CN216660358U - 一种旋翼变距摇臂尺寸的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，用于可折叠的共轴双旋翼的无人机，包括：结构支架；扭矩测量装置，与所述结构支架转动相连，用于测量无人机的滚转控制力矩或俯仰控制力矩；夹持装置，与所述扭矩测量装置固定相连，且悬空设置，所述夹持装置上设有夹持腔，用于安装待测量的无人机。能够直接测量共轴双旋翼的无人机的旋翼控制力矩的大小，并验证实际控制力矩的大小与理论控制力矩的大小是否吻合，更有利于验证旋翼变距机构的尺寸参数、理论计算结果的修正和后期飞行控制系统控制率的设计和参数优化。本实用新型应用无人机检测领域。

Description

一种旋翼变距摇臂尺寸的检测装置

技术领域

本实用新型涉及无人机检测领域，特别是涉及一种旋翼变距摇臂尺寸的检测装置。

背景技术

共轴无人直升机的旋翼控制力矩是飞机设计的核心指标之一，如果实际制造出来的旋翼系统控制力矩与理论计算值相差较大，就会直接影响飞机的控制品质甚至飞行安全。现有公开的共轴双翼无人直升机并没有设计专门的旋翼控制力矩测量装置，用来校验飞机的控制力矩是否与设计指标吻合，通常直接进行地面台架测试或者试飞测试。导致飞机设计过程不完整，不利于旋翼变距机构的尺寸参数是否为最优值的校核，也不利于理论计算结果的修正和后期飞行控制系统控制率的设计和参数优化，从而使后期试飞测试增加了不确定性甚至是坠机风险。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，能够直接测量共轴双旋翼的无人机的旋翼控制力矩的大小，并验证实际控制力矩的大小与理论控制力矩的大小是否吻合，更有利于验证旋翼变距机构的尺寸参数、理论计算结果的修正和后期飞行控制系统控制率的设计和参数优化。

还提出一种检测方法。

本实用新型第一方面实施例所采用的技术方案是：一种旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，用于可折叠的共轴双旋翼的无人机，包括：结构支架；扭矩测量装置，与所述结构支架转动相连，用于测量无人机的滚转控制力矩或俯仰控制力矩；夹持装置，与所述扭矩测量装置固定相连，且悬空设置，所述夹持装置上设有夹持腔，用于安装待测量的无人机。

根据本实用新型实施例的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，至少具有如下有益效果：通过夹持装置的夹持腔固定无人机的质心，在无人机固定后，通过操作无人机转动带动扭矩测量装置，以测量无人机的滚转控制力矩或俯仰控制力矩，以确定不同尺寸的变距摇臂对应的无人机的滚转控制力矩或俯仰控制力矩。

根据本实用新型的一些实施例，所述扭矩测量装置包括第一扭矩传递轴、第二扭矩传递轴和扭力检测装置，所述第一扭矩传递轴的一端与所述夹持装置的一侧固定相连，所述第二扭矩传递轴的一端与所述夹持装置的另一侧固定相连，且所述第一扭矩传递轴的轴线、所述夹持腔的中心和所述第二扭矩传递轴的轴线位于同一直线上，所述第一扭矩传递轴的另一端、所述第二扭矩传递轴的另一端分别与所述结构支架转动相连，所述扭力检测装置设置于所述结构支架上，与所述第一扭矩传递轴和/或所述第二扭矩传递轴传动相连。

根据本实用新型的一些实施例，所述扭矩测量装置还包括固定装置，所述固定装置设置于所述结构支架上，与所述第一扭矩传递轴或所述第二扭矩传递轴相对应，用于固定所述第一扭矩传递轴或所述第二扭矩传递轴。

根据本实用新型的一些实施例，还包括采集装置，所述采集装置与所述扭矩测量装置电性连接，以采集所述扭矩测量装置测得的数据。

根据本实用新型的一些实施例，所述采集装置包括扭力采集装置和采集终端，所述扭力采集装置与所述扭矩测量装置电性相连，所述采集终端与所述扭力采集装置电性相连。

根据本实用新型的一些实施例，所述夹持装置包括第一夹持片和第二夹持片，所述第一夹持片与所述第一扭矩传递轴固定，所述第二夹持片与所述第二扭矩传递轴固定相连，所述第一夹持片与所述第二夹持片之间合围成所述夹持腔。

