《共軸雙旋翼無人機(jī)動(dòng)力測試解決方案》

1、共軸雙旋翼無人機(jī)動(dòng)力測試解決方案刖言與傳統(tǒng)的多旋翼無人機(jī)架構(gòu)相比，共軸式多旋翼無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、上下旋翼反轉(zhuǎn)扭矩相消和良好的操 控性等優(yōu)勢，同時(shí)可以為整機(jī)提供更大的動(dòng)力，尤其在直升機(jī)領(lǐng)域，共軸雙旋翼的設(shè)計(jì)受到了越來越多軍 工設(shè)計(jì)領(lǐng)域與民用領(lǐng)域人士的重視，在無人整機(jī)整體平衡設(shè)計(jì)上無需尾槳來平衡主旋翼的扭矩，即可在空 中保持懸停，因此具有更高的懸停效率。據(jù)卡莫夫設(shè)計(jì)局的研究資料，通常共軸雙旋翼直升機(jī)的懸停效率 要比單旋翼帶尾槳的直升機(jī)高出17%30%。然而同樣是由于共軸雙旋翼的翼間布局緊湊的原因，下旋翼大局部區(qū)域處于上旋翼的下洗流和尾跡渦干擾 中，在上下旋翼之間存在非對稱干擾，造成流場內(nèi)部的氣動(dòng)

2、干擾更加復(fù)雜。為了充分發(fā)揮共軸雙旋翼的動(dòng) 力性能，減少不必要的功率損耗，因此對共軸雙旋翼無人機(jī)的動(dòng)力測試顯得尤為關(guān)鍵。一、系統(tǒng)概述本文嘗試從無人機(jī)生產(chǎn)制造商的角度來闡述全新一代的共軸雙旋翼無人機(jī)動(dòng)力測試系統(tǒng)，如何更全面、更 精準(zhǔn)和更高效地優(yōu)化共軸雙旋翼無人機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由全固態(tài)高精度的無人機(jī)動(dòng)力測試臺(tái)和模塊 化、開放式的數(shù)值風(fēng)洞系統(tǒng)兩局部組成。上述硬件局部均支持基于python腳本的自定義軟件控制，其重新 定義了無人機(jī)的動(dòng)力測試工程，極大地增強(qiáng)了生產(chǎn)廠商對無人機(jī)全生命周期的綜合態(tài)勢感知能力。1.全固態(tài)高精度Tyto共軸雙旋翼無人機(jī)動(dòng)力測試臺(tái)測試臺(tái)支持對共軸電機(jī)和共軸螺旋槳的推力，扭矩，

3、轉(zhuǎn)速，電流，電壓，溫度，空速，螺旋槳效率和電機(jī) 效率的測量幫助您精準(zhǔn)地描述和評估其性能參數(shù)。其中測試臺(tái)兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)共軸測試有以下幾種結(jié)構(gòu)形式: 背靠背，面對面，或偏置測試。與常規(guī)的無人機(jī)單電機(jī)+單旋翼測試臺(tái)相比，共軸雙旋翼電機(jī)測試方案引入了 一些新的參數(shù)變量:軸向距離：兩個(gè)螺旋槳在軸向上的物理偏移量Z；徑向偏移：兩個(gè)螺旋槳之間在徑向上的物理偏移；直徑差異：兩個(gè)螺旋槳可能有不同的直徑；螺距差異：兩個(gè)螺旋槳可能有不同的螺距； 當(dāng)同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)和電調(diào)時(shí)，還需要一些額外的參數(shù)設(shè)置：兩個(gè)螺旋槳之間的轉(zhuǎn)速差，以及上游螺旋槳 產(chǎn)生的空氣速度和壓力。僅使用單電機(jī)測試對上述所有這些參數(shù)進(jìn)行建模非常復(fù)雜，所以我

4、們建議首先確 定測試需要的初始目標(biāo)設(shè)置量。一般來說，無人機(jī)上的共軸雙旋翼動(dòng)力系統(tǒng)大多采用背靠背設(shè)計(jì)。背靠背設(shè)計(jì)的優(yōu)勢主要在于兩個(gè)電機(jī)都安裝在同一個(gè)無人機(jī)框架結(jié)構(gòu)上，進(jìn)而減少無人機(jī)自身結(jié)構(gòu)的材料和重量。當(dāng)我們開始對共軸雙旋翼無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行背靠背測試時(shí)，需要注意的是由于測試臺(tái)本身的結(jié)構(gòu)尺寸， 共軸測試存在一個(gè)最小同軸距離。如果在背靠背設(shè)置中無法到達(dá)所需的軸向距離，我們建議使用面對面設(shè) 置作為替代方案。面對面設(shè)置允許您在理論上到達(dá)0的最小距離，但伴隨而來的缺點(diǎn)是這種設(shè)置的空氣動(dòng) 力學(xué)效果可能與背靠背設(shè)置不完全相同。根據(jù)Tyto內(nèi)部測試數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)所有螺旋槳都足夠大時(shí)，背靠背設(shè)置和面對面設(shè)置之

5、間的差異并不顯 著。換句話說，螺旋槳越小，產(chǎn)生的推力越小，拖曳效果越明顯，測試結(jié)果越不準(zhǔn)確。只有當(dāng)螺旋槳在25kgf 和40kgf版本的推力架上大于32，并且在75kgf版本的推力架上大于40時(shí)，才建議將推力架轉(zhuǎn)換為面對面 設(shè)置以運(yùn)行同軸測試以降低同軸距離。當(dāng)我們完成共軸雙旋翼無人機(jī)動(dòng)力測試的前期相關(guān)準(zhǔn)備工作后，接下來我們開始著手后續(xù)的測試，首先設(shè) 置我們前面提到的相關(guān)參數(shù)：上游螺旋槳：直徑和螺距下游螺旋槳：直徑和螺距Z/D系數(shù)：軸向距離除以上游螺旋槳直徑重疊百分比：兩個(gè)螺旋槳重疊的外表積接下來確定共軸雙旋翼電機(jī)的測試布局：將電機(jī)及其螺旋槳進(jìn)行背靠背或面對面測試。并為整個(gè)測試系統(tǒng) 制定一個(gè)您希

