CN1808057A - 微型旋翼机桨距变化动态测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型旋翼机桨距变化动态测量方法和装置。本方法是采用高速摄像机对微型旋翼机的弹性连杆和桨叶摄像，拍摄一系列加速度下的弹性连杆的变形量，经PC机处理，得到加速度与变形量的变化关系，从而得到加速度与桨距变化关系，解决了微型旋翼机的关键问题，即获得从加速度输入到桨距角度变化输出之间的控制律。

Description

微型旋翼机桨距变化动态测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种微型旋翼机桨距变化动态测量方法，是对快速运动变化的被测对象采用最高可达每秒32000帧的拍摄速度，进行非接触测量，非常适用于观察和测量各种快速变化的现象。

背景技术

微型旋翼机具有体积小、重量轻、携带方便、机动灵活等特点，在现代军事和民用方面都具有十分广阔的应用前景。但是，旋翼机常采用的传统机械变距系统结构太复杂，无法微型化到能适用于直径更小的微型旋翼机，成了微型旋翼机发展的瓶颈。鉴于此种情况，目前开始了一种新型的基于弹性连杆的非对称变距机理研究，其构思是：螺旋桨通过弹性连杆在电机驱动下正常旋转，当电机在拟飞行方向所在相位突然加速转动的瞬间，电机加速所产生的力，经过减速齿轮对、螺旋桨轴、横杆，使弹性连杆的下端扭矩增大，而和弹性连杆上端相连的螺旋桨会在旋翼惯性力和低雷诺数下的空气动力的作用下抵抗弹性连杆下端增大的扭矩，从而使弹性连杆产生变形，此变形带动旋翼绕桨叶轴线方向转动而改变安装角，达到变距的目的。为使这种新型变距机理成功用于旋翼机微型化，动态测量电机加速时刻弹性连杆的变形，获得加速度输入与弹性连杆变形量之间的曲线关系，从而间接得到桨距角控制律至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种微型旋翼机桨距变化动态测量方法和装置，动态测量驱动微型旋翼机电机加速时刻弹性连杆的变化，从而获得加速度与弹性连杆变形量的曲线关系，也就是得到加速度与桨距角控制律。

本发明的构思是：由于新型微变距系统是一种基于电机的瞬间加速通过弹性连杆的变形来进行变距的，结构简单、重量轻、体积小，非常适宜于旋翼机本体微型化。但是对桨距变化的测量，无法采用接触式传感器，本发明正是针对这种情况，采用高速摄像机快速拍摄、存储螺旋桨旋转时其桨距的高速动态变化状态，然后进行图像处理，得到桨距角变化值。

微型旋翼机的转速变化范围是：1500rpm～2000rpm，高速摄像机的拍摄速度是：1000fps～32000fps，分辨率：512×512。拍摄速度越高，分辨率越低，为了兼顾测量精度和拍摄速度，采用512×512的图像分辨率、拍摄速度为每秒6000帧，即每拍摄一帧需0.000167秒。因此当旋翼机桨叶以最高转速2000rpm旋转时，高速摄像机图像抓取速度是桨叶转速的180倍，足以捕捉到桨叶驱动电机在拟飞行方向所在相位突然加速转动瞬间弹性连杆的变形和桨距变化情况。

该测量系统结构为：将微型旋翼机和高速摄像机都固定于同一台架上，调节三角架高度使高速摄像机正对弹性连杆和桨叶，并垂直于电机加速相位，以便拍摄到电机在该相位突然加速时弹性连杆产生的最大变形。

上述的高速摄像机采用FASTCAM 512 PCI NOTE PACK。

上述的拍摄方式采用连续自动每秒6000帧高速拍摄。

根据上述的发明构思，本发明采用下述的技术方案：

一种微型旋翼机桨距变化动态测量方式，和装置，其特征在于测量步骤是：

(1)将微型旋翼机和高速摄像机安装在实验台上，使高速摄像机正对微型旋翼机的弹性连杆和桨叶，并垂直于电机加速相位；

(2)启动并初始化微型旋翼机和高速摄像机至待机状态；

(3)给微型旋翼机瞬间加速，并控制高速摄像机同步拍摄；

(4)将高速摄像机拍摄的图像通过USB口传输到PC机；

(5)进行图像比对处理，得到被测弹性杆的变形量；

(6)改变加速度的大小，重复步骤(3)至步骤(5)，获得一系列加速度及其对应的弹性连杆的变形量；

(7)将上述数据描点、拟合，得到加速度与变形量的曲线关系；

(8)由于弹性连杆的变形带动旋翼桨距的变化，从而得到加速度与桨距角变化关系，即获得从加速度输入到桨距角变化输出之间的控制律。

一种微型旋翼机桨距变化动态测量方法的装置，包括安装在台架上的微型旋翼机，其特征在于一台高速摄像机通过三角架也固定在台架上，使高速摄像机镜头正对微型旋翼机的弹性连杆和桨叶，并垂直于旋翼机的驱动电机加速相位；高速摄像机通过数据线连接于控制箱，控制箱也连接旋翼机的驱动电机，高速摄像机的图像输出通过USB连接线传输到PC机。