根据本实用新型的一些实施例，所述夹持腔与无人机机身的形状一致。

本实用新型第二方面实施例所采用的技术方案是：一种检测方法，包括，本实用新型第一方面实施例所述的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，其具体步骤如下：

步骤1，基于旋翼变距摇臂尺寸优化方法，获得无人机旋翼的理论最佳相位角；

步骤2，将无人机的质心固定于所述夹持腔内，在检测开始时，无人机旋翼旋转并处于悬停状态；

步骤3，设置无人机旋翼的纵向周期变距值为固定值，并且设置横向周期变距值为零，以产生俯仰控制力矩；

步骤4，控制所述无人机旋翼进行俯仰运动，控制扭矩测量装置采集无人机俯仰运动时的实际扭矩大小。

根据本实用新型实施例的检测方法，至少具有如下有益效果：在确定理论最佳相位角后，需确定此理论最佳相位角对应的实际控制力矩，通过实际控制力矩与理论控制力矩的对比，验证理论最佳相位角的正确性。

根据本实用新型的一些实施例，步骤5，在理论最佳相位角前后X°范围内间隔Y°制作Z组变距摇臂，以调整无人机旋翼的相位角，重复步骤1至步骤3，以得到变距摇臂的不同相位角对应的俯仰控制力矩，以验证理论最佳相位角。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例旋翼变距摇臂尺寸的检测装置的示意图；

图2为本实用新型实施例旋翼变距摇臂相位角θ的示意图；

图3为本实用新型实施例横坐标为90-θ、纵坐标为滚转控制力矩L_w的曲线拟合图。

附图标记：100-结构支架；200-扭矩测量装置；210-第一扭矩传递轴；220-第二扭矩传递轴；230-扭力检测装置；241-扭力采集装置；242-采集终端；300-夹持装置；400-无人机；500-变距摇臂；600-旋翼桨毂；700-旋翼变距铰；相位角θ。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

参照图1，根据本实用新型第一方面实施例的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，用于可折叠的共轴双旋翼的无人机，包括：

结构支架100；

扭矩测量装置200，与结构支架100转动相连，用于测量无人机400的滚转控制力矩或俯仰控制力矩；

夹持装置300，与扭矩测量装置200固定相连，且悬空设置，夹持装置300上设有夹持腔，用于安装待测量的无人机400。

具体地，通过悬空设置的夹持装置300的夹持腔固定无人机400，且无人机400的质心与夹持腔相对应，以使测得的力矩更加精确，在无人机400固定后，通过操作无人机400转动，带动夹持装置300转动，并将扭矩传递至扭矩测量装置200上，以测量无人机400的滚转控制力矩或俯仰控制力矩，以确定不同尺寸的变距摇臂500对应的无人机400的滚转控制力矩或俯仰控制力矩。

其中，无人机400的滚转控制力矩是指无人机400在需要进行滚转操作时，所需要的力矩，俯仰控制力矩是指无人机400在需要进行俯仰操作时，所需要的力矩。

此外，因共轴双旋翼的无人机具有轴对称性，所以共轴双旋翼的无人机的滚转控制力矩与俯仰控制力矩相同，仅需测量其中之一即可得到另一个的数值，检测方便。

且可折叠共轴双旋翼无人直升机，为满足折叠功能，挥舞铰外伸量e会更大。外伸量e的存在影响了旋翼的挥舞特性，导致挥舞频率变高，挥舞响应滞后角明显小于外伸量e为零时的理论值(接近90°)，而现有共轴双旋翼的无人机通常采用滞后角为90°来进行设计，使得无人机400的控制力矩严重过小，导致无人机400抗风能力差、操纵响应慢，需要对无人机400的控制力矩进行检测。

参照图1，在本实用新型的一些具体实施例中，扭矩测量装置200包括第一扭矩传递轴210、第二扭矩传递轴220和扭力检测装置230，第一扭矩传递轴210的一端与夹持装置300的一侧固定相连，第二扭矩传递轴220的一端与夹持装置300的另一侧固定相连，且第一扭矩传递轴210的轴线、夹持腔的中心和第二扭矩传递轴220的轴线位于同一直线上，第一扭矩传递轴210的另一端、第二扭矩传递轴220的另一端分别与结构支架100转动相连，扭力检测装置230设置于结构支架100上，与第一扭矩传递轴210和/或第二扭矩传递轴220传动相连。

