CN108482708B - 一种纵列式双旋翼气动性能检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵列式双旋翼气动性能检测装置及检测方法，其装置包括测试架、安装在测试架上的被测旋翼组件、参数自动调节系统、控制及测量系统；控制及测量系统通过无线通信模块对被测旋翼组件进行控制，以给定被测旋翼组件的直流无刷电机转速，实时对试验测量数据进行采集；参数自动调节系统根据试验所需参数，改变位于测试架上的两被测旋翼间的空间相对位置。本发明能够按照遥控指令准确调节两旋翼的转速，并通过参数自动调节系统来调节两旋翼间任意空间相对位置，以便于研究不同相对位置下旋翼气动性能的变化规律。

Description

一种纵列式双旋翼气动性能检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及飞行器旋翼空气动力学研究领域，具体为一种纵列式双旋翼气动性能检测装置及检测方法。

背景技术

随着农业航空在植保领域的普及，多旋翼电动植保无人机得到广泛应用，更多的科研机构、企业参与多旋翼植保无人机的生产、设计。目前多旋翼电动植保无人机使用电池提供动力，单次飞行时间一般为10‐15min左右，续航时间短，负载能力小。多旋翼农用无人机缺少能源载荷匹配和气动布局设计依据，能耗高。

如今，对于多旋翼植保无人机的旋翼间布局方式大都根据经验设计，带有一定的主观性，且难以将旋翼之间的间距调整到最佳状态。

于2017年9月1日公布的发明申请CN107117331A，披露了一种检测旋翼无人机气动特性的装置及方法，通过改变单个螺旋桨在测试装置上的桨距角、转速、前倾角的变化来检测升力的变化，进而得到无人机的消耗功率与各运动参数之间关系；上述发明申请所检测的无人机气动特性，以单个旋翼参数的变化为研究对象，检测单个旋翼各参数变化对无人机整机升力的影响，而未涉及多个旋翼间的气动干扰对旋翼升力所产生的影响。

发明内容

为了研究多旋翼间的气动干扰对旋翼升力所产生的影响，优化多旋翼植保无人机的气动布局，解决多旋翼无人机高能耗、负载小的问题；本发明提出了一种纵列式双旋翼气动性能检测装置及检测方法，其能够按照遥控指令准确调节两旋翼的转速，并通过参数自动调节系统来调节两旋翼间任意空间相对位置，以便于研究不同相对位置下旋翼气动性能的变化规律。该装置可自动完成对电机电压、电流、拉力传感器数据的采集，并可得到实时的升力和功率，保证了测试的高效性、安全性与可靠性，具有高效率、操作简单、成本低的优点。

本发明检测装置采用以下技术方案：一种纵列式双旋翼气动性能检测装置，包括测试架、安装在测试架上的被测旋翼组件、参数自动调节系统、控制及测量系统；控制及测量系统通过无线通信模块对被测旋翼组件进行控制，以给定被测旋翼组件的直流无刷电机转速，实时对试验测量数据进行采集；参数自动调节系统根据试验所需参数，改变位于测试架上的两被测旋翼间的空间相对位置；

所述测试架包括上部测试架与下部测试架，上部测试架和下部测试架均包括横梁和两根竖直支杆，横梁的两端连接在两根竖直支杆之间；上部测试架高于下部测试架，上部测试架的横梁垂直于下部测试架的横梁；

所述被测旋翼组件包括第一被测旋翼和第二被测旋翼，第一被测旋翼悬挂在上部测试架的横梁上，第二被测旋翼安装在下部测试架的横梁上；

参数自动调节系统包括设置在测试架上的多个直线电机，在直线电机的驱动下，上部测试架与下部测试架的横梁高度差增大或减小，从而改变两被测旋翼在竖直方向的间距；在直线电机的驱动下，第一被测旋翼或第二被测旋翼沿着上部测试架或下部测试架的横梁移动，从而改变两被测旋翼在水平方向的间距。

优选地，改变两被测旋翼在竖直方向的间距的直线电机布置在上部测试架的横梁两端，或者布置在下部测试架的横梁两端。

优选地，改变两被测旋翼在水平方向的间距的直线电机布置在被测旋翼组件与横梁的连接处。

本发明纵列式双旋翼气动性能检测方法基于上述纵列式双旋翼气动性能检测装置，包括以下步骤：

a、将上部测试架与下部测试架垂直放置，并将被测旋翼组件安装于上、下部测试架的横梁的中间部位，并以此作为两被测旋翼的初始位置和移动参考位置；

b、接通控制及测量系统的直流电源，将两被测旋翼的转速调整至第一个转速档位，并记录两被测旋翼在当前位置测试过程的升力数据及电流、电压、功率数据；

c、重复步骤b，测试在该当前位置下的其他转速档位，记录在其他转速档位的升力数据及电流、电压、功率数据；

d、两被测旋翼在当前位置下所有转速档位下的升力数据及电流、电压、功率数据测试结束后，断开控制及测量系统的直流电源，接通参数自动调节系统的电源，以两被测旋翼的当前位置为参考，控制直线电机的移动，从而将两被测旋翼的相对位置调整到第二个位置点；

