CN109229421B - 一种无人机动力性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机动力性能测试系统，属于无人机动力测试技术领域。本发明包括圆柱形底盘、压力传感器支架、压力传感器Ⅰ、不锈钢管夹、多旋翼无人机、电机、导线、无人机电源模块、温度转速传感器、基座、金属圆棒、万向球支座、压力传感器Ⅱ、电压电流传感器模块，金属小球、轨道。本发明结构简单，能够实现对无人机整机上升或下降、仰俯以及横滚时产生的升力、拉力和扭力进行测量，可同时获得各飞行参数的测试结果。通过该系统的无线传输模块，实现在上位机实时获取和记录各传感器的数据值，为无人机动力性能的分析提供可靠的数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机动力性能测试系统及方法，属于无人机动力测试技术领域。
背景技术
近年来，无人机技术发展迅速，广泛应用于军事和民用领域。在实际使用过程中，需要对动力系统进行测试和实验，获取试验参数和特性，验证可靠性，预防可能发生的由于动力系统引起的坠毁事故。
目前的设备大都测量的是单个电机作用下螺旋桨工作时产生的拉力和扭力，针对整机飞行，例如仰俯、横滚、上升和下降时整体机身产生的拉力和扭力缺乏相应的测试装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种无人机动力性能测试系统及方法，该设备能够实现对无人机整机上升或下降、仰俯以及横滚时产生的升力、拉力和扭力进行测量，可同时获得各飞行参数的测试结果。通过该系统的无线传输模块，实现在上位机实时获取和记录各传感器的数据值，为无人机动力性能的分析提供可靠的数据支持。
本发明技术方案是：一种无人机动力性能测试系统，包括圆柱形底盘1、压力传感器支架2、压力传感器Ⅰ4、不锈钢管夹5、多旋翼无人机6、电机7、导线8、无人机电源模块9、温度转速传感器10、基座11、金属圆棒12、万向球支座14、压力传感器Ⅱ15、电压电流传感器模块17，金属小球19、轨道20；
所述压力传感器支架2、无线通信系统3、压力传感器Ⅱ15和电压电流传感器模块17固定在圆柱形底盘1上，压力传感器Ⅰ4通过螺栓固定在压力传感器支架2上，万向球支座14通过螺栓连接在压力传感器Ⅱ15上，金属小球19内置在于万向球支座14里，基座11下表面通过轨道20放置在金属小球19上，金属圆棒12焊接在基座11两侧，金属圆棒12在基座11转动时能与压力传感器Ⅰ4接触，多旋翼无人机6通过不锈钢管夹5固定在基座11上表面，温度转速传感器10固定在电机7支架上，电压电流传感器模块17通过导线8与无人机电源模块9相连。
所述圆柱形底盘1、基座11和多旋翼无人机6安装时要求三者中心轴线重合。
所述压力传感器Ⅱ15有四个均通过螺栓对称安装在圆柱形底盘1的径向中心线上，用于测量多旋翼无人机6作上升或下降动作时的压力值。
所述圆柱形底盘1一条径向中心线两侧分别对称垂直焊接有四个压力传感器支架2，压力传感器支架2的表面与圆柱形底盘1轴线所在竖直截面平行，压力传感器Ⅰ4通过螺栓固定在压力传感器支架2上，用于测量无人机轴向运动时产生的压力值。
还包括无线通信系统3、上位机PC13；所述无线通信系统3分别与压力传感器Ⅰ4、压力传感器Ⅱ15、电压电流传感器模块17以及温度转速传感器10通过若干导线连接，将采集的数据通过蓝牙传递给上位机PC13。
所述无线通信系统3设有USB接口16，用于连接外部电源给压力传感器Ⅰ4、压力传感器Ⅱ15、温度转速传感器10、电压电流传感器模块17供电。
