CN110641731B - 一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，包括设在壳体上方的杠杆组件、设在壳体内部的硬件检测模块以及与杠杆组件连接的被测模块。通过电机控制桨叶转动，基于杠杆原理，将无人机用旋翼电机提供的向上的升力转化为电阻应变式传感器上承受的压力，便于力的测量；该装置支持的测量对象为直径小于35英寸的螺旋桨以及可以与之配合的电机，针对不同规格的螺旋桨与电机设置了相应的配件，装置的适用性更强。

Description

一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置。
背景技术
多旋翼无人飞行器是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机，其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。旋翼无人飞行器的可操控性强，可垂直起降和悬停，主要适用于低空、低速、有垂直起降和悬停要求的任务类型，在地质勘探、灾后摄像和国防等领域均得到了广泛的应用。
随着应用领域进一步拓展以及市场需求量的增多，多旋翼无人飞行器设备已成为近年来国内外各科研院校和相关技术型企业的重点研发对象。多旋翼无人飞行器主要通过控制旋翼电机的旋转产生升力为无人机运动提供动力，在实际的研发过程中，需要对无人机的各项属性进行准确建模并实施精确控制，需要测量无人机旋翼电机转速与产生的升力大小的对应关系。
而现有的测量装置大多是在研究无人机的过程中，针对某一款或几款特定规格的电机、螺旋桨进行研发制作而成的，泛用性不强，并且不能精确的反应升力变化的特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，该装置的测量对象为直径小于35英寸的桨叶以及可以与之配合的电机，且两者配合工作时所能提供的升力在0至100牛顿之间。
本发明的目的通过以下技术方案实现:一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，包括设在壳体上方的杠杆组件、设在壳体内部的硬件检测模块以及与杠杆组件连接的被测模块。
所述杠杆组件包括杠杆支架、转轴和杠杆，两个平行设置的杠杆支架的底部固定连接在壳体的顶盖板上，转轴可拆卸地固定连接在两个杠杆支架顶部，杠杆活动连接在转轴上且可以转轴为支点转动。
所述硬件检测模块包括电阻应变式传感器、单片机和OLED屏幕，电阻应变式传感器与单片机电连接，单片机与OLED屏幕电连接，单片机通过串口与上位机通信；在顶盖板上分别设有与电阻应变式传感器和OLED屏幕形状适配的通孔，电阻应变式传感器的顶面伸出壳体且与杠杆的一端相接触。
所述被测模块包括电机固定装置、电机和桨叶，电机固定装置与杠杆远离电阻应变式传感器的一端连接，电机固定在电机固定装置上，桨叶连接在电机顶部的电机轴上。
桨叶直径D小于19英寸时，杠杆的动力臂和阻力臂的长度比为1:1，动力臂和阻力臂的长度均为25cm；桨叶直径D在19英寸到35英寸之间时，杠杆的动力臂和阻力臂的长度比为1.8:1，动力臂长度为45cm，阻力臂长度为25cm。
壳体的顶盖板可拆卸地固定连接在壳体上方。
在壳体底部设有数个固定装置，所述固定装置由呈“匚”型的卡接块和旋拧组件组成，卡接块的顶部面板与壳体底部固定连接，在卡接块的底部面板上设有纵向贯通的螺纹孔用于连接旋拧组件。
所述旋拧组件由旋杆、旋柄和顶撑面板组成，旋杆上设有与螺纹孔适配的螺纹，旋杆连接在螺纹孔内且其两端分别位于卡接块的底部面板的上、下方，旋柄垂直于旋杆连接在旋杆底端，顶撑面板固定连接在旋杆顶端。
所述杠杆为碳纤维管。
本发明的有益效果是：
1、本装置能够测量无人机用旋翼电机所提供的升力，能够科学地研究无人机的动力系统在不同工作条件下的状态，进而对多旋翼无人机的动力系统进行精确和全面的评估，为无人机动力系统工作状态的研究提供了便利，有利于无人机动力系统的搭建和优化。
2、使用杠杆结构将无人机用旋翼电机提供的向上的升力转化为电阻应变式传感器上承受的压力，便于力的测量；
3、本发明支持的测量对象为直径小于35英寸的螺旋桨以及可以与之配合的电机，针对不同规格的螺旋桨与电机设置了相应的配件，使装置具有泛用性；
4、装置组装、拆卸方便，使用方法简单，具有模块化的特点；
5、有与上位机通信的功能，便于更加全面的研究。
附图说明
