CN116654279B - 一种旋翼气动力综合测试平台 - Google Patents

Abstract

一种旋翼气动力综合测试平台。其包括滑轨底座、旋翼支架、机翼支架、倾转机构、拉扭传感器与电机；本发明效果：采用的拉扭传感器可较为精准地测量如前后旋翼转速差、拉扭力差等关键气动数据，并通过上位机处理后直接输出变化曲线图，使实验结果更加清晰；利用倾转舵机可以实现倾转旋翼无人机倾转过渡的全部过程，并依据拉扭传感器对过渡状态下的模型气动数据进行实时监测跟踪，能够更加直观地体现出倾转旋翼无人机在倾转过渡阶段的复杂气动特性比变化，对于倾转旋翼无人机的稳定性研究也有很大的帮助。

Description

一种旋翼气动力综合测试平台

技术领域

本发明属于旋翼飞行器测试装置技术领域，尤其涉及一种旋翼气动力综合测试平台。

背景技术

倾转旋翼机这一概念最早被提出于载人航空器行业的研究，并随着时代发展逐渐向无人机行业靠拢。倾转旋翼机顾名思义，是指两个或多个安装于机身或机翼的旋翼动力单元可根据控制指令进行0°至90°的倾转，以完成垂直起降模态到水平飞行模态切换的无人机载具。按其工作阶段的区分，可划分为多旋翼、固定翼以及过渡倾转模态。由于涵盖了传统无人机所有的工作模式，倾转旋翼无人机能很好地将两种传统无人机的优点结合于一身，取长补短，既满足垂直起降，摆脱使用场地的限制，又可满足较高速度及较高续航的需要。

值得一提的是，倾转旋翼无人机虽然具备传统无人机大多数的优点，但为此所带来的相关问题也不可小觑。由于具有定翼机的气动外形，倾转旋翼机在飞行途中所遇到的气流干扰等问题相对更加复杂。目前较为成熟的商业小型倾转旋翼无人机的基本气动构型大多为桨-翼-桨模型，即机翼前后各安置一旋翼，这种构型的优点在于当无人机处于垂直起降模态下时，可将其看作成一四旋翼无人机，进而其在该模态下的姿态稳定控制相对容易，也有助于控制器的简化。但在前后双旋翼运行期间，位于它们中间的机翼会受到高速气流的持续影响，导致机翼提供的气动力受到改变，可能会导致飞行状态持续而无序的变化，故需要对这一现象进行更加细致的仿真与实物实验。而整机风洞实验尽管能够准确地得到变化的详细数据，但是其步骤繁琐、限制性大、试验周期长等的缺点导致其使用门槛较高，且费用不菲。因此，一种小型的、操作便携、实验成本低的测试实验台就显得很有必要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种旋翼气动力综合测试平台。

为了达到上述目的，本发明提供的旋翼气动力综合测试平台包括滑轨底座、旋翼支架、机翼支架、倾转机构、拉扭传感器与电机；其中，所述滑轨底座包括框架和轨道，框架为长条状，水平设置；两条轨道平行设置在框架的顶面上；两个旋翼支架的下端以滑动方式对称安装在两条轨道的两侧部位，并且每个旋翼支架上以对称方式安装有倾转机构、拉扭传感器与电机，电机用于驱动安装在其输出轴上的旋翼；两个机翼支架的下端分别固定在框架的两侧面中部，上端用于安装机翼。

所述框架采用合金型材制成，轨道采用圆柱形合金制成。

所述旋翼支架包括滑槽、滑槽底座、斜向固定臂和竖梁臂；四个滑槽对称固定在滑槽底座的底面两侧部位；滑槽底座通过滑槽以滑动方式安装在轨道的一侧；竖梁臂的下端安装在滑槽底座的顶面内端；斜向固定臂的两端分别连接在竖梁臂的中部和滑槽底座的顶面中部。