具体地，通过将第一扭矩传递轴210的轴线、夹持腔的中心和第二扭矩传递轴220的轴线设置于同一直线上，再将无人机400的质心安装于夹持腔的中心，使得无人机400测得的控制力矩将更加准确，提高了检测的精度。

此外，在结构支架100上设有同轴设置的第一轴承支座和第二轴承支座，第一扭矩传递轴210的另一端与第一轴承支座转动相连，第二扭矩传递轴220与第二轴承支座转动相连。

参照图1，在本实用新型的一些具体实施例中，扭矩测量装置200还包括固定装置，固定装置设置于结构支架100上，与第一扭矩传递轴210或第二扭矩传递轴220相对应，用于固定第一扭矩传递轴210或第二扭矩传递轴220。

具体地，在安装无人机400至夹持腔时，可先通过固定装置对第一扭矩传递轴210或第二扭矩传递轴220进行固定，使得第一扭矩传递轴210或第二扭矩传递轴220无法转动，更方便无人机400的安装，在安装完成后，可松开固定装置，以对无人机400的俯仰控制力矩或滚转控制力矩进行测量。

在本实用新型的一些具体实施例中，还包括采集装置，采集装置与扭矩测量装置200电性连接，以采集扭矩测量装置200测得的数据。

具体地，通过采集装置对扭矩测量装置200测得的数据进行采集，更方便对采集的数据进行处理，使用更加方便。

参照图1，在本实用新型的一些具体实施例中，采集装置包括扭力采集装置241和采集终端242，扭力采集装置241与扭矩测量装置200电性相连，采集终端242与扭力采集装置241电性相连。

具体地，通过设置扭力采集装置241对扭矩测量装置200的数据进行采集，再通过采集终端242对数据进行处理，也将实际数据与理论数据形成对照，更方便分析，在本实施例中，扭矩测量装置200为扭力计，扭力采集装置241为扭力计采集盒，采集终端242为扭力计采集盒控制计算机。

在本实用新型的一些具体实施例中，夹持装置300包括第一夹持片和第二夹持片，第一夹持片与第一扭矩传递轴210固定，第二夹持片与第二扭矩传递轴220固定相连，第一夹持片与第二夹持片之间合围成夹持腔。

具体地，通过设置第一夹持片和第二夹持片对无人机400机身进行夹持，能更好地对无人机400进行固定，更方便使用。

参照图1，在本实用新型的一些具体实施例中，夹持腔与无人机400机身的形状一致。

具体地，通过夹持腔与无人机400机身形状一致，使得夹持腔能够更好的与无人机400机身相贴合，夹持时无人机400不易松脱，且不易对无人机400的外形产生影响。

根据本实用新型第二方面实施例的检测方法，包括，本实用新型第一方面实施例的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，其具体步骤如下：

步骤1，基于旋翼变距摇臂尺寸优化方法，获得无人机400旋翼的理论最佳相位角；

步骤2，将无人机400的质心固定于夹持腔内，在检测开始时，无人机400旋翼旋转并处于悬停状态；

步骤3，设置无人机400旋翼的纵向周期变距值为固定值，并且设置横向周期变距值为零，以产生俯仰控制力矩；

步骤4，控制无人机400旋翼进行俯仰运动，控制扭矩测量装置200采集无人机400俯仰运动时的实际扭矩大小。

具体地，在确定理论最佳相位角后，需确定此理论最佳相位角对应的实际控制力矩，通过实际控制力矩与理论控制力矩的对比，进而验证理论最佳相位角的正确性，更有利于验证旋翼变距机构的尺寸参数、理论计算结果的修正和后期飞行控制系统控制率的设计和参数优化。