所述万向球支座14底部自带螺栓，通过螺栓固定在压力传感器Ⅱ15上，万向球支座14内部安装有光滑的金属小球19能在万向球支座14内部自由滚动。
所述基座11底部与金属小球19相连接的地方开有轨道20，金属小球19能在轨道20内运动，同时基座11的重力大于多旋翼无人机6的最大拉力，使得多旋翼无人机6不能带动基座11飞起，基座11中轴线位置开有小孔供导线8穿过。
所述金属圆棒12在基座11转动时能与压力传感器Ⅰ4接触，用于测试多旋翼无人机6转动时产生的侧面压力值，进而计算其产生的扭矩；扭矩T等于力F与力臂L的乘积，即T=FL，F为压力传感器Ⅰ4的示数，L为压力传感器Ⅰ4到基座11轴向中心线的水平距离。
所述不锈钢管夹5根据多旋翼无人机6起落架尺寸自由选择。
一种利用所述的无人机动力性能测试系统的测试方法，包括如下：
（1）、多旋翼无人机6固定之后，接通USB接口16处电源，各传感器开始工作，此时，第一压力传感器Ⅱ151、第二压力传感器Ⅱ152、第三压力传感器Ⅱ153和第四压力传感器Ⅱ154初始示数分别为a、b、c和d；
当无人机未启动，第一压力传感器Ⅱ151、第二压力传感器Ⅱ152、第三压力传感器Ⅱ153和第四压力传感器Ⅱ154工作，上位机PC13上显示新的示数a1、b1、c1和d1，通过两次示数差值即为多旋翼无人机的重量；
（2）、打开多旋翼无人机6电源，通过无人机遥控器，操作无人机做直线上升动作，此时第一压力传感器Ⅱ151、第二压力传感器Ⅱ152、第三压力传感器Ⅱ153和第四压力传感器Ⅱ154所受压力值减小，示数减小；当示数和初始示数a、b、c和d相同时，无人机升力与自身重力相同，处于悬浮状态；通过电压电流传感器模块17测试出此时的压力值U和电流值I，通过功率P等于电压U乘以I，即可得到无人机悬浮时的功率值；
（3）、通过遥控器缓慢增加无人机油门，当油门达到最大时，上位机PC上显示压力传感器Ⅱ15得到的压力值减小到一个临界状态不再改变时，此时无人机达到最大功率；记录下各传感器的数值获得无人机上升时的实时功率、电压、电流、温度动态特性值；
（4）、通过遥控器控制无人机做仰俯动作时，第一压力传感器Ⅱ151、第二压力传感器Ⅱ152、第三压力传感器Ⅱ153和第四压力传感器Ⅱ154测得压力值有的变大，有的减小；比较压力值，得到无人机做仰俯动作时动力变化情况；
（5）、通过遥控器控制无人机左转时，无人机带动基座11左转，安装在基座11左侧的金属圆棒Ⅰ121与第一压力传感器Ⅰ41接触，金属圆棒Ⅱ122与第三压力传感器Ⅰ43接触，通过扭矩T1等于力F1与力臂L1的乘积，即T1=F1L1，F1为第一压力传感器Ⅰ41的示数，L1为第一压力传感器Ⅰ41到基座11轴向中心线的水平距离，得到无人机左转时产生的扭矩值。缓慢增加油门直至最大，记录下各传感器数值，可以获得无人机左转时的功率、电压、电流、温度动态特性值；
（6）、通过遥控器控制无人机右转时，无人机带动基座11右转，金属圆棒Ⅰ121与第二压力传感器Ⅰ42接触，金属圆棒Ⅱ122与第四压力传感器Ⅰ44接触，通过扭矩T2等于力F2与力臂L2的乘积，即T2= F2L2，F2为第二压力传感器Ⅰ42的示数，L2为第二压力传感器Ⅰ42到基座11轴向中心线的水平距离，得到无人机右转时产生的扭矩值。缓慢增加油门直至最大，记录下各传感器数值，获得无人机右转时的功率、电压、电流、温度动态特性值；
（7）、在无人机执行上述动作时，温度转速传感器10实时检测电机7的温度和转速，为无人机飞行时提供参考；电压电流传感器模块17实时检测无人机电源模块9提供的电压和电流，进而得到瞬时功率值。
