CN108891623A - 一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控方法及系统，方法通过下述方式实现：通过在发动机输出轴和螺旋桨之间安装测力元件，实时测量轴向推力和扭矩的物理力信号，并将上述物理力信号转换为电信号；将上述电信号转换为数字信号，并对数字信号进行滤波；将滤波后得到的数据传输至其他机载设备，之后通过下行数据链传输至外部存储设备。

Description

一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控方法及系统
技术领域
本发明涉及一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统，属于飞行器动力系统测试领域。
背景技术
随着科技的进步，世界范围内无人机方兴未艾，且趋于智能化，但智能化须依靠已有的试验数据(尤其是动力系统推力和扭矩数据)，而为获取这些数据需要在风洞中耗费大量的人力物力。现有的螺旋桨动力系统测力系统均无法进行空中实时测量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为了解决无人机动力系统开发时间周期长和开发成本高的问题，开发了一款既可在飞行中实时获取动力系统推力和扭矩数据，也可在地面试验过程中实时获取动力系统推力和扭矩数据的监控系统，且其冗余度极高。
本发明的技术解决方案是：一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控方法，通过下述方式实现：
通过在发动机输出轴和螺旋桨之间安装测力元件，实时测量轴向推力和扭矩的物理力信号，并将上述物理力信号转换为电信号；
将上述电信号转换为数字信号，并对数字信号进行滤波；
将滤波后得到的数据传输至其他机载设备，之后通过下行数据链传输至外部存储设备。
进一步的，所述的测力元件通过三对电阻应变片实现对发动机三个方向上的推力和扭矩进行测试，推力为三个方向上的力的矢量和。
一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统，包括动力系统数据集成处理模块、发动机轴端数据处理单元、发动机轴端测力元件；
发动机轴端测力元件安装在发动机输出轴与螺旋桨之间，实时测量轴向推力和扭矩的物理力信号，并将上述物理力信号转换为电信号输出至发动机轴端数据处理单元；
发动机轴端数据处理单元将接收的电信号转换为数字信号，通过有线和或无线的方式传送至动力系统数据集成处理模块；
动力系统数据集成处理模块将接收的信号进行滤波，滤波后得到的有效数据传输至其他机载设备，之后通过下行数据链传输至外部存储设备。
优选的，所述的无线传输通过安装在发动机输出轴和螺旋桨之间还是测力元件上的发射天线、以及安装在发动机安装接口上的接收天线配合实现；其中发射天线与发动机轴端数据处理单元连接，接收发动机轴端数据处理单元的数字信号；接收天线接收来自发射天线的信号，并将信号传送给动力系统数据集成处理模块。
优选的，通过滑环和碳刷实现动力系统数据集成处理模块和发动机轴端数据处理单元之间的有线传输。
优选的，当动力系统数据集成处理模块既接收到有线传输的数字信号，又接收到无线传输的数字信号时，对接收的两路数字信号分别进行滤波后再进行比对，将比对满足预设的误差范围时的两路数字信号作为有效数据。
进一步的，该系统可应用于地面台架测试，在地面静止状态测试动力系统最大静推力。
进一步的，该系统适应于无人机动力系统空中监测和飞行试验测力，以帮助设计人员迅速掌握动力系统的推力和扭矩数据。
无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统安装方法，包括如下步骤：
1)、将由发动机轴端测力元件、滑环、发射天线和发动机轴端数据处理单元组成的测力单元，用螺栓连接在发动机和螺旋桨之间；
2)、将碳刷支架与碳刷连接在一起，并将连接后的组合体安装在发动机的安装接口上，安装过程中需保证碳刷与滑环接触连接良好；
3)、将动力系统集成处理模块和接收天线组成的组合体安装在发动机相应安装接口上，并用传输线缆将碳刷与动力系统集成处理模块连接在一起；
4)、通过线缆将动力系统集成处理模块与机载设备连接在一起。
无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统卸载方法，包括如下步骤：
1)、断开动力系统集成处理模块与机载设备的连接；
2)、断开碳刷与动力系统集成处理模块之间的线缆；
3)、从发动机上卸下碳刷支架与碳刷组成的组合体；
4)、断开碳刷支架与碳刷之间的连接；