其中，旋翼变距摇臂尺寸优化方法具体是指：

步骤11，基于挥舞铰的外伸量e，获取旋翼的挥舞频率P、洛克数γ、时间常数τ，挥舞频率P的计算公式如下：

其中，P为挥舞频率比，K_β为挥舞铰弹性系数，e为挥舞铰外伸量，M_β为挥舞铰质量矩，I_β为挥舞铰惯性矩，Ω为旋翼的转速。

洛克数γ的计算公式如下：

其中，洛克数γ表征桨叶气动力与惯性力的比值，为空气密度，a为桨叶翼型升力线斜率系数，c为桨叶的平均气动弦长，B为，X₀为。

时间常数τ的计算公式如下：

其中，Ω为旋翼的转速，γ为洛克数。

步骤22，基于挥舞频率P、洛克数γ、时间常数τ、横向操纵输入变矩角A₁和纵向操纵输入变矩角B₁，通过一阶挥舞动力学方程组，获取旋翼的锥度角a₀、后倒角a₁和侧倒角b₁，其具体方程如下：

由一阶动力学挥舞方程组可以看出，挥舞铰外伸量e会影响挥舞频率比P，进而影响挥舞的运动特性，即影响旋翼的锥度角a₀、后倒角a₁和侧倒角b₁的大小。

其中，θ₀为总矩角，g为重力加速度值，Δ为旋翼旋转方向修正系数，右旋为1，左旋为-1，η_c为动态耦合率，η_cc为操纵耦合率，q为俯仰角速度，p为滚转角速度。

其中，动态耦合率η_c和和操纵耦合率η_cc通过下式计算：

其中，横向操纵输入变矩角A₁和纵向操纵输入变矩角B₁是指在操纵者的控制下无人机400沿横向移动或纵向移动过程中输入的角度值。

旋翼的锥度角a₀是指竖向飞行过程中，旋翼与水平面形成的夹角，此时旋翼形成尖部朝下的旋翼椎体。

旋翼的后倒角a₁是指向前飞过程中，旋翼锥体向后倾倒，旋翼椎体倾倒的角度即为后倒角a₁。

旋翼的侧倒角b₁是指向侧面飞行过程中，旋翼锥体向90°方位倾倒一个角度，称为侧倒角b₁。

步骤33，基于锥度角a₀、后倒角a₁和侧倒角b₁，通过气动力矩计算方程，获取旋翼的俯仰控制力矩M_w和滚转控制力矩L_w，其具体方程如下：

其中，N_b为桨叶的片数，

为挥舞铰外伸无量纲量，R为旋翼半径。

具体地，在本实施例中，N_b＝2，通过上式可知，俯仰控制力矩M_w和滚转控制力矩L_w的计算公式比较复杂，它不是单一变量横向操纵输入变距角A₁和纵向操纵输入变距角B₁的函数，还与挥舞铰外伸量e有关。比如，当需要进行俯仰控制，输入A₁≠0，B₁＝0时，俯仰控制力矩M_w的值并不是最大，并且滚转控制力矩L_w≠0，即出现了俯仰和横滚耦合在一起，浪费掉了部分力矩。

故，需将相位角θ与横向操纵输入变距角A₁、纵向操纵输入变距角B₁通过下式关联：

以消除俯仰和横滚耦合的情况，进而提高对应通道的控制力矩。

步骤44，基于俯仰控制力矩M_w或滚转控制力矩L_w，获取旋翼的纵向周期变距值和横向周期变距值；

步骤55，通过纵向周期变距值和横向周期变距值反向获取变距摇臂500的相位角θ，以得到变距摇臂500的不同相位角θ对应的俯仰控制力矩M_w或滚转控制力矩L_w。

此外，参照图2，旋翼的变距摇臂500的相位角θ是指变距摇臂500末端轴承中心到所在旋翼桨毂600中心的连线与旋翼变距铰700轴线形成的夹角，可通过改变旋翼变距摇臂500的尺寸进而改变其相位角θ。

参照图3，为方便理解，下面以一个具体地实施例为例，进行示例性说明。

设置A₁′＝定值，B₁＝0，然后通过修改变距摇臂500的相位角θ，代入上述方程中，计算得到对应的俯仰控制力矩M_w或滚转控制力矩L_w，以滚转控制力矩L_w为例，其具体曲线图如图3所示

