CN114394255A - 一种舵机寿命地面验证系统及验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舵机寿命地面验证系统及验证方法，其中验证系统包括：舵机、传动部件和舵面模拟装置，所述舵机的运动端通过所述传动部件连接于所述舵面模拟装置；所述舵面模拟装置用于模拟真实的舵面所受的惯量及力矩；外置电位计，所述外置电位计用于测量所述舵机输出量的实测数据，所述外置电位计的精度大于所述舵机内集成的内置电位计的精度；上位机，所述上位机用于：向所述舵机发送舵面指令，以控制所述舵机带动所述舵面模拟装置运动；所述舵面指令包括舵面的转动角度；接收所述外置电位计测量的实测数据；判断所述实测数据与所述转动角度的差值是否超过阈值，若是，判定所述舵机到达寿命。

Description

一种舵机寿命地面验证系统及验证方法

技术领域

本发明属于航空测试及保障设备领域，具体涉及一种舵机寿命地面验证系统及验证方法。

背景技术

舵机是飞机飞行控制系统的一种重要伺服机构，为舵系统的执行机构，带动舵面偏转，以实现对飞机飞行姿态的控制。舵机性能直接关系到飞机的操纵性能。

目前针对舵机的寿命测试，多为地面长时间空载测试评估或带弹性负载测试。在现有的舵机性能测试中，未能充分考虑舵面质量、转矩的影响，同时也未能模拟气动力产生的载荷，缺少等效模拟所受气动力矩加载的可靠性试验方法，无法模拟无人机飞行时舵面所处的环境。

因此期待一种无人机舵机寿命测试的地面验证系统，能较准确模拟无人机飞行时舵面所受的惯量及力矩，提高舵机寿命测试的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提出一种舵机寿命地面验证系统及验证方法，能较准确模拟无人机飞行时舵面所受的惯量及力矩，提高舵机寿命测试的可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种舵机寿命地面验证系统，包括：

舵机、传动部件和舵面模拟装置，所述舵机的运动端通过所述传动部件连接于所述舵面模拟装置；所述舵面模拟装置用于模拟真实的舵面所受的惯量及力矩；

外置电位计，所述外置电位计用于测量所述舵机输出量的实测数据，所述外置电位计的精度大于所述舵机内集成的内置电位计的精度；

上位机，所述上位机用于：

向所述舵机发送舵面指令，以控制所述舵机带动所述舵面模拟装置运动；所述舵面指令包括舵面的转动角度；

接收所述外置电位计测量的实测数据；

判断所述实测数据与所述转动角度的差值是否超过误差容限，若是，判定所述舵机到达寿命。

可选方案中，所述系统还包括环境试验箱，所述环境试验箱用于模拟高空环境，所述舵机设置于所述环境试验箱内。

可选方案中，所述舵面模拟装置包括：

底座，所述底座上具有间隔设置的第一支杆和第二支杆；

圆柱体，所述圆柱体的底部可转动地安装在所述底座上，所述圆柱体的上表面具有固定部；

第一扭力弹簧和第二扭力弹簧，所述第一扭力弹簧的一端与所述第二扭力弹簧的一端固定在一起并连接于所述固定部，所述固定部与所述传动部件的末端连接；所述第一扭力弹簧的另一端固定在所述第一支杆上，所述第二扭力弹簧的另一端固定在所述第二支杆上。

可选方案中，所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧所在的平面平行于所述圆柱体的横截面，且所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧呈V字形布置。

可选方案中，舵机零位时，所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧的拉长相同，所述舵机所受的合力为0；当所述舵机作动角度时，所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧分别处于拉伸及压缩状态，所述舵面模拟装置所受力矩为所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧的合力与力臂长度的乘积。

可选方案中，所述传动部件的传动方式包括：直连传动、摇臂传动、连杆传动中的至少一种。

可选方案中，所述上位机与所述舵机的交互形式包括：串口交互、总线交互、PWM交互或无线通信交互。

可选方案中，所述舵机包括旋转舵机和直线舵机，当所述舵机为旋转舵机时，所述实测数据为角度数据；当所述舵机为直线舵机时，所述实测数据为距离数据，所述上位机用于将所述距离数据转化为相应的角度数据。