所述机翼支架包括机翼固定件、横梁、纵梁和垂直梁；横梁沿垂直于轨道方向水平设置，内端固定在框架的侧面中部；纵梁沿平行于轨道方向水平设置，中部连接在横梁的外端；垂直梁的下端固定在纵梁的中部，上端内侧部位安装一个机翼固定件。

所述横梁、纵梁和垂直梁采用合金型材制成。

所述倾转机构包括安装板、舵机固定板、倾转舵机和传感器安装板；安装板的底面固定在竖梁臂的顶部；舵机固定板固定在安装板的内端；传感器安装板的下端铰接在舵机固定板的内侧边缘部位；倾转舵机安装在舵机固定板上，并且位于两侧的舵机转轴分别通过一根连杆与传感器安装板的两侧边缘中部相连；拉扭传感器的外端固定在传感器安装板的内侧面上，内端通过固定盘与电机相连，电机的输出轴上安装旋翼。

所述机翼支架上横梁的位置能够沿框架的长度方向移动，以调整机翼与旋翼G间的距离。

所述倾转舵机还与接收机相连接，接收机通过导线连接在倾转舵机接口处，通过适配遥控器对倾转舵机进行倾转控制。

所述电机还依次通过电机驱动器、采集卡与上位机相连接，通过上位机实现对电机的启停、加减速控制。

所述拉扭传感器还与上位机相连接，通过上位机实现对拉扭传感器的控制。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用的拉扭传感器可较为精准地测量如前后旋翼转速差、拉扭力差等关键气动数据，并通过上位机处理后直接输出变化曲线图，使实验结果更加清晰；

2、本发明利用倾转舵机可以实现倾转旋翼无人机倾转过渡的全部过程，并依据拉扭传感器对过渡状态下的模型气动数据进行实时监测跟踪，能够更加直观地体现出倾转旋翼无人机在倾转过渡阶段的复杂气动特性比变化，对于倾转旋翼无人机的稳定性研究也有很大的帮助。

3、本发明集训练、实验、教学、科研等功能为一体，检测方法简单先进，可以较为准确地模拟倾转旋翼无人机的倾转过渡阶段，并对该阶段的气动变化规律进行跟踪记录，对进一步推进倾转旋翼无人机的增稳控制发展、应用领域的拓展、智能技术教育的普及、相关应用人才的培训、培养具有重大的意义。

附图说明

图1为本发明提供的旋翼气动力综合测试实验平台使用状态示意图。

图2为本发明提供的旋翼气动力综合测试实验平台结构示意图。

图3为旋翼支架结构示意图。

图4为倾转机构、电机与拉扭传感器结构意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图1至图4所示，本发明提供的旋翼飞行器模型综合测试实验平台包括滑轨底座A、旋翼支架B、机翼支架C、倾转机构D、拉扭传感器E与电机F；其中，所述滑轨底座A包括框架A-1和轨道a，框架A-1为长条状，水平设置；两条轨道a平行设置在框架A-1的顶面上；两个旋翼支架B的下端以滑动方式对称安装在两条轨道a的两侧部位，并且每个旋翼支架B上以对称方式安装有倾转机构D、拉扭传感器E与电机F，电机F用于驱动安装在其输出轴上的旋翼G；两个机翼支架C的下端分别固定在框架A-1的两侧面中部，上端用于安装机翼H。

所述框架A-1采用合金型材制成，轨道a采用圆柱形合金制成。

所述旋翼支架B包括滑槽B-1、滑槽底座B-2、斜向固定臂B-3和竖梁臂B-4；四个滑槽B-1对称固定在滑槽底座B-2的底面两侧部位；滑槽底座B-2通过滑槽B-1以滑动方式安装在轨道a的一侧；竖梁臂B-4的下端安装在滑槽底座B-2的顶面内端；斜向固定臂B-3的两端分别连接在竖梁臂B-4的中部和滑槽底座B-2的顶面中部。