在图3中，横坐标为90-θ，纵坐标为滚转控制力矩L_w的大小，由图中可看出，当相位角θ为90°对应上图横坐标为0°，滚转控制力矩为L_w＝2.8N·m；当相位角θ为34°左右时对应上图横坐标为56°，滚转控制力矩达到峰值，为L_w＝4.5N·m，控制力矩是原来的161％。由此可知通过修改相位角θ大小，可以显著的提高无人机400的控制力矩。

在本实用新型的一些具体实施例中，步骤5，在理论最佳相位角前后X°范围内间隔Y°制作Z组变距摇臂500，以调整无人机400旋翼的相位角，重复步骤1至步骤3，以得到变距摇臂500的不同相位角θ对应的俯仰控制力矩M_w或滚转控制力矩L_w，以验证理论最佳相位角。

下面以一个具体的实施例进行示例性说明，取相位角θ＝56°，X＝10，Y＝4,Z＝6为例，即在理论相位角56°前后正负10°范围内间隔4°制作6组变距摇臂500，依次安装到旋翼变距组件上，并按照检测方法在旋翼变距摇臂尺寸的检测装置上依次对6组变距摇臂500进行校验。

最终测量所得数据如下表示：

通过实测数据可知，最佳相位就在56°左右，因为左右误差不大，因此可取该值来设计相位臂的几何尺寸。

由此实现了理论相位角的检验，将更有利于验证旋翼变距机构的尺寸参数、理论计算结果的修正和后期飞行控制系统控制率的设计和参数优化。

且变距摇臂500的尺寸改变，即相位角θ在优化后，由图中数值可计算出，在处于最佳相位角θ时，无人机400的控制力矩将提升至未优化前的1.56倍，显著提高了无人机400的控制力矩，使得无人机400控制响应更快，抗风扰能力更强，飞行更安全。

当然，本实用新型并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，用于可折叠的共轴双旋翼的无人机，其特征在于，包括：

结构支架(100)；

扭矩测量装置(200)，与所述结构支架(100)转动相连，用于测量无人机(400)的滚转控制力矩或俯仰控制力矩；

夹持装置(300)，与所述扭矩测量装置(200)固定相连，且悬空设置，所述夹持装置(300)上设有夹持腔，用于安装待测量的无人机(400)。

2.根据权利要求1所述的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，其特征在于：所述扭矩测量装置(200)包括第一扭矩传递轴(210)、第二扭矩传递轴(220)和扭力检测装置(230)，所述第一扭矩传递轴(210)的一端与所述夹持装置(300)的一侧固定相连，所述第二扭矩传递轴(220)的一端与所述夹持装置(300)的另一侧固定相连，且所述第一扭矩传递轴(210)的轴线、所述夹持腔的中心和所述第二扭矩传递轴(220)的轴线位于同一直线上，所述第一扭矩传递轴(210)的另一端、所述第二扭矩传递轴(220)的另一端分别与所述结构支架(100)转动相连，所述扭力检测装置(230)设置于所述结构支架(100)上，与所述第一扭矩传递轴(210)和/或所述第二扭矩传递轴(220)传动相连。

3.根据权利要求2所述的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，其特征在于：所述扭矩测量装置(200)还包括固定装置，所述固定装置设置于所述结构支架(100)上，与所述第一扭矩传递轴(210)或所述第二扭矩传递轴(220)相对应，用于固定所述第一扭矩传递轴(210)或所述第二扭矩传递轴(220)。

4.根据权利要求1所述的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，其特征在于：还包括采集装置，所述采集装置与所述扭矩测量装置(200)电性连接，以采集所述扭矩测量装置(200)测得的数据。

5.根据权利要求4所述的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，其特征在于：所述采集装置包括扭力采集装置(241)和采集终端(242)，所述扭力采集装置(241)与所述扭矩测量装置(200)电性相连，所述采集终端(242)与所述扭力采集装置(241)电性相连。

6.根据权利要求2或3所述的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，其特征在于：所述夹持装置(300)包括第一夹持片和第二夹持片，所述第一夹持片与所述第一扭矩传递轴(210)固定，所述第二夹持片与所述第二扭矩传递轴(220)固定相连，所述第一夹持片与所述第二夹持片之间合围成所述夹持腔。

7.根据权利要求1至5任一项所述的旋翼变距摇臂尺寸的检测装置，其特征在于：所述夹持腔与无人机(400)机身的形状一致。

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