多旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

吳金宇，楊蕊姣

(中電科蕪湖通用航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院限公司，安徽蕪湖，241000)

0 引言

螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)和鋰電池構(gòu)成了電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的六種飛行狀態(tài)變化[1]。今年來(lái)發(fā)生無(wú)人機(jī)墜毀事件頻繁發(fā)生，主要是由于對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行性能不夠了解，在使用時(shí)超出飛行時(shí)各項(xiàng)安全性能指標(biāo)。故為了確定多旋翼無(wú)人機(jī)的安全飛行使用范圍，需要在安裝試飛前對(duì)進(jìn)行特性測(cè)試與計(jì)算，以便使無(wú)人機(jī)能夠進(jìn)行安全高效率的飛行。目前，針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容較少，且測(cè)試方法簡(jiǎn)便，文獻(xiàn)[2-4]中均通過(guò)電子秤或?qū)Ｓ玫娘@示儀器分別來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)螺旋槳的轉(zhuǎn)速、拉力和扭矩值，所測(cè)量數(shù)據(jù)需要手動(dòng)記錄，操作起來(lái)比較繁瑣且效率過(guò)低。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完整的無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可對(duì)螺旋槳的轉(zhuǎn)速、拉力、扭矩、溫度、電壓、電流和PWM 等值進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和保存，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出無(wú)人機(jī)的飛行性能。

1 多旋翼動(dòng)力學(xué)模型

本文以四旋翼無(wú)人機(jī)為例建立其動(dòng)力學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，當(dāng)無(wú)人機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí)螺旋槳升力和扭矩也隨之發(fā)生改變。

對(duì)于X型無(wú)人機(jī)四個(gè)旋翼產(chǎn)生的拉力與無(wú)人機(jī)動(dòng)力關(guān)系模型如下：

Ti為第i 個(gè)旋翼所產(chǎn)生的拉力（i=1、2、3、4）（N），F(xiàn)T為四個(gè)旋翼產(chǎn)生的拉力總和，Mφ、Mθ、Mψ分別代表無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)力矩、俯仰力矩和偏航力矩(N·m)；l 為旋翼到無(wú)人機(jī)重心的水平距離即臂長(zhǎng)(m)。根據(jù)葉素理論可得出螺旋槳拉力、扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式[5]：

其中ρ 為空氣密度（Kg/m3），r 為螺旋槳的直徑（m），CT和CM分別為螺旋槳拉力系數(shù)和扭矩系數(shù)，由于以上參數(shù)均為定值，故對(duì)兩式進(jìn)行簡(jiǎn)化得：

KT和KM分別代表螺旋槳拉力總系數(shù)和扭矩總系數(shù)，故將式（1）表示為：

綜上可知四旋翼動(dòng)力學(xué)模型中的主要參數(shù)分別為總拉力系數(shù)KT（N.s2/rad2）和總扭矩系數(shù)KM(N.m.s2/rad2) 。

在控制無(wú)人機(jī)飛行前，需要對(duì)動(dòng)力學(xué)模型中的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

(1)最大起飛重量與載重

無(wú)人機(jī)的最大起飛重量為四個(gè)旋翼產(chǎn)生最大拉力時(shí)，即PWM 信號(hào)給到最大時(shí)：

其中n 為旋翼數(shù)，Gfman 為無(wú)人機(jī)最大起飛重量(N)，Tmax 為一個(gè)旋翼的最大拉力值(N)。以上為理論的計(jì)算值，而在實(shí)際的四旋翼飛行時(shí)，由于飛行中會(huì)遇到不確定的因素，例如風(fēng)向的阻礙、拉力最大值的不一致等原因會(huì)對(duì)飛行造成一定的影響，故旋翼產(chǎn)生的總拉力應(yīng)略大于重力，占空比一般取0.8～0.9 左右，從而給無(wú)人機(jī)控制的一定裕度，確保無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行穩(wěn)定的安全飛行。四旋翼無(wú)人機(jī)在使用時(shí)通常要搭載機(jī)載設(shè)備，例如攝像頭、農(nóng)藥箱的機(jī)載設(shè)備:

其中Gz為四旋翼無(wú)人機(jī)的總重量(N)，Gmaxload 為無(wú)人機(jī)機(jī)載最大載重質(zhì)量(N)。

(2)最大懸停時(shí)間

在四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行空載懸停時(shí)，需要旋翼產(chǎn)生的總拉力與無(wú)人機(jī)所受到的總重力相等，則有:

無(wú)人機(jī)在懸停的狀態(tài)下，輸出的電流為固定值，故通過(guò)計(jì)算此時(shí)拉力所需要的電流Ih值大小(mA)，而可以求出無(wú)人機(jī)的最長(zhǎng)懸停時(shí)間thmax為：

(3)最大飛行速度與飛行距離

四旋翼無(wú)人機(jī)在進(jìn)行平飛時(shí)，會(huì)發(fā)生姿態(tài)的改變，使旋翼產(chǎn)生沿水平方向的分力從而實(shí)現(xiàn)其無(wú)人機(jī)的平飛運(yùn)動(dòng)。旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的拉力沿豎直方向的分力與重力相等，沿水平方向的力與空氣阻力相等。當(dāng)旋翼拉力達(dá)到最大時(shí)，機(jī)身的傾角也達(dá)到最大，此時(shí)平飛速度達(dá)到最快，如圖2 所示。

最大俯仰角為：

無(wú)人機(jī)所受的阻力與飛行速度的關(guān)系為：

其中V 為無(wú)人機(jī)的平飛速度(m/s)，CD為無(wú)人機(jī)在機(jī)身為θmax的角度下所受到的阻力系數(shù)(N·s2/m2)，代入公式中可以求出對(duì)應(yīng)的電池放電電流，通過(guò)計(jì)算出放電時(shí)間進(jìn)而求出無(wú)人機(jī)的航程。

當(dāng)θ=θmax時(shí)，Z(θmax)為最遠(yuǎn)飛行距離為(m)；

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于STM32F407ZGT6 單片機(jī)對(duì)紅外光電反射光耦計(jì)數(shù)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集計(jì)算轉(zhuǎn)速并為電機(jī)提供PWM 信號(hào)值；通過(guò)8port RS485/422 采集設(shè)備對(duì)BSLS-2S型拉壓力傳感器、JNNT-2型雙法蘭靜態(tài)扭矩傳感器、電壓電流傳感器和CK-01A 紅外溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；最后通過(guò)串口通信傳輸給PC 機(jī)中，采用LabVIEW 軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、繪制波形曲線并保存[6]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)構(gòu)框圖

將待測(cè)直流無(wú)刷電機(jī)和螺旋槳固定到測(cè)試平臺(tái)的杠桿前端，電機(jī)左側(cè)安裝紅外反射光耦計(jì)數(shù)傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量[7]。在電機(jī)下端與扭矩傳感器進(jìn)行連接，拉壓力傳感器的上端與杠桿的另一端相連。杠桿終端安裝紅外測(cè)溫傳感器。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)組成

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)拉力傳感器

選用BSLS-2S型拉壓力傳感器（本文只用到拉力部分），工作量程為0～20（Kg），輸出靈敏度為1～1.5（mv/v）。

(2)扭矩傳感器

選用JNNT-2型雙法蘭靜態(tài)扭矩傳感器，雙法蘭便于安裝且穩(wěn)定，工作量程為0～5（N·m），輸出靈敏度為2.0±0.1（mv/v）。

(3)電壓電流傳感器

選用雙向正負(fù)測(cè)量電壓電流檢測(cè)485 模塊，模塊可實(shí)時(shí)輸出當(dāng)前測(cè)量信號(hào)的源碼數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)按照相關(guān)格式對(duì)采集設(shè)備采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

