CN117147095A - 一种旋翼无人机气动力高精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种旋翼无人机气动力高精度测量装置及方法，属于航空航天测力试验气动力测量技术领域。其包括固定底板、六分量盒式应变天平、天平保护罩、天平加载板、飞行器支撑架、飞行器压板和旋翼无人机，固定底板上装有天平保护罩，天平保护罩内置有六分量盒式应变天平，天平加载板与六分量盒式应变天平顶部测量端建立连接，天平加载板上装有飞行器支撑架，飞行器支撑架顶部设有飞行器托块，飞行器托块顶部放置有旋翼无人机，飞行器压板通过飞行器连接块装于飞行器支撑架上，飞行器压板与旋翼无人机夹紧贴合。解决实现对旋翼无人机气动力的高精度测量的问题，通过六分量盒式应变天平实现在旋翼无人机试验过程中，对旋翼无人机气动力进行高精度测量。

Description

一种旋翼无人机气动力高精度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种旋翼无人机气动力高精度测量装置及方法，属于航空航天测力试验气动力测量技术领域。

背景技术

旋翼无人机可广泛应用于搜救、救援、巡检等任务，既可以贴地飞行，也可以长时间近距离靠近物体飞行，可以完成固定翼飞机无法完成的任务。

旋翼无人机研制需要研究其操纵响应特性，需要一套气动力测量装置测试气动力响应数据进而分析其操纵性。当前国内针对旋翼无人机飞行气动载荷测量技术相关研究较少，现有的测量装置多采用普通商用力传感器组装测量系统对气动载荷进行测量，整体测量系统误差较大，精准度还相对较低，实验效果不够理想。

现有的气动力测量天平有单分量天平、多分量天平，按结构形式可分成盒式天平、杆式天平、分体式天平。其中六分量盒式应变天平结构刚强度好，且测量稳定性相对高，因此常用于外部安装连接方式对飞行器气动载荷进行测量，更加适用于对旋翼无人机飞行载荷测量。试验装置用盒式天平为整体式六分量盒式应变天平，天平上方支撑端安装旋翼无人机支撑，天平下方固定端与试验装置固定底板相连，天平支撑端与固定端之间设置弹性连杆和悬臂梁式测量元件，应变计粘贴在悬臂梁上。弹性连杆分别设置在轴向、法向与横向三个方向上，将力分别传递到天平元件悬臂梁自由端。弹性连杆两端有双向弹性铰链，弹性铰链所提供的横向自由度排除了其它两个方向的力的作用，因此，只能传递拉力或压力，保证天平元件悬臂梁只受到欲测量分量的载荷的作用，实现力与力矩的机械分解。

因此，亟需提出一种旋翼无人机气动力高精度测量装置及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发目的是为了解决通过设计整体式高精度六分量盒式应变天平并进行静态标定，来实现对旋翼无人机气动力的高精度测量的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

方案一、一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，包括固定底板、六分量盒式应变天平、天平保护罩、天平加载板、飞行器支撑架、飞行器托块、飞行器压板、飞行器连接块和旋翼无人机，固定底板上安装有天平保护罩，天平保护罩内设置有六分量盒式应变天平，天平加载板穿过天平保护罩后与六分量盒式应变天平顶部测量端建立连接，天平加载板上安装有飞行器支撑架，飞行器支撑架顶部设置有飞行器托块，飞行器托块顶部放置有旋翼无人机，位于飞行器托块上方的飞行器支撑架上安装有至少两个飞行器连接块，飞行器连接块上安装有飞行器压板，同时飞行器压板与旋翼无人机夹紧贴合。

优选的：所述飞行器支撑架上布置有振动加速度传感器。

优选的：所述天平加载板与飞行器托块之间距离大于飞行器风道口径2倍。

优选的：所述六分量盒式应变天平的顶部测量端设置有过载保护限位块，过载保护限位块顶部与天平加载板建立连接。

优选的：所述六分量盒式应变天平上设置有悬臂梁，所述六分量盒式应变天平的悬臂梁上布置有温度传感器，温度传感器的灵敏度大于0.1℃。

优选的：所述天平保护罩为金属保护罩。

方案二、一种旋翼无人机气动力高精度测量方法，是依托于方案一所述的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置实现的，具体步骤如下：