所述机翼支架C包括机翼固定件C-1、横梁C-2、纵梁C-3和垂直梁C-4；横梁C-2沿垂直于轨道a方向水平设置，内端固定在框架A-1的侧面中部；纵梁C-3沿平行于轨道a方向水平设置，中部连接在横梁C-2的外端；垂直梁C-4的下端固定在纵梁C-3的中部，上端内侧部位安装一个机翼固定件C-1。

所述横梁C-2、纵梁C-3和垂直梁C-4采用合金型材制成。

所述倾转机构D包括安装板D-1、舵机固定板D-2、倾转舵机D-3和传感器安装板D-4；安装板D-1的底面固定在竖梁臂B-4的顶部；舵机固定板D-2固定在安装板D-1的内端；传感器安装板D-4的下端铰接在舵机固定板D-2的内侧边缘部位；倾转舵机D-3安装在舵机固定板D-2上，并且位于两侧的舵机转轴D-3-1分别通过一根连杆D-3-2与传感器安装板D-4的两侧边缘中部相连；拉扭传感器E的外端固定在传感器安装板D-4的内侧面上，内端通过固定盘F-1与电机F相连，电机F的输出轴上安装旋翼G。所述电机F及拉扭传感器E可依靠倾转舵机D-3进行0-90°范围内的倾转。

所述机翼支架C上横梁C-2的位置能够沿框架A-1的长度方向移动，以调整机翼H与旋翼G间的距离。

所述倾转舵机D-3还与接收机相连接，接收机通过导线连接在倾转舵机D-3接口处，通过适配遥控器对倾转舵机D-3进行倾转控制。

所述电机F还依次通过电机驱动器、采集卡与上位机相连接，通过上位机实现对电机F的启停、加减速控制。

所述拉扭传感器E还与上位机相连接，通过上位机实现对拉扭传感器E的控制。

现将本发明提供的旋翼气动力综合测试平台的使用方法阐述如下：

测试前，首先由试验人员将作为测试实物的机翼H两侧利用机翼固定件C-1安装在两个机翼支架C上，将两个旋翼G分别利用电机F携带的螺栓固定在两个电机F的输出轴上。然后根据实验需求对试验平台上各部件的位置进行调整，包括旋翼G、机翼H、旋翼/机翼间距、旋翼/旋翼间距及旋翼G的倾转角度：电机F可根据需求进行更换，以适应不同规格的旋翼G。之后通过直流稳压电源对试验平台进行通电检查，确认试验平台上各部件状态良好后，使用上位机对拉扭传感器E进行归零较正；这时开始进行实物气动实验。

利用旋翼气动力综合测试平台进行实物气动实验的方法主要包括五个方面：

1.单旋翼下的气动数据测量与单旋翼的倾转实验及数据采集；

2.双旋翼下的气动数据测量与单旋翼固定单旋翼倾转的测试实验及数据采集；

3.桨-翼-桨模型的气动数据测量与采集；

4.桨-翼-桨模型下的单旋翼倾转的测试实验及数据采集；

5.桨-翼-桨模型下的双旋翼倾转的测试实验及数据采集；

在实验过程中，根据实验要求进行控制参数发送并实时收集并保存实验数据。

电机F的拉扭数据测量：通过与电机F相连的拉扭传感器E可以测量出电机F转动过程中由转速变化或旋翼G翼型变化而引起的旋翼拉力、扭矩等关键数据，测量得到的结果通过串口通行线实时传递给上位机中，经上位机解码后实时显示在以Labview为工具设计的交互界面中，还可对输出数据进行二次处理，以得到各变量的变化曲线；

电机F的倾转控制：电机F的倾转控制主要由倾转机构D实现。用户可通过适配遥控器对倾转舵机D-3进行手动控制，也可通过串口连接至上位机中，并使用程序对其进行更为精确的控制。

Claims (9)

