CN109774971B - 一种无人机螺旋桨气动性能测试平台 - Google Patents
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Abstract
一种无人机螺旋桨气动性能测试平台属螺旋桨空气动力学研究领域，本发明通过建立遥控器与接收机间的PWM通信，将信号传递至电子调速器以控制无刷电动机的转速大小；机械组件中的力传感器组输出端与变送器组输入端通信连接；变送器组输出端与数据采集卡模拟量输入端通信连接；数据采集卡输出端与计算机串口端建立通信。本发明可适用于各种型号的无人机螺旋桨，测试其在给定转速下所产生的拉力和扭矩大小，从而探究螺旋桨拉力、扭矩与转速的关系。本发明为螺旋桨拉力和扭矩的理论计算方法提供数据验证，从而进一步优化算法；为螺旋桨选型、质检以及螺旋桨结构设计提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于螺旋桨空气动力学技术领域，具体涉及一种无人机螺旋桨气动性能测试平台。
背景技术
随着无人机技术的普及，无人机续航愈发成为热议的话题，因而作为无人机的重要组成部分之一的螺旋桨也愈发受到众多科研人员的关注，其气动特性也成为空气动力学领域的研究热点之一。例如在植保无人机领域中，若采用燃油驱动，则高效率的螺旋桨是该型无人机变桨距控制的关键。因此，需要一种结构简单、可适应于各种不同螺旋桨以及能测试在给定转速下螺旋桨所产生拉力和扭矩的测试平台。探究螺旋桨所产生拉力和扭矩分别与转速的关系，为螺旋桨拉力和扭矩的理论计算方法提供数据验证，从而进一步优化算法；为螺旋桨选型、质检以及螺旋桨结构设计提供数据支撑。
发明内容
本发明的目的在于探究不同螺旋桨的气动特性，为螺旋桨结构设计提供一定的数据支撑。
本发明由机械组件Ⅰ、变送器组Ⅱ、数据采集卡Ⅲ、计算机Ⅳ、电子调速器a、电源b、接收机c和遥控器d组成，其中机械组件Ⅰ中的扭矩传感器组D和拉力传感器4信号输出端与变送器组Ⅱ信号输入端通信连接；变送器组Ⅱ信号输出端与数据采集卡Ⅲ模拟量输入端通信连接；数据采集卡Ⅲ信号输出端与计算机Ⅳ串口通信连接；电子调速器a信号输出端与无刷电动机11三相信号输入端通信连接；电子调速器a正负极与电源b正负极经导线对应连接；接收机c信号输入端与电子调速器a信号输出端通信连接；接收机c供电端与电子调速器a的5伏电源输出端经导线连接；接收机c与遥控器d经无线PWM信号通信连接。
所述的机械组件Ⅰ由电动机组件A、顶板B、滑台组件C、扭矩传感器组D、底板E、螺钉组Ⅰ1、螺钉组Ⅱ2、螺钉组Ⅲ3、螺旋桨拉力传感器4、螺钉组Ⅳ5和螺钉组Ⅴ6组成，其中电动机组件A的底座13经螺钉组Ⅰ1的4个螺钉固接于顶板B的立板Ⅰ31前端；滑台组件C的导轨38经螺钉组Ⅳ5的3个螺钉固接于底板E中横板Ⅱ50的上端；扭矩传感器组D的四个力传感器置于滑台组件C中平板36的四角，四个力传感器下端经螺钉组Ⅴ6与平板36的上端固接，四个力传感器上端经螺钉组Ⅱ2与顶板B中横板Ⅰ29的下端固接；电动机组件A中无刷电动机11的后输出轴22穿过底座13的中心孔Ⅰ25和顶板B的立板Ⅰ31前端中心孔Ⅱ32；拉力传感器4后端的后螺纹孔48与底板E中立板Ⅱ54螺纹连接。
