴向微小运动影响测量结果；梯形丝杠(9)定位锁紧机构(14)外侧与手轮固联，通过手动摇动驱动手轮(15)进而驱动梯形丝杠(9)转动；真空罐体(1)另一端为快开式密封端盖(6)，通过在快开式密封端盖(6)上开环形密封槽内嵌密封圈，依靠弹簧卡扣(7)提供卡紧力挤压密封圈实现静态密封；真空罐体(1)顶端固定安装有数字式标准气压计(16)，并在接触处涂有玻璃胶，以此保证模拟高空压力室内部的气密性，实时测量模拟高空压力室的气压值。

4.如权利要求1所述的一种高空全电无人机动力元件静态测试装置，其特征在于：所述动力元件性能测试平台包括：光电测速传感器(21)、推力测量传感器支架(22)、测试动力锂电源(23)、高精度单分量拉力传感,(24)、电机支架(25)、测试电机(26)、贴片式测温传感器(27)、测试螺旋桨(28)、第一悬挂铍青铜薄片(29)、第二悬挂铍青铜薄片(30)、第三悬挂铍青铜薄片(31)、第四悬挂铍青铜薄片(32)、悬挂支架(33)、基础安装底板(34)、电压电流表(35)、电子调速器(36)、遥控器(37)；

所述动力元件性能测试平台中基础安装底板(34)底面与丝杠螺母(10)和直线轴承(11)固定连接，以实现在丝杠螺母(10)的牵引下沿着直线轴承(11)导向方向运动；推力测量传感器支架(22)固定安装于基础安装底板(34)一侧上端面，与基础安装底板(34)对称中心线保持一致；高精度单分量拉力传感器(24)一端与推力测量传感器支架(22)固定连接，另一端与电机支架(25)固定连接；电机支架(25)为矩形铝合金框架结构，测试电机(26)通过输出端端部安装孔与电机支架(25)一端固定连接，电机支架(25)的另一端与高精度单分量拉力传感器(24)固定连接，安装位置保证测试电机(26)转子旋转轴线与高精度单分量拉力传感器(24)测力轴线重合；测试电机(26)输出轴与测试螺旋桨(28)固定连接；第一悬挂铍青铜薄片(29)、第二悬挂铍青铜薄片(30)、第三悬挂铍青铜薄片(31)、第四悬挂铍青铜薄片(32)的一端分别与电机支架(25)的四个角点固定连接，另一端分别于悬挂支架(33)对应的四个外伸支撑点固定连接，起到消除由测试电机(26)和电机支架(25)重力引入的对高精度单分量拉力传感器(24)非测力轴线方向上的干扰，同时铍青铜薄片在测试螺旋桨(28)产生气动力方向上发生微小形变，进而引起电机支架(25)微小位移牵引高精度单分量拉力传感器(24)产生推力测量值；基础安装底板(34)对称中心线上近测试螺旋桨(28)一端固定安装有光电测速传感器(21)；测试电机(26)转子绕组位置黏贴贴片式测温传感器(27)，四片贴片式测温传感器(27)呈对称布置组成测温桥路；基础安装底板(34)设有动力元件安装区域，依次放置测试动力锂电源(23)、电压电流表(35)、电子调速器(36)、光电测速传感器(21)、高精度单分量拉力传感器(24)、电压电流表(35)，贴片式测温传感器(27)黏贴在测试电机转子绕组位置，上述所有传感器的数据线均从固定端密封端盖(2)上数据线输出口(5)引出连接至高精度多通道数据采集卡(19)，数据线输出口(5)需做硫化处理；数字式标准气压计(16)的数据连接高精度多通道数据采集卡(19)；高精度多通道数据采集卡(19)与数据处理PC(20) 连接，以便气压数据传输给数据处理PC(20)进行运算处理。

5.一种高空全电无人机动力元件静态测试方法，其特征在于：该方法是在权利要求1所述的高空全电无人机动力元件静态测试装置上实现，该方法包括以下步骤：

步骤一、将光电测速传感器(21)、推力测量传感器支架(22)、测试动力锂电源(23)、高精度单分量拉力传感器(24)、电机支架(25)、测试电机(26)、贴片式测温传感器(27)、测试螺旋桨(28)、第一悬挂铍青铜薄片(29)、第二悬挂铍青铜薄片(30)、第三悬挂铍青铜薄片(31)、第四悬挂铍青铜薄片(32)、悬挂支架(33)、基础安装底板(34)、电压电流表(35)、电子调速器(36)安装在动力元件性能测试平台指定安装位置并可靠连接；

步骤二、动力元件性能测试平台安装到模拟高空压力室直线轴承(11)和丝杠螺母(10)上，高精度单分量拉力传感器(24)、贴片式测温传感器(27)、光电测速传感器(21)、电压电流表(35)数据线由固定端密封端盖(2)数据线输出口(5)引出连接至高精度多通道数据采集卡(19)，接口处完成相应密封处理；

步骤三、盖上固定端密封端盖(2)，拧紧固定端密封端盖(2)紧固螺钉完成固定端密封，驱动手轮(15)带动梯形丝杠(9)转动，丝杠螺母(10)牵引动力元件性能测试平台到达指定测试位置，尽量保证气动推力施力方向上的空间，测试螺旋桨(28)布置在压力室最长轴线方向上是为了减少内部空气循环效应，拧紧定位锁紧机构(14)抱紧梯形丝杠(9)；

步骤四、盖上快开式密封端盖(6)，并通过扣紧弹簧卡扣(7)完成密封，将数字式标准气压计(16)安装在真空罐体(1)指定位置，数据线连接至高精度多通道数据采集卡(19)；

步骤五、关闭固定端密封端盖(2)排气口，打开抽气口(3)，开动真空泵(17)抽气，待数字式标准气压计(16)达到试验要求的指定气压值，关闭真空泵(17)和抽气口(3)，保持模拟高空压力室气压条件；

步骤六、由遥控器(37)发出控制信号，打开测试动力锂电源(23)，测试动力锂电源(23)给传感器和测试电机(26)供电，测试螺旋桨(28) 转动；

步骤七、测试螺旋桨(28)旋转产生正交法向方向上的气动力，牵引与测试电机(26)固定连接的电机支架(25)在高精度单分量拉力传感器(24)测力轴线方向上发生微小位移，高精度单分量拉力传感器(24)将气动力转变成应变电压值输出，并通过高精度多通道数据采集卡(19)传送给数据处理PC(20)，数据处理PC(20)将应变电压值转化为测试螺旋桨(28)旋转产生的气动力；

步骤八、贴片式测温传感器(27)测量测试电机(26)转子绕组处的温度，并将温度转变成电压值输出，并通过高精度多通道数据采集卡(19)传送给数据处理PC(20)，数据处理PC(20)将电压值转化为测试电机(26)运行过程中的温度；

步骤九、电压电流表(35)测量回路电流和负载电压，并通过高精度多通道数据采集卡(19)传送给数据处理PC(20)，数据处理PC(20)将二者乘积作为测试动力锂电源(23)的有效功率；

步骤十、光电测速传感器(21)发射激光，并检测从反光贴片反射回的反射信号，并将反射信号通过高精度多通道数据采集卡(19)传送给数据处理PC(20)，数据处理PC(20)根据反射信号获得测试螺旋桨(28)的转速。