5)、断开由发动机轴端测力元件、滑环、发射天线和发动机轴端数据处理单元组成的测力单元与发动机和螺旋桨的连接。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明通过直接测量螺旋桨与发动机之间的相互作用力直观的说明螺旋桨的推力和扭矩；可以大幅度减少无人机的开发费用和时间周期，可在飞行中验证和获取动力系统数据，以为进一步优化飞行器的飞行性能提供数据支撑。
(2)成本低：该监控系统可最大程度的降低对风洞试验的依赖，因此降低了无人机开发成本；所有的测试元件都基于已有的技术，因此相较其他复杂的监控系统成本低。
(3)数据可信度高：该监控系统使用了有线和无线数据传输功能，因此监控数据可相互校核，保证数据的真实可信度。
(4)可靠性高：该系统使用了不同的数据传输方式(无线蓝牙和接触式数据传输)监控动力系统的扭矩和推力，因此可靠性极强。
(5)适应性强；按照本发明原理制造的测试元件能够达到一个较小的尺寸，可安装拆卸性能很强，因此能够适应空间紧凑的发动机舱。
(6)本发明可以作为一种“黑匣子”记录原始推力和扭矩数据，以帮助技术人员分析和归零。
附图说明
图1无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统力矢量说明；
图2某型无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统正视图；
图3某型无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统俯视图；
图4无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统电气原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
本发明一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控方法，主要通过下述方式实现：
通过在发动机输出轴和螺旋桨之间安装测力元件，实时测量轴向推力和扭矩的物理力信号，并将上述物理力信号转换为电信号；所述的测力元件通过三对电阻应变片实现对发动机三个方向上的推力和扭矩进行测试如图1所示，推力为三个方向上的力的矢量和。
将上述电信号转换为数字信号，并对数字信号进行滤波；
将滤波后得到的数据传输至其他机载设备，之后通过下行数据链传输至外部存储设备。
本发明旨在设计发明一种既可在飞行中实时获取动力系统推力和扭矩数据，也可在地面试验过程中实时获取动力系统推力和扭矩数据的监控系统。
(1)如图2、3、4所示，一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统主要包括：动力系统数据集成处理模块1、碳刷9、滑环3、发动机轴端数据处理单元4、发射天线5、发动机轴端测力元件6和接收天线7。
发动机轴端测力元件6位于发动机输出轴与螺旋桨之间，内置三对电阻应变片，直接测量轴向推力和扭矩，并将物理力信号转换为电信号。
发动机轴端数据处理单元4内置A/D模块、数据处理模块、无线传输模块和有线传输模块和可充电电池，以将发动机轴端测力元件6的模拟信号转换为数字信号，传送给天线5或者传输线缆。
发射天线5接收来自发动机轴端数据处理单元4的信号，并将信号发送给接收天线7。
接收天线7接受来自发射天线5的信号，并将信号传送给动力系统数据集成处理模块1。
滑环3和碳刷9可实现动力系统数据集成处理模块1和发动机轴端数据处理单元4之间的有线传输。
动力系统数据集成处理模块1安装在发动机的相应安装接口上，并将通过有线和无线传输的数据进行对比和滤波，并将有效数据保存之后传输给其他机载设备(如飞控机)，之后通过下行数据链传输至地面控制舱的监控计算机。
发动机支架11和飞机防火墙12为安装示意元件，不同的飞机结构形式不一样。
(2)本发明所涉及的主要装配流程为：
1)、将由发动机轴端测力元件6、滑环3、发射天线5和发动机轴端数据处理单元4组成的测力单元，用螺栓连接在发动机10和螺旋桨8之间；
2)、将碳刷支架2与碳刷9连接在一起，并将组合体安装在发动机10安装接口上，安装过程中需保证碳刷9与滑环3接触连接良好；
3)、将动力系统集成处理模块1和接收天线7组成的组合体安装在发动机10的安装接口上，并通过线缆与动力系统集成处理模块1连接。
4)、通过线缆将动力系统集成处理模块1与机载设备(如飞控机)连接在一起。
所涉及的拆卸流程：
1)、断开动力系统集成处理模块1与机载设备(如飞控机)的连接；
2)、断开连接碳刷9的传输线缆与动力系统集成处理模块1之间的连接；
3)、卸下安装在发动统10上的碳刷支架2与碳刷9组成的组合体；
4)、断开碳刷支架2与碳刷9之间的连接；