上述的高速摄像机采用FASTCAM 512 PCI NOTE PACK型高速摄像机，拍摄方式采用连续自动每秒6000帧高速拍摄。

本发明具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明采用高速摄像技术，进行非接触测量桨叶驱动电机加速瞬间弹性连杆产生的变形，从而获得该变形带动旋翼绕桨叶轴线方向转动而产生的桨距角变化。为新型变距机理成功用于旋翼机微型化，获得从加速度输入到桨距角度变化输出之间的控制律，解决了关键问题。而且这种动态测量方法还非常适用于观察和测量各种快速变化的现象，例如：本发明中旋翼机桨距变化、振动、流体和一些物理现象等。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的变距原理图。

图2是本发明的一个实施例的系统结构示意图。

图3是被测对象弹性连杆的变形情况。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例是：

基于弹性连杆的非对称变距原理是，参见附图1，电机2转动，带动小齿轮3转动，又使和小齿轮3啮合的大齿轮1转动，大齿轮1又带动螺旋桨轴4转动，螺旋桨轴4再带动横杆5转动，横杆5又使弹性连杆6绕螺旋桨轴4转动，同时带动桨毂7和桨叶8转动，当电机2在瞬间突然加速时，经过小齿轮3、大齿轮1、螺旋桨轴4、横杆5，使弹性连杆6的下端扭矩增大，而和弹性连杆6上端相连的桨叶8会在旋翼惯性力和低雷诺数下的空气动力的作用下抵抗弹性连杆6下端增大的扭矩，从而使弹性连杆6产生变形，此变形带动桨叶8绕桨叶轴线方向转动而改变安装角，实现桨叶变距的目的。

动态测量弹性连杆变形的具体工作过程为：参见附图2，将微型旋翼机9固定于台架10，固定方式以不影响驱动电机2经减速齿轮对、螺旋桨轴、横杆、弹性连杆的传动而带动螺旋桨旋转、变距为宜。高速摄像机14通过三角架13也固定于台架10，调节三角架13的高度使得高速摄像机14正对弹性连杆6和桨叶8，并垂直于驱动电机2加速相位。高速摄像机14通过数据线12连接于控制箱11，以每秒6000帧的拍摄速度，快速拍摄并存储驱动电机2加速瞬间弹性连杆6产生的变形(参见附图3)及其带动旋翼绕桨叶8轴线方向转动而产生的桨距角变化(参见附图3)。然后通过USB连接线15将图片传输到PC机16，进行图像处理，获得弹性连杆弹性变形量和桨叶桨距角度变化量。

测量的步骤是：

(1)将微型旋翼机和高速摄像机安装在实验台上，使高速摄像机正对微型旋翼机的弹性连杆和桨叶，并垂直于电机加速相位；

(2)启动并初始化微型旋翼机和高速摄像机至待机状态；

(3)给微型旋翼机瞬间加速，并控制高速摄像机同步拍摄；

(4)将高速摄像机拍摄的图像通过USB口传输到PC机；

(5)进行图像比对处理，得到被测弹性杆的变形量；

(6)改变加速度的大小，重复步骤(3)至步骤(5)，获得一系列加速度及其对应的弹性连杆的变形量；

(7)将上述数据描点、拟合，得到加速度与变形量的曲线关系；

(8)由于弹性连杆的变形带动旋翼桨距的变化，从而得到加速度与桨距角变化关系，即获得从加速度输入到桨距角变化输出之间的控制律。

Claims (3)

1.一种微型旋翼机桨距变化动态测量方法和装置，其特征在于测量步骤是：

(1)将微型旋翼机和高速摄像机安装在实验台上，使高速摄像机正对微型旋翼机的弹性连杆和桨叶，并垂直于电机加速相位；

(2)启动并初始化微型旋翼机和高速摄像机至待机状态；

(3)给微型旋翼机瞬间加速，并控制高速摄像机同步拍摄；

(4)将高速摄像机拍摄的图像通过USB口传输到PC机；

(5)进行图像比对处理，得到被测弹性杆的变形量；

(6)改变加速度的大小，重复步骤(3)至步骤(5)，获得一系列加速度及其对应的弹性连杆的变形量；

(7)将上述数据描点、拟合，得到加速度与变形量的曲线关系；

(8)由于弹性连杆的变形带动旋翼桨距的变化，从而得到加速度与桨距角变化关系，即获得从加速度输入到桨距角变化输出之间的控制律。

2.一种用于权利要求1所述微型旋翼机桨距变化动态测量方法的装置，包括安装在台架(10)上的微型旋翼机(9)，其特征在于一台高速摄像机(14)通过三角架(13)也固定在台架(10)上，使高速摄像机(14)镜头正对微型旋翼机(9)的弹性连杆(6)和桨叶(8)，并垂直于旋翼机的驱动电机(2)加速相位；高速摄像机(14)通过数据线(12)连接于控制箱(11)，控制箱(11)也连接旋翼机的驱动电机(2)，高速摄像机(14)的图像输出通过USB连接线(15)传输到PC机(16)。

3.根据权利要求2所述的微型旋翼机桨距变化动态测量装置，其特征在于所述的高速摄像机(14)采用FASTCAM 512 PCI NOTE PACK型高速摄像机，拍摄方式采用连续自动每秒6000帧高速拍摄。

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