無人飛行器氣動力測量系統(tǒng)設(shè)計與驗證

方毅 徐錦法

摘 要：本文設(shè)計了一套基于應(yīng)變敏感的氣動力測量系統(tǒng)，能用于無人飛行器氣動力測試、旋翼拉力試驗等試驗工作。測量系統(tǒng)敏感部件設(shè)計為分體式六分量天平，以硬質(zhì)鋼材為敏感材料、電阻應(yīng)變片為敏感元件，采用全橋應(yīng)變作為氣動力測量電路，使用嵌入式設(shè)備作為數(shù)據(jù)處理器，并使用用C#語言設(shè)計了一套數(shù)字信號采集處理與顯示程序，實現(xiàn)了氣動力模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示的模塊化設(shè)計。測量系統(tǒng)經(jīng)標(biāo)定、實驗，驗證了功能，表明所設(shè)計測量系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。上位機界面簡潔明了、容易操縱，可為無人飛行器的研制提供一個方便可靠的實驗平臺。

關(guān)鍵詞：無人飛行器;氣動力;應(yīng)變片;測量系統(tǒng)

中圖分類號：V221 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0081-03

0 引言

無人旋翼飛行器可廣泛應(yīng)用于搜救、救援、巡檢等任務(wù)，既可以貼地飛行，也可以長時間近距離靠近物體飛行，可以完成固定翼飛機無法完成的任務(wù)。

無人旋翼飛行器研制需要研究其操縱響應(yīng)特性，需要一套氣動力測量系統(tǒng)測試氣動力響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)而分析其操縱性。氣動力測量天平有單分量天平、多分量天平，按結(jié)構(gòu)形式可分成盒式天平、桿式天平、分體式天平。單分量天平的測量力素單元是唯一的，所以不存在耦合問題，測量多個力素時需多個測量單元組合，結(jié)構(gòu)安裝不方便。飛行器氣動力測量中通常是盒式多分量天平，利于分析和研究，但天平結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大，不同的軸向之間存在耦合，標(biāo)定過程復(fù)雜。本文研制了一款分體式多分量天平和信號測量、采集與處理系統(tǒng)，通過電阻應(yīng)變片組橋及結(jié)構(gòu)模塊安裝上消除了各軸向力和力矩測量的耦合。

1 分體式六分量天平

分體式六分量天平使用傳統(tǒng)測量原理，采用單軸向測量模塊進(jìn)行組合，在模塊設(shè)計上只敏感單軸向應(yīng)力變化，其它軸向通過機械設(shè)計加工實現(xiàn)隔離解耦，天平設(shè)計具有上下兩底板，下底板用于固定，上底板用于安裝待測量飛行器，詳見下述。

1.1 單分量測量單元模塊與六分量天平

六分量天平設(shè)計由八個單分量測量單元模塊組成，每個測量單元模塊為力素敏感單元。測量單元模塊的梁臂上下表面上粘貼有應(yīng)變片，用于構(gòu)成3個軸向力和3個軸向力矩測量橋路的橋臂，測量單元模塊和組合式測量天平結(jié)構(gòu)如圖1。測量單元模塊的梁臂產(chǎn)生彎曲引起粘貼在測量梁臂上的應(yīng)變片產(chǎn)生形變進(jìn)而敏感出彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力電壓，進(jìn)而測量出力值。通過八個單個測量單元模塊組合構(gòu)成測量升力、壓力、側(cè)力、滾轉(zhuǎn)力矩、俯仰力矩、航向力矩的六分量天平。

為使六分量天平只敏感單一軸向的力或力矩，測量單元模塊設(shè)計為正交薄壁式結(jié)構(gòu)（圖中凹槽處的薄壁），薄壁厚度較小，以盡可能減小耦合干擾。

1.2 天平受力分析

天平測量的六個分量為三個軸向力和繞三個軸的力矩，測量單元模塊只感受單自由度方向的應(yīng)變，通過對八個測量單元模塊組合才能實現(xiàn)對飛行器的六力素的測量，測量單元模塊的安裝組合方式具體見表1所示，測量單元模塊編號參考圖1單元模塊編號，坐標(biāo)原點位于天平中心，x軸指向5號測量單元模塊、y軸指向7號測量單元模塊、z軸指向下方（右手定則）。