本发明的工作过程是：工作时通过无线通信系统3上的USB接口16接通电源，各传感器开始工作。打开多旋翼无人机6电源，通过遥控器控制其做飞行动作。当做上升、悬浮和下降动作时，压力传感器Ⅱ15的示数会发生变化，可得到无人机上升、悬浮、下降时产生的拉力值及其变化。当做左右旋转动作时，压力传感器Ⅰ4示数发生变化，可以得到无人机左右旋转时产生的扭矩值。在动作过程中，温度转速传感器10可实时检测无人机电机7的温度和转速变化，电压电流传感器模块17可测得各电机的电压值U和电流值I，通过公式P=UI可以得到电机实时功率。
本发明的有益效果是：
1、结构简单紧凑，模块化设计使其安装方便，具有良好的通用型；。
2、功能多样，支持不同型号的多旋翼无人机；
3、可以检测整机动作时，各参数的变化情况，参数测量全面；
4、操作方便，工作稳定，造价低廉，作业效率高，故障少，具有推广价值。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的测试台结构示意图；
图3为本发明的万向球总体结构示意图；
图4为本发明的基座结构示意图；
图5为本发明的不锈钢管夹结构示意图；
图6为本发明的无人机结构示意图。
图1-6中各标号：1-圆柱形底盘、2-压力传感器支架、3-无线通信系统、4-压力传感器Ⅰ、41-第一压力传感器Ⅰ、42-第二压力传感器Ⅰ、43-第三压力传感器Ⅰ、44-第四压力传感器Ⅰ、5-不锈钢管夹、6-多旋翼无人机、7-电机、8-导线、9-无人机电源模块、10-温度转速传感器、11-基座、12-金属圆棒、121-金属圆棒Ⅰ、122-金属圆棒Ⅱ、13-上位机PC、14-万向球支座、15-压力传感器Ⅱ、151-第一压力传感器Ⅱ、152-第二压力传感器Ⅱ、153-第三压力传感器Ⅱ、154-第四压力传感器Ⅱ、16-USB接口、17-电压电流传感器模块、18-测试台、19-金属小球、20-轨道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-6所示，一种无人机动力性能测试系统，包括圆柱形底盘1、压力传感器支架2、压力传感器Ⅰ4、不锈钢管夹5、多旋翼无人机6、电机7、导线8、无人机电源模块9、温度转速传感器10、基座11、金属圆棒12、万向球支座14、压力传感器Ⅱ15、电压电流传感器模块17，金属小球19、轨道20；
所述压力传感器支架2、无线通信系统3、压力传感器Ⅱ15和电压电流传感器模块17固定在圆柱形底盘1上，压力传感器Ⅰ4通过螺栓固定在压力传感器支架2上，万向球支座14通过螺栓连接在压力传感器Ⅱ15上，金属小球19内置在于万向球支座14里，基座11下表面通过轨道20放置在金属小球19上，金属圆棒12焊接在基座11两侧，金属圆棒12在基座11转动时能与压力传感器Ⅰ4接触，多旋翼无人机6通过不锈钢管夹5固定在基座11上表面，温度转速传感器10固定在电机7支架上，电压电流传感器模块17通过导线8与无人机电源模块9相连。
进一步的，所述圆柱形底盘1、基座11和多旋翼无人机6安装时要求三者中心轴线重合。
进一步的，所述压力传感器Ⅱ15有四个均通过螺栓对称安装在圆柱形底盘1的径向中心线上，用于测量多旋翼无人机6作上升或下降动作时的压力值。
进一步的，所述圆柱形底盘1一条径向中心线两侧分别对称垂直焊接有四个压力传感器支架2，压力传感器支架2的表面与圆柱形底盘1轴线所在竖直截面平行，压力传感器Ⅰ4通过螺栓固定在压力传感器支架2上，用于测量无人机轴向运动时产生的压力值。
进一步的，还包括无线通信系统3、上位机PC13；所述无线通信系统3分别与压力传感器Ⅰ4、压力传感器Ⅱ15、电压电流传感器模块17以及温度转速传感器10通过若干导线连接，将采集的数据通过蓝牙传递给上位机PC13。