图1为多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置的结构示意图；
图2为硬件检测模块的结构示意图；
图3为被测模块的结构示意图；
图4为固定装置的结构示意图；
图5为杠杆组件的结构示意图；
图中：
1-壳体，2-杠杆组件，3-硬件检测模块，4-被测模块，5-固定装置；
11-顶盖板；
21-杠杆支架，22-转轴，23-杠杆；
31-电阻应变式传感器，32-单片机，33-OLED屏幕；
41-电机固定装置，42-电机，43-桨叶；
51-卡接块，52-旋拧组件；
521-旋杆，522-旋柄，523-顶撑面板。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
为了弥补现有的旋翼电机升力测量装置泛用性上的不足，本实施方式公开一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，包括设在壳体1上方的杠杆组件2、设在壳体1内部的硬件检测模块3以及与杠杆组件2连接的被测模块4。
杠杆组件2包括杠杆支架21、转轴22和杠杆23，两个平行设置的杠杆支架21的底部固定连接在壳体1的顶盖板11上，转轴22可拆卸地固定连接在两个杠杆支架21顶部，杠杆23活动连接在转轴22上且可以转轴22为支点转动。
硬件检测模块3负责升力数据的采集与处理，并将数据以相应通讯方式传递给上位机，该模块具体包括电阻应变式传感器31、单片机32和OLED屏幕33，电阻应变式传感器31与单片机32电连接，单片机32与OLED屏幕33电连接；在顶盖板11上分别设有与电阻应变式传感器31和OLED屏幕33形状适配的通孔，电阻应变式传感器31的顶面从相应的通孔中伸出壳体1且与杠杆23的一端相接触。
被测模块4包括电机固定装置41、电机42和桨叶43，电机固定装置41与杠杆23远离电阻应变式传感器31的一端连接，电机42固定在电机固定装置41上，桨叶43连接在电机42顶部的电机轴上。
测量过程中，电机42带动桨叶43旋转产生向上的升力，进而带动连接被测模块4的杠杆23的动力臂端向上移动，同时，与电阻应变式传感器31相接触的杠杆23阻力臂端产生向下的作用力，利用杠杆原理，将旋翼电机产生的升力转化为了电阻应变式传感器31上所受的压力。
电阻应变式传感器31负责采集杠杆23施加的压力，并将数据送入单片机32处理，数据被送入单片机32后，由相应算法还原为此时电机42带动桨叶43旋转产生的升力的值，单片机32再控制OLED屏幕33显示出此数值。
单片机32可通过串口和数据线与上位机通信，实现更加复杂的信息显示，每隔相同时间可将测量到的数据发送给上位机，再由上位机程序控制记录数据，绘制力随时间变化的关系图，直观的反应升力随着时间发生的变化，有利于对被测模块4的工作状态稳定性进行相关的研究。
本实施方式中用到的电阻应变式传感器31是依靠传感器中的弹性敏感元件受力发生变形，附着其上的电阻应变计也同时产生形变，再由电阻应变计将变形转换为电阻值的变化，相应地，电阻两端的电压值发生变化，将这个值经过放大器进行放大，再由模数转换变为数字量，最后将这个量送入单片机32，对数据进行处理后得到升力的数值大小，再经由单片机控制的OLED屏幕33显示升力的数值大小，不断重复上述过程，即可实现升力大小的实时测量。本实施方式中使用的传感器为压力传感器，设计量程为0千克至20千克。
在对被测模块4进行数据测量时，电机42通电工作带动桨叶43转动，由于所用的电阻应变式传感器31灵敏度极高，桨叶43转动时可能使得电阻应变式传感器31周围的空气扰动，造成压强变化，此变化可能被传感器捕捉到而造成测量误差。为了减小此项误差，桨叶43的半径应小于动力臂的长度。因此杠杆23的动力臂及阻力臂长度应该尽可能的长，一是能获得更大的量程，二是能够使桨叶43远离电阻应变式传感器31，减小传感器上方的空气扰动。
假设杠杆23的阻力臂为L1厘米，动力臂为L2厘米。桨叶43的直径为D英寸。被测模块4提供的升力为F牛顿。电阻应变式传感器31上的压力为N牛顿。装置工作时杠杆23与水平面的夹角为θ。
由于要求杠杆23的阻力臂端要与电阻应变式传感器31的顶面相接触，考虑理想情况(即认为杠杆23与电阻应变式传感器31顶面的接触面积为一个点)根据本装置的设计尺寸，杠杆支点到顶盖板11的垂直距离为6厘米，同时杠杆支点在顶盖板11上的投影点距电阻应变式传感器31顶面的最近侧的距离为13.5厘米，距最远侧的距离为26.5厘米，由勾股定理知
