微型旋翼飞行器非对称变距机理的动态测试实验研究

摘要

微型旋翼飞行器是现代微型飞行器发展的一个重要方向，由于其在军事上和民用上都有着十分广阔的应用前景，因此得到了世界各国的极大关注和高度重视。本课题是国家自然科学基金支持项目，具有很强的应用价值。 本文主要的研究对象是微型旋翼飞行器，它的尺寸为15cm，重量为105g，具有非对称变距系统。非对称变距系统的机理为：通过电机的瞬间加速，利用旋翼桨叶的惯性力使弹性连杆变形来实现桨叶变距，达到控制微型旋翼飞行器机动飞行的目的。由于弹性连杆只和单边桨叶通过刚性相连，桨距角会从连接端的最大值递减到非连接端的最小值，呈现桨叶变距的非对称性。由此可见，研究非对称变距机理的关键就是研究电机输出转矩、弹性连杆变形、桨距角之间的关系。本文从动态测试实验的角度来研究上述非对称变距机理，完成了4个动态测试实验：1)动态测试弹性连杆变形量——利用应变片，通过旋转水银导电滑环将信号引出，经应变放大仪放大后通过PCI2003数据采集卡采集数据，并存储在PC机中；2)测试电机转速实验——利用C8051F020单片机的PCA捕捉功能；3)测试电机扭矩实验——利用测定的电机转速得到扭矩；4)高速摄像法动态测试电机电压和桨距角及弹性连杆变形角度之间的关系——利用高速摄像机在不同相位测定飞机角度。通过以上这些实验可以定性的找到飞行器变距的初步规律。 本文的研究主要有两个难点：一是由于微型旋翼飞行器的体积小、旋转速度快、角度变形小，接触法测量桨距角十分困难，针对此难点本文提出了一种新颖的高速摄像法。高速摄像机的拍摄速度可达10000帧/秒，可以动态的拍摄桨距角变化的全过程。二是微型旋翼飞行器的负载能力小、弹性连杆变形小、传输数据困难。针对这些问题提出了微小应变测量法：利用应变片、水银滑环来解决桨叶旋转及信号传输的问题。作者将这两种新颖的方法应用到了微型旋翼飞行器中，是一种大胆的尝试，实验结果证明了这两种方法的可行性。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2微型旋翼飞行器的国内外发展现状

1.2.1微型旋翼飞行器的国外发展现状

1.2.2微型旋翼飞行器的国内外发展现状

1.3微型旋翼飞行器研究的关键技术

1.4课题研究意义

1.5论文的主要研究内容

第二章弹性连杆变形量的实验测定

2.1弹性连杆变形量实验测试原理

2.2弹性连杆变形量测定实验系统

2.2.1弹性连杆变形量测定实验系统整体框图

2.2.2应变片电桥电路原理[19][20]

2.2.3水银导电滑环

2.2.4 YF-3型应变放大器

2.2.5 PCI2003A/D采集卡

2.3弹性连杆变形量测量实验方案及实验数据分析

2.3.1实验测量方案

2.3.2实验测量数据及结果分析

2.4实验中出现的问题及误差来源分析

2.4.1弹性连杆测量实验中出现的问题

2.4.2弹性连杆测量实验误差来源分析

2.5小结

第三章非对称控制特性的测试研究

3.1非对称控制特性测试原理

3.2非对称控制特性动态测试方法

3.2.1测速系统的硬件设计

3.2.2测速系统的软件设计

3.3非对称控制特性测试研究的实验平台

3.3.1实验平台的机械设计

3.3.2实验平台的组装

3.4控制特性测试及其分析

3.5非对称变距系统转矩的测定

3.5.1电机转矩的测试原理

3.5.2转矩测量实验系统

3.5.3转矩测量的实验数据

3.5.4转矩测量的实验结果分析

3.6微型无人直升机旋翼操纵机构规律验证

3.7小结

第四章利用高速摄像技术测量桨距角及弹性连杆变形角度

4.1高速摄像实验系统

4.1.1高速摄像技术简介

4.1.2高速摄像实验系统的硬件设计

4.1.3高速摄像实验系统软件设计

4.2高速摄像实验方案

4.3图像处理

4.3.1MATLAB软件介绍

4.3.2边缘检测的基本原理

4.3.3常用的边缘检测算子

4.3.4桨距角图像的处理

4.3.5弹性连杆变形角度图像的处理

4.4实验结果及分析

4.4.1微型飞行器在不同状态下电压与角度之间关系的数据

4.4.2微型飞行器在不同状态下电压与角度之间关系的数据处理结果

4.5小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文及专利

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致谢

附录