步骤1，六分量盒式应变天平静态标定，在高精度地轴系校准台上对六分量盒式应变天平进行单元加载校准，得到标准载荷下的天平各元电压值输出，根据最小二乘法计算出天平校准系数，得到天平校准公式，给出天平校准报告；

步骤2，获取试验数据。在完成六分量盒式应变天平校准后，在试验区进行试验设备及所测飞行器安装，连接测控系统及采集设备，全部试验系统准备完成后开始进行试验，测量各个试验工况下天平电压输出；

步骤3，试验数据处理。根据天平校准公式，计算试验所得天平测量数据，得出天平试验中所测气动载荷测量，计算公式如下：

；

为天平i元测量载荷，/>为天平i元加载的标准载荷，/>为天平j元测量载荷；/>为天平i元输出的电压值增量；/>为一次系数，j=i时为主项系数，j≠i为j分量对i分量的一次干扰系数；/>为j分量对i分量的一次非对称干扰系数；/>为l分量对i分量的二次干扰系数，j=i时为二次平方项系数，j≠i为j分量对i分量的二次交叉项干扰系数；/>为j分量对i分量的三次干扰系数。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过六分量盒式应变天平，可以实现在旋翼无人机试验过程中，对旋翼无人机气动力进行高精度测量；

2.本发明将气动力准确传递到六分量盒式应变天平，提高试验数据的准确性；

3.本发明的整体式六分量盒式应变天平具备足够的整体刚强度，提高天平的测量精准度；

4.本发明在盒式天平天平元件的悬臂梁布置温度传感器，对盒式天平进行温度补偿，减少温度效应造成的天平测量误差，提高试验数据的可靠性；

5.本发明实现对旋翼无人机飞行中整体气动载荷进行实时精准的测量，该发明有效解决了旋翼无人机飞行中整体气动载荷难以精确测量的难题。

附图说明

图1是一种旋翼无人机气动力高精度测量装置的立体图；

图2是一种旋翼无人机气动力高精度测量装置的配合安装图；

图3是本发明的六分量盒式应变天平的立体图。

图中：1-固定底板，2-六分量盒式应变天平，3-天平保护罩，4-天平加载板，5-飞行器支撑架，6-飞行器托块，7-飞行器压板，8-飞行器连接块，9-旋翼无人机，10-过载保护限位块，11-悬臂梁，12-温度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，包括固定底板1、六分量盒式应变天平2、天平保护罩3、天平加载板4、飞行器支撑架5、飞行器托块6、飞行器压板7、飞行器连接块8和旋翼无人机9；

1.布置测量设备六分量盒式应变天平2

固定底板1上安装有天平保护罩3，六分量盒式应变天平3与固定底板1之间用180mm长×180mm宽平面配合，表面平面度不大于0.05mm，端面布置2个φ8圆柱销定位，再布置两排共6枚M10螺钉拉紧固定，固定底板1底面贴合支撑平面，通过圆周均布6个M12螺钉拉紧固定，完成固定底板1和六分量盒式应变天平2的固定安装；

天平保护罩3内设置有六分量盒式应变天平2，天平保护罩3由六分量盒式应变天平2上方落下，套在固定底板1上φ350的圆柱凸台上，圆柱配合面为间隙配合，配合间隙量0.1mm，凸台圆周均布6个M3螺钉将天平保护罩3固定在固定底板1上，完成天平保护罩3的安装；

2.六分量盒式应变天平2测量功能的实现

将六分量盒式应变天平2的数据线缆由保护罩缺口引出，天平测量元件按顺序连接数据采集系统；天平输出信号线连接数据采集通道，接通后确认天平各元输出电压信号正常，对天平各元按照设计坐标系方向施加测试载荷进行方向加载测试，确保天平信号输出线路的正负极方向正确无误，对天平各元进行标准载荷加载测试，根据采集到的电压信号值使用天平静态校准公式计算测量结果，与实际加载载荷对比验证天平测量精准度，确认六分量盒式应变天平2的测量结果准确可靠；

3.布置测量装置飞行器固定支撑

天平加载板4穿过天平保护罩3后与六分量盒式应变天平2顶部测量端建立连接，天平加载板4与六分量盒式应变天平2之间用180mm长×180mm宽平面配合，表面平面度不大于0.05mm，端面布置2个φ8圆柱销定位，再布置两排共6枚M10螺钉拉紧固定；