由圖表可知，1號、3號、6號、8號構(gòu)成Z向力、X向力矩和Y向力矩的測量單元模塊，2號、7號、4號、5號構(gòu)成X向力、Y向力和繞Z軸向力矩的測量單元模塊。測量單元模塊具有有四個薄壁，單個模塊只承受垂向力作用，并可實現(xiàn)非垂向力的卸載，可解決多分量天平軸向耦合問題。

1.3 應(yīng)變橋與測量精度

測量單元模塊材料為沉淀硬化不銹鋼，屬高強度材料，材料特性受力形變導(dǎo)致的應(yīng)變小，電阻應(yīng)變片可用來測量其微小應(yīng)變。經(jīng)調(diào)研，應(yīng)變片選用中航電測的阻值為350Ω高精度電阻應(yīng)變片，組全橋?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變測量。

1.3.1 橋路測量原理

每個測量單元模塊構(gòu)成一個力素測量橋路的兩個橋臂，四個橋臂至少需要兩個測量單元模塊，部分力素測量橋路中單個橋臂由2個測量單元模塊串級而成，部分力素測量橋路由4個測量單元組成。

當(dāng)四個橋臂電阻相等時，即，橋路輸出為0。如橋臂電阻分別有變化時，則輸出電壓為u0=，式中ui為電橋的橋壓，u0為電橋輸出電壓。如果四個橋臂上的電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)均為K，即=Kεi，則輸出電壓u0=K（ε1-ε2+ε3-ε4），式中ε1、ε2、ε3、ε4分別為電阻應(yīng)變片所感受到的應(yīng)變值。

1.3.2 串聯(lián)式全橋電路特性分析

橋路總應(yīng)變?yōu)棣興==ε1-ε2+ε3-ε4，是實際測得的應(yīng)變值。假設(shè)全橋電路的某個橋臂由n個阻值為R的電阻應(yīng)變片串聯(lián)而成，則總阻值為nR，單個橋臂電阻應(yīng)變值為：

ε1===（ε'1+ε'2+…+ε'n）

也就是說，串聯(lián)后的橋臂應(yīng)變值為各電阻應(yīng)變片應(yīng)變值的平均。假定選用相同電阻應(yīng)變片，則橋臂電阻串聯(lián)其橋臂應(yīng)變值等于單個應(yīng)變片的應(yīng)變值，測量精度不會有明顯提高，只是橋臂電阻值增大，但可以提高供橋電壓。

1.3.3 力素測量橋路

測量單元模塊的應(yīng)變片粘貼方式如圖2所示，敏感部位共粘貼6片應(yīng)變片，粘貼位置對稱、準(zhǔn)確。敏感部位上下兩表面上的相應(yīng)位置標(biāo)號分別用1、2、3和1‘、2、3‘表示，測量單元模塊用1、2……8表示，則Z向力測量橋路可用R11/R11”、R31/R31”、R61/R61”、R81/R81”來組橋，如圖2所示，AB端為供橋電源橋點，CD為信號橋點。

天平受到向上的拉力作用時測量單元模塊的敏感部位上表面應(yīng)變片受到壓縮，下表面內(nèi)部應(yīng)變片受到拉伸，二者形變形式不同，但是應(yīng)變量大小相同的，因此二者僅數(shù)值大小有正負(fù)，通過串聯(lián)接線方法組成的串聯(lián)全橋可以實現(xiàn)高精度的應(yīng)變測量。當(dāng)各應(yīng)變片的應(yīng)變相同，則有：

εd=（+++）-（---）=

2 信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集

2.1 信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集硬件

信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集硬件包括信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集電路，測量時還需要進(jìn)行度量空間轉(zhuǎn)換標(biāo)定。由六分量天平的各測量單元模塊感知氣動力響應(yīng)信號（即微應(yīng)變），應(yīng)變橋?qū)⑽?yīng)變轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把電壓模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，力素度量空間轉(zhuǎn)換標(biāo)定將數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為力學(xué)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集處理器芯片選用STM32F103xx增強型微控制器，具有一個嵌入式ARM核，兼容所有ARM工具和軟件;嵌入式Flash存儲器和RAM存儲器，內(nèi)置多達(dá)512KB的嵌入式Flash用于存儲程序和數(shù)據(jù);可變靜態(tài)存儲器（FSMC）、嵌套矢量中斷控制器（NVIC）、外部中斷/事件控制器（EXTI）等，具有多種電源管理模式。