所述的电动机组件A由导流罩7、固定台8、螺旋桨10、无刷电动机11和底座13组成，其中螺旋桨10空套于安装台8的螺纹轴16上，导流罩7位于电动机组件A前端，与安装台8通过螺纹轴16和螺纹孔15螺纹连接，从而旋紧螺旋桨。安装台8的固定台18经螺钉组Ⅳ9固接于无刷电动机11的前端,底座13经螺钉组Ⅶ12的4个螺钉固接于无刷电动机11的后端。
所述的顶板B由左筋板Ⅰ27、立板Ⅰ31、右筋板Ⅰ30和横板Ⅰ29组成，其中立板Ⅰ31经左筋板Ⅰ27和右筋板Ⅰ30垂直固接于横板Ⅰ29前端下面；立板Ⅰ13上设有中心孔Ⅱ32和由8个螺纹孔组成的螺纹孔组Ⅲ33，横板Ⅰ29上设有由四个沉头孔组成的孔组Ⅱ28。
所述的滑台组件C由平板36、导轨38和滑块39组成，其中导轨38上设有由3个沉头孔组成的孔组Ⅳ37；平板36四角设有由4个沉头孔组成的孔组Ⅲ34，滑块39底部设有凹槽40；平板36经螺钉组Ⅲ3固接于滑块39上端，滑块39经凹槽40与导轨38滑动连接。
所述的扭矩传感器组D由四个结构和尺寸完全相同的力传感器组成，每个力传感器均为竖式S形长方体，其上端设有上螺纹孔40，下端设有下螺纹孔42，近上端设有上槽41，近下端设有下槽42，且上槽41开口朝后，下槽43开口朝前。
所述的拉力传感器4为横式S形长方体，其前端设有前螺纹孔44，后端设有后螺纹孔47，近前端设有前槽45，近后端设有后槽46，且前槽45开口朝左右，后槽46开口朝左。
所述的底板E由横板Ⅱ49、右筋板Ⅱ51、左筋板Ⅱ52和立板Ⅱ54组成，其中立板Ⅱ54经右筋板Ⅱ51和左筋板Ⅱ52垂直固接于横板Ⅱ49后端上面；立板Ⅱ54上设有后沉头孔53，横板Ⅱ49中间设有由3个螺纹孔组成的螺纹孔组Ⅳ50，两边各设有由2个通孔组成的孔组Ⅴ48。
本发明的工作过程如下：
当进行螺旋桨气动性能测试时，推动遥控器d上的油门推杆，遥控器d发出PWM信号至接收机c，接收机c与电子调速器a建立通信，通过电子调速器a控制无刷电动机11的转速，再由光电式转速传感器测出不同油门推杆位置下转速的大小，同时，螺旋桨10所产生的拉力和扭矩转换为力传感器的形变量，经变送器组Ⅱ放大处理，将放大后的电压信号(±10v)输出至数据采集卡Ⅲ的模拟信号输入端，最后数据采集卡Ⅲ与计算机Ⅳ建立串口通信，从而采集到不同转速下力、扭矩的数据。
当进行螺旋桨气动性能测试时，无刷电动机11带动螺旋桨10旋转，螺旋桨10产生拉力后，该拉力推动电动机组件A、顶板B、扭矩传感器组D、平板35和滑块38沿导轨37滑动，直至平板35的后端接触到拉力传感器4的前端，拉力传感器4产生形变。
当进行螺旋桨气动性能测试时，采用间接测量的方式测量扭矩大小，平板35上方左右两侧分别竖直布置2个测扭矩的力传感器，其中一侧传感器受压力，另一侧传感器受拉力，采集到力的数据后，将其与力臂做乘积，得到扭矩的数值。
测试螺旋桨所产生拉力大小的拉力传感器4量程为0-5kg，测试螺旋桨所产生扭矩大小的扭矩传感器组D量程为0-8kg，两侧测试扭矩大小的力传感器间距为450mm。
附图说明
图1为无人机螺旋桨气动性能测试平台的轴测图(一)
图2为无人机螺旋桨气动性能测试平台的轴测图(二)
图3为无人机螺旋桨气动性能测试平台的主视图
图4为电动机组件的安装示意图
图5为电动机组件中导流罩与安装台间的安装示意图
图6为电动机组件中安装台与无刷电动机间的安装示意图
图7为导流罩的结构示意图
图8为安装台的轴测图(一)
图9为安装台的轴测图(二)
图10为无刷电动机的轴测图(一)
图11为无刷电动机的轴测图(二)