天平加载板4上安装有飞行器支撑架5，飞行器支撑架5下端设计φ45圆柱配合段与天平加载板4上φ45圆槽配合安装，圆柱配合为紧配合，圆形配合面上均布4个M5螺钉进行固定；

4.布置旋翼无人机

飞行器支撑架5顶部设置有飞行器托块6，飞行器托块6外侧设计有70mm长×25mm宽安装面与飞行器支撑架5安装槽配合，安装面中心位置设计有M8螺纹孔拉紧，螺纹孔两侧距离20mm布置2个φ6销孔用圆柱销固定；

飞行器托块6顶部放置有旋翼无人机9，位于飞行器托块6上方的飞行器支撑架5上安装有至少两个飞行器连接块8，飞行器连接块8与旋翼无人机9之间由2个相互垂直的平面接触配合，通过1个M6螺钉固定，将旋翼无人机搁置在飞行器托块6上，飞行器托块6上表面与飞行器端面贴合接触，同时飞行器连接块8另一侧半圆柱面与飞行器支撑架5圆柱梁接触配合，飞行器连接块8上安装有飞行器压板7，同时飞行器压板7与旋翼无人机9夹紧贴合，即飞行器压板7上φ25 半圆柱面与飞行器支撑架5圆柱梁接触配合，飞行器压板7上布置2个M6螺钉与飞行器连接块8拉紧后抱紧行器支撑架5圆柱梁，完成对旋翼无人机9的固定安装。

设置六分量盒式应变天平2的目的是保证了天平的整体刚强度，用17-4PH高强度不锈钢为天平主体材料，天平整体一体加工成型，提高天平的静态标定精准度。

所述飞行器支撑架5上布置有振动加速度传感器，使用螺钉固定，上位机显示测量装置振动频率和振幅，通过智能控制程序判定，测量整套测量装置的固有频率，同时监控旋翼无人机9在气动力高精度测量装置工作中的振动频率和振幅，在装置振幅超出预设安全范围后停止试验，保障试验过程安全。

所述天平加载板4与飞行器托块6之间距离应大于飞行器风道口径2倍，消除底部支撑端对无人机气动特性的影响，采用飞行器支撑架5支撑旋翼无人机9，使天平加载板4与飞行器托块6之间形成高度差，利用该高度差保证旋翼无人机9远离底部六分量盒式应变天平2的天平端，消除底部支撑端对旋翼无人机9气动特性的影响，飞行器支撑架5具备足够的刚强度，保证旋翼无人机9气动载荷准确传导至六分量盒式应变天平2上，提高试验数据的准确性。

所述六分量盒式应变天平2的顶部测量端设置有过载保护限位块10，六分量盒式应变天平2与天平加载板4建立连接，在六分量盒式应变天平2上设计过载保护限位块10，防止在使用中由于超载导致天平损坏，过载保护限位块（10）安装在六分量盒式应变天平（2）下端，与六分量盒式应变天平（2）上端预留0.5mm纵向和横向间隙，为正负方向法向变形分别设计过载保护，同时也可实现水平方向变形的过载保护。

所述六分量盒式应变天平2上设置有悬臂梁11，所述六分量盒式应变天平2的悬臂梁11上布置有温度传感器12，使用502等胶水粘贴六分量盒式应变天平2的铰链力矩天平上并与应变计保持2mm以上距离，对六分量盒式应变天平2进行温度补偿，温度传感器12为PT100温度传感器，温度传感器12的灵敏度大于0.1℃，对六分量盒式应变天平2进行温度补偿，减少温度效应造成的天平测量误差，提高试验数据的可靠性。

所述天平保护罩3为金属保护罩，保护六分量盒式应变天平2本身结构安全，同时隔绝外界电磁干扰，天平数据线使用带屏蔽层线缆， 避免天平线路遭受外界电磁干扰，保证天平输出信号精确，提高试验数据的可靠性。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，基于具体实施方式一所述的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，本实施方式的一种旋翼无人机气动力高精度测量方法，具体步骤如下：