进一步的，所述无线通信系统3设有USB接口16，用于连接外部电源给压力传感器Ⅰ4、压力传感器Ⅱ15、温度转速传感器10、电压电流传感器模块17供电。
进一步的，所述万向球支座14底部自带螺栓，通过螺栓固定在压力传感器Ⅱ15上，万向球支座14内部安装有光滑的金属小球19能在万向球支座14内部自由滚动。
进一步的，所述基座11底部与金属小球19相连接的地方开有轨道20，金属小球19能在轨道20内运动，同时基座11的重力大于多旋翼无人机6的最大拉力，使得多旋翼无人机6不能带动基座11飞起，基座11中轴线位置开有小孔供导线8穿过。
进一步的，所述金属圆棒12在基座11转动时能与压力传感器Ⅰ4接触，用于测试多旋翼无人机6转动时产生的侧面压力值，进而计算其产生的扭矩；扭矩T等于力F与力臂L的乘积，即T=FL，F为压力传感器Ⅰ4的示数，L为压力传感器Ⅰ4到基座11轴向中心线的水平距离。
进一步的，所述不锈钢管夹5根据多旋翼无人机6起落架尺寸自由选择。
一种利用所述的无人机动力性能测试系统的测试方法，包括如下：
检查各器件是否正常，然后将各器件按照各附图所示组装完成，先不安装无人机。打开上位机PC13，并将其调整到工作界面。通过USB接口16将电源接通，观测压力传感器Ⅰ4、温度转速传感器10、压力传感器Ⅱ15和电压电流传感器模块17是否可正常工作。
检测各传感器无误，此时压力传感器Ⅱ15包括第一压力传感器Ⅱ151、第二压力传感器Ⅱ152、第三压力传感器Ⅱ153和第四压力传感器Ⅱ154已经开始工作并将初始示数a、b、c和d通过无线通信系统3传递到上位机PC13显示出来。
断开USB接口16处电源，使用螺栓通过不锈钢管夹5将多旋翼无人机6牢固的固定在基座11上。
多旋翼无人机6固定之后，接通USB接口16处电源，各传感器开始工作。此时无人机未启动，第一压力传感器Ⅱ151、第二压力传感器Ⅱ152、第三压力传感器Ⅱ153和第四压力传感器Ⅱ154工作，上位机PC13上显示新的示数a1、b1、c1和d1。通过两次示数差值即为多旋翼无人机的重量。
打开多旋翼无人机6电源，通过无人机遥控器，操作无人机做直线上升动作，此时第一压力传感器Ⅱ151、第二压力传感器Ⅱ152、第三压力传感器Ⅱ153和第四压力传感器Ⅱ154所受压力值减小，示数减小。当示数和初始示数a、b、c和d相同时，无人机升力与自身重力相同，处于悬浮状态。通过电压电流传感器模块17测试出此时的压力值U和电流值I，通过功率P等于电压U乘以I，即可得到无人机悬浮时的功率值。
通过遥控器缓慢增加无人机油门，当油门达到最大时，上位机PC上显示压力传感器Ⅱ15得到的压力值减小到一个临界状态不再改变时，此时无人机达到最大功率。记录下各传感器的数值可以获得无人机上升时的实时功率、电压、电流、温度等动态特性值。
通过遥控器控制无人机做仰俯动作时，第一压力传感器Ⅱ151、第二压力传感器Ⅱ152、第三压力传感器Ⅱ153和第四压力传感器Ⅱ154测得压力值有的变大，有的减小。比较压力值，可以得到无人机做仰俯动作时动力变化情况。
通过遥控器控制无人机左转时，无人机带动基座11左转，安装在基座11左侧的金属圆棒Ⅰ121与第一压力传感器Ⅰ41接触，金属圆棒Ⅱ122与第三压力传感器Ⅰ43接触，通过扭矩T1等于力F1与力臂L1的乘积，即T1=F1L1，F1为第一压力传感器Ⅰ41的示数，L1为第一压力传感器Ⅰ41到基座11轴向中心线的水平距离，得到无人机左转时产生的扭矩值。缓慢增加油门直至最大，记录下各传感器数值，可以获得无人机左转时的功率、电压、电流、温度动态特性值。