图12为底座的结构示意图
图13为顶板的结构示意图
图14为滑台组件的安装示意图
图15为扭矩传感器的结构示意图
图16为拉力传感器的结构示意图
图17为底板的结构示意图
图18为电动机转速控制的原理示意图
其中：Ⅰ.机械组件 Ⅱ.变送器组 Ⅲ.数据采集卡 Ⅳ.计算机 A.电动机组件 B.顶板 滑C.台组件 D.扭矩传感器组 E.底板 a.电子调速器 b.电源 c.接收机 d.遥控器 1.螺钉组Ⅰ 2.螺钉组Ⅱ 3.螺钉组Ⅲ 4.拉力传感器 5.螺钉组Ⅳ 6.螺钉组Ⅴ 7.导流罩 8.安装台 9.螺钉组Ⅵ 10.螺旋桨 11.无刷电动机 12.螺钉组Ⅶ 13.底座 14.平台 15.螺纹孔 16.螺纹轴 17.沉头孔组Ⅰ 18.固定台 19.中心凹槽 20.中心凸台 21.螺纹孔组Ⅰ 22.后输出轴 23.螺纹孔组Ⅱ 24.沉头孔组Ⅱ 25.中心孔Ⅰ 26.孔组Ⅰ 27.左筋板Ⅰ 28.孔组Ⅱ29.横板Ⅰ 30.右筋板Ⅰ 31.立板Ⅰ 32.中心孔Ⅱ 33.螺纹孔组Ⅲ 34.孔组Ⅲ 35.平板 36.孔组Ⅳ 37.导轨 38.滑块 39.凹槽 40.上螺纹孔 41.上槽 42.下螺纹孔 43.下槽 44.前螺纹孔 45.前槽 46.后槽 47.后螺纹孔 48.孔组Ⅴ 49.横板Ⅱ 50.螺纹孔组Ⅳ 51.右筋板Ⅱ 52.左筋板 53.后沉头孔 54.立板Ⅱ
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述。
如图1至图17所示，本发明由机械组件Ⅰ、变送器组Ⅱ、数据采集卡Ⅲ、计算机Ⅳ、电子调速器a、电源b、接收机c和遥控器d组成，其中机械组件Ⅰ中的扭矩传感器组D和拉力传感器4信号输出端与变送器组Ⅱ信号输入端通信连接；变送器组Ⅱ信号输出端与数据采集卡Ⅲ模拟量输入端通信连接；数据采集卡Ⅲ信号输出端与计算机Ⅳ串口通信连接；电子调速器a信号输出端与无刷电动机11三相信号输入端通信连接；电子调速器a正负极与电源b正负极经导线对应连接；接收机c信号输入端与电子调速器a信号输出端通信连接；接收机c供电端与电子调速器a的5伏电源输出端经导线连接；接收机c与遥控器d经无线PWM信号通信连接；
所述的机械组件Ⅰ由电动机组件A、顶板B、滑台组件C、扭矩传感器组D、底板E、螺钉组Ⅰ1、螺钉组Ⅱ2、螺钉组Ⅲ3、拉力传感器4、螺钉组Ⅳ5和螺钉组Ⅴ6组成，其中电动机组件A的底座13经螺钉组Ⅰ1的4个螺钉固接于顶板B的立板Ⅰ31前端；滑台组件C的导轨38经螺钉组Ⅳ5的3个螺钉固接于底板E中横板Ⅱ50的上端；扭矩传感器组D的四个力传感器置于滑台组件C中平板36的四角，四个力传感器下端经螺钉组Ⅴ6与平板36的上端固接，四个力传感器上端经螺钉组Ⅱ2与顶板B中横板Ⅰ29的下端固接；电动机组件A中无刷电动机11的后输出轴22穿过底座13的中心孔Ⅰ25和顶板B的立板Ⅰ31前端中心孔Ⅱ32；拉力传感器4后端的后螺纹孔48与底板E中立板Ⅱ54螺纹连接。
其中，为避免产生额外的弯矩，无刷电动机11轴线和拉力传感器4前螺纹孔44的轴线有同轴度要求。
如图4至图12所示，所述的电动机组件A由导流罩7、固定台8、螺旋桨10、无刷电动机11和底座13组成，其中螺旋桨10空套于安装台8的螺纹轴16上，导流罩7位于电动机组件A前端，与安装台8通过螺纹轴16和螺纹孔15螺纹连接，从而旋紧螺旋桨。安装台8的固定台18经螺钉组Ⅳ9固接于无刷电动机11的前端,底座13经螺钉组Ⅶ12的4个螺钉固接于无刷电动机11的后端。
