涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台

摘要

涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台，涉及无人机的悬停测力技术领域，解决现有的电机推力测试技术中存在问题，提供一种涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台，包括测试平台外支架、装调内支架、涵道螺旋桨系统和测量显示系统，所述测试平台外支架与装调内支架均为立方体框架，装调内支架通过片弹簧固定在测试平台外支架内；本发明由于采用直悬臂式片弹簧只在一个方向，即最小刚度平面上容易弯曲，使用电阻应变式传感器，测试时位移非常小，采用不同的片弹簧安放固定形式，既能约束某一方向的位移，又能留出传感器测量方向的自由度，使整个系统产生的待测信息传递至传感器，通过显示系统进行数据的读取和记录，实现不同试验目的。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机的悬停测力技术领域，具体涉及一种涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台。

背景技术

随着涵道飞行器的不断发展，涵道共轴双旋翼机构既可以作为独立的涵道飞行器，也可以作为提供动力的机构，成为飞行器中的一部分。相比于涵道单旋翼，涵道共轴双旋翼的结构更加紧凑，两副刚性旋翼位于涵道中央，绕同一轴线反向旋转以平衡各自产生的扭矩，从而不需要起平衡作用的导流板，飞行效率高，此外，涵道可以看成是包裹旋翼的环形机翼，在对旋翼起到保护作用、增强安全性和降低噪声的同时，还能够产生附加升力，提高悬停效率。

涵道共轴双旋翼结构复杂，两个旋翼之间以及涵道本体和旋翼机构之间的相互影响关系还不明确，因此，在样机试飞之前，需要对其空气动力学特性进行透彻研究，主要是通过试验的手段，分析轴流状态下双桨间距的变化及其相对涵道的轴向位置变化对整机升力和力矩的影响。现有的推力测试装置多针对单一带桨电机在变转速情况下的气动载荷(拉力、扭矩等)进行测量，功能单一，没有考虑一些气动参数的变化对整机气动特性的影响，不能满足涵道共轴双旋翼无人机的悬停测力需求。

中国发明专利申请公布说明书CN103604608A公开了一种“轻型运动飞机螺旋桨拉力试验台”，主要是用于单一带桨电机变转速情况下的推力和动态扭矩测量，搭建了操作简单、精确的试验台，但是不能实现整机系统的悬停测力实验。

中国实用新型专利说明书CN202994470U提出了一种“无人飞机动力性能测试系统”，可以对无人机在各飞行工况下在发动机驱动下的输出扭矩、转速、功率、推力、油耗等驱动性能进行综合测试，但从本质上说也仅是针对发动机的推进特性进行了测试。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的电机推力测试技术中存在问题，提供一种涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台。

涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台，包括测试平台外支架、装调内支架、涵道螺旋桨系统和测量显示系统，所述测试平台外支架与装调内支架均为立方体框架，所述装调内支架通过片弹簧固定在测试平台外支架内；

所述涵道螺旋桨系统包括涵道、导流片、L型连接件、折弯连接件、撑环、中心柱、舵机、衬套、舵机支架、摇臂连杆机构、碳纤维管、简易型轴承和上下两层螺旋桨系统，每层螺旋桨系统包括连接件、电机、电机固定座、中心安置底座、支撑杆、桨毂和螺旋桨；

所述涵道放置在撑环中，所述撑环通过L型连接件与装调内支架内侧螺栓连接固定，所述折弯连接件一端通过螺栓连接固定在装调内支架内侧，另一端压紧涵道唇口，固定涵道位置，松紧螺栓使涵道在竖直方向上下移动；电机的转子轴通过桨毂连接螺旋桨，电机的定子连接电机固定座，支撑杆呈十字交叉形嵌入中心安置底座下端面的十字凹槽内，中心安置底座与电机固定座通过螺钉固定，支撑杆四端装有连接件，所述连接件通过螺栓连接固定在装调内支架同一水平面上；