e、重复步骤b、c、d；

f、测试完成，关闭控制及测量系统的直流电源和参数自动调节系统的电源；采集两被测旋翼任意空间相对位置在不同转速档位下的升力数据及电流、电压、功率数据，并分析在任意相同转速档位下不同旋翼相对位置对两旋翼升力及气动性能的影响，从而获知旋翼的最佳布置方式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明可用于分析旋翼间距的变化对于升力的影响，经分析可得到最佳的间距，为旋翼的布局方式提供依据；同时可获取旋翼升力参数，提高低空植保作业的效率，提高能源利用率，降低机体系统能耗，优化能源载荷匹配性和气动布局，实现续航时间和负载能力的提升。

2、本发明通过参数自动调节系统可对两旋翼自动进行空间任意相对位置的调整，可对两旋翼空间任意位置的气动性能进行分析，提高了试验的可靠性，简化了试验过程，提高了试验效率。

3、相比于有线信号传输，本发明可以对旋翼转速进行无线控制，利用高精曲线功率计可实时采集直流无刷电机的电压、电流、功率，通过智能数显仪表对两旋翼的升力进行实时采集，同时拉压传感器位于直流无刷电机正下方可降低其他因素对旋翼升力的影响，使旋翼升力测试结果更加准确。

4、本发明装置易于模块化，可进一步测试更多旋翼情况下的气动干扰性能，可对多旋翼间的布局方式提供参考依据。不仅如此，此装置测量准确、效率高、成本低，安全性高。

附图说明

图1为本发明纵列式双旋翼气动性能检测装置的拓扑图；

图2为被测旋翼组件安装于测试架的结构示意图；

图3为被测旋翼组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本实施例中，纵列式双旋翼气动性能检测装置包括测试架1、安装在测试架上的被测旋翼组件2、参数自动调节系统3、控制及测量系统4。控制及测量系统4通过无线通信模块对被测旋翼组件2进行控制，以给定被测旋翼组件的直流无刷电机转速，实时对试验测量数据进行采集，参数自动调节系统3根据试验所需参数，改变位于测试架1上的两被测旋翼间的空间相对位置。

如图2所示，测试架包括上部测试架与下部测试架，上部测试架的结构与下部测试架的结构相同。上部测试架和下部测试架均包括底部横杆101、斜支撑杆102、45°固定块103、直角固定块104、竖直支杆105、横梁106；斜支撑杆102通过45°固定块103与底部横杆101固定连接；竖直支杆105设有两根，通过直角固定块104固定于底部横杆101上；横梁106的两端连接在两根竖直支杆105之间。

本发明的被测旋翼组件2包括结构相同的第一被测旋翼和第二被测旋翼，图3示意了其中一个被测旋翼的结构，包括拉压传感器支撑杆201、拉压传感器202、拉压传感器连接座203、电机座204、直流无刷电机205、被测旋翼206；拉压传感器支撑杆201通过直角固定块固定于测试架1的横梁106的中部；拉压传感器202通过螺纹连接固定于拉压传感器支撑杆201上；拉压传感器连接座203固定于拉压传感器202上；电机座204固定于拉压传感器连接座203上；直流无刷电机205固定于电机座204上；被测旋翼206翼面朝上，固定于直流无刷电机205上。

上部测试架高于下部测试架，上部测试架的横梁垂直于下部测试架的横梁，被测旋翼组件2的第一被测旋翼悬挂在上部测试架的横梁上，第二被测旋翼安装在下部测试架的横梁上。测试架上设置有直线电机31，在直线电机的驱动下，上部测试架与下部测试架的横梁高度差增大或减小，从而改变两被测旋翼在竖直方向的间距；在直线电机的驱动下，第一被测旋翼或第二被测旋翼沿着测试架的横梁移动，从而改变两被测旋翼在水平方向的间距。其中，改变上、下部测试架的横梁高度差的直线电机可以布置在上部测试架的横梁两端，也可以布置在下部测试架的横梁两端，即使横梁可沿着竖直支杆上下滑动；驱动被测旋翼沿着测试架的横梁移动的直线电机，可以布置在被测旋翼组件中拉压传感器支撑杆的下方，位于被测旋翼组件与横梁的连接处。