通过遥控器控制无人机右转时，无人机带动基座11右转，金属圆棒Ⅰ121与第二压力传感器Ⅰ42接触，金属圆棒Ⅱ122与第四压力传感器Ⅰ44接触，通过扭矩T2等于力F2与力臂L2的乘积，即T2= F2L2，F2为第二压力传感器Ⅰ42的示数，L2为第二压力传感器Ⅰ42到基座11轴向中心线的水平距离，得到无人机右转时产生的扭矩值。缓慢增加油门直至最大，记录下各传感器数值，可以获得无人机右转时的功率、电压、电流、温度动态特性值。
在无人机执行上述动作时，温度转速传感器10可以实时检测电机7的温度和转速，为无人机飞行时提供参考。电压电流传感器模块17可以实时检测无人机电源模块9提供的电压和电流，进而得到瞬时功率值。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种无人机动力性能测试系统，其特征在于：包括圆柱形底盘(1)、压力传感器支架(2)、压力传感器Ⅰ(4)、不锈钢管夹(5)、多旋翼无人机(6)、电机(7)、导线(8)、无人机电源模块(9)、温度转速传感器(10)、基座(11)、金属圆棒(12)、万向球支座(14)、压力传感器Ⅱ(15)、电压电流传感器模块(17)，金属小球(19)、轨道(20)；
所述压力传感器支架(2)、无线通信系统(3)、压力传感器Ⅱ(15)和电压电流传感器模块(17)固定在圆柱形底盘(1)上，压力传感器Ⅰ(4)通过螺栓固定在压力传感器支架(2)上，万向球支座(14)通过螺栓连接在压力传感器Ⅱ(15)上，金属小球(19)内置在于万向球支座(14)里，基座(11)下表面通过轨道(20)放置在金属小球(19)上，金属圆棒(12)焊接在基座(11)两侧，金属圆棒(12)在基座(11)转动时能与压力传感器Ⅰ(4)接触，多旋翼无人机(6)通过不锈钢管夹(5)固定在基座(11)上表面，温度转速传感器(10)固定在电机(7)支架上，电压电流传感器模块(17)通过导线(8)与无人机电源模块(9)相连；
所述圆柱形底盘(1)、基座(11)和多旋翼无人机(6)安装时要求三者中心轴线重合；
所述压力传感器Ⅱ(15)有四个均通过螺栓对称安装在圆柱形底盘(1)的径向中心线上，用于测量多旋翼无人机(6)作上升或下降动作时的压力值；
所述圆柱形底盘(1)一条径向中心线两侧分别对称垂直焊接有四个压力传感器支架(2)，压力传感器支架(2)的表面与圆柱形底盘(1)轴线所在竖直截面平行，压力传感器Ⅰ(4)通过螺栓固定在压力传感器支架(2)上，用于测量无人机轴向运动时产生的压力值。
2.根据权利要求1所述的无人机动力性能测试系统，其特征在于：还包括无线通信系统(3)、上位机PC(13)；所述无线通信系统(3)分别与压力传感器Ⅰ(4)、压力传感器Ⅱ(15)、电压电流传感器模块(17)以及温度转速传感器(10)通过若干导线连接，将采集的数据通过蓝牙传递给上位机PC(13)。
3.根据权利要求2所述的无人机动力性能测试系统，其特征在于：所述无线通信系统(3)设有USB接口(16)，用于连接外部电源给压力传感器Ⅰ(4)、压力传感器Ⅱ(15)、温度转速传感器(10)、电压电流传感器模块(17)供电。
4.根据权利要求1所述的无人机动力性能测试系统，其特征在于：所述万向球支座(14)底部自带螺栓，通过螺栓固定在压力传感器Ⅱ(15)上，万向球支座(14)内部安装有光滑的金属小球(19)能在万向球支座(14)内部自由滚动。
5.根据权利要求1所述的无人机动力性能测试系统，其特征在于：所述基座(11)底部与金属小球(19)相连接的地方开有轨道(20)，金属小球(19)能在轨道(20)内运动，同时基座(11)的重力大于多旋翼无人机(6)的最大拉力，使得多旋翼无人机(6)不能带动基座(11)飞起，基座(11)中轴线位置开有小孔供导线(8)穿过。