1.一种旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述一种旋翼气动力综合测试平台包括滑轨底座(A)、旋翼支架(B)、机翼支架(C)、倾转机构(D)、拉扭传感器(E)与电机(F)；其中，所述滑轨底座(A)包括框架(A-1)和轨道(a)，框架(A-1)为长条状，水平设置；两条轨道(a)平行设置在框架(A-1)的顶面上；两个旋翼支架(B)的下端以滑动方式对称安装在两条轨道(a)的两侧部位，并且每个旋翼支架(B)上以对称方式安装有倾转机构(D)、拉扭传感器(E)与电机(F)，电机(F)用于驱动安装在其输出轴上的旋翼(G)；两个机翼支架(C)的下端分别固定在框架(A-1)的两侧面中部，上端用于安装机翼(H)；所述倾转机构(D)包括安装板(D-1)、舵机固定板(D-2)、倾转舵机(D-3)和传感器安装板(D-4)；安装板(D-1)的底面固定在竖梁臂(B-4)的顶部；舵机固定板(D-2)固定在安装板(D-1)的内端；传感器安装板(D-4)的下端铰接在舵机固定板(D-2)的内侧边缘部位；倾转舵机(D-3)安装在舵机固定板(D-2)上，并且位于两侧的舵机转轴(D-3-1)分别通过一根连杆(D-3-2)与传感器安装板(D-4)的两侧边缘中部相连；拉扭传感器(E)的外端固定在传感器安装板(D-4)的内侧面上，内端通过固定盘(F-1)与电机(F)相连，电机(F)的输出轴上安装旋翼(G)；倾转舵机实现倾转旋翼无人机倾转过渡的全部过程，并依据拉扭传感器对过渡状态下的模型气动数据进行实时监测跟踪。

2.根据权利要求1所述的旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述框架(A-1)采用合金型材制成，轨道(a)采用圆柱形合金制成。

3.根据权利要求1所述的旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述旋翼支架(B)包括滑槽(B-1)、滑槽底座(B-2)、斜向固定臂(B-3)和竖梁臂(B-4)；四个滑槽(B-1)对称固定在滑槽底座(B-2)的底面两侧部位；滑槽底座(B-2)通过滑槽(B-1)以滑动方式安装在轨道(a)的一侧；竖梁臂(B-4)的下端安装在滑槽底座(B-2)的顶面内端；斜向固定臂(B-3)的两端分别连接在竖梁臂(B-4)的中部和滑槽底座(B-2)的顶面中部。

4.根据权利要求1所述的旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述机翼支架(C)包括机翼固定件(C-1)、横梁(C-2)、纵梁(C-3)和垂直梁(C-4)；横梁(C-2)沿垂直于轨道(a)方向水平设置，内端固定在框架(A-1)的侧面中部；纵梁(C-3)沿平行于轨道(a)方向水平设置，中部连接在横梁(C-2)的外端；垂直梁(C-4)的下端固定在纵梁(C-3)的中部，上端内侧部位安装一个机翼固定件(C-1)。

5.根据权利要求4所述的旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述横梁(C-2)、纵梁(C-3)和垂直梁(C-4)采用合金型材制成。

6.根据权利要求5所述的旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述机翼支架(C)上横梁(C-2)的位置能够沿框架(A-1)的长度方向移动，以调整机翼(H)与旋翼(G)间的距离。

7.根据权利要求1所述的旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述倾转舵机(D-3)还与接收机相连接，接收机通过导线连接在倾转舵机(D-3)接口处，通过适配遥控器对倾转舵机(D-3)进行倾转控制。

8.根据权利要求1所述的旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述电机(F)依次通过电机驱动器、采集卡与上位机相连接，通过上位机实现对电机(F)的启停、加减速控制、转速监控。

9.根据权利要求1所述的旋翼气动力综合测试平台，其特征在于：所述拉扭传感器(E)还与上位机相连接，通过上位机实现对拉扭传感器(E)的控制。