如图9和图10所示，安装台8上的中心凹槽19与无刷电动机前端的中心凸台20间隙配合，以保证螺旋桨10轴线与无刷电动机11轴线的同轴精度。
如图11至图13所示，为了避免干涉，无刷电动机11的后输出轴22依次穿过底座13的中心孔Ⅰ25和顶板B的立板Ⅰ31前端中心孔Ⅱ32。
如图13所示，所述的顶板B由左筋板Ⅰ27、立板Ⅰ31、右筋板Ⅰ30和横板Ⅰ29组成，其中立板Ⅰ31经左筋板Ⅰ27和右筋板Ⅰ30垂直固接于横板Ⅰ29前端下面；立板Ⅰ13上设有中心孔Ⅱ32和由8个螺纹孔组成的螺纹孔组Ⅲ33，横板Ⅰ29上设有由四个沉头孔组成的孔组Ⅱ28。
螺纹孔组Ⅲ33包含8个螺纹孔，分别适应于两种不同尺寸的底座13。
如图14所示，所述的滑台组件C由平板36、导轨38和滑块39组成，其中导轨38上设有由3个沉头孔组成的孔组Ⅳ37；平板36四角设有由4个沉头孔组成的孔组Ⅲ34，滑块39底部设有凹槽40；平板36经螺钉组Ⅲ3固接于滑块39上端，滑块39经凹槽40与导轨38滑动连接。
如图15所示，所述的扭矩传感器组D由四个结构和尺寸完全相同的力传感器组成，每个力传感器均为竖式S形长方体，其上端设有上螺纹孔40，下端设有下螺纹孔42，近上端设有上槽41，近下端设有下槽42，且上槽41开口朝后，下槽43开口朝前。
如图16所示，所述的拉力传感器4为横式S形长方体，其前端设有前螺纹孔44，后端设有后螺纹孔47，近前端设有前槽45，近后端设有后槽46，且前槽45开口朝左右，后槽46开口朝左。
如图17所示，所述的底板E由横板Ⅱ49、右筋板Ⅱ51、左筋板Ⅱ52和立板Ⅱ54组成，其中立板Ⅱ54经右筋板Ⅱ51和左筋板Ⅱ52垂直固接于横板Ⅱ49后端上面；立板Ⅱ54上设有后沉头孔53，横板Ⅱ49中间设有由3个螺纹孔组成的螺纹孔组Ⅳ50，两边各设有由2个通孔组成的孔组Ⅴ48。
其中，螺纹孔组Ⅳ50用于连接导轨38，孔组Ⅴ48用于固定整个实验装置。
如图18所示，所述的电动机转速控制部分由电子调速器a、电源b、接收机c和遥控器d组成，电子调速器a信号输出端与无刷电动机11三相信号输入端通信连接；电子调速器a正负极与电源b正负极经导线对应连接；接收机c信号输入端与电子调速器a信号输出端通信连接；接收机c供电端与电子调速器a的5伏电源输出端经导线连接；接收机c与遥控器d经无线PWM信号通信连接。
Claims (3)
1.一种无人机螺旋桨气动性能测试平台，其特征在于，由机械组件(Ⅰ)、变送器组(Ⅱ)、数据采集卡(Ⅲ)、计算机(Ⅳ)、电子调速器(a)、电源(b)、接收机(c)和遥控器(d)组成，其中机械组件(Ⅰ)中的扭矩传感器组(D)和拉力传感器(4)信号输出端与变送器组(Ⅱ)信号输入端通信连接；变送器组(Ⅱ)信号输出端与数据采集卡(Ⅲ)模拟量输入端通信连接；数据采集卡(Ⅲ)信号输出端与计算机(Ⅳ)串口通信连接；电子调速器(a)信号输出端与无刷电动机(11)三相信号输入端通信连接；电子调速器(a)正负极与电源(b)正负极经导线对应连接；接收机(c)信号输入端与电子调速器(a)信号输出端通信连接；接收机(c)供电端与电子调速器(a)的5伏电源输出端经导线连接；接收机(c)与遥控器(d)经无线PWM信号通信连接；所述的机械组件(Ⅰ)由电动机组件(A)、顶板(B)、滑台组件(C)、扭