可选方案中，所述舵面指令为无人机在空中飞行时的真实指令；和/或，所述传动部件与真实的所述无人机的传动部件一致。

本发明一实施例还提供了一种舵机寿命地面验证方法，利用上述的系统，所述方法包括：

所述上位机向所述舵机发送舵面指令，以控制所述舵机带动所述舵面模拟装置运动，所述上位机记录所述外置电位计测量的所述舵机输出量的实测数据，并判断所述实测数据与所述转动角度的差值是否超过误差容限，若是，判定所述舵机到达寿命。

本发明的有益效果在于：

本发明能较准确模拟无人机飞行时舵面所受的惯量及力矩，提高舵机寿命测试的可靠性。本发明结构简单，成本低，无需机上舵面及复杂试验装置或环境；方案可靠，能较准确模拟飞行是舵面所受的惯量及力矩；人机交互环境好，可方便人为控制舵机指令及试验阶段；满足产品质量安全要求。

本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。

图1示出了根据本发明一实施例的一种舵机寿命地面验证系统的结构示意图。

附图标记

1-上位机；2-舵机；3-舵面模拟装置；4-舵机连接器；5-传动部件；6-舵机输出轴；7-外置电位计；8-环境试验箱；9-底座；10-圆柱体；101-固定部；11-第一扭力弹簧；12-第二扭力弹簧；31-第一支杆；32-第二支杆。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明。虽然本发明提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本发明一实施例提供了一种舵机寿命地面验证系统，包括：

舵机2、传动部件5和舵面模拟装置3，所述舵机2的运动端通过所述传动部件5连接于所述舵面模拟装置3；所述舵面模拟装置3用于模拟真实的舵面所受的惯量及力矩；

外置电位计7，所述外置电位计7用于测量所述舵机2输出量的实测数据，所述外置电位计7的精度大于所述舵机2内集成的内置电位计的精度；

上位机1，所述上位机1用于：

向所述舵机2发送舵面指令，以控制所述舵机2带动所述舵面模拟装置3运动；所述舵面指令包括舵面的转动角度；

接收所述外置电位计7测量的实测数据；

判断所述实测数据与所述转动角度的差值是否超过阈值，若是，判定所述舵机2到达寿命。

具体地，舵机2通过舵机连接器4与上位机通信连接，上位机1与所述舵机2的交互形式包括：串口交互、总线交互、PWM交互或无线通信交互。舵机2的运动端即舵机输出轴6通过传动部件5连接于舵面模拟装置3，以驱动舵面模拟装置3。舵面模拟装置3的惯量应于实际舵面惯量相匹配，即舵面模拟装置3的质量舵面的转动半径应于舵面实际惯量相符；舵面模拟装置3的力矩应于实际舵面力矩相匹配。传动部件5用于连接舵机2和舵面模拟装置3，传动部件5的传动方式包括：直连传动、摇臂传动、连杆传动中的至少一种。传动部件5的结构可以有多种，为本领域公知，此处不再赘述。

外置电位计7用于测量舵机输出量的实测数据，外置电位计7与舵机2的连接方式与外置电位计7的类型有关，如本实施例中，舵机2为旋转舵机，外置电位计7套设在舵机输出轴6外周，能够测量舵机的真实旋转角度。当舵机2为直线舵机时，外置电位计7测量的为距离数据，与舵机是连接方式为本领域技术人员公知。此时上位机1还用于将所述距离数据转化为相应的角度数据，再与舵面指令中舵面的转动角度进行比较。外置电位计7的精度大于所述舵机2内集成的内置电位计的精度。