5)、断开由发动机轴端测力元件6、滑环3、发射天线5和发动机轴端数据处理单元4组成的测力单元与发动机10和螺旋桨8之间的连接。
(3)其他说明
基于该监控系统的可靠性和适应性强的特点，还可应用于地面台架测试。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控方法，其特征在于通过下述方式实现：
通过在发动机输出轴和螺旋桨之间安装测力元件，实时测量轴向推力和扭矩的物理力信号，并将上述物理力信号转换为电信号；
将上述电信号转换为数字信号，并对数字信号进行滤波；
将滤波后得到的数据传输至其他机载设备，之后通过下行数据链传输至外部存储设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的测力元件通过三对电阻应变片实现对发动机三个方向上的推力和扭矩进行测试，推力为三个方向上的力的矢量和。
3.一种无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统，其特征在于：包括动力系统数据集成处理模块(1)、发动机轴端数据处理单元(4)、发动机轴端测力元件(6)；
发动机轴端测力元件(6)安装在发动机输出轴与螺旋桨之间，实时测量轴向推力和扭矩的物理力信号，并将上述物理力信号转换为电信号输出至发动机轴端数据处理单元(4)；
发动机轴端数据处理单元(4)将接收的电信号转换为数字信号，通过有线和或无线的方式传送至动力系统数据集成处理模块(1)；
动力系统数据集成处理模块(1)将接收的信号进行滤波，滤波后得到的有效数据传输至其他机载设备，之后通过下行数据链传输至外部存储设备。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的无线传输通过安装在发动机输出轴和螺旋桨之间还是测力元件上的发射天线(5)、以及安装在发动机安装接口上的接收天线(7)配合实现；其中发射天线(5)与发动机轴端数据处理单元(4)连接，接收发动机轴端数据处理单元(4)的数字信号；接收天线(7)接收来自发射天线的信号，并将信号传送给动力系统数据集成处理模块(1)。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：通过滑环(3)和碳刷(9)实现动力系统数据集成处理模块(1)和发动机轴端数据处理单元(4)之间的有线传输。
6.根据权利要求3或4或5所述的系统，其特征在于：当动力系统数据集成处理模块(1)既接收到有线传输的数字信号，又接收到无线传输的数字信号时，对接收的两路数字信号分别进行滤波后再进行比对，将比对满足预设的误差范围时的两路数字信号作为有效数据。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：该系统可应用于地面台架测试，在地面静止状态测试动力系统最大静推力。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：该系统适应于无人机动力系统空中监测和飞行试验测力，以帮助设计人员迅速掌握动力系统的推力和扭矩数据。
9.根据权利要求5所述的无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统安装方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、将由发动机轴端测力元件(6)、滑环(3)、发射天线(5)和发动机轴端数据处理单元(4)组成的测力单元，用螺栓连接在发动机(10)和螺旋桨(8)之间；
2)、将碳刷支架(2)与碳刷(9)连接在一起，并将连接后的组合体安装在发动机(10)的安装接口上，安装过程中需保证碳刷(9)与滑环(3)接触连接良好；
3)、将动力系统集成处理模块(1)和接收天线(7)组成的组合体安装在发动机(10)相应安装接口上，并用传输线缆将碳刷(9)与动力系统集成处理模块(1)连接在一起；
4)、通过线缆将动力系统集成处理模块(1)与机载设备连接在一起。
10.根据权利要求5所述的无人机用动力系统推力扭矩实时监控系统卸载方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、断开动力系统集成处理模块(1)与机载设备的连接；
2)、断开碳刷(9)与动力系统集成处理模块(1)之间的线缆；
3)、从发动机(10)上卸下碳刷支架(2)与碳刷(9)组成的组合体；
4)、断开碳刷支架(2)与碳刷(9)之间的连接；
5)、断开由发动机轴端测力元件(6)、滑环(3)、发射天线(5)和发动机轴端数据处理单元(4)组成的测力单元与发动机(10)和螺旋桨(8)的连接。
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