14.7cm≤L1≤27.0cm
但同时要求杠杆越长越好，即L1应该尽量的大，同时考虑到加工、数据计算处理的因素，取L1＝25cm。
由桨叶43的半径应小于动力臂的长度可知
Figure BDA0002220211710000051
由杠杆原理可得
L1 cosθ·N＝L2·F
为简化计算，假设
L2＝k·L1
同时，由于杠杆支点到顶盖板11的垂直距离为6厘米，L1＝25cm，则有
Figure BDA0002220211710000052
所以
Figure BDA0002220211710000053
由于设定的量程为0至100牛顿，而本发明所用的电阻应变式传感器31的量程为0牛顿至200牛顿，且是线性变化的，为了达到量程要求，则有
Figure BDA0002220211710000054
解得k≤1.941。
另一方面，k的最小值取决于桨叶43的直径D，即当D取某一确定值D0时，有相对应的
Figure BDA0002220211710000055
则当k取k∈(k0,1.941)中的某一个固定值时，都能支持对于桨叶直径D取D∈(0,D0)范围内桨叶的测量。
由于对于桨叶43直径D的最大目标量程为0至35英寸，则当D＝35英寸时，可解得k∈(1.778,1.941)，k可为此范围内任何一个值，为计算、制作加工方便，取k＝1.8。
事实上，根据使用者的实际情况，k可以取k0∈(0,1.8)中的任何一个值，以满足使用者的使用要求。故本实施方式中采用的杠杆有两种规格：
其一为1:1杠杆(动力臂与阻力臂长度均为25厘米)，此时
Figure BDA0002220211710000061
此时仅支持测量直径为0至19英寸范围内的桨叶43。
其二为1:1.8杠杆(动力臂长度为45厘米，阻力臂长度为25厘米)，适用于19至35英寸范围内的桨叶43。
由于转轴22与杠杆支架21之间为可拆卸连接，所以从杠杆支架21上的孔中拆下转轴22后便可将杠杆23拆下，之后可根据需求自行在允许范围内制作符合使用要求的杠杆23并进行替换。
壳体1的顶盖板11以可拆卸地方式固定连接在壳体上方，与壳体1共同起到保护硬件检测模块3的作用，顶盖板11可拆卸，方便对壳体1内的各项配件进行维护、更换、升级。
当旋翼电机提供的力较大时，有可能导致装置倾覆，为使装置在工作过程中保持稳定，可选择在壳体1底部可拆卸的固定连接数个固定装置5，旋翼电机提供的力较小时，可将固定装置5拆除。
固定装置5由呈“匚”型的卡接块51和旋拧组件52组成，卡接块51的顶部面板与壳体1底部固定连接，在卡接块51的底部面板上设有纵向贯通的螺纹孔用于连接旋拧组件52。
旋拧组件52由旋杆521、旋柄521和顶撑面板523组成，旋杆521上设有与卡接块51底部面板上的螺纹孔适配的螺纹，旋杆521连接在螺纹孔内且其两端分别位于卡接块51底部面板的上、下方，旋柄522垂直于旋杆521连接在旋杆521底端，顶撑面板523固定连接在旋杆521顶端。
使用时需要利用桌子或其他固定平面的边缘，以桌子为例，首先将“匚”型的卡接块51的开口端卡在桌面边沿处并保证卡接块51顶部面板的底面与桌面顶面贴合紧密，转动下方的旋柄522使旋杆521上升，直至顶撑面板523顶部抵住桌面边沿的下表面，通过卡接块51和旋拧组件52的共同作用，将整个测量装置固定于桌面上，使装置在受力较大时也不会发生倾覆。
本实施方式中所用的杠杆23、转轴22均为碳纤维管，碳纤维材料有质量轻、硬度大的优点，对测量过程的影响小且更为经久耐用。
杠杆支架21由ABS塑料制成，ABS塑料具有原料易得、综合性能良好、价格便宜的特点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (8)

1.一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，其特征在于，包括设在壳体(1)上方的杠杆组件(2)、设在壳体(1)内部的硬件检测模块(3)以及与杠杆组件(2)连接的被测模块(4)；
所述杠杆组件(2)包括杠杆支架(21)、转轴(22)和杠杆(23)，转轴(22)连接在杠杆支架(21)上，杠杆(23)活动连接在转轴(22)上且可以转轴(22)为支点转动；
所述硬件检测模块(3)包括电阻应变式传感器(31)、单片机(32)和OLED屏幕(33)，电阻应变式传感器(31)与单片机(32)电连接，单片机(32)与OLED屏幕(33)电连接，单片机(32)通过串口与上位机通信；电阻应变式传感器(31)的顶面与杠杆(23)的一端相接触；