本实施例中，舵面模拟装置3包括：

底座9，所述底座9上具有间隔设置的第一支杆31和第二支杆32；圆柱体10，所述圆柱体10的底部可转动地安装在所述底座9上，所述圆柱体10的上表面具有固定部101；第一扭力弹簧11和第二扭力弹簧12，所述第一扭力弹簧11的一端与所述第二扭力弹簧12的一端固定在一起并连接于所述固定部101，所述固定部101与所述传动部件5的末端连接；所述第一扭力弹簧11的另一端固定在所述第一支杆31上，所述第二扭力弹簧12的另一端固定在所述第二支杆32上。本实施例中，第一扭力弹簧11和所述第二扭力弹簧12所在的平面平行于所述圆柱体10的横截面，且所述第一扭力弹簧11和所述第二扭力弹簧12呈V字形布置。舵机零位时，所述第一扭力弹簧11和所述第二扭力弹簧12的拉长相同，所述舵机2所受的合力为0；当所述舵机2作动角度时，所述第一扭力弹簧11和所述第二扭力弹簧12分别处于拉伸及压缩状态，所述舵面模拟装置3所受力矩为所述第一扭力弹簧11和所述第二扭力弹簧12的合力与力臂长度的乘积。偏转角度越大，舵面所受力矩越大，舵面模拟装置3的力矩应与舵面实际飞行时力矩相同或近似。舵面模拟装置8的惯量应于实际舵面惯量相匹配，即舵面模拟装置8的质量与舵面的转动半径的乘积应于实际舵面实际惯量相符。

下面介绍本实施例舵面模拟装置8能够模拟真实的舵面所受的惯量及力矩的原理和计算方法。

计算出真实无人机舵面转动惯量为I。舵面模拟装置8与舵机的连接方式、传递方式与真实无人机舵面连接方式、传递方式相同，设计圆柱体10，圆柱体10的材料统一，根据转动惯量公式

其中I表示无人机舵面的转动惯量，根据公式确定圆柱体10的半径r和质量m。

计算无人机飞行过程中舵面所受力矩范围为M1～M2，一般情况下，平衡状态下无人机所受力矩为M1，可根据需要设置，此处把平衡位置设置在两扭力弹簧均不受力的状态，因此M1＝0，可根据需要调节两扭力弹簧位置及长度，修改M1的值，舵机所受最大力矩范围出现在舵机最大角度处，舵机力臂固定，大约为舵机摇臂的长度。通过上位机给舵机发送指令至最大角度处，测量舵机连杆上的力，使其余舵机力臂的乘积等于M2，此时两扭力弹簧均处于最大形变处，则可满足舵机作动范围内力矩范围为M1-M2,接近舵机飞行过程中的力矩。

本实施例中，验证系统还包括环境试验箱8，所述环境试验箱8用于模拟高空环境(如温度、气压等条件)，所述舵机2设置于所述环境试验箱8内。通过环境试验箱8模拟高空环境，可以使测试结果更为准确。为了使测试结果更准确，传动部件5与真实的所述无人机的传动部件一致，上位机1向舵机2发送的舵面指令为无人机在空中飞行时的真实指令。上位机1根据外置电位计7的实测数据与舵面指令中的舵面的转动角度的差值，判定所述舵机到达寿命。如上位机1的舵面指令中舵面的转动角度为10度，外置电位计7测得的数据为8.5度，若误差容限为1，则舵机2到达寿命，需返厂维修。误差容限可根据飞行控制要求进行设置。

该系统设计了可模拟无人机舵面空中受力情况对舵系统施加力矩及惯量的舵面模拟装置，并通过上位机软件回放真实飞行过程中的舵面指令给舵机，由舵机带动舵面模拟装置作动，并将舵面模拟装置的真实偏移角度通过外置电位计反馈给上位机，由上位机评估舵机的误差情况，当偏差超出允许范围时，认为舵机寿命已到。本发明尽可能模拟舵机空中受力情况。其适用范围较广，成本低廉，可操作性高。本发明综合考虑了舵机在空中的所受的力矩，与舵面的连接方式与传动比，与上位机通信频率，并可加入空中温度、气压等因素，所得的测试结果更为准确，整个测试可自动完成。