(4)溫度傳感器

溫度測(cè)量選用紅外溫度非接觸式傳感器測(cè)溫探頭，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前電機(jī)設(shè)備表面溫度，工作量程為0～200（℃）。

(5)轉(zhuǎn)速測(cè)量

選用漫反射光電開(kāi)關(guān)AYJG-08NO M8 激光傳感器紅外感應(yīng)器。具有信號(hào)干凈、波形好、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。激光傳感器紅外感應(yīng)器輸出的紅外信號(hào)在遇見(jiàn)遮擋時(shí)進(jìn)行反射輸出高電平，無(wú)遮擋輸出低電平，故當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槳會(huì)對(duì)傳感器進(jìn)行遮擋，從而產(chǎn)生脈沖信號(hào)。本文中采用T 測(cè)速法[8]，對(duì)電機(jī)的周期進(jìn)行測(cè)量，其原理是根據(jù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算旋翼的轉(zhuǎn)速值，適用于低轉(zhuǎn)速測(cè)量，計(jì)算公式如下：

式中Ω 為電機(jī)轉(zhuǎn)速（rad/s-1）,f 為計(jì)數(shù)器頻率（Hz），p為螺旋槳槳葉數(shù)，m 為兩個(gè)脈沖之間的計(jì)數(shù)值，當(dāng)有脈沖掃過(guò)時(shí)打開(kāi)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，在下一脈沖到來(lái)時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器根據(jù)公式（7）計(jì)算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值，同時(shí)將計(jì)數(shù)器清零，以便下一脈沖到來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)[9]。

(6)PWM 信號(hào)產(chǎn)生

由于遙控器輸出的PWM 信號(hào)無(wú)法在上位機(jī)中顯示，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)單片機(jī)中的定時(shí)器代替無(wú)線遙控器輸出PWM 信號(hào)。其工作原理如圖5 所示，圖中采用向上計(jì)數(shù)的方法，其中arr 為預(yù)裝載值，可控制輸出的頻率；ccrx 為設(shè)定的比較值，可控制脈沖的寬度，當(dāng)cnt的值大于ccrx時(shí)輸出高電平，小于ccrx 時(shí)為低電平，有效電平可根據(jù)程序進(jìn)行設(shè)置。而在一個(gè)周期內(nèi)有效電平所占的時(shí)間與整個(gè)時(shí)間的比值稱為占空比σ[10]。

圖5 PWM 工作原理圖

本設(shè)計(jì)中使用STM32 中的定時(shí)器TIM14 來(lái)輸出PWM 信號(hào)，首先對(duì)定時(shí)器的arr 與psc 值進(jìn)行設(shè)定，公式如下：

psc 為時(shí)鐘預(yù)分頻系數(shù)，Tclk 為輸入的時(shí)鐘頻率(MHz)，Tout 為設(shè)定的溢出時(shí)間。實(shí)驗(yàn)將所要輸出的PWM 信號(hào)頻率設(shè)為400Hz，公式中Tclk 為84MHz，故將arr 值取2499，psc 取83，此時(shí)Tout 輸出值為2.5ms，PWM 輸入范圍1000～2000。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)介紹

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)虛擬儀器集成環(huán)境，由于其編程方式是通過(guò)圖標(biāo)和連線構(gòu)成的流程圖[11]，所以操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，從而大幅度提高工作效率，目前以應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際當(dāng)中。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所采集到螺旋槳的轉(zhuǎn)速、拉力、扭矩和PWM 值最終在設(shè)計(jì)的LabVIEW 軟件中進(jìn)行顯示與保存，上位機(jī)采集軟件界面如圖6 所示。

(1)數(shù)據(jù)采集

串行通信是將構(gòu)成字符的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位依照一定的順序逐位的進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞絒12]。LabVIEW 中通過(guò)VISA 驅(qū)動(dòng)對(duì)下位機(jī)進(jìn)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。VISA 中函數(shù)包括，VISA 配置函數(shù)（VISA Configure Serial Port）、VISA 讀取函數(shù)（VISA Read）和VISA 關(guān)閉（VISA Close）。VISA 配置函數(shù)將串口的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，本文中：波特率為115200、8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位；VISA 讀取函數(shù)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，此處需設(shè)定所讀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；VISA 關(guān)閉是指當(dāng)結(jié)束數(shù)據(jù)上傳時(shí)對(duì)串口進(jìn)行關(guān)閉處理。