参数自动调节系统包括微电脑控制器、驱动器、多个设置在测试架上的直线电机31，微电脑控制器通过驱动器分别与多个直线电机连接；通过微电脑控制器向驱动器发出相应调节信号，利用驱动器向直线电机传递调节信号，直线电机接收调节信号后对两被旋翼间的空间相对位置进行调整。以改变上、下部测试架的横梁高度差的直线电机为例，本实施例中，该直线电机的运动部分与上部测试架中的竖直支杆连接，固定部分与上部测试架中的横梁固定连接，通过微电脑控制器向驱动器发出信号，由驱动器接收驱动信号并驱动直线电机上下移动从而控制上部测试架中横梁的上下移动，进而对第一被测旋翼的上下位置进行调节，进而控制两被测旋翼间的上下相对位置。再以驱动被测旋翼沿着测试架的横梁移动的直线电机为例，本实施例中，该直线电机的固定部分位于第二被测旋翼中拉压传感器支撑杆的正下方，运动部分置于下部测试架的横梁上，通过微电脑控制器向驱动器发出信号，由驱动器接收驱动信号并驱动直线电机在下部测试架中横梁上的滑动，从而控制下部被测旋翼组件在下部测试架横梁上的位置，进而以调节两被测旋翼间的横向距离。

控制及测量系统包括控制部分和测量部分，具体包括无线控制器(即遥控器)、接收机、电子调速器、分电板、智能数显仪表和高精曲线功率计，无线控制器向接收机发出转速信号，其中接收机与分电板连接，分电板将转速信号分别传递给与被测旋翼组件中直流无刷电机连接的电子调速器，最终通过电子调速器将转速信号输送给直流无刷电机；高精曲线功率计与分电板连接；智能数显仪表与拉压传感器连接。无线遥控器向接收机发射油门信号，通过接收机向分电板传递油门信号，分电板再将油门信号传递给电子调速器，进而对旋翼的转速进行控制；高精曲线功率计与分电板连接以便于对旋翼的电压、电流、功率进行实时的记录；分电板与电子调速器相连接，起到分电、将接收机的油门信号一分为二的作用；智能数显仪表与拉压传感器连接，用于采集并显示拉压传感器所测得的旋翼升力。

可见，在本实施例中，直流无刷电机通过控制被测旋翼的转速来改变拉力；同时参数自动调节系统调节两被测旋翼的空间相对位置，并通过控制及测量系统来测量旋翼拉力的改变和调节两被测旋翼的转速，拉力由智能数显仪表进行实时的显示和读取，其中电压、电流、功率传输至高精曲线功率计进行储存，为分析纵列式旋翼的气动性能提供依据。

本实施例中，纵列式双旋翼气动特性检测方法基于上述检测装置，包括以下步骤：

a、将上部测试架与下部测试架垂直放置，并将被测旋翼组件安装于上、下部测试架的横梁的中间部位，并以此作为两被测旋翼的初始位置和移动参考位置；

b、接通控制及测量系统的直流电源，利用无线控制器将两被测旋翼的转速调整至第一个转速档位，并通过控制及测量系统记录两被测旋翼在当前位置测试过程的升力数据及电流、电压、功率数据；

c、重复步骤b，测试在该当前位置下的其他转速档位，控制及测量系统记录在其他转速档位的升力数据及电流、电压、功率数据；

d、两被测旋翼在当前位置下所有转速档位下的升力数据及电流、电压、功率数据测试结束后，断开控制及测量系统的直流电源，接通参数自动调节系统的电源，以两被测旋翼的当前位置为参考，利用微电脑控制器来控制直线电机的移动，从而将两被测旋翼的相对位置调整到第二个位置点；

e、重复步骤b、c、d；

f、测试完成，关闭控制及测量系统的直流电源和参数自动调节系统的电源；采集两被测旋翼任意空间相对位置在不同转速档位下的升力数据及电流、电压、功率数据，并分析在任意相同转速档位下不同旋翼相对位置对两旋翼升力及气动性能的影响，从而获知旋翼的最佳布置方式。

本实施例中，上述步骤d通过参数自动调节系统利用微电脑控制器向驱动器发出相应的调节指令，利用驱动器驱动安装于上部测试架中横梁两侧的直线电机在两侧竖直支杆的上下移动，从而来调节两被测旋翼的上下相对位置，即改变两被测旋翼在竖直方向的间距；通过驱动器驱动安装于下部测试架中横梁上的直线电机在横梁上的前后移动来调节两被测旋翼的前后相对位置，即改变两被测旋翼在水平方向的间距。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本思想前提下，本发明还可以做出其他多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种纵列式双旋翼气动性能检测装置，其特征在于，包括测试架、安装在测试架上的被测旋翼组件、参数自动调节系统、控制及测量系统；控制及测量系统通过无线通信模块对被测旋翼组件进行控制，以给定被测旋翼组件的直流无刷电机转速，实时对试验测量数据进行采集；参数自动调节系统根据试验所需参数，改变位于测试架上的两被测旋翼间的空间相对位置；