上层螺旋桨和下层螺旋桨在装调内支架中共轴相对装配，松紧上层螺旋桨系统中的连接件与装调内支架的连接螺栓，上层螺旋桨系统通过支撑杆在装调内支架内部竖直上下移动；

所述中心柱一端通过固定座连接下定位框，另一端连接下层螺旋桨系统的中心安置底座；

所述舵机为四个，分别对应安装在舵机支架上，所述舵机支架与中心柱的四周面通过螺栓连接固定，所述导流片为四个，相互呈九十度对称分布在中心柱四周，且处于同一高度，每个导流片顶部贯穿一根碳纤维管，所述碳纤维管一端套入舵机支架中的衬套中，另一端与简易型轴承的内圈连接，简易型轴承通过螺栓固定在装调内支架上；

所述衬套与简易型轴承的内圈中心在同一水平面上，保证导流片绕碳纤维管转动，同时松紧舵机支架与中心柱的螺栓以及简易型轴承与装调内支架上的连接螺栓，使导流片在竖直方向上下移动，当舵机转动时，通过摇臂连杆机构带动导流片绕碳纤维管转动一定的角度，所述涵道螺旋桨系统中的涵道、舵机、导流片、上层螺旋桨系统中的电机和螺旋桨在装调内支架中的竖直方向上下调动，获得不同间距的涵道共轴双旋翼模型；所述测量显示系统中的传感器一端与底板固定在测试平台外支架的支撑梁上，传感器的另一端与下定位框连接。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台能够快速实现双桨间距及其相对涵道的轴向位置等气动参数地调节并对系统升力及扭矩进行测试，具体用于测量电机不同转速情形下，双桨间距及其相对涵道的轴向位置改变时，整机所产生的升力和纵向扭矩的大小，

二、本发明将涵道螺桨系统集成固定在装调内支架上，并通过上下两层各四片均布的片弹簧连接悬置在实验平台外支架中间，使其有一定的合适的离地高度，减少地面效应的影响，试验中，下桨的位置不变，移动上桨/涵道的纵向位置，就可得到不同间距的涵道共轴双旋翼模型，调整螺旋桨的转速大小，系统升力、扭矩等待测信息被传感器所感受，并通过数据线传送至显示设备，然后对数据进行采集，拟合曲线。该装置能够快速实现双桨间距及其相对涵道的轴向位置等气动参数地调节并对系统升力及扭矩进行测试，可以满足不同试验需求，功能多样、结构简单、成本低、使用便捷。

三、本发明中，由于采用直悬臂式片弹簧只在一个方向——最小刚度平面上容易弯曲，而在另一个方向上具有大的拉伸刚度及弯曲刚度，并且所使用的传感器均为电阻应变式传感器，测试时位移非常小，肉眼几乎不可见，片弹簧的影响可以忽略，这样根据不同试验需求，采用不同的片弹簧安放固定形式：竖放、平放，既能约束某一方向的位移，又能留出传感器测量方向的自由度，当螺旋桨旋转运动时，整个系统产生的反扭矩通过装调内支架传递给静态扭矩传感器，被其感受、测试得到，升力则被拉压传感器测试出来，然后通过相应显示系统进行数据的读取和记录，从而实现不同试验目的。

四、本发明所述的涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台与现有推力测试技术中多存在的仅针对单一带桨电机变转速情况下的气动载荷测量，重点探索一些气动参数的变化对整机气动特性的影响，提出了一种涵道共轴双旋翼无人机整机系统的地面气动特性试验台，分析、研究在涵道的影响下，双桨间距的变化及其相对涵道的轴向位置变化对整机升力和扭矩的影响，并探索不同舵偏角下的力矩，双旋翼的安装位置、间距以及转速分配最优关系等，为涵道螺旋桨无人机控制的精确数学模型建立以及下一步详细结构设计提供依据。本发明可以快速调节得到不同的涵道共轴双旋翼模型并满足其试验需求。