6.根据权利要求1所述的无人机动力性能测试系统，其特征在于：所述金属圆棒(12)在基座(11)转动时能与压力传感器Ⅰ(4)接触，用于测试多旋翼无人机(6)转动时产生的侧面压力值，进而计算其产生的扭矩；扭矩T等于力F与力臂L的乘积，即T＝FL，F为压力传感器Ⅰ(4)的示数，L为压力传感器Ⅰ(4)到基座(11)轴向中心线的水平距离。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的无人机动力性能测试系统的测试方法，其特征在于：
(1)、多旋翼无人机(6)固定之后，接通USB接口(16)处电源，各传感器开始工作，此时，第一压力传感器Ⅱ(151)、第二压力传感器Ⅱ(152)、第三压力传感器Ⅱ(153)和第四压力传感器Ⅱ(154)初始示数分别为a、b、c和d；
当无人机未启动，第一压力传感器Ⅱ(151)、第二压力传感器Ⅱ(152)、第三压力传感器Ⅱ(153)和第四压力传感器Ⅱ(154)工作，上位机PC(13)上显示新的示数a1、b1、c1和d1，通过两次示数差值即为多旋翼无人机的重量；
(2)、打开多旋翼无人机(6)电源，通过无人机遥控器，操作无人机做直线上升动作，此时第一压力传感器Ⅱ(151)、第二压力传感器Ⅱ(152)、第三压力传感器Ⅱ(153)和第四压力传感器Ⅱ(154)所受压力值减小，示数减小；当示数和初始示数a、b、c和d相同时，无人机升力与自身重力相同，处于悬浮状态；通过电压电流传感器模块(17)测试出此时的压力值U和电流值I，通过功率P等于电压U乘以I，即可得到无人机悬浮时的功率值；
(3)、通过遥控器缓慢增加无人机油门，当油门达到最大时，上位机PC上显示压力传感器Ⅱ(15)得到的压力值减小到一个临界状态不再改变时，此时无人机达到最大功率；记录下各传感器的数值获得无人机上升时的实时功率、电压、电流、温度动态特性值；
(4)、通过遥控器控制无人机做仰俯动作时，第一压力传感器Ⅱ(151)、第二压力传感器Ⅱ(152)、第三压力传感器Ⅱ(153)和第四压力传感器Ⅱ(154)测得压力值有的变大，有的减小；比较压力值，得到无人机做仰俯动作时动力变化情况；
(5)、通过遥控器控制无人机左转时，无人机带动基座(11)左转，安装在基座(11)左侧的金属圆棒Ⅰ(121)与第一压力传感器Ⅰ(41)接触，金属圆棒Ⅱ(122)与第三压力传感器Ⅰ(43)接触，通过扭矩T1等于力F1与力臂L1的乘积，即T1＝F1L1，F1为第一压力传感器Ⅰ(41)的示数，L1为第一压力传感器Ⅰ(41)到基座(11)轴向中心线的水平距离，得到无人机左转时产生的扭矩值，缓慢增加油门直至最大，记录下各传感器数值，可以获得无人机左转时的功率、电压、电流、温度动态特性值；
(6)、通过遥控器控制无人机右转时，无人机带动基座(11)右转，金属圆棒Ⅰ(121)与第二压力传感器Ⅰ(42)接触，金属圆棒Ⅱ(122)与第四压力传感器Ⅰ(44)接触，通过扭矩T2等于力F2与力臂L2的乘积，即T2＝F2L2，F2为第二压力传感器Ⅰ(42)的示数，L2为第二压力传感器Ⅰ(42)到基座(11)轴向中心线的水平距离，得到无人机右转时产生的扭矩值，缓慢增加油门直至最大，记录下各传感器数值，获得无人机右转时的功率、电压、电流、温度动态特性值；
(7)、在无人机执行上述动作时，温度转速传感器(10)实时检测电机(7)的温度和转速，为无人机飞行时提供参考；电压电流传感器模块(17)实时检测无人机电源模块(9)提供的电压和电流，进而得到瞬时功率值。
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