(2)數(shù)據(jù)處理

VISA 所采集到的數(shù)據(jù)是以字符串形式在緩沖區(qū)中，此處對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。應(yīng)用匹配模式（Math Pattern）并通過(guò)設(shè)置正則表達(dá)式對(duì)緩沖區(qū)里字符串進(jìn)行截取。通過(guò)分?jǐn)?shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換（Fract/Exp string To Number）將字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值存入數(shù)組中。

(3)數(shù)據(jù)顯示與保存

數(shù)據(jù)的顯示通過(guò)表盤(pán)、垂直指針滑動(dòng)桿和波形進(jìn)行顯示。表盤(pán)和垂直指針滑動(dòng)桿控件可直接反映出采集的數(shù)據(jù)，而波形可以清晰的反映出數(shù)據(jù)的走向。為了實(shí)時(shí)觀察并進(jìn)行存儲(chǔ)與對(duì)比分析，設(shè)計(jì)中選擇波形圖表控件進(jìn)行顯示[13]。數(shù)據(jù)保存部分通過(guò)寫(xiě)入電子表格，由于在表格中要顯示測(cè)量時(shí)間與日期值，故將數(shù)值轉(zhuǎn)化為字符串形式寫(xiě)入數(shù)組中，電子表格的字符串長(zhǎng)度設(shè)為%10f，添加至文件設(shè)為T(mén)，轉(zhuǎn)置設(shè)為F，并將表格保存為xlsx 格式。LabVIEW 上位機(jī)軟件程序框圖如圖7 所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在得到無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)后，通過(guò)理論公式對(duì)無(wú)人機(jī)的性能進(jìn)行分析與計(jì)算，此過(guò)程在試飛前至關(guān)重要，可以使操作者充分了解無(wú)人機(jī)的相關(guān)性能，從而確定無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行時(shí)的應(yīng)用范圍，增加了無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的安全系數(shù)[14]。

通過(guò)上述關(guān)系式與參數(shù)計(jì)算，結(jié)合無(wú)人機(jī)所選用的無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行裝置選擇，將實(shí)際測(cè)量與系統(tǒng)部件和官方提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，本文中所選用的動(dòng)力系統(tǒng)裝置參數(shù)如表1 所示。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)不斷改變單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)來(lái)改變占空比值，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸入電壓的變化，所測(cè)量的各項(xiàng)特性參數(shù)將會(huì)保存在上位機(jī)中，實(shí)驗(yàn)所測(cè)量各階段穩(wěn)定時(shí)的傳感器值如表2 所示。

通過(guò)前期測(cè)量無(wú)人機(jī)空機(jī)重量(不含機(jī)載設(shè)備)Gz為14.74N，在正常微風(fēng)狀態(tài)下，當(dāng)飛行高度約為15m 時(shí)，其平飛阻力系數(shù)CD約為為0.228(N·s2/m2)，在該高度和溫度下將平飛阻力系數(shù)代入以上公式中，根據(jù)計(jì)算并結(jié)合相關(guān)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出無(wú)人機(jī)的大致性能如表3 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)特性進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)下位機(jī)采集上位機(jī)顯示與保存方式，形成了一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了本系統(tǒng)具有測(cè)試精度高，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集且效果良好等特點(diǎn)。適用于多旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)安裝前的地面測(cè)量與調(diào)試，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出無(wú)人機(jī)的飛行安全性能，為無(wú)人機(jī)控制算法的設(shè)計(jì)和辨識(shí)建模的研究提供了所需的測(cè)量數(shù)據(jù)，可在實(shí)際工程中得到良好的應(yīng)用。