附图说明

图1为本发明所述的涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台的轴测图；

图2为本发明所述的涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台的系统框图；

图3为本发明所述的涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台中装调内支架的轴测图；

图4为图3的正视图；

图5为本发明所述的涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台中装调内支架中未加载涵道时的轴测图；

图6为图5中舵机摇臂连杆机构的局部放大图；

图7中图7a为轴向扭矩测量时片弹簧竖放的示意图，图7b为采用静态扭矩传感器的局部视图；

图8中图8a为升力测量时片弹簧平放的示意图，图8b为采用拉压传感器的局部视图；

图9为俯仰/滚转扭矩测量时气动特性试验台整体的轴测图；

图10为俯仰/滚转扭矩测量时静态扭矩传感器装配位置的局部视图。

图中：1、测试平台外支架，2、装调内支架，3、涵道，4、导流片，5、联轴器，6、传感器，7、片弹簧，8、L型连接件，9、折弯连接件，10、上定位框，11、撑环，12、中心柱，13下定位框，14、舵机，15、连接件，16、电机，17、电机固定座，18、中心安置底座，19、衬套，20、舵机支架，21、固定座，22、摇臂连杆机构，23、碳纤维管，24、简易型轴承，25、支撑杆，26、桨毂，27、螺旋桨，28、底板，29、调节脚。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本发明的具体实施方式，一种涵道共轴双旋翼无人机气动特性地面试验台，主要由测试平台外支架1、装调内支架2、涵道螺桨系统和测量显示系统组成。本发明的测试平台外支架1整体由40·40铝型材组合搭建，通过螺栓连接固定，接地端装有4只调节脚29，装调内支架2通过下定位框13与上定位框10将4根相同长度的30·30铝型材组合成型，螺栓固定，涵道螺桨系统中的一个涵道3、两个电机16、两套三叶螺旋桨27、四个舵机14、四块导流片4等部件依次固定在装调内支架中，并通过上下两层各四片均布的片弹簧7连接悬置在实验平台外支架中间，测量显示系统中的传感器一端与底板28通过螺钉连接固定在外支架支撑梁上，另一端与下定位框13连接。

结合图3、图4、图5、图6说明本发明的具体实施方式，本发明的涵道螺桨系统由一个涵道3、两个电机16、两套三叶螺旋桨27、四个舵机14、四块导流片4等部件组成，涵道3放置在撑环11中，四个L型连接件8通过螺栓一端固定在装调内支架2内侧，另一端与撑环11连接固定，四个折弯连接件9通过螺栓一端固定在装调内支架2内侧，另一端压紧涵道3唇口，保证试验时涵道稳定不动，电机16转子轴通过桨毂26连接螺旋桨27，定子连接电机固定座17，支撑杆25呈十字交叉形嵌入中心安置底座18下端面的十字凹槽内，中心安置底座18与电机固定座17通过螺钉固定，并且支撑杆25四端通过连接件15固定在装调内支架2同一水平面上，上下电机螺旋桨在内支架中共轴相对装配，不同的是，上电机螺旋桨可以随支撑杆25上下移动调节，中心柱12通过上下两个固定座21分别连接下电机螺旋桨的底座18和下定位框13，试验时下电机螺旋桨固定位置不变，舵机支架20一侧通过螺钉安装舵机14，另一侧与中心柱12通过螺栓固定，导流片4共有四个，相互呈九十度对称分布在中心柱12四周，且处在同一高度，导流片4顶部各贯通穿过一根碳纤维管23，所述碳纤维管23一端套入舵机支架20中的衬套19中，另一端与一个简易型轴承24的内圈连接，其中衬套19与轴承24的内圈中心在同一水平面上，从而保证导流片4可以绕碳纤维管23转动，当舵机14转动时，通过摇臂连杆机构22带动导流片4随之转动一定的角度，涵道螺桨系统中的涵道3、上层电机16和螺旋桨27系统、舵机14和导流片4在装调内支架中的竖直位置可以上下调动，以此得到不同间距的涵道共轴双旋翼模型。