本发明另一实施例，提供了一种舵机寿命地面验证方法，利用上述的系统，该方法包括：

所述上位机向所述舵机发送舵面指令，以控制所述舵机带动所述舵面模拟装置运动，所述上位机记录所述外置电位计测量的所述舵机输出量的实测数据，并判断所述实测数据与所述转动角度的差值是否超过误差容限，若是，判定所述舵机到达寿命。

测试步骤如下：

舵机2上电，外置电位计7零点与舵机零点重合，上位机记录外置电位计此时读数；上位机1发送舵面指令数据给舵机2，舵机2带动舵面模拟装置8运动，上位机1记录舵机指令数据、外置电位计的反馈数据；根据飞行控制要求合理设置误差容限，若超过误差容限，则认为舵机寿命已到。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种舵机寿命地面验证系统，其特征在于，包括：

舵机、传动部件和舵面模拟装置，所述舵机的运动端通过所述传动部件连接于所述舵面模拟装置；所述舵面模拟装置用于模拟真实的舵面所受的惯量及力矩；

外置电位计，所述外置电位计用于测量所述舵机输出量的实测数据，所述外置电位计的精度大于所述舵机内集成的内置电位计的精度；

上位机，所述上位机用于：

向所述舵机发送舵面指令，以控制所述舵机带动所述舵面模拟装置运动；所述舵面指令包括舵面的转动角度；

接收所述外置电位计测量的实测数据；

判断所述实测数据与所述转动角度的差值是否超过误差容限，若是，判定所述舵机到达寿命。

2.根据权利要求1所述的舵机寿命地面验证系统，其特征在于，所述系统还包括环境试验箱，所述环境试验箱用于模拟高空环境，所述舵机设置于所述环境试验箱内。

3.根据权利要求1所述的舵机寿命地面验证系统，其特征在于，所述舵面模拟装置包括：底座，所述底座上具有间隔设置的第一支杆和第二支杆；

圆柱体，所述圆柱体的底部可转动地安装在所述底座上，所述圆柱体的上表面具有固定部；

第一扭力弹簧和第二扭力弹簧，所述第一扭力弹簧的一端与所述第二扭力弹簧的一端固定在一起并连接于所述固定部，所述固定部与所述传动部件的末端连接；所述第一扭力弹簧的另一端固定在所述第一支杆上，所述第二扭力弹簧的另一端固定在所述第二支杆上。

4.根据权利要求3所述的舵机寿命地面验证系统，其特征在于，所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧所在的平面平行于所述圆柱体的横截面，且所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧呈V字形布置。

5.根据权利要求3所述的舵机寿命地面验证系统，其特征在于，舵机零位时，所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧的拉长相同，所述舵机所受的合力为0；当所述舵机作动角度时，所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧分别处于拉伸及压缩状态，所述舵面模拟装置所受力矩为所述第一扭力弹簧和所述第二扭力弹簧的合力与力臂长度的乘积。

6.根据权利要求1所述的舵机寿命地面验证系统，其特征在于，所述传动部件的传动方式包括：直连传动、摇臂传动、连杆传动中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的舵机寿命地面验证系统，其特征在于，所述上位机与所述舵机的交互形式包括：串口交互、总线交互、PWM交互或无线通信交互。

8.根据权利要求1所述的舵机寿命地面验证系统，其特征在于，所述舵机包括旋转舵机和直线舵机，当所述舵机为旋转舵机时，所述实测数据为角度数据；当所述舵机为直线舵机时，所述实测数据为距离数据，所述上位机用于将所述距离数据转化为相应的角度数据。

9.根据权利要求1所述的舵机寿命地面验证系统，其特征在于，所述舵面指令为无人机在空中飞行时的真实指令；和/或，所述传动部件与真实的所述无人机的传动部件一致。

10.一种舵机寿命地面验证方法，其特征在于，利用权利要求1-9任一项所述的系统，所述方法包括：

所述上位机向所述舵机发送舵面指令，以控制所述舵机带动所述舵面模拟装置运动，所述上位机记录所述外置电位计测量的所述舵机输出量的实测数据，并判断所述实测数据与所述转动角度的差值是否超过误差容限，若是，判定所述舵机到达寿命。

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