步骤1，六分量盒式应变天平静态标定。在高精度地轴系校准台上对六分量盒式应变天平进行单元加载校准，得到标准载荷下的天平各元电压值输出，根据最小二乘法计算出天平校准系数，得到天平校准公式，给出天平校准报告。

步骤2，获取试验数据。在完成六分量盒式应变天平校准后，在试验区进行试验设备及所测飞行器安装，连接测控系统及采集设备，全部试验系统准备完成后开始进行试验，测量各个试验工况下天平电压输出。

步骤3，试验数据处理。根据天平校准公式，计算试验所得天平测量数据，得出天平试验中所测气动载荷测量，计算公式如下：

；

为天平i元测量载荷，/>为天平i元加载的标准载荷，/>为天平j元测量载荷；

为天平i元输出的电压值增量；

为一次系数，j=i时为主项系数，j≠i为j分量对i分量的一次干扰系数；

为j分量对i分量的一次非对称干扰系数；

为l分量对i分量的二次干扰系数，j=i时为二次平方项系数，j≠i为j分量对i分量的二次交叉项干扰系数；

为j分量对i分量的三次干扰系数；

其中为试验测量数据，/>、/>、/>、/>为天平校准系数由天平校准公式给出。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，其特征在于：包括固定底板（1）、六分量盒式应变天平（2）、天平保护罩（3）、天平加载板（4）、飞行器支撑架（5）、飞行器托块（6）、飞行器压板（7）、飞行器连接块（8）和旋翼无人机（9），固定底板（1）上安装有天平保护罩（3），天平保护罩（3）内设置有六分量盒式应变天平（2），天平加载板（4）穿过天平保护罩（3）后与六分量盒式应变天平（2）顶部测量端建立连接，天平加载板（4）上安装有飞行器支撑架（5），飞行器支撑架（5）顶部设置有飞行器托块（6），飞行器托块（6）顶部放置有旋翼无人机（9），位于飞行器托块（6）上方的飞行器支撑架（5）上安装有至少两个飞行器连接块（8），飞行器连接块（8）上安装有飞行器压板（7），同时飞行器压板（7）与旋翼无人机（9）夹紧贴合。

2.根据权利要求1所述的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，其特征在于：所述飞行器支撑架（5）上布置有振动加速度传感器。

3.根据权利要求2所述的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，其特征在于：所述天平加载板（4）与飞行器托块（6）之间距离大于飞行器风道口径2倍。

4.根据权利要求3所述的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，其特征在于：所述六分量盒式应变天平（2）的顶部测量端设置有过载保护限位块（10），过载保护限位块（10）安装在六分量盒式应变天平（2）下端。

5.根据权利要求4所述的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，其特征在于：所述六分量盒式应变天平（2）上设置有悬臂梁（11），所述六分量盒式应变天平（2）的悬臂梁（11）上布置有温度传感器（12），温度传感器（12）的灵敏度大于0.1℃。

6.根据权利要求5所述的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置，其特征在于：所述天平保护罩（3）为金属保护罩。

7.一种旋翼无人机气动力高精度测量方法，是依托于权利要求6所述的一种旋翼无人机气动力高精度测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，六分量盒式应变天平（2）静态标定，在高精度地轴系校准台上对六分量盒式应变天平（2）进行单元加载校准，得到标准载荷下的天平各元电压值输出，根据最小二乘法计算出天平校准系数，得到天平校准公式，给出天平校准报告；

步骤2，获取试验数据；在完成六分量盒式应变天平（2）校准后，在试验区进行试验设备及所测飞行器安装，连接测控系统及采集设备，全部试验系统准备完成后开始进行试验，测量各个试验工况下天平电压输出；

步骤3，试验数据处理；根据天平校准公式，计算试验所得天平测量数据，得出天平试验中所测气动载荷测量，计算公式如下：

；

为天平i元测量载荷，/>为天平i元加载的标准载荷，/>为天平j元测量载荷；/>为天平i元输出的电压值增量；/>为一次系数，j=i时为主项系数，j≠i为j分量对i分量的一次干扰系数；/>为j分量对i分量的一次非对称干扰系数；/>为l分量对i分量的二次干扰系数，j=i时为二次平方项系数，j≠i为j分量对i分量的二次交叉项干扰系数；/>为j分量对i分量的三次干扰系数。