6、望到達(dá)的目標(biāo)推力輸出。假設(shè)在無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)上使用相同的電機(jī)和螺旋槳，那么下游螺旋槳可能會(huì)有25%到35%的動(dòng)力損失。計(jì) 算所需的單個(gè)推力輸出。選擇一些可以到達(dá)所需推力的電機(jī)和螺旋槳，同時(shí)充分考慮無人機(jī)的尺寸限制： 使用測試臺(tái)進(jìn)行單電機(jī)測試，以首先測試選定的電機(jī)和螺旋槳的一般性能。接下來選擇多個(gè)可以適配同一電機(jī)的螺旋槳并進(jìn)行測試：例如，您可以在同一電機(jī)上適配26為8.5和28勺9 和30 xl0螺旋槳，對所有的螺旋槳進(jìn)行額外測試可能的組合。在背靠背測試方案中，測量電機(jī)的高度和安裝框架的最小厚度，以計(jì)算可以到達(dá)的最小軸向距離Z。將盡可能小的螺旋槳（可以產(chǎn)生足夠的推力且在單電機(jī)測試中具有不錯(cuò)的動(dòng)力效

7、率）作為上游螺旋槳，并 在下游使用相同的螺旋槳。導(dǎo)出Z/D因子并查看要到達(dá)的最小值，記下數(shù)字并設(shè)計(jì)幾組帶有增量的測試。例如，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)最小Z/D為 0.17時(shí)，你可以嘗試在0.17、0.20、0.23. 0.26等處測試支架。我們認(rèn)為超過0.5是超距，接近或大于此距 離會(huì)失去測試意義。測試同軸面對面或背靠背的目標(biāo)距離并全功率運(yùn)行：看看雙電機(jī)系統(tǒng)是否可以產(chǎn)生足夠的推力來進(jìn)行起飛。 進(jìn)一步測試以獲得雙電機(jī)設(shè)置中每個(gè)電機(jī)和螺旋槳的單獨(dú)性能：效率、功耗和計(jì)算飛行時(shí)間。測試同軸面對面或背靠背的目標(biāo)距離并以最大功率運(yùn)行電機(jī)：看看雙電機(jī)系統(tǒng)是否可以產(chǎn)生足夠的推力進(jìn) 行起飛。進(jìn)一步測試以獲得雙電機(jī)設(shè)置中每個(gè)電機(jī)

8、和螺旋槳的單獨(dú)性能：效率、功耗和計(jì)算飛行時(shí)間。嘗 試在下游位置使用更高螺距的螺旋槳繼續(xù)運(yùn)行上一步操作：查看單個(gè)螺旋槳的效率是否有所提升。如果您希望最大限度地獲得更高的輸出效率，可以先嘗試增加下游螺旋槳的直徑和螺距；然后增加Z距離； 對于大多數(shù)應(yīng)用程序，最不理想的方法是添加徑向偏移，因?yàn)樗軓?fù)雜并且極難預(yù)測性能的整體優(yōu)化。2.開放式的無人機(jī)風(fēng)洞測試系統(tǒng)為了更加真實(shí)地驗(yàn)證我們無人機(jī)飛行性能，本次方案中選擇了一款完全定制化的風(fēng)洞產(chǎn)品來完成無人機(jī)的自由飛行測試。本文所使用的風(fēng)洞設(shè)備的主要設(shè)施是Windshaper風(fēng)墻，其由可堆疊的模組組成，每個(gè)模組各有9個(gè)網(wǎng)格風(fēng) 扇單元。每個(gè)網(wǎng)格風(fēng)扇單元各自配備了 2

9、個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇，可產(chǎn)生最高至16m/s的風(fēng)速（借助收風(fēng)裝置 風(fēng)速最高至45m/s）。如同電視顯示屏的像素越高視圖越清晰一樣，風(fēng)墻的數(shù)百個(gè)網(wǎng)格風(fēng)扇單元使用戶可以 對氣流實(shí)現(xiàn)超精準(zhǔn)的控制。通過使用WindControl軟件來管理風(fēng)洞，通過簡單的命令即可精確地控制風(fēng)洞產(chǎn) 生的風(fēng)。Windshapers的獨(dú)特之處在于可以創(chuàng)造動(dòng)態(tài)風(fēng)廓線的能力，傳統(tǒng)的風(fēng)洞只能提供均勻的氣流，而Windshapers 通過3D輸入（u寸（x, y, t）可以創(chuàng)造出諸如風(fēng)切變、湍流和時(shí)變風(fēng)等特定條件的風(fēng)況。為我們此次無人機(jī)的三 維動(dòng)態(tài)自由飛行測試、重復(fù)飛行測試創(chuàng)造了極為便捷的實(shí)驗(yàn)條件。二、結(jié)束語目前共軸雙旋翼技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在國內(nèi)很多民用無人機(jī)領(lǐng)域，包括農(nóng)業(yè)植保無人直升機(jī)、電力巡掛、海關(guān)緝 私、公安維穩(wěn)、應(yīng)急減災(zāi)、海監(jiān)海事、地質(zhì)勘探、地形測繪、科學(xué)研究和影視拍攝等領(lǐng)域。因其