结合图1、图2说明本实施方式，所述测量显示系统的传感器通过数据线连接数据显示仪，构成整个测量显示系统，其中，传感器6底端与底板26通过螺钉连接在外支架支撑梁上，顶端与下定位框13连接，试验中传感器感受被测量信息，数据线进行数据的传输，显示器显示所测得的数据，并通过上位机对数据进行采集，拟合曲线。

所述测量显示系统还包括转速调节器、数据显示仪和数据分析系统，接通电源，四个导流片处于零舵偏角状态，通过转速调节器控制上下两层螺旋桨系统中的电机分别带动上下两层螺旋桨以某一固定的速度旋转，系统产生的待测量信息传递至传感器6，

所述传感器6选择静态扭矩传感器时，所述静态扭矩传感器将测量的信息通过数据线传送至数据显示仪，所述数据显示仪显示测量得到的数据并将信息传送至数据分析系统，所述数据分析系统对接收的信息处理分析，筛选出系统整体纵向扭矩小的涵道共轴双旋翼最优模型，以及探讨不同舵偏角下整机舵效。

当传感器6选择拉压传感器时，所述拉压传感器将测量的信息通过数据线传送至数据显示仪，所述数据显示仪显示测量得到的数据并将信息传送至数据分析系统，所述数据分析系统对接收的信息处理分析，筛选出系统整体最大升力状态模型。

具体实施方式二，本实施方式为采用具体实施方式一所述的涵道共轴双旋翼无人机气动特性试验台试验的三种主要试验形式：

一、轴向(纵向)扭矩测量：结合图3、图7，装调内支架2通过上下两层各四片均布竖放的片弹簧7连接悬置在实验平台外支架中间，静态扭矩传感器位于装调内支架2正下方，其一端与底板28通过螺栓连接固定在测试平台外支架1支撑梁上，另一端与装调内支架2的下定位框13通过联轴器5固定连接，将涵道螺桨系统各部件依次安装在装调内支架2中，保证下层螺旋桨系统的位置不变，移动上层螺旋桨、涵道，必要的时候还可以改变导流片的纵向位置，就可得到不同间距的涵道共轴双旋翼模型，如此，整个包含涵道螺桨系统的内支架就被限定了竖直方向的位移，只能沿轴向(纵向)转动，接通电源，四个导流片处于零舵偏角状态，通过转速调节器控制两个带桨电机分别以设定的速度旋转，整个系统产生的反扭矩通过装调内支架传递给静态扭矩传感器6，被其感受、测试得到，数据处理、分析，筛选出系统整体纵向扭矩小的涵道共轴双旋翼的最优模型，也可以给定一系列舵偏角组合，测量系统的偏航扭矩大小。

二、系统升力测量：参见图8，装调内支架2通过上下两层各四片均布平放的片弹簧7连接悬置在实验平台外支架中间，拉压传感器装调支架2正下方，其一端与底板28过螺栓连接固定在测试平台外支架1支撑梁上，另一端与装调内支架2的下定位框13连接，如此，整个包含涵道螺桨系统的内支架就被限定了轴向(纵向)转动的自由度，只能沿竖直方向平动，采用其中所筛选出的确定的双桨间距及其相对涵道位置的最优模型，接通电源，四个导流片处于零舵偏角状态，通过转速调节器控制两个带桨电机分别以设定的速度旋转，整个系统产生的升力通过装调内支架传递给拉压传感器，被其感受、测试得到，数据处理、分析，筛选出最大升力状态模型。

三、俯仰/滚转扭矩测量：结合图9、图10，静态扭矩传感器水平固定在外支架一侧横梁上，装调内支架2左右两侧分别连接一个联轴器并横跨在测试平台外支架横梁上，装调时确保装调内支架2重心在联轴器5和静态扭矩传感器的中心轴线上，通过给定一系列舵偏角组合，测量系统的水平轴向扭矩，探讨不同舵偏角下整机舵效。