矩传感器组(D)、底板(E)、螺钉组Ⅰ(1)、螺钉组Ⅱ(2)、螺钉组Ⅲ(3)、拉力传感器(4)、螺钉组Ⅳ(5)和螺钉组Ⅴ(6)组成，其中电动机组件(A)的底座(13)经螺钉组Ⅰ(1)的4个螺钉固接于顶板(B)的立板Ⅰ(31)前端；滑台组件(C)的导轨(37)经螺钉组Ⅳ(5)的3个螺钉固接于底板(E)中横板Ⅱ(49)的上端；扭矩传感器组(D)的四个力传感器置于滑台组件(C)中平板(35)的四角，四个力传感器下端经螺钉组Ⅴ(6)与平板(35)的上端固接，四个力传感器上端经螺钉组Ⅱ(2)与顶板(B)中横板Ⅰ(29)的下端固接；电动机组件(A)中无刷电动机(11)的后输出轴(22)穿过底座(13)的中心孔Ⅰ(25)和顶板(B)的立板Ⅰ(31)前端中心孔Ⅱ(32)；拉力传感器(4)后端的后螺纹孔(47)与底板(E)中立板Ⅱ(54)螺纹连接；所述的电动机组件(A)由导流罩(7)、 安装台(8)、螺旋桨(10)、无刷电动机(11)和底座(13)组成，其中螺旋桨(10)空套于安装台(8)的螺纹轴(16)上，导流罩(7)位于电动机组件(A)前端，与安装台(8)通过螺纹轴(16)和螺纹孔(15)螺纹连接；安装台(8)的固定台(18)经螺钉组Ⅵ(9)固接于无刷电动机(11)的前端,底座(13)经螺钉组Ⅶ(12)的4个螺钉固接于无刷电动机(11)的后端；所述的顶板(B)由左筋板Ⅰ(27)、立板Ⅰ(31)、右筋板Ⅰ(30)和横板Ⅰ(29)组成，其中立板Ⅰ(31)经左筋板Ⅰ(27)和右筋板Ⅰ(30)垂直固接于横板Ⅰ(29)前端下面； 立板Ⅰ(31)上设有中心孔Ⅱ(32)和由8个螺纹孔组成的螺纹孔组Ⅲ(33)， 横板Ⅰ(29)上设有由四个沉头孔组成的孔组Ⅱ(28)；所述的滑台组件(C)由平板(35)、导轨(37)和滑块(38)组成，其中导轨(37)上设有由3个沉头孔组成的孔组Ⅳ(36)；平板(35)四角设有由4个沉头孔组成的孔组Ⅲ(34)，滑块(38)底部设有凹槽(39)；平板(35)经螺钉组Ⅲ(3)固接于滑块(38)上端，滑块(38)经凹槽(39)与导轨(37)滑动连接；所述的底板(E)由横板Ⅱ(49)、右筋板Ⅱ(51)、左筋板Ⅱ(52)和立板Ⅱ(54)组成，其中立板Ⅱ(54)经右筋板Ⅱ(51)和左筋板Ⅱ(52)垂直固接于横板Ⅱ(49)后端上面；立板Ⅱ(54)上设有后沉头孔(53)，横板Ⅱ(49)中间设有由3个螺纹孔组成的螺纹孔组Ⅳ(50)，两边各设有由2个通孔组成的孔组Ⅴ(48)。
2.按权利要求1所述的无人机螺旋桨气动性能测试平台，其特征在于，所述的扭矩传感器组(D)由四个结构和尺寸完全相同的力传感器组成，每个力传感器均为竖式S形长方体，其上端设有上螺纹孔(40)，下端设有下螺纹孔(42)，近上端设有上槽(41)，近下端设有下槽(43)，且上槽(41)开口朝后，下槽(43)开口朝前。
3.按权利要求1所述的无人机螺旋桨气动性能测试平台，其特征在于，所述的拉力传感器(4)为横式S形长方体，其前端设有前螺纹孔(44)，后端设有后螺纹孔(47)，近前端设有前槽(45)，近后端设有后槽(46)，且前槽(45)开口朝右，后槽(46) 开口朝左。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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