所述测试架包括上部测试架与下部测试架，上部测试架和下部测试架均包括横梁和两根竖直支杆，横梁的两端连接在两根竖直支杆之间；上部测试架高于下部测试架，上部测试架的横梁垂直于下部测试架的横梁；

所述被测旋翼组件包括第一被测旋翼和第二被测旋翼，第一被测旋翼悬挂在上部测试架的横梁上，第二被测旋翼安装在下部测试架的横梁上；

参数自动调节系统包括设置在测试架上的多个直线电机，在直线电机的驱动下，上部测试架与下部测试架的横梁高度差增大或减小，从而改变两被测旋翼在竖直方向的间距；在直线电机的驱动下，第一被测旋翼或第二被测旋翼沿着上部测试架或下部测试架的横梁移动，从而改变两被测旋翼在水平方向的间距；

所述第一被测旋翼或第二被测旋翼包括拉压传感器支撑杆、拉压传感器、拉压传感器连接座、电机座、直流无刷电机、被测旋翼；拉压传感器支撑杆通过直角固定块固定于测试架的横梁的中部；拉压传感器通过螺纹连接固定于拉压传感器支撑杆上；拉压传感器连接座固定于拉压传感器上；电机座固定于拉压传感器连接座上；直流无刷电机固定于电机座上；被测旋翼的翼面朝上，固定于直流无刷电机上；

改变两被测旋翼在竖直方向的间距的直线电机布置在上部测试架的横梁两端，或者布置在下部测试架的横梁两端；

改变两被测旋翼在水平方向的间距的直线电机布置在被测旋翼组件与横梁的连接处；

所述参数自动调节系统还包括微电脑控制器、驱动器，微电脑控制器通过驱动器分别与多个直线电机连接；通过微电脑控制器向驱动器发出相应调节信号，利用驱动器向直线电机传递调节信号，直线电机接收调节信号后对两被测旋翼的空间相对位置进行调整；

所述控制及测量系统包括无线控制器、接收机、电子调速器、分电板、智能数显仪表和高精曲线功率计，无线控制器向接收机发出转速信号，其中接收机与分电板连接，分电板将转速信号分别传递给与被测旋翼组件中直流无刷电机连接的电子调速器，最终通过电子调速器将转速信号输送给直流无刷电机；高精曲线功率计与分电板连接；智能数显仪表与拉压传感器连接。

2.根据权利要求1所述的纵列式双旋翼气动性能检测装置，其特征在于，所述上部测试架和下部测试架还包括底部横杆、斜支撑杆、45°固定块和直角固定块；斜支撑杆通过45°固定块与底部横杆固定连接；两根竖直支杆通过直角固定块固定于底部横杆上。

3.基于权利要求1所述纵列式双旋翼气动性能检测装置的纵列式双旋翼气动性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将上部测试架与下部测试架垂直放置，并将被测旋翼组件安装于上、下部测试架的横梁的中间部位，并以此作为两被测旋翼的初始位置和移动参考位置；

b、接通控制及测量系统的直流电源，将两被测旋翼的转速调整至第一个转速档位，并记录两被测旋翼在当前位置测试过程的升力数据及电流、电压、功率数据；

c、重复步骤b，测试在该当前位置下的其他转速档位，记录在其他转速档位的升力数据及电流、电压、功率数据；

d、两被测旋翼在当前位置下所有转速档位下的升力数据及电流、电压、功率数据测试结束后，断开控制及测量系统的直流电源，接通参数自动调节系统的电源，以两被测旋翼的当前位置为参考，控制直线电机的移动，从而将两被测旋翼的相对位置调整到第二个位置点；

e、重复步骤b、c、d；

f、测试完成，关闭控制及测量系统的直流电源和参数自动调节系统的电源；采集两被测旋翼任意空间相对位置在不同转速档位下的升力数据及电流、电压、功率数据，并分析在任意相同转速档位下不同旋翼相对位置对两旋翼升力及气动性能的影响，从而获知旋翼的最佳布置方式。

4.根据权利要求3所述的纵列式双旋翼气动性能检测方法，其特征在于，所述参数自动调节系统还包括微电脑控制器、驱动器，微电脑控制器通过驱动器分别与多个直线电机连接；

所述步骤d通过参数自动调节系统利用微电脑控制器向驱动器发出相应的调节指令，利用驱动器驱动安装于上部测试架中横梁两侧的直线电机在两侧竖直支杆的上下移动，从而来调节两被测旋翼的上下相对位置，改变两被测旋翼在竖直方向的间距；通过驱动器驱动安装于下部测试架中横梁上的直线电机在横梁上的前后移动来调节两被测旋翼的前后相对位置，改变两被测旋翼在水平方向的间距。

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