信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集處理電路如圖3所示，6個力素測量單元各自獨立。測量單元模塊通信接口設(shè)計為九芯航空插頭，且具有互換性，測量單元模塊和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間使用9芯優(yōu)質(zhì)屏蔽線連接，可有效屏蔽外界電磁干擾。

2.2 通信機制

信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的力素數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機間設(shè)計采用CAN總線串行通信。因現(xiàn)有的計算機不具有CAN總線接口而無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，設(shè)計添加了CAN轉(zhuǎn)串口數(shù)據(jù)收發(fā)器以實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸，如圖3所示。

CAN總線通信優(yōu)點是不限制節(jié)點數(shù)量，且通信可靠，CAN總線上的節(jié)點沒有固定的地址，通過數(shù)據(jù)包ID而非節(jié)點地址來收發(fā)數(shù)據(jù)，只要總線上數(shù)據(jù)包的ID號在則該ID節(jié)點數(shù)據(jù)就被送到上位機軟件處理單元進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。該方式適用于多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，且開發(fā)使用方便快捷。

2.3 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件使用C#語言開發(fā)，具有數(shù)字力素電壓信號采集、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)通信、顯示、存儲、回放等功能。圖4所示為上位機軟件用戶界面。

3 實驗與結(jié)果

3.1 天平標(biāo)定

測量天平使用前需進(jìn)行標(biāo)定，上位機數(shù)據(jù)采集軟件兼具標(biāo)定功能，各力素通道標(biāo)定結(jié)果如圖5所示。標(biāo)定完成后，加載13kg靜態(tài)力，靜態(tài)力測量結(jié)果顯示標(biāo)定數(shù)據(jù)可靠，對標(biāo)定數(shù)據(jù)和實測結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，測量誤差在10g左右，測量精度滿足無人飛行器機動飛行力學(xué)測試要求。多次標(biāo)定后選取可信平均值作為標(biāo)定數(shù)據(jù)，圖5表中數(shù)據(jù)為垂向升力標(biāo)定數(shù)據(jù)實例。天平在靜態(tài)狀態(tài)時標(biāo)定數(shù)據(jù)顯示其回復(fù)性較好。

3.2 實測驗證

由于實驗時飛行器非靜態(tài)工作，因此天平測量受擾動影響。為檢驗動態(tài)實驗中天平的回復(fù)性，設(shè)計了飛行器定速變距實驗來檢驗天平在動態(tài)使用過程中的回復(fù)性，實驗條件為在相同轉(zhuǎn)速條件下固定時間長度內(nèi)以相同的旋翼總距變化量來測試旋翼升力大小，實驗數(shù)據(jù)實例如圖6所示。經(jīng)多次實驗數(shù)據(jù)對比表明：動態(tài)條件下天平可回復(fù)性較好，且實測升力數(shù)據(jù)與理論計算值接近，誤差在允許范圍內(nèi)，靜態(tài)實驗及動態(tài)實驗都證明天平的設(shè)計及制作可靠。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種新型的分體式六分量天平，重點研究了天平的構(gòu)型設(shè)計以及測量方法，包括天平測量的組橋方式、測量精度分析、數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集硬件與上位機程序的通信交互。設(shè)計制作了一套天平系統(tǒng)并將其應(yīng)用在實際實驗中，測量數(shù)據(jù)與理論計算值相近并且在誤差允許范圍內(nèi)，結(jié)果表明該天平的設(shè)計可行，整套系統(tǒng)在實際實驗中經(jīng)過驗證是可行有效的。

參考文獻(xiàn)

[1] 匡莉娟，施洪昌.基于虛擬儀器的風(fēng)洞測控系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2009，22（4）：15-16.

[2] 張景柱.特種六分力傳感器設(shè)計原理研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[3] 韓步璋，程樸人，楊愛蘇，等.提高風(fēng)洞天平阻力測量精確度的研究[J].氣動實驗與測量控制，1995，9（2）：61-65.

[4] KailWatson，Christian Nagel，齊立波.C#入門經(jīng)典[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[5] 計欣華，鄧宗白，魯陽，等.工程實驗力學(xué)[M].機械工業(yè)出版社，2010.