所述被测模块(4)包括电机固定装置(41)、电机(42)和桨叶(43)，电机固定装置(41)与杠杆(23)远离电阻应变式传感器(31)的一端连接，电机(42)固定在电机固定装置(41)上，桨叶(43)连接在电机(42)顶部的电机轴上；
假设杠杆(23)的阻力臂为L1厘米，动力臂为L2厘米，桨叶(43)的直径为D英寸，被测模块(4)提供的升力为F牛顿，电阻应变式传感器(31)上的压力为N牛顿，装置工作时杠杆(23)与水平面的夹角为θ；
由于要求杠杆(23)的阻力臂端要与电阻应变式传感器(31)的顶面相接触，考虑理想情况，即认为杠杆(23)与电阻应变式传感器(31)顶面的接触面积为一个点，根据本装置的设计尺寸，杠杆支点到顶盖板(11)的垂直距离为6厘米，同时杠杆支点在顶盖板(11)上的投影点距电阻应变式传感器(31)顶面的最近侧的距离为13.5厘米，距最远侧的距离为26.5厘米，由勾股定理知
14.7cm≤L1≤27.0cm
但同时要求杠杆越长越好，即L1应该尽量的大，同时考虑到加工、数据计算处理的因素，取L1＝25cm；
由桨叶(43)的半径应小于动力臂的长度可知
Figure FDA0003799580110000021
由杠杆原理可得
L1 cosθ·N＝L2·F
为简化计算，假设
L2＝k·L1
同时，由于杠杆支点到顶盖板(11)的垂直距离为6厘米，L1＝25cm，则有
Figure FDA0003799580110000022
所以
Figure FDA0003799580110000023
由于设定的量程为0至100牛顿，而电阻应变式传感器(31)的量程为0牛顿至200牛顿，且是线性变化的，为了达到量程要求，则有
Figure FDA0003799580110000031
解得k≤1.941。
2.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，其特征在于，桨叶(43)的直径D小于19英寸时，杠杆(23)的动力臂和阻力臂的长度比为1:1，动力臂和阻力臂的长度均为25cm；桨叶(43)的直径D在19英寸到35英寸之间时，杠杆(23)的动力臂和阻力臂的长度比为1.8:1，动力臂长度为45cm，阻力臂长度为25cm。
3.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，其特征在于，两个平行设置的杠杆支架(21)的底部固定连接在壳体(1)的顶盖板(11)上，转轴(22)可拆卸地固定连接在两个杠杆支架(21)顶部。
4.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，其特征在于，在顶盖板(11)上分别设有与电阻应变式传感器(31)和OLED屏幕(33)形状适配的通孔，电阻应变式传感器(31)的顶面伸出壳体(1)。
5.如权利要求4所述的一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，其特征在于，顶盖板(11)可拆卸地固定连接在壳体(1)上方。
6.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，其特征在于，在壳体(1)底部设有数个固定装置(5)，所述固定装置(5)由呈“匚”型的卡接块(51)和旋拧组件(52)组成，卡接块(51)的顶部面板与壳体(1)底部固定连接，在卡接块(51) 的底部面板上设有纵向贯通的螺纹孔用于连接旋拧组件(52)。
7.如权利要求6所述的一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，其特征在于，所述旋拧组件(52)由旋杆(521)、旋柄(522)和顶撑面板(523)组成，旋杆(521)上设有与螺纹孔适配的螺纹，旋杆(521)连接在螺纹孔内且其两端分别位于卡接块(51)的底部面板的上、下方，旋柄(522)垂直于旋杆(521)连接在旋杆(521)底端，顶撑面板(523)固定连接在旋杆(521)顶端。
8.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机用旋翼电机升力测量装置，其特征在于，所述杠杆(23)为碳纤维管。
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